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Elektrodeneinsatz zur kapazitiven Füllstandsmessung Die Erfindung
betrifft einen Elektrodeneinsatz zur kapazitiven Füllstandsmessung, bei dem ein
kapazitiver Spannungsteiler aus einem vom Füllstand abhängigen Meßkondensator in
Reihe zu einem Festkondensator an einem Oszillator liegt, dossen Amplitude nach
Spannungsvergleich der Meßkondensatorspannung mit einer Referenzspannung über eine
Regelschleife derart verändert wird, daß die Meßkondensatorspannung konstant ist,
und bei dem die der Größe des Meßkondensators proportionale Amplitude des Oszillators
in einen eingeprägten Meßgleichstrom umgewandelt wird.
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In bekannter Weise werden bei der kapazitiven Füllstandsmessung an
Wechselspannung liegende und in das Füllgut eingetauchte Meßsonden verwendet, wobei
der zwischen Meßsonde und leitender Behälterwandung fließende kapazitive Strom ein
Maß für den Füllstand darstellt. Dabei führen leitende Elekrodenüberzüge auf dem
vom Füllgut unbedeckten Elektrodenteil, die beispielsweise durch Ablagerungen eines
leitfähigen, flüssigen Füllgutes entstehen können, zu erheblichen Meßwertverfälschungen
infolge unerwünschter Zusatzkapazitäten. Zur Vermeidung derartiger Fehlanzeigen
ist es bereits bekannt, eine relativ hochfrequente Wechselspannung zu verwenden,
da hierdurch der Einfluß der Zusatzkapazitäten abgesenkt wird. Dieses liegt laran,
daß der Leitfähigkeitsfilm der Meßelektrode oberhalb des Füllstandes in einem vereinfachten
Ersatzschaltbild eine zum eigentlichen Meßkondensator parallel liegende Reihenschaltung
einer Zusatzkapazität und eines ohmschen Widerstandes in KOhm/Größenordnung ausmacht.
In einem solchen Ersatzschaltbild ist bereits der in Reihe zum Meßkondensator liegende
Ohm'sche Widerstand des auszumessenden Füllgutes wegen seines niederohmigen Charakters
vernachlässigt. je hoher nun die Frequenz der an der Meßsonde anliegenden Wechselspannung
gewählt wird, desto geringer wird der störende Einfluß der Zusatzkapazität, da der
durch den Parallelzweig des vereinfachten Ersatzschaltbildes fließende Strom infolge
der dominierenden Wirkung der Ohm'schen Komponente bei hohen Frequenzen konstant
bleibt.
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Abgesehen von den Vorteilen hoher Meßfrequenzen ist es ferner bekannt,
zur Erzielung einer möglichst linearen Beziehung zwischen der Meßkapazität und dem
Meßergebnis
eine stromorientierte Meßwertumwandlung durchzuführen
bei der die Spannung am Meßkondensator konstant gehaltern wird. In diesen', Zusammenhang
ist auch ein in der Füllstandsmeßtechnik vielfach diskutiertes Meßschaltungs prinzip
bekannt, wonach dem Meßkondensator aus einem spannungsgeregelten HF-Oszillator über
einen kapazitiven Festwiderstand ein solcher Strom zugeführt wird1 der am Meßkondensator
auch bei dessen Änderung stets eine vorbestimmte konstante HF-Spannung erzeugt.
Zu diesem Zweck wird die Meßkondensatorspannung nach Gleichrichtung in einem Differenzverstärker
mit einer Referenzspannung verglichen, und das Ausgangsignal dient zur Steuerung
der HF-Amplitude, die stets proportional zur Größe des Meßkondensators ist.
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Das beschriebene Schaltungsprinzip weist jedoch wesentliche Nachteile
auf. So kann ein hiernahc arbeitender Elekrodeneinsatz beispielsweise nicht in einem
breiten Temperaturbereich ohne Meßwertwerfälschung eingesetzt werden, da die Gleichrichtung
der Meßkondensatorspannung infloge der großen Temperaturabhängigkeit der Schleusenspannung
einen entsprechenden Störeinfluß bewirken würde. Desgleichen kann auch nicht die
Meßkondensatorspannung gegenüber niedrigen Meßfrequenzen erheblich geringer gewählt
werden, um den durch den Meßkondensator fließenden Strom zugunsten eines energiearmen
HF-Oszillators ((Ex)i-Eigensicherheitsbestimmungen) bei der verwendeten hohen Meßfrequenz
kleinzuhalten, da hierbei die ver,-gleichsweise große Schleusenspannung und ihre
Temperaturabhängigkeit stören. Auch bereitet die Verstärkung des Differenzwertes
zwischen der Meßkondensatorspannung und einer Referenzspannung, beispielsweise mit
Operationsverstärkern, erhebliche Schwierigkeiten, da bei der hohen Frequenz keine
einwandfreie Kompensation und somit Verhinderung
einer Selbsterregung
über den gesamten Bereich aller praktisch vorkommenden Eingangsimpedanzen, das heißt
der variablen Meßkondensatorgröße, möglich ist.
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Das gleiche gilt auch für eine unmittelbare Verstärkung der geringen
Meßspannung, da zur Erzielung eines konstanten Verstärkungsgrades ebenfalls eine
starke Gegenkopplung erforderlich ist.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung eines Ele:trodeneinsatzes
d2r genannten Art, bei dem über einen großen Temperaturbereich bei hohen Meßfrequenzen
sowie kleinen Meßkondensatorspannungen eine einwandfreie und unverfälschte Meßspannungserfassung
sowie Amplitudensteuerung des HF-Oszillators mit einfachen Mitteln möglich ist.
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Die Lösung der gestellte Aufgabe wird bei einem Elekrodencinsatz der
genannten Art dadurch erzielt, daß die Meßkondensatorspannung beim Spannungsvergleich
in eine Impulsfolge mit einem von der Spannungshöhe abhängigen Tastverhältnis umgewandelt
wird und daß ein vom lsittelwert der Impulsfolge abgeleiteter Spannungswert die
Amplitude des Oszillators steuert. In vorteilhafter Ausge stalt2ng liegt die Meßkondensatorspannung
am Eingang eines Differenzverstärkers, dessen Ausgang über ein RC-Glied zum Eingang
eines aplitudenvariablen Oszillators führt.
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Dabei kann der l) erenzverstarcr einen Operationsverstarker hohen
Vers tärkungs grades darstellen, wobei die Meßkondensatorspannung am Invert-Eingang
und die Referenzspannung am Non-Invert-Eingang des Operationsverstärkers anliegt.
Dabei stellt die Peferenzspannung ein temperaturstabilisiertes Gleichspannungssignal
dar.
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Der wesentliche Vorteil der Erfindung ist darin zu suchen, daß der
neue Elektrodeneinsatz zur Vermeidung des störenden Einflusses von leitenden Meßsonden-Überzügen
auch bei Frequenzen eingesetzt werden kann, wobei über einen großen Temperaturbereich,
beispielsweise von -20°C bis +100°C, eine völlig lineare Meßwertumwandlung, auch
bei Verwendung eines energiearmen WF-Osizillators und somit niedrigen Meßkondensatorspannungen
möglich ist. Damit ist es erstmalig möglich, das eingangs beschriebene Schaltungsprinzip
für diesen Anwerdungszweck praktisch nutzbar zu machen, da nach der Erfindung weder
die bekannte Gleichrichtung der Meßkondensatorspannung, noch eine direkte Wechselspannungsvertärkung
durchgeführt wird.
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Die Erfindung wird nachstehend an einem zeichnerisch dargestellten
Ausführungsbeispiel näher erläutert.
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Es zeigen: Figur 1: eine vereinfachte Darstellung des bekannten Schaltungspririnzips
Gleichrichtung und Differenzwertverstärkung: Figur 2: eine vereinfachte Darstellung
des erfindungsgemäßen Elektrodeneinsatzes.
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Nach dem in Figur 1 dargestellten bekannten Schaltungsprinzip speist
ein amplitudenvariabler Oszillator über einen Festkondensator Cfix den von der Füllguthöhe
abhängigen Meßkondensator CM. Die Meßkondensatorspannung wird über eine Gleichrichterdiode
D1 gleichgerichtet
und mit einer Referenzspannung "Ref. den Eingängen
eines Differenzverstärkers zugeführt. Die am Ausgang erscheinende verst-irlte Differenzgleichspannung
wird an den Eingang des amplitudenvariablen Oszillators zur Amplitudensteuerung
angelegt. Die den kapazitiven Spannungsteiler speisende Oszillatorspannung, die
in etwa proportional der Füllguthöhe ist, wird einem Meßformer zur Umwandlung in
einen eingeprägten Meßgleichstrom zugeführt. Dieser kann ohne Verfälschung aus dem
Elektrodeneinsatz über praktisch beliebig lange Kabel zur Anzeigeeinheit geleitet
werden.
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Gegenüber der bekannten Schaltung aus Figur 1 wird die Meßkondensatorspannung
direkt ohne vorherige Gleichrichtung den Invert-Eingang eines Operationsverstärkers
13 hoher Verstärkung zugeführt, während der Won-Invert-Eingang an einer Referenzspannungsquelle
12 mit temperaturstabilisierter Referenzspannung cf liegt. Der Ausgang des Operationsverstärkers
10 führt über einen ohmschen Widerstand R1 zum Eingang des amplitudenvariablen Oszillators
14 und über einen Kondensator C1 an Masse.
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Die vom amplitudenvariablen Oszillator 14 erzeugte HF-Wechselspannung
wird wie bei der bekannten Schaltung einerseits über einen Festkondensator Cfix
dem an lasse liegenden Neßkondensator CM zugeführt. Gleichzeitig wird die Wechselspannung
im Meßumformer 15 zu einem eingeprägten Meßgleichstrom umgewandelt.
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Bei der neuen Schaltung nach Figur 2 arbeitet der hochverstärkende
Operationsverstärker 10 als Schalter, so daß der Ausgang in der positiven Endlage
verharrt, so lange die dem Minus-Eingang des Operationsverstärkers zugeführte Spannung.
kleiner als die Referenzspannung TJRef.
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ist. Sobald die Meßkondensatorspannung auch nur kurzzeitig
die
Referenzspannung URef. um wenige Millivolt übersteigt, springt der Ausgang von der
positiven in die negative Endlage. Dadurch entsteht am Ausgang des Referenzverstärkers
10 eine Impulsfolge konstanter Amplitude und Folgefrequenz, deren Tastverhältnis
direkt der Größe der Meßkondensatorspannung proportional ist. In dem nachfolgenden
RC-Glied R1 , C,l wird die Impulsfolge integriert, und die daraus hergeleitete Steuergleichspannung
wird dem amplitudenvariablen Oszillator zur Steuerung der den kapaziziven Spannungsteiler
speisenden HF-Wechselspannung zugeführt.
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Da die Meßkondensatorspannung ohne vorherige temperaturabhängige Gleichrichtung
direkt verarbeitet wird, und da bereits ?ine geringe Änderung um wenige Millivolt
ausreicht, da proportionale Tastverhältnis der entstehenden Impulsfolge zu verändern,
die ihrerseits zur Steuerung des amplitudenvariablen Oszillators dient, kann eine
weitgehend temperaturstabile Anwendung des Flektroden einsatzes über einen großen
Temperaturbereich bei hoher Meßfrequenz und kleinen Meßkondensatorspannung erzeilt
werden. Der neue Elektrodeneinsatz ist äußerst einfach sowie preiswert aufgebaut
und weist gegenüber bekannten Geräten eine wesentlich größere Meßgenauigkeit sowie
Störunanfälligkeit und Einsatzbreite auf.
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A n s p r ü c h e