DE2146161B2

DE2146161B2 - Fullstandsmeßvomchtung

Info

Publication number: DE2146161B2
Application number: DE19712146161
Authority: DE
Inventors: Harro Dipl.-Ing. 7897 Tiengen Mueller
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: 1973-09-13
Also published as: CH521574A; DE2146161A1

Description

8. Füllstandsmeßvorrichtung nach einem der I = K- U₀-O)C.

Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß 55 Dieser Beziehung ist zu entnehmen, daß die Amder Ausgangskreis der Konverterschaltung (12) plitude und die Frequenz der Ausgangsspannung CZ₀ einen Spannungsgenerator enthält, so daß die der Wechselspannungsquelle sehr konstant gehalten Meßgröße in Form einer Gleichspannung zur Yer- werden müssen, um die Meßfehler in erträglichen fügung steht. ^# Grenzen zu halten. Bemerkt werden muß noch, daß

60 solche Füllstandsmeßvorrichtungen in einem weiten

— Temperaturbereich von beispielsweise —20 bis +100° C

arbeiten müssen, daß oft mit Anfangs- oder auch Leerkapazitäten von einigen 100 pF gerechnet werden

Die Erfindung bezieht sich auf eine Füllstandsmeß- muß, und daß die Kapazitätsänderung nur 10 pF vorrichtung mit einer Wechselspanmingsquelle, einer 65 betragen kann. Außer von der Wechselspannungsan die Wechselspannungsquelle angeschlossenen Meß- quelle wird natürlich auch von der Konverterschalsonde, die in Verbindung mit der Behälterwand oder tung eine große Driftfreiheit, insbesondere Tempeeiner Gegenelektrode eine der Füllhöhe proportionale raturkonstanz gefordert. Mit den bisher bekannten

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Vorrichtungen ist daher mit erträglichem Aufwand der eine in zwei Abschnitte 5, 6 unterteilte Sekundäreine auch nur annähernd exakte Messung nicht zu wicklung hat. An den Sekundärwicklungsabschnitt 6 erzielen. Eine auf eine Kapazität von 100 pF bezogene ist der eigentliche Meßkreis angeschlossen. Dieser Genauigkeit von ±2% ergibt unter den geschilderten enthält die Meßkapazität 11, die zwischen der freien Bedingungen bereits einen Meßfehler von ±20°/₀, 5 Klemme des Wicklungsabschnitts 6 und Masse angewenn die Kapazitätsänderung nur 10 pF beträgt. schlossen ist, und eine Konverterschaltung 12, die Ändern sich z. B. unter dem Einfluß der Temperatur zwischen dem Abgriff der Sekundärwicklung und die physikalischen Eigenschaften des Füllstoffes und/ Masse angeschlossen ist. Parallel zu der Meßkapazität oder der Sondenisolation, so können die auftretenden 11 liegt die Zuleitungskapazität 10. Zwischen der Fehler noch erheblich größer werden. Außerdem ist io freien Klemme des Sekundärwicklungsabschnitts 5 natürlich der Zusammenhang zwischen der Ausgangs- und Masse ist ein Neutralisationskondensator 9 anmeßgröße und dem Füllstand von den Eigenschaften, geschlossen, durch den die Wirkung der Zuleitungsinsbesondere der Dielektrizitätskonstante des je- Kapazität 10 neutralisiert wird. Der Zweck dieses weiligen Füllgutes abhängig, so daß die Eichung des Neutralisationskreises wird später beschrieben.
Anzeigegeräts (in Zentimeter oder Prozent Füllhöhe) 15 Die Konverterschaltung 12 ist so ausgeführt, daß für jedes Füllgut besonders vorgenommen werden sie den ihr zugeführten Wechselstrom in einen dazu muß. proportionalen Gleichstrom umwandelt. Wenn an

