DE19644777C1 - Filling level indicator sensors for automobile fuel tank - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Füllstandssensor mit einer Anzahl kapazitiver Sensoren nach dem Oberbegriff des Patent anspruchs 1.The invention relates to a level sensor with a Number of capacitive sensors according to the generic term of the patent claim 1.
Füllstandssensoren werden insbesondere in Kraftstofftanks, z. B. bei Kraftfahrzeugen und Motorrädern, verwendet. Aus Sicherheitsgründen haben Kraftstofftanks zumeist eine sehr irreguläre Form, wodurch herkömmliche Potentiometer-Sensoren nur beschränkt einsetzbar sind. Ihre Auflösung und Genauig keit ist im Bereich der Restmenge oder bei vollem Tank einge schränkt. Außerdem sind Potentiometer-Sensoren verschleiß anfällig und können leicht durch mechanische Einflüsse ausfallen.Level sensors are used especially in fuel tanks, e.g. B. used in motor vehicles and motorcycles. Out For safety reasons, fuel tanks usually have a very high level irregular shape, causing conventional potentiometer sensors can only be used to a limited extent. Your resolution and accurate speed is on in the area of the remaining quantity or when the tank is full limits. In addition, potentiometer sensors are worn out vulnerable and can easily be affected by mechanical influences fail.
Alternativ zu Potentiometer-Sensoren sind kapazitive Sensoren bekannt.Capacitive sensors are an alternative to potentiometer sensors known.
In der DE-AS 22 21 741 ist ein Füllstandssensor zur kapaziti ven Messung von Füllhöhen eines Füllgutes (z. B. eines Fluids) beschrieben, bei dem mehrere im Abstand übereinander angeord nete Kondensatoren vorgesehen sind. Jeweils zwei benachbarte Kondensatoren der gleichen Kapazität bilden einen Differen tialkondensator. Jeder Kondensator wird durch ein Elektroden paar gebildet, das ggf. von Füllgut umgeben ist. Die Dielek trizitätskonstante des Füllguts beeinflußt dann die Kapazität der Kondensatoren. Bei der bekannten Anordnung ist vorge sehen, daß die Differentialkondensatoren der Reihe nach an ihren gemeinsamen Elektroden mit einem Impulssignal beauf schlagt werden. Die Gegenelektroden sind jeweils mit einem Differenzverstärker verbunden, dessen Ausgangssignal einen Impulszähler ansteuert. Befinden sich beide zu einem Dif ferentialkondensator gehörige Kondensatoren im gleichen Medium, so ist unter der Voraussetzung, daß beide Kondensa toren die gleiche Kapazität aufweisen, das Ausgangssignal des Differenzverstärkers Null. Entsprechend ist das Differenz signal ungleich Null, wenn sich die beiden Kondensatoren in verschiedenen Medien befinden. Die Anzahl der Impulse, die sich von Null unterscheiden, ist ein Maß für die Füllhöhe.In DE-AS 22 21 741 a level sensor for capacitance ven measurement of filling levels of a filling material (e.g. a fluid) described, in which several are arranged one above the other at a distance Nete capacitors are provided. Two adjacent ones Capacitors of the same capacitance make a difference tial capacitor. Each capacitor is made by an electrode pair formed, which may be surrounded by product. The Dielek Tricity constant of the product then influences the capacity of the capacitors. In the known arrangement is featured see that the differential capacitors turn on their common electrodes with a pulse signal be hit. The counter electrodes are each with a Differential amplifier connected, the output signal one Controls pulse counter. Are both at a dif ferential capacitor belonging capacitors in the same Medium, so provided that both condensates tors have the same capacity, the output signal of Differential amplifier zero. The difference is accordingly signal not equal to zero if the two capacitors are in different media. The number of pulses that differ from zero is a measure of the level.
Diese Anordnung hat den Nachteil, daß die jeweils beiden Kondensatoren, die einen Differenzkondensator bilden, exakt die gleiche Kapazität aufweisen müssen.This arrangement has the disadvantage that the two Capacitors that form a differential capacitor, exactly must have the same capacity.
Der Nachteil von Kondensatorenpaaren mit exakt gleicher Kapa zität wird durch die Anordnung nach DE-PS 25 15 065 besei tigt. Dort ist ein Meßgerät mit einzelnen, übereinander ange ordneten Kondensatoren beschrieben, deren erste Elektroden jeweils miteinander verbunden sind und mit Impulsen beauf schlagt werden. Die Auswertung der Kapazitäten erfolgt ein zeln über die jeweiligen zweiten Elektroden. Diese sind an jeweils einen Differenzverstärker geschaltet, an dem das Signal des jeweiligen Kondensators mit einem Referenzwert verglichen wird. Die Summe von Ausgangssignalen bei denen sich das Kondensatorsignal vom Referenzwert unterscheidet (wahlweise auch die Summe der Ausgangssignale, bei denen das Kondensatorsignal dem Referenzwert entspricht), ist ein Maß für die Füllhöhe.The disadvantage of capacitor pairs with exactly the same Kapa tity is besei by the arrangement according to DE-PS 25 15 065 does. There is a measuring device with individual, one above the other ordered capacitors described, the first electrodes are connected to each other and act on with impulses be hit. The capacities are evaluated cells over the respective second electrodes. These are on each connected a differential amplifier on which the Signal of the respective capacitor with a reference value is compared. The sum of output signals at those the capacitor signal differs from the reference value (optionally also the sum of the output signals for which the Capacitor signal corresponds to the reference value) is a measure for the fill level.
