DE19749884C1

DE19749884C1 - Schaltungsanordnung zur linearen, materialunabhängigen kapazitiven Standmessung

Info

Publication number: DE19749884C1
Application number: DE19749884A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Pok
Original assignee: RECHNER IND ELEKTRONIK GmbH
Current assignee: RECHNER IND ELEKTRONIK GmbH
Priority date: 1997-11-12
Filing date: 1997-11-12
Publication date: 1999-08-19
Anticipated expiration: 2017-11-13
Also published as: EP0916930A1; EP0916930B1; DE59812609D1

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur kapazitiven Messung des Füllstandes von Flüssigkeiten oder Schüttgütern in einem Behälter nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Die in dem Dokument DE 195 28 384 A1 beschriebene Schaltungsanordnung hat die kontinuierliche Füllstandsregelung zum Ziel. Die dort erläuterte Verhältnismessung hat eine Stelle, an der das Füllstands-Anzeigesignal unabhängig von den Materialeigenschaften des Füllgutes ist; an dieser Stelle orientiert sich der Sollwert der Regelung. Die Steilheit des Anzeigesignals ist jedoch abhängig von der Dielektrizitätskonstanten ε des Füllgutes. Das führt vor allem beim Nullwert und Maximalwert der Füllung zu nachteiligen Abweichungen gegenüber dem tatsächlichen Füllstand, vor allem bei extremen ε-Werten des Füllgutes. Die in dem Dokument vorgeschlagenen Kompensationsmaßnahmen, nämlich Regelung der Amplitude des Generator-Ausgangssignals oder des Verstärkungsfaktors der Wechselspannungsverstärker, ermöglichen nur für einen eingeschränkten Wertebereich der Dielektrizitätskonstanten ε akzeptable Fehlergrenzen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den nutzbaren Wertebereich der Füllgut- Dielektrizitätskonstanten ε zu vergrößern.

Ausgehend von einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art ist dazu erfindungsgemäß vorgesehen, daß aus dem Ausgangssignal des ersten Kanals und einer konstanten, vorgegebenen Spannung U_O das Stellsignal für den Wechselspannungsgenerator gebildet wird, aus der Amplitude des Wechselspannungsgenerator-Ausgangssignals in einem mit dem zweiten identischen dritten Kanal eine amplitudenproportionale Gleichspannung U_GA gebildet wird, deren Amplitude durch Regelbarkeit der Verstärkung des ersten oder des dritten Kanals einstellbar ist, und daß die Gleichspannung mit dem Ausgangssignal U_M des zweiten Kanals einem Rechenwerk zugeführt wird, welches ein Korrektursignal U_k gemäß der Relation

U_k = U_GA(U_O - U_M)/(U_O - U_GA)

ermittelt, und daß das Signal U_k sowie das Signal U_M einem Subtrahierer zugeführt werden, welcher an seinem Ausgang das Füllstands-Anzeigesignal U_F bereitstellt. Das Füllstands-Anzeigesignal U_F ist dem Füllstand des Füllgutes im Behälter für den gesamten relevanten Wertebereich der Dielektrizitätskonstanten ε linear zugeordnet. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung läßt sich sehr leicht an die jeweilige Behältergeometrie anpassen und eichen.

In einer Weiterbildung der Erfindung kann das Füllstands-Anzeigesignal U_F in einer dem Subtrahierer nachgeschalteten Ausgangsstufe in ein genormtes Ausgangssignal umgesetzt werden. Zum Inbetriebnahme-Abgleich werden zweckmäßig die Ausgangssignale des zweiten und dritten Kanals mit dem Signal U_O einem Komparator zugeführt, an welchen ein Abgleichindikator angeschlossen sein kann. Ferner empfiehlt es sich, das Signal U_O und das Signal U_GA einem zweiten Komparator zuzuführen, dessen Ausgang mit dem Rücksetzanschluß des Subtrahierers verbunden ist. Vorteilhafterweise kann dann der Ausgang des zweiten Komparators mit dem Eingang einer Signal-Ausgangsstufe verbunden sein.

