DE19642026A1

DE19642026A1 - Kapazitives Füllstandsmessverfahren mit Auswertung der Stromaufnahme einer elektronischen Hochfrequenzstufe

Info

Publication number: DE19642026A1
Application number: DE1996142026
Authority: DE
Inventors: Klaus-Dieter Bluszis
Original assignee: BLUSZIS KLAUS DIETER
Current assignee: BLUSZIS KLAUS DIETER
Priority date: 1996-01-18
Filing date: 1996-10-11
Publication date: 1998-04-16

Description

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

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 42 44 739 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 Offenlegungsschrift DE 30 02 668A1 ist eine Einrichtung zur analogen Messung einer Größe mit Fernanzeige bekannt. Bei dieser Einrichtung wird eine entfernte Meßschaltung über einen Leiter durch einen Strommeßgerät (Galvanometer) mit einer Ener giequelle 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 abfällt. 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. Der weiteren Ausgestaltung der Erfindung gemäß der Hauptanmeldung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Hochfrequenzoszillator zum Einsatz zu bringen, bei dem eine Temperaturdrift der Ausgangsspannung, durch die Vergleichsmessung Zweier abwechselnd an den Hochfrequenzanschluß des Hochfrequenzoszillators geschalteten Kapazitäten eliminiert wird. Wobei eine der Kapazitäten die in einem mit einer dielektrischen Flüssigkeit gefülltem Behälter angebrachte ist. Die Aufgabe wird durch die in den Zusatzpatentansprüchen genannten Merkmale gelöst.

An die Ausgangsspannung eines Festspannungsreglers wird ein Hochfrequenzoszillator mit einem seiner beiden Anschlüsse für die Versorgungsspannung angeschlossen. Als Hochfre quenzoszillator kommt vorzugsweise ein Quarzoszillator zum Einsatz, er hat gegenüber RC- oder LC-Oszillatoren den Vorteil des geringeren schaltungstechnischen Aufwandes, der notwendig ist um eine hohe Frequenz- und Temperaturstabilität der erzeugten Hochfrequenz zu erreichen. An den Hochfrequenzanschluß des Hochfrequenzoszillators werden elektroni sche Schalter angeschlossen. Diese Schalter schalten abwechselnd eine von zwei Kapazitäten mit einem ihrer beiden Anschlüsse an den Hochfrequenzausgang des Hochfrequenzoszillators. Eine der beiden Kapazitäten besteht aus zwei in festem Abstand zueinander angeordneten Tei len elektrisch leitfähigen Materials und wird in einem Behälter so angeordnet, daß sich in Abhängigkeit vom Füllstand des Behälters mit dielektrischer Flüssigkeit seine Kapazität ändert. Der zweite Kondensator ist ein einstellbarer Kondensator (Trimmer) der eine Refe renzlast bildet, er ist nicht im Behälter angeordnet. Die Größe der Kapazität bestimmt die Be lastung für den Hochfrequenzoszillator und somit dessen Stromaufnahme. Die Stromaufnahme des Hochfrequenzoszillators wird mit Hilfe eines Meßwiderstandes, der in die Versorgungsspannungszuführung des Hochfrequenzoszillators in Reihe mit dem Hochfre quenzoszillator geschaltet ist, in eine Spannungsänderung umgewandelt. Für den Fall, das die elektronischen Schalter Impulsformstufen sind, oder das Hochfrequenzsignal in irgendeiner weise verstärken, kann der Meßwiderstand auch in die Versorgungsspannungszufürung des elektronischen Schalters, in Reihe mit dem elektronischen Schalter geschaltet werden. Dem Meßwiderstand ist ein Kondensator parallel geschaltet der einen Kurzschluß für die Wechsel stromkomponente bildet.

Die über dem Meßwiderstand abfallende Spannung wird mit Hilfe eines von einem Mikrokon troller gesteuerten Analog-Digitalwandlers erfaßt und das Ergebnis der Wandlung gespei chert. Der Mikrokontroller steuert ebenfalls die elektronischen Schalter und ordnet das Meßergebnis der jeweils zugehörigen Last zu. Die Meßwerte für jede der beiden Kapazitäten werden separat gespeichert.