Für jeden Kondensator ist ein eigener Differenzverstärker erforderlich, was den Schaltungsaufwand erhöht. Durch das gemeinsame Ansteuern und Auslesen der Kondensatoren entstehen Streukapazitäten, die das Meßergebnis verfälschen. Außerdem ändern sich die Kapazitäten durch Veränderungen der Dielek trizitätskonstanten, z. B. in Abhängigkeit vom Füllgut und durch Temperaturschwankungen, und durch Alterung des Füll standssensors. Daher muß der Referenzwert ständig kalibriert und an das jeweilige Füllgut angepaßt werden.There is a separate differential amplifier for each capacitor required, which increases the circuitry. By the joint control and reading of the capacitors arise Stray capacities that falsify the measurement result. Furthermore capacities change due to changes in the Dielek Tricity constants, e.g. B. depending on the product and due to temperature fluctuations and aging of the filling level sensor. The reference value must therefore be constantly calibrated and be adapted to the respective product.
In der DE-OS 42 04 212 ist ein Füllstandssensor beschrieben, der zwei Elektroden aufweist, deren Flächen gegenläufig ver jüngt sind. Die eine kapazitive Fläche nimmt somit bei stei gendem Medium wesentlich mehr zu als die andere kapazitive Fläche. Dadurch muß nur die Differenz beider Kapazitäten bestimmt werden, die ein Maß für die Füllhöhe ist. Damit ist dieser Füllstandssensor während einer Messung unabhängig von der Dielektrizitätskonstanten des Füllgutes.A fill level sensor is described in DE-OS 42 04 212, which has two electrodes, the surfaces of which ver are young. The one capacitive surface thus increases with stei medium much more than the other capacitive Surface. This only means the difference between the two capacities be determined, which is a measure of the fill level. So that is this level sensor during a measurement regardless of the dielectric constant of the product.
Das System muß jedoch immer noch in Abhängigkeit von dem Füllgut kalibriert werden, da die absolute Differenz als Maß für den Füllstand immer noch von der Dielektrizitätskon stanten abhängig ist. Außerdem steilen Streukapazitäten ein Problem dar.However, the system still has to depend on that Contents are calibrated because the absolute difference as a measure for the level still from the dielectric con is dependent. Stray capacities also increase Problem.
Aus der DE-OS 37 20 473 ist ein Füllstandssensor bekannt, bei dem entlang einer Füllstrecke einzelne Kondensatoren in einem zylindrischem Gefäß angeordnet sind. Bei einem aufrecht stehenden Gefäß entspricht die Füllstrecke der Füllhöhe, die wiederum proportional zum Füllgut bzw. zur Fluidmenge ist. Die Kapazität eines jeden Kondensators variiert in Abhängig keit von dem Dielektrikum zwischen den entsprechenden Elek troden, aus denen jeder Kondensator gebildet ist. Entspre chend des Füllstandes existiert somit eine Gruppe benach barter Kondensatoren, die sich im Fluid befinden. Diese Kondensatoren weisen eine Kapazität auf, die sich von einer weiteren Gruppe Kondensatoren unterscheidet, die sich in Luft befinden. Zur Auswertung der Kapazitäten ist jeder Kondensa tor einzeln an eine Auswerteschaltung angeschlossen. Die Aus werteschaltung bestimmt die jeweilige Kapazität und ver gleicht diese mit einem Referenzwert.A fill level sensor is known from DE-OS 37 20 473, at the individual capacitors in one along a filling section cylindrical vessel are arranged. With one upright standing vessel, the filling distance corresponds to the filling height, the is in turn proportional to the filling material or the amount of fluid. The capacitance of each capacitor varies depending speed of the dielectric between the corresponding elec trodes from which each capacitor is formed. Correspond According to the level there is a group adjacent barter capacitors that are in the fluid. This Capacitors have a capacitance that differs from one another group of capacitors that differs in air are located. Each is condensate for evaluating the capacities Gate individually connected to an evaluation circuit. The out value switching determines the respective capacity and ver compares this with a reference value.
Durch eine Änderung der Kondensatoreigenschaften, wie z. B. durch Alterung oder durch Einwirkungen des Füllgutes, wird das Meßergebnis verfälscht. Dadurch ist es notwendig, das Meßsystem in periodischen Abständen zu kalibrieren. Außerdem muß der Referenzwert und das Maß der Kapazitätsänderung in Abhängigkeit vom Füllgut eingestellt werden. Dies stellt insbesondere bei Füllstandssensoren in KFZ-Treibstofftanks ein Problem dar, da die Dielektrizitätskonstante von Treib stoff in Abhängigkeit von der Treibstoffqualität und dem Wasseranteil divergieren kann.By changing the capacitor properties, such as. B. due to aging or the effects of the contents the measurement result falsified. It is therefore necessary that Calibrate the measuring system at periodic intervals. Furthermore the reference value and the measure of the capacity change in Dependency on the product to be set. This poses especially for level sensors in motor vehicle fuel tanks is a problem because the dielectric constant of Treib substance depending on the fuel quality and the Water content can diverge.
