DE202004017711U1

DE202004017711U1 - Anordnung zur Füllstandsüberwachung

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Publication number: DE202004017711U1
Application number: DE200420017711
Authority: DE
Original assignee: E L B FUELLSTANDSGERAETE BUNDS; Elb Fuellstandsgerate Bundschuh & Co GmbH
Current assignee: E L B FUELLSTANDSGERAETE BUNDS; Elb Fuellstandsgerate Bundschuh & Co GmbH
Priority date: 2004-11-15
Filing date: 2004-11-15
Publication date: 2005-01-27
Anticipated expiration: 2014-11-16

Abstract

Füllstandsüberwachungsanordnung mit
– mindestens zwei konduktiven Elektroden (E0,...E4), die mit einem Elektroden-Anschlußkopf (3) verbunden sind, in einen ein elektrisch leitendes Medium aufnehmenden Behälter (2) eintauchen und über das elektrisch leitende Medium füllstandsabhängig verbindbar sind,
– einer Auswerteschaltung, die mit den Elektroden verbunden ist, eine leitende Verbindung zwischen den Elektroden überwacht und in Abhängigkeit davon mindestens ein Ausgangssignal erzeugt, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Steuer- und Auswerteelektronik (11) im Elektroden-Anschlußkopf (3) eingebaut ist, und
daß die Steuer- und Auswerteelektronik (11) einen Wechselspannungsgenerator zum Erzeugen einer Elektroden-Wechselspannung und eine Auswerteschaltung aufweist,
wobei die Elektroden-Wechselspannung zwischen einer ersten Elektrode (E0) als Bezugselektrode und über jeweils eine Impedanz (R3, R7, R19, R22) einer zweiten und ggf. jeder weiteren Elektrode (E1, E2, E3, E4) angelegt ist,
wobei die Auswerteschaltung jeweils eine über der Impedanz oder einem Teil der Impedanz abfallende Spannung, die vom Benetzen der zugehörigen Elektrode mit dem leitenden...

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Füllstandsüberwachung mit

– mindestens zwei konduktiven Elektroden, die mit einem Elektroden-Anschlußkopf verbunden sind, in einen ein elektrisch leitendes Medium aufnehmenden Behälter eintauchen und über das elektrisch leitende Medium füllstandsabhängig verbindbar sind, und
– einer Auswerteschaltung, die mit den Elektroden verbunden ist, eine leitende Verbindung zwischen den Elektroden überwacht und in Abhängigkeit davon mindestens ein Ausgangssignal erzeugt.