Die Verarbeitung der Meßwerte erfolgt mit einer mathematischen Routine die der Mikrokon troller im Anschluß an die Messung ausführt. Der Referenzkondensator wird auf die selbe Kapazität eingestellt wie sie der Meßkondensator der sich im Behälter befindet besitzt, wenn nicht in die dielektrische Flüssigkeit eingetaucht ist (kleinster Kapazitätswert). Die Subtrakti onsroutine ((Meßwert-Meßkondensator im Behälter)-(Meßwert-Referenzkondensator)) er gibt somit für den Fall das der Kondensator im Behälter nicht in dielektrische Flüssigkeit eingetaucht ist den Wert Null und zwar auch bei Ausgangsspannungsschwankungen des Hochfrequenzoszillators oder der elektronischen Schalter. Taucht nun der im Behälter befind liche Meßkondensator in dielektrische Flüssigkeit ein weil der Flüssigkeitsstand im Behälter steigt vergrößert sich auch seine Kapazität, damit steigt die Belastung für den Oszillator wenn sein Hochfrequenzausgang an diesen Kondensator im Behälter angeschaltet ist, was eine Vergrößerung seiner Stromaufrahme und der über dem Meßwiderstand abfallenden Spannung zur Folge hat. Wird nun die Subtraktionsroutine ((Meßwert-Meßkondensator)-(Meßwert- Referenzkondensator)) ausgeführt ergibt sich ein Wert größer Null, dieser Wert wird mit Hilfe mathematischer Operationen mit vorgegebenen Werten verglichen und je nachdem welche der im Programm vorgegebenen Werte erreicht werden als Füllstand zur Anzeige gebracht. Der Einsatz eines Mikrokontrollers ermöglicht den Einsatz eines LCD -Matrixdisplays welches eine komfortabele Anzeige des Füllstandes mit Zusatzinformationen gestattet. Insgesamt wird eine sehr Hohe Betriebssicherheit der gesamten Schaltung durch den Einsatz eines Mikrokon trollers erreicht.

Gewerbliche Anwendbarkeit

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. Bis heute gibt es zur Erfassung und Anzeige des Motorölstandes im Kraftfahrzeuginnenraum nur Varianten bei denen ein Schwimmer zur Anwendung kommt, der natürlich durch seine ständigen Bewegun gen während der Fahrt einem entsprechendem Verschleiß unterliegt. 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.