In der DE-OS 49 37 927 ist eine Einrichtung zur Füllstands messung beschrieben, bei der Kondensatoren zu einer ersten und mindestens einer weiteren Gruppe zusammengefaßt sind. Jede Gruppe enthält zwei Untergruppen von parallelgeschal teten Kondensatoren. Zwei in Füllstreckenrichtung aufeinander folgende Kondensatoren derselben Gruppe weisen bei gleichem Dielektrikum annähernd gleiche Kapazitäten auf. Die Unter gruppen einer Gruppe sind jeweils an eine gemeinsame Vergleichseinheit angeschlossen, die in Abhängigkeit von der Differenz der resultierenden Kapazitäten der Untergruppen ein digitales Vergleichssignal bildet. Als Referenzwert für die resultierende Kapazität einer Untergruppe dient die resultie rende Kapazität einer anderen Untergruppe. Damit werden gleichsinnige Alterungs- und Umwelteinflüsse kompensiert.In DE-OS 49 37 927 is a device for level measurement described in the case of capacitors to a first and at least one further group are combined. Each group contains two sub-groups of parallel pan capacitors. Two on top of each other in filling direction following capacitors of the same group have the same Dielectric approximately equal capacities. The sub groups of a group are each connected to a common one Comparison unit connected depending on the Difference of the resulting capacities of the subgroups digital comparison signal forms. As a reference value for the resulting capacity of a subgroup serves the resultie capacity of another subgroup. With that in the same direction compensated for aging and environmental influences.
Die Einrichtung hat den Nachteil, daß die Kondensatoren exakt die gleiche Kapazität aufweisen müssen. Hierdurch ist eine aufwendige Fertigung erforderlich, da die Kapazität in Abhän gigkeit von der Beschichtung und von den verwendeten Substra ten schwankt. Außerdem ergeben sich Probleme durch parasitäre Streukapazitäten, da pro Impuls eine Reihe Kondensatoren angesprochen werden, die sich wechselseitig beeinflussen.The device has the disadvantage that the capacitors are exact must have the same capacity. This is one elaborate production required because the capacity depends on the coating and the substrates used ten fluctuates. There are also parasitic problems Stray capacities as there are a number of capacitors per pulse that are mutually influencing.
In der DE-PS 31 14 678 ist ein Füllstandsanzeiger beschrie ben, bei dem mehrere Meßelektroden abschnittsweise zusammen gefaßt und einer Auswerteschaltung zugeführt sind. Die Sen sorelemente haben eine einzige Gegenelektrode. Die unterhalb eines Flüssigkeitsspiegels liegenden Kondensatoren sind durch das Dielektrikum der Flüssigkeit parallelgeschaltet, so daß die resultierende Kapazität das Maß für den Flüssigkeitsstand ist. Es ist daher ein Referenzwert zur Umsetzung der gemesse nen Kapazität in einen proportionalen Flüssigkeitsstand erforderlich. Der Referenzwert ist abhängig von dem zu messenden Medium. Er muß bei jedem neuen Befüllen des Behälters neu kalibriert werden. Zudem treten Streukapazitä ten zwischen der Gegenelektrode und den Meßelektroden, sowie zwischen den Meßelektroden auf.In DE-PS 31 14 678 a level indicator is described ben, in which several measuring electrodes together in sections are captured and fed to an evaluation circuit. The sen sensor elements have a single counter electrode. The below a liquid level condensers are through the dielectric of the liquid connected in parallel so that the resulting capacity is the measure of the liquid level is. It is therefore a reference value for the implementation of the measured capacity into a proportional liquid level required. The reference value depends on that too measuring medium. Each time he refills the Container are recalibrated. Stray capacity also occurs th between the counter electrode and the measuring electrodes, and between the measuring electrodes.
Die DE-OS 39 26 218 A1 zeigt eine Füllstandsmeßeinrichtung, mit der der Füllstand inhomogen verteilter Medien ohne Kalibierung eines Referenzwertes bestimmbar ist. Hierzu werden die Meßelektroden als Einzelelektroden einer Auswerte einheit zugeführt und zyklisch sequentiell ausgewertet. Dabei wird jeder Kapazitätswert in einem Komparator mit einem Referenzwert verglichen, der für gleichgroße Elektroden gleich ist. Es ist eine einzige Gegenelektrode vorhanden, die die Behälterwand sein kann.DE-OS 39 26 218 A1 shows a level measuring device, with which the level of inhomogeneously distributed media without Calibration of a reference value can be determined. For this are the measuring electrodes as individual electrodes of an evaluation unit fed and cyclically evaluated sequentially. Here each capacitance value in a comparator with a Reference value compared, that for electrodes of the same size is equal to. There is a single counter electrode, the the container wall can be.
Ausgehend von diesem Stand der Technik war es Aufgabe der Erfindung, einen Füllstandssensor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 für eine hochauflösende Füllstandsmessung ohne Kalibrieraufwand zu schaffen. Die Füllhöhe sollte unabhängig von der Füllgutbeschaffenheit, insbesondere der Dielektrizi tätskonstanten, ohne einen Referenzwert bestimmt werden. Der Füllstandssensor sollte leicht herstellbar, kostengünstig und wartungsarm sein.Based on this state of the art, it was the task of Invention, a level sensor according to the preamble of Claim 1 for a high-resolution level measurement without To create calibration effort. The fill level should be independent on the quality of the filling, in particular the dielectric be determined without a reference value. Of the Level sensor should be easy to manufacture, inexpensive and be low maintenance.
Die Aufgabe wird durch den Füllstandssensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.The task is carried out by the level sensor with the features of claim 1 solved.
Die Meßelektroden der kapazitiven Sensoren sind einzeln ansteuerbar mit einer Füllstandsauswerteschaltung verbunden. Weiterhin sind pro Feld die Gegenelektroden der entsprechen den Gruppe kapazitiver Sensoren zu einer Feldelektrode zusam mengeschaltet, wobei die Feldelektroden der Felder einzeln ansteuerbar sind.The measuring electrodes of the capacitive sensors are individual controllably connected to a fill level evaluation circuit. Furthermore, the counter electrodes are the same for each field the group of capacitive sensors together to form a field electrode switched, the field electrodes of the fields individually are controllable.
