DE19601691C1 - Vorrichtung zur kapazitiven Messung des Füllstands einer dielektrischen Flüssigkeit in einem Behälter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur kapazitiven Messung des Füllstandes einer dielek­ trischen Flüssigkeit in einem Behälter gemäß dem Patentanspruch.

Bei kapazitiven Sensoren wird zum gegenwärtigen Zeitpunkt eine von einem Hochfrequen­ zoszillator erzeugte Spannung einer Meßkapazität zugeführt; diese Meßkapazität ändert in Abhängigkeit von dem Füllstand einer dielektrischen Flüssigkeit in einem Behälter ihren Kapazitätswert. Damit ergibt sich eine Widerstandsänderung für eine Wechselspannung fester Frequenz, mit der Widerstandsänderung ändert sich der Wechselspannungsabfall über der Meßkapazität und die Höhe des Wechselstromes, der die Meßkapazität durchfließt. Der Wech­ selstromfluß durch die Meßkapazität wird mit Hilfe eines Synchrondemodulators in ein der Admittanz der Meßkapazität entsprechendes Gleichstromsignal umgewandelt. Aus der Offen­ legungsschrift DE 42 44 739 A1 ist eine Anordnung zur Auswertung der Admittanz einer va­ riablen Meßkapazität, insbesondere für kapazitive Füllstandssonden bekannt. Die in DE 4244 739 A1 beschriebene Anordnung arbeitet nach dem oben beschriebenen Verfahren und enthält außerdem einen Tastverhältnis-Regelkreis zur Stabilisierung des Tastverhältnisses für den Synchrondemodulator sowie einen Regelkreis zur Konstanthaltung von Oszillatoramplitude
und Oszillatorfrequenz. So ergibt sich eine frequenz- und temperaturstabile Meßanordnung, an deren Ausgang ein der Sondenadmittanz proportionaler Spannungswert auftritt. Das Verfahren ist mit hohem Aufwand verbunden.

Aus der Offenlegungsschritt DE 30 02 668 A1 ist eine Einrichtung zur analogen Messung einer Größe mit Fernanzeige bekannt. Bei dieser Einrichtung wird eine entfernte Meßschaltung über einen Leiter durch ein Strommeßgerät (Galvanometer) mit einer Energie­ quelle verbunden. Nach dem Galvanometer ist ein Spannungsregler vorgesehen, der für die verwendeten steuerbaren Stromquellen eine feste Spannung liefert. Der durch das Strommeßgerät angezeigte Wert ist die Summe aus einem Strom, der von der gesteuerten Stromquelle erzeugt wird (ein Strom, der direkt von der Meßgröße abhängt) und einem Rest­ strom, der vom Rest der Meßschaltung verbraucht wird. Dieser Reststrom soll laut DE 30 02 668 A1 so gering und so konstant wie möglich sein. Daraus ergibt sich ein hoher Aufwand für die Temperaturstabilisierung der gesamten Schaltung, außerdem ergeben Spannungsänderungen der Energiequelle Änderungen der Stromaufnahme des Spannungsreg­ lers, da sich dieser hinter dem Strommeßgerät befindet, werden weitere Ungenauigkeiten wirk­ sam, die mit entsprechendem Aufwand kompensiert werden müßten, um eine genaue Anzeige zu erhalten.

Im weiteren ist ein Verfahren bekannt, bei dem in einem Behälter, der zur Aufnahme von di­ elektrischen Flüssigkeiten dient, eine Sonde isoliert aufgehängt wird, die von einem Hochfre­ quenzoszillator gespeist wird, und der Behälter, der aus einem leitfähigen Material besteht, den zweiten Pol des Kondensators bildet. Mit dem Füllstand im Behälter ändert sich auch die Lage des Dielektrikums und dadurch die Hochfrequenzspannung, die über dem aus Sonde und Behälter gebildetem Kondensator abfallt. Ein Meßfühler wird mit dieser Hochfrequenzspan­ nung über ein Koaxialkabel gespeist. Im Meßkopf wird mit Hilfe einer Brückenschaltung die dem Füllstand proportionale Gleichspannung gewonnen und über ein Anzeigegerät als Füllstand sichtbar gemacht.

Auch hier ergibt sich ein hoher Aufwand durch die Notwendigkeit, die geringe Hochfrequenz­ spannung aufzunehmen und umzuwandeln.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, die es ermöglicht, mit minimalem Aufwand den Füllstand einer dielektrischen Flüssigkeit in einem Behälter mit Hilfe einer kapazitiven Messung zu erfassen.

