DE2146161A1

DE2146161A1 - Füllstandsmeßvorrichtung

Info

Publication number: DE2146161A1
Application number: DE19712146161
Authority: DE
Inventors: Harro Dipl.-Ing. 7897 Tiengen. P Müller
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 1970-12-08
Filing date: 1971-09-15
Publication date: 1972-06-29
Also published as: DE2146161B2; CH521574A

Description

Füllstandsmeßvorrichtung Die Erfindung bezieht sich auf eine FülLstandsmeßvorri chtung, bestehend aus einer Meßsonde, die in Verbindung mit der Behälterwand oder einer Gegenelektrode einen der Füllhöhe proportionalen kanpiexen Leitwert darstellt, sowie aus einer Konverterschaltung zur Umsetzung des Leitwertes in eine Ausgangsgröße.
Bekannte Füllstandsmeßvorrichtungen dieser Art nutzen vielfach die der Füllhöhe proportionalen Kapazitätswerte des aus Behälterwand und einer meist stabförmig ausgebildeten Sonde bestehenden Kondensators als Meßwert aus. Anstelle der Behälterwand kann auch eine beispielsweise rohrförmige Mantelelektrode treten. Es ist auch üblich, als eigentliche Meßsonde ein gespanntes Seil zu verwenden. Bei isolierenden Flüssigkeiten, z.B. Ölen, können blanke Sonden verwendet werden, bei Flüssigkeiten höherer Leitfähigkeit werden vorzugsweise isolierte Sonden eingesetzt. Im Extremfalle, bei sehr gut leitenden Flüssigkeiten, z.B. wässrige Lösungen mit starker Ionenkonzentration, wirkt als Dielektrikum dann lediglich die Sondenisolation.
Die Umsetzung des der Füllhöhe proportionalenKapazitätswertes, genauer ausgedrückt, des Betrages des komplexen Leitwertes , in eine Ausgangsgröße , bevorzugt einen eingeprägten GLeichstrom, erfolgt durch einen Konverter, der driftfrei und linear arbeiten soll. Bekannte Konverterschaltungen bestehen aus einem Wechselspannungsgenerator geeigneter Frequenz, der einen Strom durch den beispielsweise aus Sonde- Dielektrikum, bestehend aus evtl. der SondenisoLation und evtl. dem FüLlmedium- und Behälterwand gebildeten Leitwert treibt, und ferner aus einem Wandler, der diesen Wechselstrom in einen vorzugsweise eingeprägten Ausgangsgle ichstrom umwandelt. Bekannt sind auch Konverterschaltungen mit einem Spannungsausgang, also mit kleinem Innenwiderstand. Sollen Leitungswiderstände nicht stören, so bedingt dies einen großen Eingangswiderstand der nachfolgenden Auswerteschaltung, was mitunter als nachteilig anzusehen ist.
Wie angeführt, soll die Ausgangsgröße des Konverters - hier soll nur ein Ausgangsgleichstrom betrachtet sein, was natürlich keine Ausschließlichkeit bedeutet -dem Wechselstrom I im Meßkreis durch den zu messenden Leitwert direkt proportional sein, also I = K- I Nimmt man an, daß der innere Widerstand des Generators R. und ebenso der Eingangswiderstand Re des Wandlers sehr viel kleiner sind als die Impedanz im Meßkreis, wobei im vorliegenden Beispiel der Einfachheit halber ein verlustfreier kapazitiver Leitwert gewählt wird, was den Gültigkeitsbereich der Rechnung offensichtlich nicht einschränkt, also: so ist der Wechselstrom durch die zu messende Kapazität, durch die Kapazität selbst, die Ausgangswechselspannung Uo des Generators sowie die Kreisfrequenz w gegeben.
I = U0. j wC und I U0. U0t wO Da die Phasenlage ohne Bedeutung für den Konverter sein soll, kann man schreiben: 1 = K U0* w C Dieser Beziehung ist zu entnehmen, daß Amplitude und Frequenz des Generators sehr konstant gehalten werden müssen, um die MeßfehLer in erträglichen Grenzen zu haltens Bemerkt werden muß noch, daß solche Konverterschaltungen in einem weiten Temperaturbereich von beispielsweise - 2000 bis +100°C arbeiten müssen, daß oft mit Anfangs- oder auch Leerkapazitäten von einigen 100 pF gerechnet werden muß, und daß die Kapazitätsänderung nur 10 pF betragen kann. Neben dem Generator wird natürlich auch von dem Wandler eine große Driftfreiheit, insbesondere Temperaturkonstanz gefordert. Bleibt man bei den angeführten Verfahren, so ist mit erträglichem Aufwand eine auch nur annahernd exakte Messung fragwürdig. Eine auf eine Kapazität von 100 pF bezogene Genauigkeit von + ergibt unter den geschilderten Bedingungen bereits einen Meßfehler von + 20, wenn die Kapazitätsänderung nur 10 pF beträgt. Ändern sich z.B. unter dem Einfluß der Temperatur die physikalischen Eigenschaften des Füllstoffs und/oder der Sondenisolation, so können die auftretenden Fehler noch erheblich größer werden.
Gegenstand der Erfindung ist eine kontinuierliche Füllstandsmeßvorrichtung, bei der die angeführten Fehlerquellen eliminiert sind und die zudem direkt in Füllhöhe (z.B. cm ) eichbar ist und von den physikalischen Werten, insbesondere von der Dielektriziätszahl und der spezifischen Leitfähigkeit von Füllgut und Sonden isolation unabhängig ist. Die erfindungsgemässe Füllstandsvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß eine als Vergleichskreis vorgesehene Referenzeinrichtung vorhanden ist, und daß die Konverterschaltung derart ausgelegt ist, daß die Ausgngsgröße dem Quotienten der Beträge der komplexen Leitwerte in Meß- und Vergleichskreis proportional ist.
Im Gegensatz zu den bekannten Füllstandsmeßgeräten wird die dort übliche Absolutmessung erfindungsgemäß in eine Vergleichsmessung umgewandelt, wodurch die Abhängigkeit von Absolutwerten, wie z.B. der Frequenz und der Amplitude der Generatorspannung ausgeschaltet ist.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Füllstandsmeßvorrichtung als Blockschaltbild dargestellt. Der Einfachheit halber sind die Leitwerte lediglich als Kapazitäten angegeben.
Ein Generator 1 geeigneter Frequenz ist mit dem Eingang eines steuerbaren Verstärkers 2 verbunden, der die Wicklung 4 eines Übertragers 3 speist. An die Wicklung 6 ist der eigentliche Meßkreis, bestehend aus der Zuleitungskapazität 10, der Meßkapazität li und dem Wandler 12 angeschlossen. Die Wicklung 6 ist zudem mit einer Wicklung 5 und einem Neutralisationskondensator 9 verbunden, hierdurch wird die Wirkung der Zuleitungskapazität 10 neutralisiert. Warum dieser Neutralisationskreis nötig ist, wird weiter unten beschrieben. Am Ausgang des Wandlers 12 steht also ein Gleichstrom 1Meß = U00 Kt X CMeß zur Verfügung. Der Übertrager 3 ist zudem mit den Wicklungen 7 und 8 versehen. Die Wicklung 8 ist so ausgelegt, daß hieran wieder die Wechselspannung uO steht, die den Kompensationskreis speist. Die Wicklung 8 ist mit der Zuleitungskapazität 14 und der Referenzkapazität 15 sowie dem Wandler 16 verbunden. An der Wicklung 7 ist ein Neutralisationskondensator 13 angeschlossen, durch diese Neutralisation wird die Wirkung der Zuleitungskapazität 14 ausgeschaltet. Am Ausgang des Wandlers 16 steht demnach ein Vergleichsstrom = IVergl.= Uo. K. wC Vergl.
zur Verfügung. Dieser Strom durchfließt einen Arbeitswiderstand 17. Die Spannung am Punkt 20 wird einem Eingang eines Differenzverstärkers 18 zugeführt, an dessen anderem Eingang eine Referenzspannungsquelle 19 angeschlossen ist. Die Differenz dieser beiden Spannungen wird verstärkt und dem steuerbaren Verstärker zugeführt.
Die Verstärkung des Verstärkers 2 wird so nachgeführt, daß die Differenz zwischen der Referenzspannung und der am Arbeitswidersta nd 17 erzeugten Vergle ichs spannung praktisch verschwindet. Der Strom IVergl ist also konstant. Es ist: Für den MeßErei-s folgt hieraus: d.h. der Meßstrom ist dem Verhältnis von Meß- und Vergleichskapazität direkt proportional. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurden in der Rechnung nur verlustfreie Kapazitäten berücksichtigt; sind diese mit Verlusten behaftet, so ändert sich an der Form des Ausdrucks nichts.
In praxi wird die Kapazität 11 gebildet durch die in den Behälter von oben eintauchende Sonde,die Zuleitungskapazität 13 ist die Kapazität, die gegeben ist durch die Zuführung und die Durchführung der Sonde in der Verschraubung. Die Vergleichskapazität 15 kann beispielsweise dargestellt werden durch eine am Boden des Behälters angebrachte Hilfssonde, die immer mit Füllmedium bedeckt sein muß. Die Zuleitungskapazität 14 wird durch die Verbindungsleitung dieser Vergleichskapazität gebildet.
Ändern sich beispielsweise die physikalischen Eigenschaften des Füllstoffs, bei konstanter Füllhöhe, so andern sich Zähler und Nenner des angegebenen Quotienten um den gleichen Faktor, was auf den Meßstrom ohne Einfluß ist. Wie zu ersehen ist, funktioniert das Prinzip gemäß der Erfindung nur dann, wenn sich die einzelnen komplexen Leitwerte um den gleichen Faktor ändern; dies trifft immer für die wirksamen Leitwerte zu, nicht jedoch für die Zuleitungskapazitäten; die Wirkungen dieser Zuleitungskapazitäten müssen deshalb neutralisiert werden. Eine nach diesem Prinzip aufgebaute Füllstandsmeßvorrichtung ist z.B. in cm- oder auch *Füllhöhe eichbar, wobei es keine Rolle mehr spielt, ob der zu messende Behälter etwa Wasser oder Öl odr eine sonstige Flüssigkeit enthält. Auch spielt der Einfluß der Meßfrequenz auf das Meßergebnis so nur eine unkritische Rolle; hier ist insbesondere an Flüssigkeiten mit kleinem Wassergehalt zu denken.
Im Rahmen der Erfindung kann selbstverständlich auch die Amplitude des Generators konstant gehalten werden und durch eine geeignete Elektronik die Frequenz des Generators nachgeschoben werden. Dies ändert am Prinzip nichts. Auch können beide Wirkungen miteinander verbunden werden.
Bei Verwendung nur einer Sonde kann die Neutralisiation entfallen. Die Füllstandsmeßvorrichtung ist dann wieder abhängig von den Eigenschaften des FüLlgutes. Die Meßgenauigkeit ist gegenüber bekannten Verfahren jedoch ganz erheblich gesteigert, setzt man anstelle der Referenzsonde in die Schaltung einen festen Vergleichskondensator geringer Temperaturdrift ein.
Patentansprche

Claims

Patent a n s p r u c h e U FüllstandsmeSvorrichtung, bestehend aus einer Meßsonde, die in Verbindung mit der Behälterwand oder einer Gegenelktrode einen der Füllhöhe proportionalen komplexen Leitwert darstellt, sowie aus einer Konverterschaltung zur Umsetzung des Leitwerts in eine Ausgangsgröße , dadurch gekennzeichnet, daß eine als Vergleichskreis vorgesehene Referenzeinrichtung vorhanden ist und daß die Konverterschaltung derart ausgelegt ist, daß die Ausgangsgröße dem Quotienten der Beträge der komplexen Leitwerte im Meß- und Vergleichskreis proportlmal ist.
2. Füllstandsmeßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzeinrichtung eine ebenfalls vom Füllmedium bedeckte Hilfssonde ist.
3. Füllstandsmeßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Referenzeinrichtung ein diskreter Leitwert, beispielsweise eine Bestkapazität,vorgesehen ist.
4. Füllstandsmeßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Konverterschaltung einen Regelkreis enthält, der die Frequenz und/oder Amplitude der den Meßkreis speisenden Wechselspannung entsprechend den Änderungen im Vergleichskreis so nachregelt, daß bei proportionalen Änderungen im Meß- und Vergleichskreis die Ausgangsgröße der Konverterschaltung konstant bleibt.
5. Füllstandsmeßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Meß- und/oder Vergleichskreis Mittel (5, 9, 7 und 13) zur Neutralisierung des Einflusses von Zuleitungskapazitäten vorgesehen sind.
6. Füllstandsmeßvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangs kreis der Konverterschaltung einen Stromgenerator enthält, so daß die Ausgangsgröße als eingeprägterAusgangsgle ichstrom zur Verfügung steht.
7. Füllstandsmeßvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangs kreis der Konverterschaltung einen Spannungsgenerator enthält, so daß die Ausgangsgröße in Form einer Gleichspannung zur Verfügung steht.

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