Durch diese Aufteilung der einstückigen Gegenelektrode in eine Vielzahl von Feldelektroden, die aus einzelnen Gegen elektroden besteht, werden die Streukapazitäten reduziert.By dividing the one-piece counter electrode into a variety of field electrodes made up of individual counter electrodes, the stray capacities are reduced.
Vorteilhafte Ausgestaltungsformen sind in den Unteransprüchen beschrieben.Advantageous embodiments are in the subclaims described.
Bei dem erfindungsgemäßen Füllstandssensor werden mit Ausnahme des auszuwertenden Kondensators und des entsprechen den Feldes alle anderen Felder und Kondensatoren an ein gemeinsames Potential (z. B. Masse) gelegt. Dadurch werden parasitäre Kapazitäten, die u. a. zwischen den Leiterbahnen und der Masse bzw. von Leiterbahn zu Leiterbahn auftreten vermindert. Die Feld- und Meßelektroden entlang der Füll strecke werden einzeln der Reihe nach angesteuert, wobei eine Ladungsverschiebung ein Zeichen dafür ist, daß sich die Elektroden in einem Fluid befinden.In the fill level sensor according to the invention with Exception of the capacitor to be evaluated and the corresponding the field all other fields and capacitors on common potential (e.g. mass). This will parasitic capacities that u. a. between the conductor tracks and the mass or from conductor to conductor reduced. The field and measuring electrodes along the fill Routes are controlled individually in sequence, with one Charge shift is a sign that the Electrodes are in a fluid.
Die jeweils ausgewählte Meßelektrode wird an einem virtuellen Nullpunkt mit dem gegenphasigen oszillierenden Signal überla gert, das auf die ausgewählte Feldelektrode gegeben wird, so daß die Ausgangsspannung im virtuellen Nullpunkt normal er weise nahezu Null ist. Da die parasitären Kapazitäten alle parallel zu dem virtuellen Nullpunkt liegen, tritt dort eine Ladungsverschiebung auf. Durch eine Gegenkompensation an einem nachfolgenden Verstärker bleibt die Nullspannung im virtuellen Nullpunkt erhalten. Am Ausgang des Verstärkers entsteht jedoch eine Potentialänderung, die angibt, daß sich die Meßelektrode in einem Fluid befindet. Der Einfluß der parasitären Kapazitäten wird durch diese Maßnahme nahezu eliminiert.The selected measuring electrode is on a virtual Overlaid zero point with the antiphase oscillating signal device that is placed on the selected field electrode, so that the output voltage in the virtual zero point is normal is almost zero. Because the parasitic capacities all parallel to the virtual zero point, one occurs there Charge shift on. By counter compensation A zero amplifier remains in a subsequent amplifier Get virtual zero. At the output of the amplifier however, there is a change in potential indicating that the measuring electrode is in a fluid. The influence of This measure almost eliminates parasitic capacities eliminated.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird mit der beigefüg ten Zeichnung erläutert.An embodiment of the invention is included with the th drawing explained.
Fig. 1 Schematische Darstellung des Füllstandssensors und Schaltbild einer Füllstandsauswerteschaltung; Fig. 1 Schematic representation of the level sensor and circuit diagram of a Füllstandsauswerteschaltung;
Fig. 2 Schematische Darstellung des in einem flüssigem Medium befindlichen Füllstandssensors; Fig. 2 Schematic representation of the level sensor located in a liquid medium;
Fig. 3 Ausschnitt des Schaltbildes der Füllstandsauswerte schaltung mit parasitären Kapazitäten; Fig. 3 section of the circuit diagram of the level evaluation circuit with parasitic capacitances;
Fig. 4 Diagramm der elektrischen Signale an den Feldelek troden und der Ausgangssignale. Fig. 4 diagram of the electrical signals to the field electrodes and the output signals.
In der Fig. 1 ist schematisch eine Ansicht des Füll standssensors 1 dargestellt. Der Füllstandssensor 1 besteht aus einer Anzahl Felder mit jeweils einer Anzahl kapazitiver Sensoren. Die Felder und die kapazitiven Sensoren sind auf einanderfolgend entlang einer Füllstrecke angeordnet. Die Kapazitäten der kapazitiven Sensoren sind durch das Dielek trikum eines Füllgutes beeinflußbar. Pro Feld sind die jeweils ersten Elektroden der Gruppe kapazitiver Sensoren zu einer Feldelektrode 2 zusammengeschaltet. Die zweiten Elektroden, bzw. Meßelektroden 3, der kapazitiven Sensoren sowie die Feldelektroden 2 der Felder sind über jeweilige Leitungen 5, 6 einzeln ansteuerbar mit einer Füllstandsaus werteschaltung 7 verbunden.In Fig. 1, a view of the filling level sensor 1 is shown schematically. The level sensor 1 consists of a number of fields, each with a number of capacitive sensors. The fields and the capacitive sensors are arranged in succession along a filling path. The capacitances of the capacitive sensors can be influenced by the dielectric of a medium. The first electrodes of the group of capacitive sensors are connected together to form a field electrode 2 for each field. The second electrodes, or measuring electrodes 3 , of the capacitive sensors and the field electrodes 2 of the fields are connected individually to a fill level evaluation circuit 7 via respective lines 5 , 6 .