Nach der Erfindung wird ein regelbarer Wechselspannungsgenerator mit seinem "heißen" Ende mit dem Behälter, der elektrisch leitend oder mit einer elektrisch leitenden Auskleidung versehen sein kann, verbunden, eine am Meßfühler unten angeordnete Referenz-Elektrode über Koaxialkabel an einen ersten Kanal, bestehend aus einem linearen und wahlweise regelbaren Wechselspannungsverstärker mit nachfolgendem Gleichrichter, angekoppelt und dessen Ausgangsspannung einem Regelverstärker zugeführt, der seinerseits den Steheingang des regelbaren Wechselspannungsgenerators ansteuert. Für den Regelverstärker wird eine stabilisierte Spannung, als U_O bezeichnet, als Sollwert vorgegeben.

Weiterhin wird das Ausgangssignal des Wechselspannungsgenerators über einen Koppelkondensator einem dritten Kanal, bestehend aus einem Wechselspannungsverstärker mit nachgeschaltetem Gleichrichter, zugeführt.

Die im Meßfühler oben angeordnete Meßelektrode ist mit einem zweiten Kanal verbunden. Alle drei Kanäle haben gleiche Kennlinie und sind im Aufbau bis auf eine fakultative Regelbarkeit identisch.

Das Ausgangssignal U_GA des dritten Kanals, das proportional abhängig von der Amplitude des Wechselspannungsgenerator-Ausgangssignals ist, wird einem Abgleichkomparator zugeführt und dort mit dem Spannungswert U_O verglichen. Über die Einstellung der Spannungsverstärkung des ersten oder des dritten Kanals wird bei leerem Behälter dieses Ausgangssignal U_GA mit dem Spannungswert U_O in Übereinstimmung gebracht, angezeigt durch einen entsprechenden Abgleichindikator.

Zu Beginn wird der Behälter mit Füllgut der Dielektrizitätskonstanten ε_r oder bei isolierten Meßelektroden mit leitfähigem Füllgut bis zur vollständigen Bedeckung der Referenz- Elektrode gefüllt. Der Regelkreis, der den Wechselspannungsgenerator, die Referenzelektrode, den dritten Kanal und den Regelverstärker umfaßt, bewirkt, daß der Pegel des Ausgangssignals U_GA des dritten Kanals konstant bleibt, was durch Herabregeln der Amplitude des Wechselspannungsgenerators erfolgt. Somit entsteht am Ausgang des ersten Kanals eine Spannung, die exakt dem Wert U_O/ε_r entspricht. Dieser Wert bleibt erhalten, wenn der Füllstand die untere Referenz-Elektrode übersteigt.

Der zweite Kanal wird ebenso wie der erste oder dritte Kanal abgeglichen, d. h. im Leerzustand des Behälters stimmt das Ausgangssignal mit dem Spannungswert U_O überein.

Nachdem beide Kanäle in dieser Weise abgeglichen sind, und die Referenz-Elektrode geflutet wird, d. h. der Behälter soweit mit Füllgut befüllt wird, bis die Referenzelektrode mit Füllgut, bedeckt ist, die obere Elektrode jedoch noch frei bleibt, folgt das Ausgangssignal U_M des zweiten Kanals exakt dem Wert U_O/ε_r = U_GA. Erst wenn der Füllstand die obere Elektrode erreicht, übersteigt das Ausgangssignal U_M des zweiten Kanals den Wert U_GA, bei völliger Bedeckung erreicht U_M wieder den Wert U_O.

Das Ausgangssignal U_M des zweiten Kanals erreicht also bei völliger Bedeckung seinen Maximalwert, der Minimalwert ist aber mit U_O/ε_r festgelegt und damit abhängig von der Dielektrizitätskonstanten des Füllgutes.