Die Aufgabe wird durch die im Patentanspruch genannten Merkmale gelöst.

An die Ausgangsspannung eines Festspannungsreglers wird ein Hochfrequenzoszillator mit einem seiner beiden Anschlüsse für die Versorgungsspannung angeschlossen. Der Hochfre­ quenzoszillator muß natürlich über hohe Frequenz- und Temperaturstabilität verfügen. Geeig­ net ist ein Quarzoszillator, dessen Vorteil der geringe schaltungstechnische Aufwand gegenüber einem nachgeregelten LC-oder RC-Oszillator ist. Des weiteren verfügt der Hoch­ frequenzoszillator über einen Hochfrequenzanschluß, an diesen Hochfrequenzanschluß ist ein Kondensator mit einem seiner beiden Anschlüsse angeschlossen. Der Kondensator selbst be­ steht aus zwei in festem Abstand zueinander angeordneten Teilen elektrisch leitfähigen Mate­ rials und wird in einem Behälter so angeordnet, daß sich in Abhängigkeit vom Füllstand des Behälters mit dielektrischer Flüssigkeit seine Kapazität ändert. Mit der Kapazitätsänderung des im Behälter angebrachten Kondensators ändert sich auch die Belastung für den Hochfre­ quenzoszillator, an den der Kondensator angeschlossen ist. Mit der Belastungsänderung des Hochfrequenzoszillators an seinem Hochfrequenzanschluß, ändert sich auch die Stromaufnahme des Hochfrequenzoszillators. Die Änderung der Stromaufnahme des Hochfrequenzoszillators wird mit Hilfe eines Meßwiderstandes, der in die Versorgungsspannungszuführung des Hoch­ frequenzoszillators in Reihe mit dem Hochfrequenzoszillator geschaltet ist, in eine Spannungsänderung umgewandelt. Die so gewonnene Meßspannung wird mit einem Digital­ voltmeter erfaßt. Dadurch sind keine weiteren Meßverstärker für die Meßspannungserfassung erforderlich, wodurch sich der Aufwand für die gesamte Schaltung erheblich reduziert.

Mit der beschriebenen Vorrichtung kann mit minimalem Aufwand der Füllstand von dielektri­ schen Flüssigkeiten in Behältern erfaßt werden. Daraus ergeben sich für die Kraftfahrzeug­ technik Anwendungsmöglichkeiten. Dort kann die Vorrichtung eingesetzt werden, um den Motorölstand zu erfassen und im Kraftfahrzeuginnenraum anzuzeigen. Die Mehrzahl der Kraft­ fahrzeuge verfügt über eine Anzeige für den Motorölstand im Fahrzeuginnenraum überhaupt nicht, eine regelmäßige Kontrolle des Motorölstandes ist aber bei allen Fahrzeugen vorge­ schrieben, die zum Betrieb Motorenöl benötigen. Im weiteren kann auch der Füllstand von Dieselkraftstoff zur Anzeige gebracht werden. Für Heizölanlagen ergeben sich ebenfalls Anwendungsmöglichkeiten bei der Überwachung von Heizöltanks.

Die Erfindung wird nachstehend anhand des in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiels näher beschrieben.

Aus einer Gleichspannung wird mit Hilfe des Festspannungsreglers (1) eine stabilisierte Gleichspannung, erzeugt. An die stabilisierte Gleichspannung wird der Hochfrequenzoszillator (2) mit einem seiner beiden Versorgungsspannungsanschlüsse angeschlossen. Der zweite Ver­ sorgungsspannungsanschluß des Hochfrequenzoszillators (2) ist über den Meßwiderstand (4), der in Reihe zu dem Hochfrequenzoszillator (2) liegt, mit der Versorgungsspannung verbun­ den. Der Meßkondensator (3) ist mit einem seiner beiden Anschlüsse an den Hochfrequenzan­ schluß des Hochfrequenzoszillators (2) angeschlossen, der zweite Anschluß des Meßkondensators (3) ist mit dem Massepotential der Schaltung verbunden. Der Meßkondensator (3) befindet sich in einem Behälter mit einer dielektrischen Flüssigkeit. Die über dem Meßwiderstand (4) abfallende Spannung wird dem Digitalvoltmeter (5) zugeführt und von diesem zur Anzeige gebracht. Das Digitalvoltmeter (5) stellt die Meßwerte nach der internen Analog-Digitalwandlung im digitalen BCD-Format über vier Anschlüsse zur Verfügung, außerdem verfügt das Digitalvoltmeter (5) über drei weitere Anschlüsse für die Ansteuerung der 3-Stellen, die mit diesem Digitalvoltmeter maximal angezeigt werden können. Da das Digitalvoltmeter (5) im Zeitmultiplexbetrieb arbeitet, wird der gesamte Meßwert in drei Einheiten aufgeteilt, wobei jeder dieser Einheiten ein Zahlenwert von 0-9 im BCD-Format zugeordnet wird. Diese Einheiten werden zeitlich versetzt (Zeitmultiplexbe­ trieb) an den BCD-Ausgängen des Digitalvoltmeters (5) ausgegeben.

Um den Meßwert als Zahlenwert zur Anzeige zu bringen, wird der BCD-Wert mit Hilfe eines BCE-zu-Siebensegmentdekoders so umgewandelt, daß eine Siebensegmentanzeige ange­ steuert werden kann. Die Siebensegmentanzeige besteht, wie der Name schon sagt, aus sieben Segmenten in Strichform, welche, wenn sie alle aktiv sind, eine acht darstellen. Der BCD-Ausgang des Digitalvoltmeters (5) wird zusätzlich mit einem BCD-zu-Dezimaldekoder, welcher den BCD-Wert in einen dezimalen Wert zwischen 0 und 9 wandelt, verbunden. Jeweils einer der 10 Ausgänge des BCD-zu-Dezimaldekoders weist in Abhängigkeit vom BCD-Wert einen logischen H-Pegel auf. Die 10 Ausgänge des BCD-zu-De­ zimaldekoders sind über 10 Dioden (Entkopplung) auf einen zehnpoligen Schalter mit je zwei Anschlüssen geführt, dessen Anschlüsse auf der Seite, die nicht an die Dioden angeschlossen ist, miteinander verbunden sind. An die Seite der zehn oben beschriebenen Schalter, wo diese untereinander verbunden sind, wird der Optokoppler (7) an­ geschlossen. Der BCD-zu-Dezimaldekoder sowie der Schalter und die zehn Dioden sind zusammengefaßt dargestellt als Auswerteschaltung (6). Ein zweiter Optokoppler (8) bildet mit dem ersten Optokoppler (7) zusammen eine UND-Schaltung. Im vorliegenden Fall steuert der Segmenttrei­ berausgang für den BCD-Wert, der mit dem Faktor 10 multipliziert wird, den Optokoppler (8). Das Digitalvoltmeter (5) wird in sei­ nem Grundmeßbereich betrieben, so daß sich 10 mV Schritte ergeben. Der Schalttransistor (11) kann das Relais (14) aktivieren. Die Diode (12) ist die Freilaufdiode für das Relais (14), und der Kon­ densator (13) wird durch den Zeitmultiplexbetrieb erforderlich, um ein sicheres Anziehen des Relais (14) zu garantieren. Die Widerstände (9 und 10) sind zur Strombegrenzung vor­ gesehen.

Claims (1)

1. Vorrichtung zur kapazitiven Messung des Füllstands einer dielektrischen Flüssigkeit in einem Behälter mit
   einem Festspannungsregler (1) zur Erzeugung einer stabilisierten Gleichspannung,
   einem Hochfrequenzoszillator (2) mit zwei Anschlüssen für die Versorgungsspannung, von denen einer an die vom Festspannungsregler (1) erzeugte Gleichspannung angeschlossen ist, und mit einem Hochfrequenzanschluß,
   einem Kondensator (3), der aus zwei in festem Abstand sich gegenüberstehenden Teilen elektrisch leitfähigen Materials besteht, von denen ein Teil an den Hochfrequenzanschluß des Hochfrequenzoszillators (2) angeschlossen ist, und der in dem Behälter so angeordnet ist, daß sich in Abhängigkeit vom Füllstand in dem Behälter die Kapazität des Kondensators und damit die Stromaufnahme des Hochfrequenzoszillators (2) ändert,
   einem Meßwiderstand (4), der in die Zuführung der Versorgungsspannung des Hochfrequenzoszillators (2) in Reihe mit dem Hochfrequenzoszillator geschaltet ist und der die Änderung der Stromaufnahme des Hochfrequenzoszillators (2) in eine Spannungsänderung umwandelt,
   einem Digitalvoltmeter (5), das die an dem Meßwiderstand (4) abfallende Spannung mißt.