Ausführungsvariante

An einen Festspannungsregler (1) wird ein integrierter Schaltkreis (2.1) der 4 NAND-Gatter enthält (2.11-2.14) und in CMOS-Technologie hergestellt ist mit einem seiner Versorgungsspannungsanschlüsse angeschlossen. Die Eingänge von Gatter (2. 14) sind mitein ander verbunden und über ein Schwingquarz (2.6) und einen Widerstand (2. 5) an den Aus gang von Gatter (2.14) angeschlossen. Auf Grund der Rückkopplung schwingt Gatter (2.14) auf der Quarzfrequenz von Quarz (2.6). Der Widerstand (2.5) verbessert das Anschwingver halten. Gatter (2.13) dient als Impulsform-und Auskoppelstufe für das Hochfrequenzsignal. Die Hochfrequente Rechteckspannung wird vom Ausgang des Gatters (2.13) jeweils einem Eingang von Gatter (2.11) und (2.12) die als elektronische Schalter arbeiten zugeführt. An den Ausgang von Gatter (2.11) ist der Meßkondensator (3) der sich in einem Behälter mit di elektrischer Flüssigkeit befindet über den Schutzwiderstand (6) angeschlossen. Der Schutzwi derstand (6) verhindert im Fall eines Kurzschlusses am Meßkondensator (3) eine Überlastung von Gatter (2.11). Am Ausgang von Gatter (2.12) ist der Referenzkondensator (9) ange schlossen. Die Widerstände (7) und (8) sind PULL-UP-Widerstände die für einen definierten Pegel an den nicht mit dem Ausgang von Gatter (2.13) verbundenen Eingängen von Gatter (2.11) und (2.12) sorgen. Die Jumper (11) und (12) ermöglichen eine Feste Pegeleinstellung an den Eingängen von Gatter (2.11) und (2.12) und somit ein An- oder Abschalten der Aus gangslast am entsprechenden Gatterausgang, diese Möglichkeit ist zu Einstellzwecken vorge sehen. Im weiteren kann die Jumperstellung von Jumper (11) und (12) die Ansteuerung von Gatter (2.11) und (2.12) durch den Mikrokontroller festlegen. Kondensator (2.7) ist ein Stützkondensator der geringfügige Spannungseinbrüche die durch Lastwechsel aufgrund der Ansteuerung vom Schaltkreis (2.1) auftreten können verhindert. Der zweite Versorgungsspan nungsanschluß vom integrierten Schaltkreis (2.1) ist über den Meßwiderstand (4) der in Reihe mit dem integrierten Schaltkreis (2.1) geschaltet ist mit der Versorgungsspannung verbunden. Parallel zum Meßwiderstand (4) ist der Kondensator (10) angeschlossen er stellt einen Kurz schluß für die Wechselstromkomponente dar. Die Meßwerterfassung, Auswertung und Anzei ge sowie die Steuerung der elektronischen Schalter (2.11) und (2.12) wird vom Schaltungskomplex (5) übernommen, er beinhaltet den Analog- Digitalwandler (5.1), den Mi krokontroller (5.2), das LCD-Matrixmodul (5.3) und die Bauelemente (5.4 - 5.21). Der Ana log- Digitalwandler (5.1) ist ein 12-Bit-Wandler mit serieller Ausgabe der gewandelten Werte. Seine Referenzspannung erhält er über die Widerstände (5.5) und (5.6) die einen Spannungs teiler bilden. Da die Referenzspannung direkt aus der stabilisierten Versorgungsspannung ab geleitet wird folgt die Umsetzrate des Wandlers die sich aus der Referenzspannung ergibt auch kleinsten Spannungsschwankungen. Da der Oszillator Schalterkomplex (2) mit der sel ben Versorgungsspannung betrieben wird läßt sich so die Genauigkeit noch weiter erhöhen, denn driftet die Versorgungsspannung auch nur in sehr geringem Maße ab ändert sich zwar die über dem Meßwiderstand abfallende Spannung aber auch die Umsetzrate des Analog-Di gitalwandlers (5.1). Steigt z. B. die Versorgungsspannung in sehr geringem Maße steigt auch der Spannungsabfall über dem Meßwiderstand (4) gleichzeitig steigt aber auch die Referenz spannung vom Analog-Digitalwandler (5.1) mit der steigenden Referenzspannung ändert sich die Umsetzrate so das eine höhere Spannung pro ausgegebenem Bit erforderlich ist, somit ändert sich am nach der Wandlung ausgegebenen Bitwert trotz gestiegener Versor gungsspannung nichts. Das Prinzip funktioniert natürlich bei Spannungsschwankungen in beide Richtungen. Wohlgemerkt handelt es sich hier um einen zusätzlichen positiven Effekt der die Genauigkeit der Schaltung noch weiter erhöht und ein extra Referenzelement für den Wandler (5.1) überflüssig macht. Auf den Festspannungsregler (1) für die Versorgungsspan nungsstabilisierung kann aber deswegen nicht verzichtet werden. Die Widerstände (5.7) und (5.8) bilden einen Eingangsspannungsteiler und der Kondensator (5.9) verhindert Spannungssprünge am Eingang vom Analog-Digitalwandler (5.1). Kondensator (5.4) ist ein Stutzkondensator für die Versorgungsspannung. Der Widerstand (5.10) ist ein PULL-UP Wi derstand er hält den Eingang des Mikrokontrollers (5.2) auf H-Pegel der für den Anschluß eines Neigungssensors vorgesehen ist (13), so kann der Neigungssensor ein passives Teil sein das keine Versorgungsspannung braucht sondern den Anschluß (13) nur mit Masse verbindet, falls der Behälter in dem sich die zu messende dielektrische Flüssigkeit befindet eine Lage ein nimmt die den Anzeigewert stark abweichen läst. Der Anschluß (13) ist für den Einsatz in Kraftfahrzeugen vorgesehen und ist nicht in jedem Fall erforderlich. Der Transistor (5.11) ist ein Schalttransistor für dessen Basisspannungserzeugung die Widerstände (5.12) und (5.13) dienen sein Zweck ist es einen Reset des LCD-Moduls (5.3) bei einem internen Reset des Mi krokontrollers (5.2) zu realisieren. Der Transistor (5.12) sorgt zusammen mit den Widerständen (5.14, 5.15 und 5.17) für einen sicheren Reset des Mikrokontrollers (5.2) beim Einschalten der Versorgungsspannung oder bei Spannungseinbrüchen der Versorgungsspan nung des Mikrokontrollers. Mit dem Quarz (5.18) wird die Taktfrequenz für den Mikrokon troller (5.2) erzeugt. Der Widerstand (5.19) und die Kondensatoren (5.20 + 5.21) sorgen für ein sicheres Anschwingen von Quarz (5.18). Der direkte Anschluß des LCD-Moduls (5.3) an die Versorgungsspannung ist für dessen Hintergrundbeleuchtung vorgesehen. Die Messung und Anzeige läuft folgendermaßen ab:
Die Jumper (11) und (12) stellen die Verbindung (a) (b) her demzufolge werden die Gatter (2.11) und (2.12) vom Mikrokontroller (5.2) angesteuert. Während der Erfassung der über dem Widerstand (4) abfallenden Spannung mit Hilfe des Analog-Digitalwandlers (5.1) ist immer nur eines der beiden Gatter (2.11) oder (2.12) vom Mikrokontroller freigegeben, dem entsprechend erfolgt die Belastung der hochfrequenten Ausgangsspannung mit dem zugehörigen Kondensator (3) oder (9). Bei jeder Messung wird die über dem Widerstand (4) abfallende Spannung nacheinander für beide Ausgangslasten (3) und (9) erfaßt. Die beiden Meßwerte werden vom Mikrokontroller (5.2) gespeichert und mit Hilfe einer mathematischen Routine ausgewertet. Das Ergebnis der Auswertung wird mit Hilfe des LCD-Matrixdisplays (5.3) zur Anzeige gebracht. Außerdem werden mit dem LCD-Matrixdisplay (5.3) Zusatzinfor mationen angezeigt gebracht, wie z. B. eine starke Seitenneigung des Behälters in dem sich die zu messende dielektrische Flüssigkeit befindet während des Meßvorganges (Kraftfahr zeugtechnik).

Claims

1. Vorrichtung zur kapazitiven Messung des Füllstands einer dielektrischen Flüssigkeit in einem Behälter mit einem Festspannungsregler (1) zur Erzeugung einer stabilisierten Gleich spannung, einer Hochfrequenzoszillator-Hochfrequenzschalteinheit (2) mit zwei Anschlüssen für die Versorgungsspannung, von denen einer an die vom Festspannungsregler (1) erzeugte Gleichspannung angeschlossen ist, einem Schutzwiderstand (6) der in Reihe mit zwei, sich in festem Abstand gegenüberstehenden Teilen elektrisch leitfähigen Materials die den Meßkondensator (3) bilden geschaltet ist. Der Meßkondensator (3) ist in einem Behälter so angeordnet, daß sich in Abhängigkeit vom Füllstand im Behälter die Kapazität des Kondensa tors (3) ändert und damit die Stromaufnahme der Hochfrequenzoszillator-Hochfrequenz schalteinheit (2), wenn der Meßkondensator (3) über den Schalter (2.11) und den Schutzwiderstand (6) mit der Hochfrequenz verbunden ist. Ein Meßwiderstand (4) ist mit der Hochfrequenzoszillator-Hochfrequenzschalteinheit (2) in Reihe mit der Zuführung der Ver sorgungsspannung der Hochfrequenzoszillator-Hochfrequenzschalteinheit (2) geschaltet und wandelt die Änderung der Stromaufnahme der Hochfrequenzoszillator-Hochfrequenz schalteinheit (2) in eine Spannungsänderung um. Dem Meßwiderstand (4) ist ein Kondensator (10) parallel geschaltet, der einen Kurzschluß für die über dem Meßwiderstand (4) abfallende Wechselstromkomponente bildet. Mit Schalter (2.12) wird die Hochfrequenzoszillator- Hochfrequenzschalteinheit (2) mit der Referenzkapazität (9) belastet wenn der im Behälter be findliche Meßkondensator (3) durch den Schalter (2.11) abgeschaltet wird. Mit den Verbin dungsstellen (11 und 12) sowie den Widerständen (7 und 8) kann der Schaltzustand der Schalter (2.11 und 2.12) zum Abgleich vorgegeben werden. Die Mikrokontroller gesteuerte Meßwertaufnahme-Meßwertverarbeitungs- und Anzeigeeinheit (5) steuert die Schalter (2.11 und 2.12), mißt die der jeweiligen Last zugehörige Spannung die über dem Meßwiderstand (4) abfällt, verarbeitet die Meßwerte und bringt das Ergebnis zur Anzeige. Hierzu Fig. 1.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet das Hochfrequenzoszillator (2.61) und Hochfrequenzschalter (2.11 und 2.12) separat über 2 Anschlüsse mit der Versorgungs spannung verbunden sind, von denen jeweils einer an die vom Festspannungsregler (1) er zeugte Gleichspannung angeschlossen ist und der Meßwiderstand (4) in die Zuführung der Versorgungsspannung der Hochfrequenzschalter (2.11 und 2.12) in Reihe mit den Hochfre quenzschaltern (2.11 und 2.12) geschaltet ist, wobei der Meßwiderstand (4) die Stromaufnah me der Hochfrequenzschalter (2.11 und 2.12) bei denen es sich um aktive Schalter handelt in eine Spannungsänderung umwandelt. Hierzu Fig. 2.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet das der Hochfrequenzoszillator (2.61) und die Hochfrequenzschalter (2.3 und 2.4) separat über 2 Anschlüsse mit der Versor gungsspannung verbunden sind, von denen jeweils einer an die vom Festspannungsregler (1) erzeugte Gleichspannung angeschlossen ist und der Meßwiderstand (4) in die Zuführung der Versorgungsspannung des Hochfrequenzoszillators (2.61) in Reihe mit dem Hochfrequenzos zillator (2.61) geschaltet ist, wobei die Hochfrequenzschalter (2.3 und 2.4) passive Schalter sind und der Meßwiderstand (4) die Änderung der Stromaufnahme des Hochfrequenzoszilla tors (2.61) in eine Spannungsänderung umwandelt. Hierzu Fig. 3.