Füllstandsüberwachungsanordnungen dieser Art dienen bekanntlich zur Feststellung von Füllständen leitender Flüssigkeiten in Behältern, zur Erzeugung von Füllalarm- und Trockenlaufmeldungen. Sie sind in der Regel über in einem Schaltschrank eingebaute Elektrodenrelais mit Alarm- oder Meldegeräten sowie mit geeigneten Aktoren (Pumpen usw.) verbunden.
Da die Elektroden mit Wechselstrom versorgt werden müssen und Reaktanzen bei längeren Verbindungsleitungen die Meßsignale verfälschen können, hat man versucht, die Leitungslängen zwischen den Elektroden und den Auswerterelais zu begrenzen. Zu diesem Zweck wurden die die Elektrodenrelais aufnehmenden Schaltschränke möglichst nah an die Behälter herangerückt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Funktionselemente der Füllstandsüberwachungsanordnung besonders kompakt und bei geringer Baugröße zusammenzufassen und die Leitungseinflüsse auf die Meßergebnisse gering zu halten.
Ausgehend von der Füllstandsüberwachungsanordnung der eingangs genannten Art, sieht die Erfindung zur Lösung dieser Aufgabe vor, daß eine Steuer- und Auswerteelektronik im Elektroden-Anschlußkopf eingebaut ist, und daß die Steuer- und Auswerteelektronik einen Wechselspannungsgenerator zum Erzeugen einer Elektroden-Wechselspannung und eine Auswerteschal tung aufweist, wobei die Elektroden-Wechselspannung zwischen einer ersten Elektrode als Bezugselektrode und über jeweils eine Impedanz einer zweiten und ggf. jeder weiteren Elektrode angelegt ist, wobei die Auswerteschaltung jeweils eine über der Impedanz oder einem Teil der Impedanz abfallende Spannung, die vom Benetzen der zugehörigen Elektrode mit dem leitenden Medium abhängt, erfaßt und dann, wenn die Spannung in einem ein Benetzen anzeigenden Bereicht liegt, ein das Benetzen der zugehörigen Elektrode anzeigendes Ausgangssignal ausgibt.
Die Erfindung minimiert die Leitungslängen zwischen dem Wechselspannungsgenerator, den Elektroden und der Steuer- und Auswerteelektronik und konzentriert darüber hinaus die Funktionselemente auf die Elektroden und deren Anschlußkopf. Als Folge davon können die von der Steuer- und Auswerteelektronik empfangenen Elektrodensignale und Meßspannungen sehr exakt eingestellt und ausgebildet werden, da sie von Leitungsreaktanzen praktisch unbeeinflußt sind. Alle Regel- und Steuerfunktionen werden von der im Elektroden-Anschlußkopf eingebauten Steuer- und Auswerteelektronik bedient, und die vorzugsweise ebenfalls im Anschlußkopf eingebaute Elektrodenrelais können an ihren Schaltkontakten für Aktoren oder Signalgeber geeignete Spannungen schalten.
Eine Weiterbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß neben der Bezugselektrode vier weitere Elektroden vorgesehen sind, wobei die Bezugselektrode eine maximale Länge und die weiteren Elektroden unterschiedliche Längen haben und somit unterschiedlichen Füllständen zugeordnet sind, daß die Auswerteschaltung vier separate Signaleingänge und vier separate Signalausgänge hat, die jeweils einer der vier weitere Elektroden zugeordnet sind. In dieser Ausführung gibt es vier unterschiedliche Meßpunkte, und es können verschiedene Meßaufgaben, z.B. Überfüllsicherung, Trockenlaufschutz und Zweipunktregelungen von Pumpen oder auch Mehrpunktdetektionen mit einem Prozeßanschluß realisiert werden.
In bevorzugter Weiterbildung der Erfindung ist ferner vorgesehen, daß im Anschlußkopf ein Betriebsartenumschalter angeordnet ist, der mit der Steuer- und Auswerteelektronik verbun den ist und zur Einstellung eines Meßbereichs, einer Schaltverzögerung und/oder zusätzlicher Meß- und Überwachungsfunktionen vorgesehen ist.
