DE19613813C2 - Vorrichtung zur Messung des Füllstands von Flüssigkeiten geringer Leitfähigkeit, insbesondere Wasser - Google Patents

Vorrichtung zur Messung des Füllstands von Flüssigkeiten geringer Leitfähigkeit, insbesondere Wasser

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Messung des Füllstands von Flüssigkeiten geringer Leitfähigkeit, insbesondere Wasser, nach dem Prinzip kapazitiver Füllstandsmessung, mit Sondenstäben und einer von deren Sondenkapazitäten gesteuerten Auswerteelektronik, der ein Anzeigeinstrument nachgeschaltet ist.
Aus der DE 37 14 306 A1 ist ein kapazitiver Pegelanzeiger bekannt. Aus der DE 38 24 231 A1 ist eine Anordnung zur kapazitiven Füllstandsmessung bekannt. Die dazugehörigen, elektronischen Auswerteschaltungen arbeiten aber nicht linear, so daß die am Ausgang der jeweiligen Auswerteschaltung verfügbare Ausgangsspannung nicht proportional zur Füllstandshöhe ist. Bei Flüssigkeiten mit geringer Leitfähigkeit tritt hohe Ungenauigkeit der Messung auf. Deshalb können weder kontinuierliche, proportionale Messung noch hohe Meßgenauigkeit erzielt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs erwähnten Gattung so weiterzubilden, daß bei beliebigem Füllstand eine kontinuierliche, proportionale Messung und hohe Meßgenauigkeit gewährleistet sind.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die im Anspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst.
Die Erfindung weist gegenüber dem Bekannten die Vorteile auf, daß bei jedem Füllstand mit hoher Genauigkeit kontinuierliche Messung und Anzeige möglich sind, selbst dann, wenn die Flüssigkeit sehr geringe Leitfähigkeit hat, wie sie z. B. destilliertes Wasser aufweist. Selbst Flüssigkeiten mit sehr geringem Wassergehalt von beispielsweise nur 4-5%, etwa Spiritus, sind exakt meßbar. Die Messung ist sowohl weitgehend unabhängig von der elektrischen Leitfähigkeit der zu messenden Flüssigkeit, von der Versorgungsspannung innerhalb definierter Grenzen für die zu der Vorrichtung gehörigen Elektronik sowie auch von der Temperatur der zu messenden Flüssigkeit. Jeder Füllstand ist proportional meß- und anzeigbar. Die Elektronik für die neue Vorrichtung enthält preiswerte Standardbauelemente, so daß der Kosteneinsatz hierfür gering ist. An den Ausgang der Elektronik können Analoginstrumente unmittelbar angeschlossen werden, was die Handhabung der Vorrichtung erleichtert.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung hervor.
Die Erfindung wird an Ausführungsbeispielen anhand von Zeichnungen erläutert. Es zeigen
Fig. 1 im Schnitt eine Sonde, bestehend aus Sondenstäben und Elektronik zur Messung des Füllstands von Flüssigkeiten,
Fig. 2 ein Ersatzschaltbild der Sondenstäbe,
Fig. 3 ein Stromlaufschaltbild der Elektronik mit angeschlossenen Sondenstäben sowie Anzeigeinstrument,
Fig. 4 ein Diagramm, aus dem der zeitliche Verlauf des am Eingang der Elektronik meßbaren Signals sowie ein weiteres Signal am Kollektor eines Schalttransistors in der Elektronik hervorgehen.
Eine Sonde 1 (Fig. 1) zur Messung des Füllstands von Flüssigkeiten umfaßt in einem als Kunststoffspritzgußteil ausgeführten Gehäuse 2 in einem Kragen 3 des Gehäuses 2 sitzend zwei im wesentlichen gleichlange Sondenstäbe 4, 5 aus Metall, von denen der eine Sondenstab 4 blank und der andere Sondenstab 5 mit einer Isolierung 6 versehen ist. Die beiden, in dem Kragen 3 des Gehäuses 2 sitzenden Sondenstäbe 4, 5 sind gegeneinander auf Abstand fixiert. Sie sitzen somit fest in dem Gehäuse 2 und ragen je nach Füllstand mehr oder weniger weit in eine (in den Zeichnungen nicht dargestellte) Flüssigkeit hinein.