Der Füllstandssensor 1 kann als doppelseitig bestückte Leiterplatine ausgeführt werden, wobei die Meßelektroden 3 der kapazitiven Sensoren als rechteckige Metallflächen auf der einen Seite der Leiterplatine gebildet sind. Die recht eckigen Metallflächen eines Feldes sind von einer Metall fläche umgeben, die eine Feldelektrode 2 bildet. Zwischen der Feldelektrode 2 und den Meßelektroden 3 ist ein nicht leiten der Zwischenraum vorgesehen. Durch eine Durchkontaktierung 4 sind die Meßelektroden 3 jeweils leitend mit entsprechenden Leiterbahnen auf der anderen Seite der Leiterplatine verbun den.The fill level sensor 1 can be designed as a double-sided printed circuit board, the measuring electrodes 3 of the capacitive sensors being formed as rectangular metal surfaces on one side of the printed circuit board. The right angular metal surfaces of a field are surrounded by a metal surface that forms a field electrode 2 . Between the field electrode 2 and the measuring electrodes 3 , a non-conductive space is provided. Through a via 4 , the measuring electrodes 3 are each conductively connected to corresponding conductor tracks on the other side of the circuit board.
Der Füllstandssensor 1 kann mit einem Metallrohr umgeben sein, das an ein gemeinsames Potential, z. B. Masse, gelegt ist. Dadurch können Störeinflüsse, die insbesondere durch parasitäre Kapazitäten verursacht sind, vermindert werden.The level sensor 1 can be surrounded by a metal tube that is connected to a common potential, for. B. mass, is placed. This can reduce interference caused, in particular, by parasitic capacitances.
Die in dem Schaltbild aus der Fig. 1 dargestellte Füll
standsauswerteschaltung 7 wird im folgenden in bezug auf das
Meßverfahren beschrieben:
Von einem RC-Oszillator 8 wird ein Signal generiert, das dem
Clock-Eingang Clk des binären Zählers 9 zugeführt wird. Ein
Decoder 10, der von den Ausgängen Q7, Q8 und Q9 gesteuert
wird, startet einen Auswertezyklus mit einem High-Signal an
seinem unteren Ausgang D0. Die anderen Ausgänge D1. . .7 weisen
dann ein Low-Signal auf. Das Signal des RC-Oszillators 8 wird
5 außerdem über einen Treiber 11 UND-Gattern zugeführt. Die
Ausgänge D0. . .7 des Decoders 10 sind ebenfalls mit den UND-Gat
tern verbunden. Durch die Verknüpfung an den UND-Gattern
gelangt das Signal des RC-Oszillators 8 über das untere UND-Gat
ter 12, den unteren Feldtreiber 13 und eine Feldleitung 6
an die untere Feldelektrode 2.The level evaluation circuit 7 shown in the circuit diagram from FIG. 1 is described below with reference to the measuring method:
A signal is generated by an RC oscillator 8 and is supplied to the clock input Clk of the binary counter 9 . A decoder 10 , which is controlled by the outputs Q 7 , Q 8 and Q 9 , starts an evaluation cycle with a high signal at its lower output D 0 . The other outputs D 1 .. .7 then have a low signal. The signal of the RC oscillator 8 is also 5 supplied via a driver 11 AND gates. The outputs D 0.. .7 of the decoder 10 are also connected to the AND gates. By linking the AND gates, the signal of the RC oscillator 8 passes through the lower AND gate 12 , the lower field driver 13 and a field line 6 to the lower field electrode 2 .
Während das Signal des RC-Oszillators 8 an dieser unteren Feldelektrode 2 anliegt, wird ein analoger Multiplexer 14 über die Ausgänge Q4, Q5 und Q6 des binären Zählers 9 ge steuert. Der analoge Multiplexer 14 beginnt seinen Zyklus mit dem Eingang Y0, wobei das über die Kapazität des unteren kapazitiven Sensors bzw. der unteren Meßelektrode 3 gewonnene Signal über eine Meßleitung 5 und einen ersten Kondensator 15 an einen virtuellen Nullpunkt 16 eines Summier-Operations verstärkers 17 geleitet wird. Gleichzeitig gelangt ein gegen phasiges Signal des RC-Oszillators 8 über einen Inverter- Treiber 18 und einen weiteren Kondensator 19 an den virtuel len Nullpunkt 16. Die nicht aktivierten Feldelektroden 2 und die nicht aktivierten Meßelektroden 3 werden jeweils durch die UND-Gatter 12 und die Treiber 13 bzw. durch den analogen Multiplexer 14 mit Massepotential verbunden. Damit werden die Störeinflüsse durch parasitäre Kapazitäten vermindert.While the signal from the RC oscillator 8 is present at this lower field electrode 2 , an analog multiplexer 14 is controlled via the outputs Q 4 , Q 5 and Q 6 of the binary counter 9 . The analog multiplexer 14 begins its cycle with the input Y 0 , the signal obtained via the capacitance of the lower capacitive sensor or the lower measuring electrode 3 being passed via a measuring line 5 and a first capacitor 15 to a virtual zero point 16 of a summing operation amplifier 17 is directed. At the same time, an anti-phase signal from the RC oscillator 8 reaches the virtual zero point 16 via an inverter driver 18 and a further capacitor 19 . The non-activated field electrodes 2 and the non-activated measuring electrodes 3 are each connected to ground potential by the AND gates 12 and the drivers 13 or by the analog multiplexer 14 . This reduces the interference caused by parasitic capacitances.