Dieser materialabhängige Wert U_O/ε_r wird zur Ermittlung einer Korrekturgröße U_k herangezogen. Diese Korrekturgröße soll zu Beginn der Messung, also bei völlig bedeckter Referenzelektrode und obere Elektrode frei, dem Wert U_O/ε_r entsprechen. Bei Subtraktion dieses Wertes vom Signal U_M ergibt sich also für den Meßbeginn für U_M = Null. Bei völlig gefluteter oberer Elektrode soll U_M den Wert U_O annehmen, hier muß also die abzuziehende Korrekturgröße den Wert Null haben. Es ergibt sich also für U_M ein Ausgangssignalbereich von Null bis U_O für

U_A = U_M - U_K

Die Berechnung dieser Korrekturgröße ist gemäß der Beziehung

U_k = (U_O - U_M)/(ε_r - 1)

möglich. Eine mögliche Umformung dieser Beziehung in Größen, die als Signale vorhanden sind, lautet

U_k = U_GA(U_O - U_M)/(U_O - U_GA)

Bei leerem Behälter wird ein Komparator benutzt, dessen Umschaltpunkt etwa bei 90% des Wertes U_O liegt und der mit dem Ausgang des dritten Kanals (U_GA) verbunden ist. Solange bei steigender Bedeckung der Referenzelektrode das Signal U_GA größer als 90% von U_O ist, setzt dieser Komparator das Ausgangssignal zwangsweise auf Null. Sobald aber das Signal U_GA kleiner als U_O wird, ist die Berechnung des Korrekturfaktors möglich. Die Absenkung auf 90% von U_O erfolgt bereits bei geringer Bedeckung der Referenz-Elektrode auch bei einem Füllgut von niedrigem ε; die Berechnung des Korrekturfaktors setzt also schon ein, bevor die eigentliche Messung im Bereich der oberen Elektrode beginnt.

Die erfindungsgemäße Anordnung hat den großen Vorteil, daß bei der Inbetriebnahme der Messung nur ein Abgleich bei leerem Behälter vorgenommen werden muß und durch einen Abgleichindikator (z. B. LED) ohne weitere Hilfsmittel möglich ist. Das Meßprinzip sichert, daß bei erfolgreichem Abgleich die Funktion der Schaltungsanordnung gewährleistet ist. Bei fehlerhafter Montage, Falschdimensionierung oder anderen Ursachen ist ein Abgleich nicht möglich.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird in Fig. 1 gezeigt und nachfolgend erläutert.

In einem Behälter 1 befindet sich der Meßfühler 2 mit der unteren Meßelektrode 3 (Referenz- Elektrode) und der oberen Meßelektrode 4, beide Elektroden begrenzt durch Schirmelektroden 5.

Ein regelbarer Wechselspannungsgenerator 6 ist mit seinem "heißen" Ausgang mit dem leitfähigen Behälter 1 verbunden, damit entsteht eine kapazitive Ankopplung der Elektroden 3 und 4, die durch Befüllung mit Material entsprechend dessen ε_r verändert wird.

Die Referenz-Elektrode 3 ist über Koaxialkabel 7 mit einem ersten Kanal 8 verbunden, der aus einem linearen Wechselspannungsverstärker mit nachfolgendem Gleichrichter besteht.

Der Ausgang des Kanals 8 liegt am Eingang des Regelverstärkers 9, der Sollwert U_O (= 10 V) wird aus der stabilisierten Spannungsquelle 15 abgeleitet. Der Regelverstärker 9 liegt mit seinem Ausgang am Stelleingang des regelbaren Wechselspannungsgenerators 6, so daß ein geschlossener Regelkreis entsteht.

Der zweite Kanal 10 ist über Koaxialkabel 7 mit der oberen Meßelektrode 4 verbunden, an seinem Ausgang steht das Signal U_M an.

Der dritte Kanal 11 ist eingangsseitig über einen Koppelkondensator 12 mit dem Ausgang des Wechselspannungsgenerators 6 verbunden, an seinem Ausgang steht das Signal U_GA an.

Die Signale U_M und U_GA werden einem Komparator 13 mit nachgeschaltetem Abgleichindikator 14 zugeführt, die Schaltspannung U_O wird von der stabilisierten Spannungsquelle 15 bereitgestellt.

Bei Inbetriebnahme der Schaltungsanordnung werden in der Reihenfolge U_GA, U_M bei leerem Behälter 1 die Kanäle 11 und 10 auf einen Signalpegel von 10 V (= U_O) eingestellt.

Die Ausgänge des dritten Kanals 11 (U_GA), des zweiten Kanals 10 (U_M) sowie der stabilisierten Spannungsquelle 15 (U_O) werden dem Rechenwerk 16 zugeführt, die die Rechenfunktion

U_K = U_GA(U_O - U_M)/(U_O - U_GA)

ausführt.