Vorzugsweise ist ein Gleichrichter in dem Leitungsweg zwischen jeder Impedanz und einem Signaleingang der Auswerteschaltung angeordnet, der die erfaßte Spannung gleichrichtet. Dadurch kann der Auswerteschaltung ein gleichgerichtetes Elektrodensignal zugeführt werden.
Eine bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselspannungsgenerator und die Auswerteschaltung der Steuer- und Auswerteschaltung einen gemeinsamen Mikrocontroller (11) als Hauptschaltungsbestandteil enthalten, wobei die Generatorausgangsspannung aus einem Ausgangssignal eines Mikrocontroller-Ausgabeports gebildet wird und der Signaleingang bzw. die Signaleingänge der Auswerteschaltung von entsprechenden, ggf. mit passiven Bauelementen beschalteten Eingangsports des Mikrocontrollers gebildet werden. Diese Mehrfachnutzung des Mikrocontrollers ist platzsparend. Zusätzlich erhöht die Möglichkeit einer programmgesteuerten Wechselspannungserzeugung und Signalverarbeitung die Flexibilität der Füllstandsüberwachungsanordnung.
Die Füllstandsüberwachungsanordnung läßt sich funktionell dadurch erweitern und an unterschiedliche Umgebungsbedingungen anpassen, daß eine Programmiereinheit im Elektroden-Anschlußkopf eingebaut und über eine Busverbindung mit der Steuer- und Auswerteeinrichtung gekoppelt ist.
Jedes Ausgangssignal der Auswerteschaltung steuert vorzugsweise ein Elektrodenrelais an. Die Elektrodenrelais sind ebenfalls im Elektroden-Anschlußkopf eingebaut. Aus dem Elektrodenkopf führen dann die Steuerleitungen für Stellgliedbetätigungen und Signal- und Alarmgeräte, die füllstandsabhängig angesteuert werden.
Vorteilhafte und/oder bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
1 schematisch ein Anwendungsbeispiel der Erfindung unter Verwendung einer Fünf-Elektroden-Anordnung, deren Treiber- und Auswerteelektronik mit Elektrodenrelais im Elektroden-Anschlußkopf eingebaut sind;
2 ein Prinzipschaltbild der im Anschlußkopf eingebauten Funktionselemente der Füllstandsüberwachungsanordnung; und
3 ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels des in 2 gezeigten Anschlußkopfes.
1 zeigt schematisch die aus fünf Elektrodenstäben E0, E1, E2, E3 und E4 bestehende Elektrodenanordnung 1 in einer beispielhaften Einbaulage in einem Behälter 2. Wie zu sehen ist, haben die Elektrodenstäbe unterschiedliche Längen. Eine Bezugs- oder Masseelektrode E0, über die die Wechselspannung in das leitende Medium im Innenraum des Behälters 2 eingespeist wird, hat generell die maximale Eintauchtiefe. Die restlichen Elektrodenstäbe E1, E2, E3 und E4 haben unterschiedliche Längen, so daß sie bei unterschiedlichen Füllständen über das im Behälterinnenraum befindliche leitende Medium mit der Masseelektrode E0 elektrisch verbunden sind. Alle Elektroden E0 bis E4 sind mit einem Elektroden-Anschlußkopf 3 verbunden, in welchem alle mit der Elektrodenanordnung 1 in Wirkverbindung stehenden elektrischen Funktionskomponenten eingebaut sind. Eine entfernt angeordnete Alarmeinrichtung 4 wird in dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 als Trockenlauf- und Überfüll-Meldeeinrichtung vorgesehen (Füllstand unterhalb von E1 = Trockenlaufgefahr; E4 eintauchend in leitendes Medium = Überfüllgefahr).
In 2 sind die wesentlichen elektrischen Funktionselemente des beschriebenen Ausführungsbeispiels der Erfindung schematisch dargestellt, soweit sie in den Elektroden-Anschlußkopf 3 aufgenommen sind.
Ein Spannungsversorgungsteil 10 kann eine anstehende Anschlußspannung von beispielsweise 24 V DC bis 230 V AC in die von einem Controller 11 benötigte Betriebsspannung (von beispielsweise 3,3 V) umsetzen. Der Controller 11 ist Hauptbe standteil einer Steuer- und Auswerteelektronik, welche die folgenden Funktionselemente enthält:

a) einen Wechselspannungsgenerator zur Erzeugung der Elektroden-Wechselspannung, die im beschriebenen Ausführungsbeispiel eine Grundfrequenz von 50 Hz aufweist;
b) Schaltungen zur Messung der von den Elektroden E1 bis E4 abgeleiteten Elektrodensignale;
c) Schaltungen zum Vergleich der Elektrodensignale mit eingestellten Sollwerten;
d) Auswertung der Betriebsarteneinstellung aus einem Betriebsarteneinsteller 12;
e) Ansteuerung der Ausgangsrelaisanordnung 13 mit den Ausgangsrelais 131, 132, 133 und 134; und
f) Überwachungsfunktionen.

3 zeigt ein Schaltungsbeispiel für die im Elektroden-Anschlußkopf 3 eingebauten Komponenten. Die bevorzugte Füllstandsüberwachungsanordnung, wie sie in 2 als Blockschaltbild und in 3 als Schaltungsbeispiel gezeigt ist, soll im folgenden näher beschrieben werden. Der Anschlußkopf 3 enthält als wesentliches Element der Steuer- und Auswerteelektronik einen Controller 11. Der Controller ist eine integrierte Schaltung, die neben einem Prozessor und verschiedenen Speichern Eingabe- und Ausgabeschnittstellen (Eingabe- und Ausgabeports) aufweist. Der Controller 11 enthält u.a. ein in einem internen Speicher abgelegtes Programm mit einer Mehrzahl von Routinen, die die einzelnen Funktionen des Controllers, beispielsweise die Wechselspannungsgenerator-Funktion und die Auswertefunktion steuern. So sorgt ein in dem Controller 11 abgearbeitetes Programm beispielsweise dafür, daß an einem Ausgabeport ein binäres Ausgangssignal erzeugt wird, dessen Zustand sich mit einer Frequenz von 50 Hz ändert. Dieses gegenüber Masse anliegende 50 Hz-Signal wird über einen Bus 17 und ein Schaltungselement 14 an die Bezugselektrode E0 angelegt. Das Schaltungselement 14 enthält im wesentlichen einen Kondensator (der zum Kondensator in Reihe geschaltete Widerstand ist von untergeordneter Bedeutung). Jede der vier weiteren Elektroden E1 bis E4 ist mit einem Eingangsanschluß einer Schaltung 15 gekoppelt, innerhalb welcher der Eingangsanschluß über einen Widerstandsspannungsteiler mit Masse gekoppelt ist. Somit wird die von dem Ausgabeport des Mikrocontrollers gegenüber Masse erzeugte asymmetrische 50 Hz-Wechselspannung jeweils über einer Reihenschaltung des Kondensators im Schaltungselement 14, einem Elektrodenpaar (z.B. E0-E1) und einem Widerstandsspannungsteiler (in 15) angelegt. Wenn das Elektrodenpaar von einer leitfähigen Flüssigkeit benetzt wird, so fließt ein von dem Wechselspannungsanteil der vom Controller 11 generierten Spannung bewirkter Strom durch diese Reihenschaltung. Der Gleichspannungsanteil wird durch den Kondensator (in 14) abgeblockt. Die über den Spannungsteiler abfallende Spannung erhöht sich mit zunehmender Leitfähigkeit des benetzten Mediums. Bei dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel besteht der Spannungsteiler aus einem Widerstand von 2,7 kΩ und einem in Reihe geschalteten Widerstand von 100 kΩ, so daß nahezu die gesamte, zwischen der zugehörigen Elektrode E1, E2, E3 oder E4 und Masse angelegte Spannung über dem 100 kΩ-Widerstand abfällt. Die über diesem 100 kΩ-Widerstand abfallende Spannung ist somit eine Anzeige für die Benetzung des zugehörigen Elektrodenpaars. Wird die Elektrode nicht benetzt, so ist die Spannung 0; wird die Elektrode benetzt, so fließt ein Strom und die Spannung erhöht sich. Sofern man annimmt, daß der Widerstand des benetzenden Mediums beispielsweise in der Größenordnung von 10 bis 20 kΩ liegt, so fällt bei Benetzung des Elektrodenpaars im Moment des Umschaltens der Generatorspannung (Wechsel des logischen Zustands des Ausgabeports) eine Spannung über dem 100 kΩ-Widerstand ab, die über 80 % des logisch hohen Pegels des Ausgabeports des Mikrocontrollers 11 liegt. Aufgrund der Reihenschaltung der Kapazität ergeben sich positive und negative Halbwellen mit jeweils zugehörigem Einschwingverlauf.
Die über dem 100 kΩ-Widerstand abfallende Spannung wird durch eine Diode gleichgerichtet und über einen vorgeschaltete Widerstand einem Eingabeport des Mikrocontrollers eingegeben. Jeder der vier Elektroden E1 bis E4 ist eine solche Schaltung zugeordnet, die die über den 100 kΩ-Widerstand abfallende Spannung gleichrichtet und über einen Widerstand an einen zugehörigen Eingabeport des Mikrocontrollers 11 anlegt. Programmgesteuert wertet der Mikrocontroller 11 die anliegenden Spannungen aus, beispielsweise durch zyklische Pegelabfrage. In Abhängigkeit von den ausgewerteten Spannungen erzeugt der Mikrocontroller 11 an weiteren Ausgabeports Ausgangssignale, die zum Ansteuern von Relais 13 verwendet werden. Dabei ist die Programmierung des Mikrocontrollers 11 vorzugsweise so gewählt, daß jedem mit einer Elektrode E1 bis E4 gekoppelten Eingabeport ein zugehöriger Ausgabeport zur Ansteuerung eines zugehörigen Relais 13 zugeordnet ist. Bei der in 3 gezeigten Ausführungsform erfolgt die Ansteuerung der Relais 13 nicht direkt durch die Ausgabesignale des Mikrocontrollers 11 sondern über zugehörige Treibertransistoren Q1, Q2, Q3 und Q5. Zur Anzeige des Ansteuerungszustands der Relais ist jedem Relais ferner eine LED zugeordnet. Bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel werden die Relais mit einer Spannung von 12 V versorgt. Die in dem Anschlußkopf 3 enthaltene Spannungsversorgungsschaltung 10 stellt sowohl die 12 v-Spannung zur Ansteuerung der Relais als auch die 3,3 V-Spannung zur Versorgung des Mikrocontrollers zur Verfügung. Die Versorgungsschaltung 10 enthält einen DC/DC-Konverter, mit dem eine Schwankungen unterworfene eingegebene Versorgungsspannung in anschließend stabilisierte Ausgangsspannungen von 12 V und 3,3 V konvertiert wird.
Die den Relais 13 jeweils zugeordneten Kontakte schalten Verbindungen zwischen Leitungen, die aus dem Anschlußkopf 3 herausgeführt und über eine längere Kabelverbindung beispielsweise zu der Alarmschaltung 4 (1) geführt sind.
In der in 3 dargestellten Schaltung ist ferner ein zweiter Bus 18 gezeigt, der den Mikrocontroller 11 mit einer Programmierschnittstelle 16 verbindet. Ferner enthält die in 3 gezeigte Schaltung einen Betriebsarteneinsteller 12. Über die Programmierschnittstelle 16 und den Betriebsarteneinsteller 12 können die Funktionen des Mikrocontrollers 11 auf vielfältige und flexible Weise beeinflußt werden. Durch Umprogrammierung der dem Mikrocontroller enthaltenen Steuer programme lassen sich auch bei bereits ausgelieferten Geräten Kundenwünsche jederzeit einfach implementieren.