Befindet sich nun die aktivierte untere Meßelektrode 3 in Luft, ergibt sich in dem virtuellen Nullpunkt 16 nahezu eine Kompensation bzw. eine Auslöschung der beiden Signale. Ist die untere Meßelektrode 3 jedoch von einem zu messenden Füll gut, z. B. Wasser, Kraftstoff etc., umgeben, dann ändert sich die Kapazität der Meßelektrode 3 zur unteren Feldelektrode 3 und ggf. zur Bezugselektrode des Metallrohrs drastisch. Damit wird eine Änderung des Meßsignals am virtuellen Nullpunkt 16 des Summier-Operationsverstärkers 17 bewirkt. Das Meßsignal am virtuellen Nullpunkt 16 wird von dem Summier-Operations verstärker 17 und dem nachgeschalteten Operationsverstärker 20 verstärkt und in einem aktiven Gleichrichter 21 gleich gerichtet. Das gleichgerichtete Signal wird einem Schmitt- Trigger 22 zugeleitet. Übersteigt das Gleichspannungssignal die Schwelle des Schmitt-Triggers 22, dann liegt an seinem Ausgang ein High-Pegel an. Dieses Ausgangssignal wird über das Ausgangs-UND-Gatter 23 mit dem Ausgangssignal Q3 des binären Zählers 9 verknüpft und als positiver Impuls an den Ausgangsanschluß 24 geleitet.If the activated lower measuring electrode 3 is now in air, the virtual zero point 16 results in almost a compensation or an extinction of the two signals. However, the lower measuring electrode 3 is good from a filling to be measured, e.g. B. water, fuel, etc., then the capacity of the measuring electrode 3 to the lower field electrode 3 and possibly to the reference electrode of the metal tube changes drastically. This causes a change in the measurement signal at the virtual zero point 16 of the summing operational amplifier 17 . The measurement signal at the virtual zero point 16 is amplified by the summing operational amplifier 17 and the downstream operational amplifier 20 and rectified in an active rectifier 21 . The rectified signal is fed to a Schmitt trigger 22 . If the DC voltage signal exceeds the threshold of the Schmitt trigger 22 , then a high level is present at its output. This output signal is linked via the output AND gate 23 to the output signal Q 3 of the binary counter 9 and passed to the output terminal 24 as a positive pulse.
Über den analogen Multiplexer 14 werden die Meßelektroden 3 innerhalb der unteren Feldelektrode 2 nun nacheinander abge fragt. Sie erzeugen in Abhängigkeit von der Füllstandshöhe ein High-Signal an dem Ausgangsanschluß 24. About the analog multiplexer 14 , the measuring electrodes 3 within the lower field electrode 2 are now queried one after the other. Depending on the level, they generate a high signal at the output connection 24 .
Nachdem alle unteren acht Meßelektroden 3 innerhalb der unteren Feldelektrode 2 abgefragt wurden, wird die nächst höhere Feldelektrode 2 über den binären Zähler 9 und den Decoder 10 aktiviert und die Abfrage der innerhalb dieses Feldes befindlichen Meßelektroden der Reihe nach durch geführt.After all lower eight measuring electrodes 3 within the lower field electrode 2 have been queried, the next higher field electrode 2 is activated via the binary counter 9 and the decoder 10 and the query of the measuring electrodes located within this field is carried out in order.
Nach Abfrage der oberen Meßelektroden innerhalb der oberen Feldelektrode wird der binäre Zähler 9 zurückgesetzt und der Meßvorgang beginnt wieder mit der unteren Feldelektrode 2. Die innerhalb dieses Zyklus erzeugten Impulse am Ausgangs anschluß 24 sind ein Maß für den aktuellen Füllstand. Anstelle der einzelnen Impulse am Ausgangsanschluß 24 kann auch eine parallele Ausgabe kodierter Daten erfolgen.After querying the upper measuring electrodes within the upper field electrode, the binary counter 9 is reset and the measuring process starts again with the lower field electrode 2 . The pulses generated within this cycle at the output terminal 24 are a measure of the current level. Instead of the individual pulses at the output terminal 24 , coded data can also be output in parallel.
Die Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung des in einem flüssigem Medium befindlichen Füllstandssensors. Die Feld elektroden 2.1 und 2.2 der beiden unteren Felder und die unteren beiden Meßelektroden der Feldelektrode 2.3 befinden sich vollständig im Fluid. Die anderen Meßelektroden inner halb der Feldelektrode 2.3 und die Feldelektrode 2.4 sind von Luft umgeben und weisen daher eine andere Kapazität auf als die im Fluid befindlichen Elektroden. FIG. 2 shows a schematic illustration of the fill level sensor located in a liquid medium. The field electrodes 2.1 and 2.2 of the two lower fields and the lower two measuring electrodes of the field electrode 2.3 are completely in the fluid. The other measuring electrodes within the field electrode 2.3 and the field electrode 2.4 are surrounded by air and therefore have a different capacity than the electrodes in the fluid.
Die Fig. 3 zeigt einen Ausschnitt des Schaltbildes der Füll
standsauswerteschaltung mit parasitären Kapazitäten, die sich
u. a. zwischen den Leiterbahnen und der Masse sowie zwischen
benachbarten Leiterbahnen befinden. Sie werden dadurch elimi
niert, daß alle Felder und Kondensatoren, mit Ausnahme des
auszuwertenden Kondensators und des entsprechenden Feldes, an
Masse gelegt und damit neutralisiert werden. Dies wird im
folgenden näher erläutert:
Jeweils eine Feldelektrode 2.1, 2.2, . . . erhält von einem
Oszillator über Leistungsbuffer, die durch die UND-Gatter und
die Feldtreiber 13 gebildet werden, ein hochfrequentes Signal
(HF-Signal) von ca. 100 kHz. Die Meßelektroden 3 werden über
den Decoder 14 derart angesteuert, daß jeweils nur eine Meß
elektrode 3 über den ersten Kondensator 15 an den virtuellen
Nullpunkt 16 gelegt wird. Alle anderen Feldelektroden und
Meßelektroden werden über bilaterale Schalter an ein festes
Potential gelegt. Ein Anteil des gleichen HF-Signals, das
auch auf die ausgewählte Feldelektrode gegeben wird, liegt
gegenphasig an dem virtuellen Nullpunkt 16 (bzw. Summier
punkt) des Summier-Operationsverstärkers 17 an. Dort ist die
Ausgangsspannung im Normalfall nahezu Null. Die parasitären
Kapazitäten liegen alle parallel zu dem virtuellen Nullpunkt
16 des folgenden Summier-Operationsverstärkers 17. Da die
Spannung im virtuellen Nullpunkt 16 nahezu Null ist, haben
die parasitären Kapazitäten keinen Einfluß mehr. Damit die
Nullspannung auch bei einer durch die kapazitiven Sensoren
verursachten Ladungsverschiebung erhalten bleibt, ist eine
Gegenkompensation des Summier-Operationsverstärkers 17 vorge
sehen. Trotz Nullspannung entsteht jedoch am Ausgang des
Summier-Operationsverstärkers 17 eine Potentialänderung.
Dadurch wird der Einfluß der parasitären Kapazitäten nahezu
eliminiert. Das Ausgangssignal des Summier-Operationsver
stärkers 17 kann anschließend verstärkt, verglichen und
integriert werden. Fig. 3 shows a section of the circuit diagram of the level evaluation circuit with parasitic capacitances, which are located, among other things, between the conductor tracks and the ground and between adjacent conductor tracks. They are eliminated by the fact that all fields and capacitors, with the exception of the capacitor to be evaluated and the corresponding field, are connected to ground and thus neutralized. This is explained in more detail below:
One field electrode 2.1 , 2.2,. . . receives a high-frequency signal (RF signal) of approximately 100 kHz from an oscillator via power buffers, which are formed by the AND gates and the field drivers 13 . The measuring electrodes 3 are driven via the decoder 14 so that only one measuring electrode 3 via the first capacitor 15 to the virtual zero point 16 is placed. All other field electrodes and measuring electrodes are connected to a fixed potential via bilateral switches. A portion of the same RF signal, which is also given to the selected field electrode, is in phase opposition to the virtual zero point 16 (or summing point) of the summing operational amplifier 17 . The output voltage there is normally almost zero. The parasitic capacitances are all parallel to the virtual zero point 16 of the following summing operational amplifier 17 . Since the voltage in virtual zero point 16 is almost zero, the parasitic capacitances no longer have any influence. So that the zero voltage is maintained even with a charge shift caused by the capacitive sensors, a counter compensation of the summing operational amplifier 17 is easily seen. Despite zero voltage, however, a potential change occurs at the output of the summing operational amplifier 17 . This almost eliminates the influence of parasitic capacitances. The output signal of the summing operations amplifier 17 can then be amplified, compared and integrated.
Die Fig. 4 zeigt ein Diagramm der elektrischen Signale an den Feldelektroden und der Ausgangssignale. Zunächst wird ein HF-Signal über den entsprechenden Feldtreiber 13 auf die untere Feldelektrode 2.1 gegeben. Da sich die untere Feld elektrode 2.1 und die jeweiligen Meßelektroden 3 im Fluid befinden, tritt am Summier-Operationsverstärker 17 eine Potentialverschiebung auf, die verstärkt und gleichgerichtet wird und am Schmitt-Trigger 22 zu einem High-Pegel führt. Dieser High-Pegel bleibt so lange erhalten, wie die im Fluid befindlichen Meßelektroden 3 innerhalb der Feldelektroden 2.1 bis 2.3 angesteuert werden. Der High-Pegel wird mit Hilfe des Ausgangs-UND-Gatters 23 in jeweils einen Impuls pro ange steuerte Meßelektrode 3 verwandelt, der am Ausgangsanschluß 24 anliegt. Sobald nun die erste oberhalb des Fluidpegels befindliche Meßelektrode 3 angesteuert wird, unterschreitet die Potentialverschiebung den am Schmitt-Trigger 22 ein gestellten Schwellwert, so daß dort ein Low-Pegel anliegt. Dann liegt auch an dem Ausgangsanschluß 24 kein High-Pegel mehr an. Zur Füllhöhenmessung müssen nur noch die Impulse am Ausgangsanschluß 24 ausgewertet werden. Die Schaltung ist sehr unempfindlich gegen Schwankungen der Dielektrizitäts konstante des Fluids, da keine absoluten Kapazitäten, sondern nur die Differenz der Potentialverschiebung ausgewertet wird, die bei Fluiden und bei Luft auftritt. FIG. 4 shows a diagram of the electrical signals to the field electrodes, and the output signals. First, an RF signal is applied to the lower field electrode 2.1 via the corresponding field driver 13 . Since the lower field electrode 2.1 and the respective measuring electrodes 3 are in the fluid, a potential shift occurs at the summing operational amplifier 17 , which is amplified and rectified and leads to a high level at the Schmitt trigger 22 . This high level is maintained as long as the measuring electrodes 3 located in the fluid are activated within the field electrodes 2.1 to 2.3 . The high level is converted with the help of the output AND gate 23 into one pulse per controlled measuring electrode 3 , which is present at the output terminal 24 . As soon as the first measuring electrode 3 located above the fluid level is actuated, the potential shift falls below the threshold value set on the Schmitt trigger 22 , so that a low level is present there. Then there is no longer a high level at the output terminal 24 either. For the level measurement, only the pulses at the output connection 24 have to be evaluated. The circuit is very insensitive to fluctuations in the dielectric constant of the fluid, since no absolute capacitances are evaluated, but only the difference in the potential shift that occurs in fluids and in air.