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Füll- den Klemmen des Sekundärwicklungsabschnittes 6 die Standsmeßvorrichtung, die weitgehend unabhängig Spannung U₀ vorhanden ist, steht also am Ausgang von äußeren Fehlerquellen ist, insbesondere von 20 der Konverterschaltung 12 der folgende Gleichstrom Temperaturschwankungen sowie von Änderungen zur Verfügung:
der Frequenz und der Amplitude der Wechselspan- = _
nung, und die sogar unabhängig von den physir _ ^Meß ~ U₀-K-(oC_MeB·
kaiischen Eigenschaften, wie Dielektrizitätskonstante Der Übergrater 3 ist außerdem mit einer zweiten und spezifischen Leitwert des Füllgutes, betrieben 25 Sekundärwicklung versehen, die in zwei Wicklungswerden kann. abschnitte 7 und 8 unterteilt ist. Der Wicklungs-

Nach der Erfindung wird dies dadurch erreicht, abschnitt 8 ist so ausgelegt, daß an seinen Klemmen daß an die Wechselspannungsquelle ein Vergleichs- wieder die Wechselspannung U₀ vorhanden ist. An kreis angeschlossen ist, der eine Bezugsimpedanz den Sekundärwicklungsabschnitt 8 ist ein Vergleichsenthält und eine der Bezugsimpedanz entsprechende 30 kreis angeschlossen, der im wesentlichen den gleichen Bezugsgröße erzeugt, und daß der Vergleichskreis Aufbau wie der Meßkreis hat und aus einer Bezugsmit der Wechselspannungsquelle in einem Regelkreis kapazität 15 und einer Konverterschaltung 16 beverbunden ist, der die Amplitude oder die Frequenz steht; parallel zu der Bezugskapazität 15 liegt die der Wechselspannung im Sinne einer Konstanthaltung Zuleitungskapazität 14. An den Wicklungsabschnitt 7 der Bezugsgröße beeinflußt. 35 ist ein Neutralisationskondensator 13 angeschlossen,

Da bei der Füllstandsmeßvorrichtung nach der der die Wirkung der Zuleitungskapazität 14 neutrali-Erfindung die Amplitude oder die Frequenz der siert. Die Konverterschaltung 16 arbeitet in gleicher Wechselspannung dauernd nachgeregelt wird, haben Weise wie die Konverterschaltung 12, so daß an ihrem Amplituden- oder Frequenzschwankungen keinen Ausgang der folgende Vergleichsgleichstrom zur VerEinfluß auf das Meßergebnis. Ferner wird dadurch 40 fügung steht:
erreicht, daß alle Änderungen der Umgebungsbe- γ = U · K- o)C
dingungen oder andere Einflüsse, die sich in gleicher ^erg ° ^erg '
Weise auf die Meßimpedanz und auf die Bezugsimpe- Dieser Strom durchfließt einen Arbeitswiderstand danz auswirken, keinen Einfluß auf die Meßgröße 17. Die Spannung am Punkt 20 wird einem Eingang haben, weil diese stets dem Quotienten aus Meß- 45 eines Differenzverstärkers 18 zugeführt, an dessen impedanz und Bezugsimpedanz proportional ist. anderen Eingang eine Bezugsspannungsquelle 19

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht angeschlossen ist. Die Differenz dieser beiden Spandarin, daß die Bezugsimpedanz eine vom Füllgut nungen wird verstärkt und dem Steuereingang des bedeckte Hilfssonde ist. Dadurch wird erreicht, daß steuerbaren Verstärkers 2 zugeführt. Dadurch wird die Füllstandsmessung unabhängig von den Eigen- 50 die Verstärkung des Verstärkers 2 so nachgeführt, schäften des zu messenden Füllgutes erfolgt; insbe- daß die Differenz zwischen der Bezugsspannung und sondere kann das Anzeigegerät direkt in Zentimeter der am Arbeitswiderstand 17 erzeugten Vergleichsoder Prozent Füllhöhe geeicht werden, wobei dann spannung praktisch verschwindet. Der Strom /vergi. diese Eichung für jedes beliebige Füllgut gültig ist. ist also konstant. Es ist:
Eine wesentliche Verbesserung der Genauigkeit im 55 = K'

Vergleich zu den bekannten Füllstandsmeßvorrich- -fvergi. = U₀- K- ω CVergi. = K'; U₀ = — —

tungen kann aber auch bereits dann erreicht werden, ' ^ω ^vergl-

wenn gemäß einer anderen Ausgestaltung der Er- Für den Meßkreis folgt hieraus:

findung die Bezugsimpedanz eine diskrete Fest- ₌ ^

impedanz ist. 60 /_Meß = K'