Beim Ausführungsbeispiel der Erfindung bestehen die Sondenstäbe 4, 5 aus Stahl.
Der Kragen 3 (Fig. 1) des Gehäuses 2 der Sonde 1 ist durch eine entsprechende Bohrung im Tank 7 hindurchgesteckt, dessen Füllstand gemessen werden soll. Dabei ragen die Sondenstäbe 4, 5 in die Flüssigkeit hinein. Die Sonde 1 ist unter Zwischenlegung eines Dichtrings 8 mit Hilfe einer Überwurfmutter 9 an dem Tank 7 fixiert.
Im Inneren des Gehäuses 2 (Fig. 1) der Sonde 1 sind die beiden Sondenstäbe 4, 5 mit Leiterbahnen 10 auf einer Leiterplatte 11 elektrisch verbunden. Die Leiterbahnen 10 sind an eine Elektronik 20 (Fig. 1, 3) zur Auswertung angeschlossen. Über ein elektrisches Kabel 12 (Fig. 1) werden einerseits die Elektronik 20 mit elektrischem Strom versorgt und andererseits von der Elektronik 20 das gewünschte Analogsignal für ein Anzeigeinstrument 17 (Fig. 3) zur Anzeige des Füllstands der Flüssigkeit geliefert.
Das elektrische Ersatzschaltbild (Fig. 2) der Sondenstäbe 4, 5 umfaßt die einige pF betragende Sondenkapazität 13 der Sondenstäbe 4, 5 in Luft, die einige 100 pF betragende Sondenkapazität 14 der Sondenstäbe 4, 5 proportional zur Eintauchtiefe der Sondenstäbe 4, 5 in der Flüssigkeit, den einige kΩ betragenden, von der Eintauchtiefe der Sondenstäbe 4, 5 und der Leitfähigkeit der zu messenden Flüssigkeit abhängigen Widerstand 15 und den einige MΩ betragenden Verlustwiderstand 16 des Dielektrikums der Isolierung 6 (Fig. 1) am Sondenstab 5 der Sonde 1.
Von den vier vorerwähnten elektrischen Größen des Ersatzschaltbilds (Fig. 2) der Sondenstäbe 4, 5 (Fig. 1) ist nur ein Wert für den Füllstand der Flüssigkeit repräsentativ, nämlich die Sondenkapazität 14 der Sondenstäbe 4, 5 proportional zu ihrer Eintauchtiefe in der Flüssigkeit.
Der Einfluß des Widerstands 15 wird durch eine weiter unten im Detail beschriebene, elektronische Schaltung eliminiert. Die Sondenkapazität 13 der Sondenstäbe 4, 5 und deren Verlustwiderstand 16 werden durch einen Nullabgleich in der elektronischen Schaltung 20 kompensiert. Durch geeignete Wahl der Arbeitsfrequenz für die elektronische Schaltung 20 kann der Einfluß des Verlustwiderstands 16 der Sondenstäbe 4, 5 vernachlässigt werden.
Die Elektronik 20 (Fig. 3) wird über Klemmen 21, 22 mit elektrischem Strom versorgt. Der elektrische Strom wird über das Kabel 12 (Fig. 1) zugeführt. Nicht zwingend notwendig, aber vorteilhaft sorgt beim Ausführungsbeispiel der Erfindung in der Elektronik 20 ein Konstanthalter 24 für konstante Stromversorgung der Elektronik 20.