Die Füllguthöhe entspricht nur bei gleichförmigen z. B. zylin drischen Behältern dem Literinhalt. Mit dem Füllstandssensor ist es möglich, das Meßsignal durch eine Anpassung der Elektrodenflächen zu linearisieren, um ein jederzeit zum Literinhalt proportionales Signal zu erhalten. Die Größe der kapazitiven Sensoren wird hierzu an die spezielle Form des Füllgutbehälters angepaßt. In Bereichen mit geringem Volumen, in denen bei einer kleinen Volumenänderung eine große Füll höhenänderung ergibt, werden die Flächen der Meßelektroden 3 vergrößert. Außerdem können die Felder leicht an spezielle Behälterformen, z. B. an konische Behälterböden, angepaßt werden.The product height only corresponds to uniform z. B. cylin drical containers the liter content. With the level sensor, it is possible to linearize the measurement signal by adapting the electrode surfaces in order to obtain a signal that is proportional to the liter content at all times. The size of the capacitive sensors is adapted to the special shape of the product container. In areas with low volume, in which there is a large change in filling height with a small change in volume, the areas of the measuring electrodes 3 are enlarged. In addition, the fields can easily be attached to special container shapes, e.g. B. to be conical container bottoms.
Claims (7)
- - die kapazitiven Sensoren entlang einer Füllstrecke angeordnet sind,
- - die Kapazitäten der kapazitiven Sensoren durch ein Dielektrikum eines Füllgutes beeinflußbar sind,
- - mindestens zwei Felder aus jeweils einer Gruppe kapazitiver Sensoren gebildet sind, und
- - die Felder entlang der Füllstrecke aufeinanderfolgend
angeordnet sind,
dadurch gekennzeichnet, daß - - die Meßelektroden (3) der kapazitiven Sensoren einzeln ansteuerbar mit einer Füllstandsauswerteschaltung (7) verbunden sind,
- - pro Feld die Gegenelektroden der entsprechenden Gruppe kapazitiver Sensoren zu einer Feldelektrode (2) zusammengeschaltet sind und
- - die Feldelektroden (2) der Felder einzeln ansteuerbar mit der Füllstandsauswerteschaltung (7) verbunden sind.
- the capacitive sensors are arranged along a filling section,
- the capacitances of the capacitive sensors can be influenced by a dielectric of a filling material,
- - At least two fields are each formed from a group of capacitive sensors, and
- the fields are arranged in succession along the filling section,
characterized in that - - The measuring electrodes ( 3 ) of the capacitive sensors are individually controllable and are connected to a fill level evaluation circuit ( 7 ),
- - The counter electrodes of the corresponding group of capacitive sensors are connected together to form a field electrode ( 2 ) and
- - The field electrodes ( 2 ) of the fields are individually controllable and connected to the fill level evaluation circuit ( 7 ).
- - jeweils nur eine der mehreren Feldelektroden (2) ausgewertet wird, während die anderen Feldelektroden (2) auf ein gemeinsames Potential gelegt sind,
- - jeweils nur eine Meßelektrode (3) der Anzahl kapazitiver Sensoren ausgewertet wird, während die Meßelektroden (3) der anderen kapazitiven Sensoren auf das gemeinsame Potential gelegt sind.
- only one of the several field electrodes ( 2 ) is evaluated, while the other field electrodes ( 2 ) are connected to a common potential,
- - Only one measuring electrode ( 3 ) of the number of capacitive sensors is evaluated, while the measuring electrodes ( 3 ) of the other capacitive sensors are connected to the common potential.
- - einen Oszillator,
- - eine Schalteinheit, die mit dem Oszillator und wahlweise mit jeweils einer Feldelektrode (2) verbunden ist, und
- - eine Auswerteeinheit aufweist, die wahlweise mit jeweils einer Meßelektrode (3) verbunden ist.
- - an oscillator,
- - A switching unit which is connected to the oscillator and optionally with a field electrode ( 2 ), and
- - Has an evaluation unit, which is optionally connected to a measuring electrode ( 3 ).
- - einen Oszillator,
- - eine Schalteinheit, die mit dem Oszillator und wahlweise mit jeweils einer Meßelektrode (3) verbunden ist, und
- - eine Auswerteeinheit aufweist, die wahlweise mit jeweils einer Feldelektrode (2) verbunden ist.
- - an oscillator,
- - A switching unit which is connected to the oscillator and optionally with a measuring electrode ( 3 ), and
- - Has an evaluation unit, which is optionally connected to a field electrode ( 2 ).
- - jeweils eine ausgewählte Meßelektrode (3) über einen ersten Kondensator (15) entkoppelt und mit dem invertierten Signal des Oszillators, das durch einen zweiten Kondensator (19) entkoppelt ist, zusammen geschlossen ist und
- - ein rückgekoppelter Verstärker zum Verstärken des daraus resultierenden Signals vorgesehen ist.
- - A selected measuring electrode ( 3 ) is decoupled via a first capacitor ( 15 ) and is closed together with the inverted signal of the oscillator, which is decoupled by a second capacitor ( 19 ), and
- - A feedback amplifier is provided to amplify the resulting signal.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 8100 | Publication of the examined application without publication of unexamined application | ||
| D1 | Grant (no unexamined application published) patent law 81 | ||
| 8364 | No opposition during term of opposition | ||
| 8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
Owner name: SICAN GMBH, 30419 HANNOVER, DE |
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| 8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
Owner name: SCI-WORX GMBH, 30419 HANNOVER, DE |
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| R081 | Change of applicant/patentee |
Owner name: KLEMP, HEINZ, DE Free format text: FORMER OWNER: SCI-WORX GMBH, 30419 HANNOVER, DE Effective date: 20110504 |
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| R082 | Change of representative |
Representative=s name: GRAMM, LINS & PARTNER PATENT- UND RECHTSANWAEL, DE |
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| R071 | Expiry of right |