In der Zeichnung wird ein Ausführungsbeispiel der CVergi.

erfindungsgemäßen Füllstandsmeßvorrichtung an Hand d. h. der Meßstrom ist dem Verhältnis von Meß- und

eines Blockschaltbildes erläutert. Der Einfachheit Vergleichskapazität direkt proportional. Aus Gründen

halber sind die Leitwerte lediglich als Kapazitäten der Übersichtlichkeit wurden in der Rechnung nur

angegeben. 65 verlustfreie Kapazitäten berücksichtigt; sind diese

Ein Generator 1 geeigneter Frequenz ist mit dem mit Verlusten behaftet, so ändert sich an der Form

Eingang eines steuerbaren Verstärkers 2 verbunden, ■ des Ausdrucks nichts,

der die Primärwicklung 4 eines Übertragers 3 speist, In der Praxis ist die Meßkapazität 11 durch die in

den Behälter von oben eintauchende Sonde gebildet, und die Zuleitungskapazität 10 ist die Kapazität, die durch die Zuleitung und die Durchführung der Sonde in der Verschraubung gegeben ist. Die Vergleichskapazität 15 kann beispielsweise durch eine am Boden des Behälters angebrachte Hilfssonde gebildet sein, die immer mit Füllmedium bedeckt sein muß. Die Zuleitungskapazität 14 wird durch die Verbindungsleitung zu dieser Vergleichskapazität gebildet.

Ändern sich beispielsweise die physikalischen Eigenschaften des Füllstoffes bei konstanter Füllhöhe, so ändern sich Zähler und Nenner des angegebenen Quotienten um den gleichen Faktor, was auf den Meßgleichstrom ohne Einfluß ist. Wie zu ersehen ist, funktioniert das beschriebene Prinzip 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 oder 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.
In Abwandlung des beschriebenen Ausführungsbeispiels kann selbstverständlich auch die Amplitude des Generators konstant gehalten werden und durch eine geeignete Elektronik die Frequenz des Generators so nachgeregelt werden, daß die Differenz zwischen

ίο der Bezugsspannung und der Vergleichsspannung verschwindet. Dies ändert am Prinzip nichts. Auch können beide Wirkungen miteinander verbunden werden.

Die Bezugskapazität 15 kann anstatt durch eine vom.

Füllgut bedeckte Hilfssonde auch durch eine feste Bezugsimpedanz gebildet sein.

Die Füllstandsmeßvorrichtung ist dann wieder abhängig von den Eigenschaften des Füllgutes. Die Meßgenauigkeit ist gegenüber bekannten Verfahren jedoch auch in diesem Fall ganz erheblich gesteigert, wenn man als Bezugsimpedanz einen festen Vergleichskondensator geringer Temperaturdrift verwendet. Ferner kann in diesem Fall die Neutralisation entfallen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

1 2 Meßimpedanz darstellt, und mit einer an die Meß- Patentanspriiche: sonde angeschlossenen Konverterschaltung zur Er zeugung einer der Meßimpedanz entsprechenden Meß-