Claims

Füllstandsüberwachungsanordnung mit – mindestens zwei konduktiven Elektroden (E0,...E4), die mit einem Elektroden-Anschlußkopf (3) verbunden sind, in einen ein elektrisch leitendes Medium aufnehmenden Behälter (2) eintauchen und über das elektrisch leitende Medium füllstandsabhängig verbindbar sind, – einer Auswerteschaltung, die mit den Elektroden verbunden ist, eine leitende Verbindung zwischen den Elektroden überwacht und in Abhängigkeit davon mindestens ein Ausgangssignal erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuer- und Auswerteelektronik (11) im Elektroden-Anschlußkopf (3) eingebaut ist, und daß die Steuer- und Auswerteelektronik (11) einen Wechselspannungsgenerator zum Erzeugen einer Elektroden-Wechselspannung und eine Auswerteschaltung aufweist, wobei die Elektroden-Wechselspannung zwischen einer ersten Elektrode (E0) als Bezugselektrode und über jeweils eine Impedanz (R3, R7, R19, R22) einer zweiten und ggf. jeder weiteren Elektrode (E1, E2, E3, E4) angelegt ist, wobei die Auswerteschaltung jeweils eine über der Impedanz oder einem Teil der Impedanz abfallende Spannung, die vom Benetzen der zugehörigen Elektrode mit dem leitenden Medium abhängt, erfaßt und dann, wenn die Spannung in einem ein Benetzen anzeigenden Bereicht liegt, ein das Benetzen der zugehörigen Elektrode anzeigendes Ausgangssignal ausgibt.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß neben der Bezugselektrode (E0) vier weitere Elektroden (E1–E4) vorgesehen sind, wobei die Bezugselektrode eine maximale Länge und die weiteren Elektroden unterschiedliche Längen haben und somit unterschiedlichen Füllständen zugeordnet sind, daß die Auswerteschaltung vier separate Signaleingänge und vier sepa rate Signalausgänge hat, die jeweils einer der vier weitere Elektroden zugeordnet sind.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Anschlußkopf (3) ein Betriebsartenumschalter (12) angeordnet ist, mit der Steuer- und Auswerteelektronik verbunden und zur Einstellung eines Meßbereichs, einer Schaltverzögerung und/oder zusätzlicher Meß- und Überwachungsfunktionen vorgesehen ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gleichrichter (D1, D8, D11, D12) in dem Leitungsweg zwischen jeder Impedanz und einem Signaleingang der Auswerteschaltung angeordnet ist, der die erfaßte Spannung gleichrichtet.
Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselspannungsgenerator und die Auswerteschaltung der Steuer- und Auswerteschaltung einen gemeinsamen Mikrocontroller (11) als Hauptschaltungsbestandteil enthalten, wobei die Generatorausgangsspannung aus einem Ausgangssignal eines Mikrocontroller-Ausgabeports gebildet wird und der Signaleingang bzw. die Signaleingänge der Auswerteschaltung von entsprechenden, ggf. mit passiven Bauelementen beschalteten Eingangsports des Mikrocontrollers gebildet werden.
Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Programmiereinheit (16) im Elektroden-Anschlußkopf eingebaut und über eine Busverbindung (18) mit der Steuer- und Auswerteeinrichtung (11) gekoppelt ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Ausgangssignal der Auswerteschaltung ein in den Elektroden-Anschlußkopf (3) eingebautes Relais (131–134) ansteuert und von dem Relais zumindest eine Verbindung zwischen zwei Zuleitungen des Anschlußkopfes geschaltet wird.