Der Ausgangswert U_K des Rechenwerks 16 sowie das Ausgangssignal U_M des zweiten Kanals 10 werden einem Subtrahierer 17 zugeführt, dessen Ausgangssignal linear mit dem Bedeckungsgrad der Meßelektrode 4 zwischen dem Anfangswert Null und dem Endwert U_o = 10 V korreliert ist und daher das Füllstands-Anzeigesignal U_F darstellt. Eine nachfolgende Ausgangsstufe 18 wandelt diese Größe in ein beliebiges Standard-Ausgangssignal um.

Der Ausgang des dritten Kanals 11 mit seinem Ausgangswert U_GA ist mit einem weiteren Komparator 19 verbunden, die Vergleichsspannung wird über einen Spannungsteiler 20 aus der stabilisierten Spannungsquelle 15 gewonnen und liegt bei 90% dieses Spannungswertes. Der Komparator 19 liegt mit seinem Ausgang auf einem Rücksetzeingang des Subtrahierers 17, der den Ausgang des Subtrahierers 17 bei entsprechendem Pegel auf den Wert Null setzt.

Dem Komparator 19 folgt weiterhin eine Schaltstufe 21 mit einem binären Ausgang. Dieser Schaltausgang stellt ein Alarmsignal zur Verfügung, wenn der Füllstand im Behälter 1 weit unterhalb des Normbereiches liegt.

Claims

1. Schaltungsanordnung zur kapazitiven Messung des Füllstandes von Flüssigkeiten oder Schüttgütern in einem Behälter (1), in welchem ein Meßfühler (2) vertikal angeordnet ist, wobei der Meßfühler zwischen Abschirmelektroden (5) von unten nach oben eine Referenzelektrode (3) sowie eine Meßelektrode (4) aufweist und an dem Behälter (1) mindestens eine Gegenelektrode vorgesehen ist und wobei an die Referenzelektrode (3) ein erster Kanal (8) mit linearem Wechselspannungsverstärker und nachgeschaltetem Gleichrichter sowie an die Meßelektrode (4) ein zweiter Kanal (10) mit linearem, einstellbarem Wechselspannungsverstärker und nachgeschaltetem Gleichrichter und an die Gegenelektrode (1) der Ausgang eines Wechselspannungsgenerators (6) angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem Ausgangssignal des ersten Kanals (8) und einer konstanten, vorgegebenen Spannung U_O das Stellsignal für den Wechselspannungsgenerator (6) gebildet wird, aus der Amplitude des Wechselspannungsgenerator-Ausgangssignals in einem mit dem zweiten identischen dritten Kanal (11) eine amplitudenproportionale Gleichspannung U_GA gebildet wird, deren Amplitude durch Regelbarkeit der Verstärkung des ersten oder des dritten Kanals (11) einstellbar ist, und daß die Gleichspannung mit dem Ausgangssignal U_M des zweiten Kanals (10) einem Rechenwerk (16) zugeführt wird, welches ein Korrektursignal U_k gemäß der Relation
U_k = U_GA(U_O- U_M)/(U_O - U_GA)
ermittelt, und daß das Korrektursignal U_k sowie das Ausgangssignal U_M des zweiten Kanals (10) einem Subtrahierer (17) zugeführt werden, der an seinem Ausgang ein Füllstands-Anzeigesignal U_F bereitstellt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Füllstandsanzeigesignal U_F in einer dem Subtrahierer (17) nachgeschalteten Ausgangsstufe (18) in ein genormtes Ausgangssignal umgesetzt wird.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangssignale des zweiten und dritten Kanals mit der vorgegebenen Spannung U_o einem Komparator (13) zum Abgleich zugeführt werden.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß an den Komparator (13) ein Abgleichindikator (14) angeschlossen ist.

5. Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgegebene Spannung U_o und die amplitudenproportionale Gleichspannung U_GA über einen Spannungsteiler (20) einem zweiten Komparator (19) zugeführt werden, dessen Ausgang mit dem Rücksetzanschluß des Subtrahierers (17) verbunden ist.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des zweiten Komparators (19) mit dem Eingang einer Signal-Ausgangsstufe (21) verbunden ist.