Die Elektronik 20 (Fig. 3) umfaßt zunächst eine Konstantstromquelle 25, die die Sondenkapazitäten 13, 14 (Fig. 2) mit einem Konstantstrom IK lädt. Hierdurch entsteht ein zeitlich linearer Spannungsanstieg US(t) (Fig. 3, 4) an den Sondenstäben 4, 5. Deren Entladung erfolgt über einen Transistor T2 (Fig. 3), solange dieser geöffnet ist. Während des Durchlaufens des Signals US(t) durch einen definierten Spannungsbereich bleibt ein Transistor T4 nach der folgenden Beziehung gesperrt:
T4 ist gesperrt für U1 < US(t) < U2 (1)
Vor Erreichung der Spannung U1 war der Transistor T4 geöffnet. Nach Überschreitung der Spannung U2 wird der Transistor T4 wieder geöffnet, und während der Entladung der Sondenkapazitäten 13, 14 durch einen Transistor T2 ist der Transistor T4 durch die Wirkung eines aus einem Rechteckgenerator 26 stammenden Austastsignals UAustast ebenfalls geöffnet. Die Frequenz f, mit der das Austastsignal UAustast gegeben wird, ist, wie die Entladezeit selbst, konstant.
Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Frequenz des Rechteckgenerators 26, mit der der Transistor T2 auf- und zugesteuert wird, auf 1,7 kHz eingestellt.
Die Aufladezeit tA variiert mit der aus den Sondenkapazitäten 13, 14 resultierenden Sondenkapazität CS und wird, während die Beziehung (1) erfüllt ist, erfaßt (Fig. 3). Es gilt die Beziehung:
Die Spannungen UK, U2, U1 und dUM werden durch Reihenschaltung der Widerstände R4, R5, R6 und einer als Referenzdiode verwendeten Zenerdiode IC1 gewonnen. Die Bauteile R4, R5, R6 und IC1 werden von dem Querstrom IQ durchflossen.
Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird eine Zenerdiode IC1 mit einer Zenerspannung von 2,49 V verwendet.
Die Konstantstromquelle 25 erzeugt den Konstantstrom IK, und zwar in dem Bereich U1 < US(t) < U2 unabhängig von US(t), der proportional zu seiner Spannungsreferenz UK ist.
Es gilt die Beziehung
Die Aufladezeit tA ist also außer von der Sondenkapazität C nur von den Widerständen R1, R4 und R6 abhängig, weil sich der Querstrom IQ herauskürzt.
Das gewonnene, pulsweitenmodulierte, am Kollektor des Transistors T4 erscheinende Rechtecksignal UT4(t) (Fig. 4) wird in einem aus einem Widerstand R27 und einem Kondensator C11 (Fig. 3) gebildeten Tiefpaß 1. Ordnung in eine dem Tastverhältnis
proportionale Gleichspannung umgewandelt. Die Stabilität der Rechteckamplitude wird durch die Versorgung des Transistors T4 aus der hochstabilen Gleichspannung U1 sichergestellt.
Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein Tiefpaß (Widerstand R27, Kondensator C11) mit einer Grenzfrequenz von 2 Hz verwendet.
Nach dem Tiefpaß ergibt sich:
Die analoge Spannung UC11 am Kondensator C11 des aus dem Widerstand R27 und dem Kondensator C11 gebildeten Tiefpasses verhält sich also streng proportional zu der aus den Sondenkapazitäten 13, 14 (Fig. 2) resultierenden Sondenkapazität CS.
An der Basis des Transistors T4 (Fig. 3) liegt eine Auswerteschaltung 27, die beim Ausführungsbeispiel der Erfindung zwei Komparatoren und eine Logikschaltung umfaßt. Die Auswerteschaltung 27 ist auch an den Kollektor des Transistors T2 und den mit der Isolierung 6 versehenen Sondenstab 5, die Zenerdiode IC1, einen Widerstand R6, der den Querstrom IQ führt, den Ausgang des Rechteckgenerators 26 und eine weiter unten noch erläuterte Kompensationsschaltung 28 angeschlossen.
Die Toleranzen der Werte der Widerstände R1, R4, R6, der Frequenz f und der Spannung U1 werden beim Abgleich einer an sich bekannten Kompensationsschaltung 28, die einen Verstärker, einen Regelwiderstand 29 für den Nullabgleich und einen Regelwiderstand 30 für den Endausschlag des an die Elektronik 20 angeschlossenen Anzeigeinstruments 17 umfaßt, ausgeglichen. Temperaturunabhängigkeit und zeitliche Konstanz der Werte der vorgenannten Bauelemente werden durch die Wahl geeigneter Bauteile sichergestellt.
Im oberen Teil der Kurvendarstellung der Fig. 4 der Zeichnungen ist der Verlauf des Signals an dem mit der Isolierung 6 versehenen Sondenstab 5 in Abhängigkeit von der Zeit t dargestellt. Der Wasserwiderstand RW, also der Widerstand 15, ist hierbei kleiner als 1 kΩ. Die relevante Aufladezeit tA am Kollektor des Transistors T4 stellt die Durchlaufzeit des Signals US(t) von U1 bis U2 dar. Bevor am Kollektor des Transistors T4 also ein High-Pegel entsteht, muß zuerst einmal die Spannung U1 an dem mit der Isolierung 6 versehenen Sondenstab 5 erreicht werden.
Ist ein großer Widerstand in der zu messenden Flüssigkeit (beispielsweise bei weichem oder destilliertem Wasser) gegeben, so liegt dieser Widerstand RW, also der Widerstand 15 (Fig. 2), bei deutlich über 1 kΩ. Bei nur geringer Benetzung der Sondenstäbe 4, 5 durch die zu messende Flüssigkeit treten in destilliertem Wasser Werte bis zu 100 kΩ auf. Mit der beschriebenen Vorrichtung ist bei diesen extremen Verhältnissen noch eine Messung möglich.
Weil die Sondenkapazitäten 13, 14 der Sondenstäbe 4, 5 mit Konstantstrom geladen werden, wird eine Beeinflussung des Meßergebnisses durch die Sondenkapazität 14, also die Sondenkapazität CW in der Flüssigkeit, zuverlässig verhindert.
Der Konstantstrom IK verursacht zusammen mit dem Widerstand RW in der zu messenden Flüssigkeit, also dem Widerstand 15, einen Spannungssprung des Signals US(t), sobald die Entladung beendet ist und der Transistor T2 sperrt. Ist dieser Spannungssprung wegen der endlichen Regelgeschwindigkeit der Konstantstromquelle 25 deutlich kleiner als die Spannung U1, so hat der Widerstand RW in der zu messenden Flüssigkeit, also der Widerstand 15, keinen Einfluß auf die Messung der Sondenkapazität 14, also die Sondenkapazität CW, und damit auf die Messung des Füllstands der betreffenden Flüssigkeit.
Die Spannung U1 ist die Zenerspannung an der Zenerdiode IC1.
US(t) ist das an dem mit einer Isolierung 6 versehenen Sondenstab 5 erscheinende Signal, also die Spannung US in Abhängigkeit von der Zeit t.
Die Spannung U2 ist die Spannung, die an einer Stelle 31 in der Elektronik 20 anliegt.
Wird das Signal US(t) durchlaufen, so leitet der Transistor T2 ab der Stelle 32 (Fig. 4).
Die an der Zenerdiode IC1 anliegende Spannung U1 ist hochstabil. Die Frequenz f, mit der das Austastsignal UAustast gegeben wird, ist konstant. Die Aufladezeit tA (Fig. 4) variiert in Abhängigkeit des zu messenden Füllstands der Flüssigkeit. Die Aufladezeit tA ist diejenige Zeit, während der der Transistor T4 gesperrt ist. Das Tastverhältnis VT, das sich aus dem Verhältnis der Aufladezeit tA zu der Periodendauer T (Fig. 4) ergibt, ist die Bezugsgröße für die angestrebte, analoge, zum Füllstand der zu messenden Flüssigkeit proportionale Gleichspannung UC11.
Bei steigendem Füllstand der zu messenden Flüssigkeit wird die Sondenkapazität 14, also die Sondenkapazität CW (Fig. 2), größer. Die lineare Anstiegsflanke (Fig. 4) des Signals US(t) wird dadurch flacher. Hierdurch erhöht sich die Aufladezeit tA am Kollektor (Fig. 3) des Transistors T4.
Bei sinkendem Füllstand der zu messenden Flüssigkeit wird die Sondenkapazität 14, also die Sondenkapazität CW (Fig. 2), kleiner. Die lineare Anstiegsflanke (Fig. 4) des Signals US(t) wird dadurch steiler. Hierdurch verkürzt sich die Aufladezeit tA am Kollektor (Fig. 3) des Transistors T4.
Der Raum im Gehäuse 2 (Fig. 1), in dem sich die Leiterplatte 11 mit den elektrischen Bauelementen befindet, ist beim Ausführungsbeispiel der Erfindung von einer Vergußmasse 33 ausgefüllt.
Bezugszeichenliste
1
Sonde
2
Gehäuse
3
Kragen
4
Sondenstab
5
Sondenstab
6
Isolierung
7
Tank
8
Dichtring
9
Überwurfmutter
10
Leiterbahn
11
Leiterplatte
12
Kabel
13
Sondenkapazität
14
Sondenkapazität
15
Widerstand
16
Verlustwiderstand
17
Anzeigeinstrument
20
Elektronik
21
Klemme
22
Klemme
23
Klemme
24
Konstanthalter
25
Konstantstromquelle
26
Rechteckgenerator
27
Auswerteschaltung
28
Kompensationsschaltung
29
Regelwiderstand
30
Regelwiderstand
31
Stelle
32
Stelle
33
Vergußmasse
CL
Sondenkapazität
CS
Sondenkapazität
CW
Sondenkapazität
IC1Zenerdiode
T2Transistor
T4Transistor
U1
Zenerspannung
US(t)
Signal
UT4(t)
Rechtecksignal
UC11
Gleichspannung

Claims (12)

1. Vorrichtung zur Messung des Füllstands von Flüssigkeiten geringer Leitfähigkeit, insbesondere Wasser, nach dem Prinzip kapazitiver Füllstandsmessung, mit Sondenstäben und einer von deren Sondenkapazitäten gesteuerten Auswerteelektronik, der ein Anzeigeinstrument nachgeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Konstantstromquelle (25) zur Aufladung der Sondenkapazitäten (13, 14) der mit Konstantstrom (IK) zur Bildung eines zeitlich linearen Spannungsanstiegs (US(t)) geladenen Sondenstäbe (4, 5) vorgesehen ist, die Sondenkapazitäten (13, 14) mittels eines mit konstanter Frequenz (f) getakteten Transistors (T2) entladbar sind, ein Austastsignal (UAustast) der gleichen Frequenz (f) einen weiteren Transistor (T4) taktet, der zusammen mit einer Auswerteschaltung (27) sowie einem Tiefpaß (Widerstand R27, Kondensator C11) unter Bezugnahme auf eine hochstabile Spannung (U1) die Bildung einer zum Füllstand der zu messenden Flüssigkeit proportionalen Gleichspannung (UC11) zur Ansteuerung des Anzeigeinstruments (17) bewirkt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die hochstabile Spannung (U1) die Zenerspannung an einer Zenerdiode (IC1) ist.
3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Sondenstab(5) mit einer elektrischen Isolierung (6) überdeckt ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz (f) des Austastsignals (UAustast) konstant ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß am Kollektor des weiteren Transistors (T4) ein pulsweitenmoduliertes Rechtecksignal (UT4(t)) erscheint.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sondenstäbe (4, 5) aus Stahl bestehen.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sondenstäbe (4, 5) aus einer Legierung hergestellt sind.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Sondenstäbe (4, 5) aus Messing bestehen.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronik (20) in einem Gehäuse (2) untergebracht ist, in dem auch die Sondenstäbe (4, 5) sitzen.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Innere des Gehäuses (2) mit einer Vergußmasse (33) ausgegossen ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die untere Grenze U1 des Spannungsfensters dUM (U2 - U1), dessen Durchlaufen durch das Signal US(t) zum pulsweitenmodulierten Signal führt, höher ist, als das Produkt aus Konstantstrom IK und dem maximal zu erwartenden Widerstand (15), um die Genauigkeit der Messung auch bei Medien geringer Leitfähigkeit (z. B. destilliertem Wasser) sicherzustellen.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die zum Tastverhältnis VT führende Aufladezeit tA ausschließlich von der Konstantstromquelle (25) zugeordneten Widerständen (R1, R4) und einem am Eingang der Auswerteschaltung (27) liegendem Widerstand (R6) sowie der Sondenkapazität CS abhängt.
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