1. Füllstandsmeßvorrichtung mit einer Wechsel- größe.

Spannungsquelle, einer an die Wechselspannungs- 5 Bei einer aus der deutschen Auslegeschrift 1 242 891 quelle angeschlossenen Meßsonde, die in Yer- bekannten Füllstandsmeßvorrichtung dieser Art ist bindung mit der Behälterwand oder einer Gegen- die Wechselspannungsquelle durch eine Transistorelektrode eine der Füllhöhe proportionale Meß- Oszillatorschaltung gebildet, die einen Übertrager impedanz darstellt, und mit einer an die Meß- enthält, dessen Sekundärwicklung mit einem dazu sonde angeschlossenen Konverterschaltung zur io parallelgeschalteten Kondensator den Oszillator-Erzeugung einer der Meßimpedanz entsprechen- schwingkreis bildet, der in Reihe mit der Meßsonde den Meßgröße, dadurch gekennzeich- geschaltet ist. Eine an die Klemmen der Seriennet, daß an die Wechselspannungsquelle (1. 1, 3) schaltung aus Oszillatorschwingkreis und Meßsonde ein Vergleichskreis (8, 15, 16) angeschlossen ist, angeschlossene Transistor-Konverterschaltung wander eine Bezugsimpedanz (15) enthält und eine der 15 delt den ihr zugeführten Wechselstrom in einen dazu Bezugsimpedanz (15) entsprechende Bezugsgröße proportionalen Meßgleichstrom um. Bekannt sind erzeugt, und daß der Vergleichskreis (8, 15, 16) auch Konverterschaltungen mit einem Spannungsmit der Wechselspannungsquelle (1, 2, 3) in einem ausgang, also mit kleinem Innenwiderstand, bei denen Regelkreis verbunden ist, der die Amplitude oder die der Impedanz der Meßsonde entsprechende Meßdie Frequenz der Wechselspannung im Sinne einer 20 größe eine Gleichspannung ist. In beiden Fällen Konstanthaltung der Bezugsgröße beeinflußt. beruht die Messung der Kapazität der Meßsonde

2. Füllstandsmeßvorrichtung nach Anspruch 1, auf der Messung des die Kapazität beim Anlegen dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugsimpedanz einer Wechselspannung konstanter Amplitude durch-(15) eine vom Füllgut bedeckte Hilfssonde ist. fließenden Wechselstroms.

3. Füllstandsmeßvorrichtung nach Anspruch 1, 25 Bei diesem Meßprinzip soll die Ausgangsgröße der dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugsimpedanz Konverterschaltung — hier soll nur ein Ausgangseine diskrete Festimpedanz ist. gleichstrom betrachtet sein, was natürlich keine Aus-

4. Füllstandsmeßvorrichtung nach einem der schließlichkeit bedeutet — dem Wechselstrom T im Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Meßkreis durch die zu messende Impedanz direkt der Regelkreis einen Differenzverstärker (18) ent- 30 proportional sein, also:

hält, von dem ein Eingang mit dem Vergleichskreis ·. ==_ ~

.(8, 15, 16) und der andere Eingang mit einer I — K-1.

Bezugsspannungsquelle (19) verbunden sind. Nimmt man an, daß der Innenwiderstand Ri der

5. Füllstandsmeßvorrichtung nach Anspruch 4, Wechselspannungsquelle und ebenso der Eingangsdadurch gekennzeichnet, daß die Wechselspan- 35 widerstand R_e der Konverterschaltung sehr viel kleiner nungsquelle (1, 2, 3) einen Wechselspannungs- _sj_n(i _a]_s die Impedanz im Meßkreis, wobei im vorgenerator (1) mit nachgeschaltetem steuerbarem liegenden Beispiel der Einfachheit halber ein verlust-Verstärker (2) enthält und daß der Ausgang des f_rei_er kapazitiver Leitwert gewählt wird, was den Differenzverstärkers (18) mit dem Verstärkungs- Gültigkeitsbereich der Rechnung offensichtlich nicht steuereingang des steuerbaren Verstärkers (2) 40 einschränkt also:

verbunden ist.

6. Füllstandsmeßvorrichtung nach einem der _v - 1 „„j _D ^. 1

1 -ija" -IJJ ti -ι. Λ; ^ und K_e <ξ ,

vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich- _ω q _ω q

net, daß im Meßkreis und/oder im Vergleichskreis

eine Neutralisierungsschaltung (5, 9 bzw. 7, 13) 45 so ist der Wechselstrom, der durch die zu messende

zur Neutralisierung des Einflusses von Zuleitungs- Kapazität fließt, durch die Kapazität C selbst, die

kapazitäten (10, 14) vorgesehen ist. Ausgangswechselspannung U₀ der Wechselspannungs-

7. Füllstandsmeßvorrichtung nach einem der quelle sowie die Kreisfrequenz ω gegeben:
Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ~ ,~. _ _r

der Ausgangskreis der Konverterschaltung (12) 50 / = t/₀-jcoC und [/| = t/₀ · co C.

einen Stromgenerator enthält, so daß die Meß- Da die Phasenlage ohne Bedeutung für die Kongröße als eingeprägter Gleichstrom zur Verfügung verterschaltung sein soll, kann man schreiben: