DE2349748C2

DE2349748C2 - Schaltungsanordnung zur Füllstandsüberwachung

Info

Publication number: DE2349748C2
Application number: DE2349748A
Authority: DE
Inventors: Egon 7860 Schopfheim Brugger
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 1973-10-03
Filing date: 1973-10-03
Publication date: 1975-05-28
Also published as: FR2246851A1; DE2349748B1

Description

Die Erfindung be/ieht sich auf eine Schaltungslordnung zur l'üllstandsüberwachung mit einem ipazitiven Füllstandsfühler und einem RC-Generator, :r einen Verstärker und eine Brückenschaltung enthält, die mit einem Zweig einen Mitkopplungszweig für den Verstärker und mit dem anderen Zweig einen Gegenkopplungszweig für den Verstärker bildet, wobei der den Mitkopplungszweig bildende Brückenzweig von einer am Verstärkerausgang angeschlossenen RC-Scrienschaltung aus einem Widerstand und einer Kapazität und von einer da/u in Serie geschalteten RC-Parallelschaltung aus einem Widerstand und einem Kondensator gebildet ist.

ίο Bei derartigen Füllstandsüberwachungsanordnungen besteht der Füllstandsfühler beispielsweise aus einem voll isolierten, beliebig geformten Elektrodenpaar, von denen eine mit Masse verbunden ist, während die andere mit einer Wechselspannungsquelle in Verbindung steht. Das Medium, dessen Füllstand zu überwachen ist, dringt in den Raum zwischen den beiden Elektroden ein, so daß sich die Kapazität des von diesen Elektroden gebildeten Kondensators ändert.
Der von dem Elektrodenpaar gebildete Kondensator besitzt in Luft eine Kapazität, die sich aus der folgenden Forme) ergibt:

Cl = K(F₀ ' ^Fr)'
in dieser Formel sind:
A' eine von den Elektrodenabmessungen

abhängige Konstante,

F₀ die Dielektrizitätskonstante des Vakuums,
Ft die relative Dielektrizitätskonstante (für
Luft hat fr den Wert 1).

Wenn sich zwischen dem Elektrodenpaar das zu überwachende Medium befindet, dann nimmt der vom Elektrodenpaar gebildete Kondensator folgende Kapazität an:

Cm = K(F₀- εV);

wenn das Medium beispielsweise Benzin ist, dann hat t'rden Wert 1,8.

Die aufgetretene Kapazitätsdifferenz

ist die zur Füllstandsüberwachung herangezogene Größe.

Mit Hilfe derartiger Füllstandsüberwachungsanordnungen kann der Füllstand flüssiger Medien überwacht werden, deren Dielektrizitätskonstante von niedrigen Werten (ε 1,8) bis zu sehr hohen Werten (e = 80) reichen und die eine große spezifische Leitfähigkeit k von etwa 100 \iS ausweisen.

Zur Erfassung der auszuwertenden Kapazitätsdifferenz können Generatoren verwendet werden, deren Rückführungsnetzwerke aus speziellen RC-Schaltungen, beispielsweise aus einer Wien-Robinson-Brücke bestehen, bei der ein Brückenzweig einen Mitkopplungszweig des Generators bildet, während der andere Brückenzweig einen Gegenkopplungszweig bildet. Der den Gegenkopplungszweig bildende Brückenzweig der Wien-Robinson-Brücke besteht aus einem ohmschen Spannungsteiler. Dies hat zur Folge, daß der in dem Generator enthaltene Verstärker in Folge der von ihm selbst verursachten Phasendrehungen instabil wird. Damit der kapazitive, d. h. der imaginäre AiHeil des komplexen Widerstands des sich zwischen den Elektroden befindlichen Mediums zur Wirkung kommt, muß die Arbeitsfrequenz möglichst hoch gewählt werden. Eine hohe Arbeitsfrequenz ist jedoch wegen der gegebenen Versorgungsspannungs- und Stromweite der Schaltung ungünstig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung der eingangs angegebenen Art derart auszugestalten, daß eine stabile Arbeitsweise und damit eine sichere Überwachung erzielt wird.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß der den Gegenkopplungszweig bildende, mit seinem einen Ende am Verstärkeransgang angeschlossene Brückenzweig von einer am Verstärkerausgang angeschlossenen RC-Parallelschaltung aus einem Widerstand und einem Kondensator und von einer dazu in Serie geschalteten RC-Serienschaltung aus einem Widerstand und einem Kondensator gebildet und mit seinem anderen Ende an Masse gelegt ist, und daß der Mitkopplungszweig und der Gegenkopplungszweig auf die gleiche Resonanzfrequenz abgestimmt sind.

Bei der erfindungsgemäß ausgestalteten Schaltungsanordnung ist auch der Gegenkopplungszweig aus einer RC-Schaltung aufgebaut. Aus diesem Grund kann auch der Gegenkopplungszweig so abgeglichen werden, daß er bei der Frequenz einen minimalen Gegenkopplungsgrad aufweist, bei der der Mitkopplungszweig eine maximale Mitkopplungs'virkung hat. Somit ist gewährleistet, daß bei dieser Frequenz ein sicheres Anschwingen des RC-Generators erreicht wird, während der Gegenkopplungszweig bei von dieser Resonanzfrequenz abweichenden Frequenzen eine starke Gegenkopplungswirkung hat, so daß das Schwingen unterdrückt wird. Eine besondere Kompensation der Phasendrehungen des im RC-Generator enthaltenen Generator enthaltenen Verstärkers ist daher nicht mehr erforderlich.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß der Verstärker ein Differenzverstärker ist, mit dessen nicht invertierendem Eingang der Mitkopplungszeig und mit dessen invertierendem Eingang der Gegenkopplungszweig in Verbindung steht.

Ferner ist es vorteilhaft, wenn zur Feststellung des Füllstandes die Kapazität der RC-Parallelschaltung des Mitkopplungszweiges dient.

Damit die Füllstandsüberwachungsanordnung nicht auf kleine kurzzeitige Füllstandsschwankungen um einen Sollwert das Ausgangssignal ständig ändert, ist es vorteilhaft, die Schaltung so auszugestalten, daß sie ein Hysterevcrhalten aufweist. Nach der Erfindung wird dieses Verhalten dadurch erreicht, daß dem Mitkopplungszweig ein den wirksamen Rückkopplungsfaktor des RC-Generators ändernder Rückkopplungszweig parallel geschaltet ist.

Die Erfindung wird nun an Hand der Zeichnung beispielshalber erläutert. Darin zeigt

Fig. 1 ein Schaltbild der erfindungsgemäßen Schallungsanordnung zur Füllstandsüberwachung,

Fig. 2 ein Diagramm des Betrags des Verhältnisses der Brückenausgangsspannung zur Brückeneingangsspannung in Abhängigkeit von der Frequenz,

Fig. 3 ein Diagramm des Phasenverlaufs der Brückenein- und Brückenausgangsspannung,

Fig. 4 eine Ausführungsform der crfindungsgemä-Ben Schaltungsanordnung, die zur Erzielung einer Hysterese und eines schnellen An- und Abschwingens des RC-Generators durch einen Rückkopplungszwc'g ergänzt ist, und

Fig. 5 ein Diagramm zur Erläuterung des Verhaltens der Schaltung von Fig. 4.

In Fig. 1 ist das Schaltbild einer Füllstandsüberwachungsanordnung dargestellt, die im wesentlichen aus einem RC-Generator besteht, der von einem Differenzverstärker mit einem nicht invertierenden Eingang 12 und einem invertierenden Eingang 14 sowie von einem Rüc.kkopplungsnetzwerk gebildet ist. Der RC-Generator enthält als Rückkopplungsnetzwerk eine Brückenschaltung, an deren Ausgangsdiagonale die Eingänge 12, 14 des Differenzverstärkers 10 liegen. Das zwischen dem Verstärkerausgang 16 und der Masse 17 abgegebene Ausgangssignal des Verstärkers 10 wird an die andere Brückendiagonale angelegt.

Der eine Brückenzweig 18 besteht aus einer am Verstärkerausgang 16 angeschlossenen RC-Serienschaltung eines Widerstands R1 und eines Kondensators CX sowie aus einer dazu in Serie liegenden RC-Parallelschaltung aus einer Kapazität Cl und einem Widerstand Rl. Der Verbindungspunkt 19 zwischen der RC-Serienschaltung und der RC-Parallelschaltung dieses Brückenzweigs 18 ist mit dem nicht invertierenden Eingang 12 des Verstärkers 10 verbunden. Das andere Ende dieses Brückenzweigs 18 ist mit der Masse 17 verbunden. In der dargestellten Schaltungsanordnung biidet dieser Brückenzweig J8 einen Mitkopplungszweig des RC-Generators.

Der andere Brückenzweig 20 besteht aus einer am Verstärkerausgang 16 angeschlossenen RC-Parailelschaltung aus einem Widerstand A3 und einem Kondensator C3 und einer dazu in Serie geschalteten RC-Serienschaltung aus einem Widerstand R4 und einem Kondensator C4. Der Verbindungspunkt 21 zwischen der RC-Parallelschaltung und der RC-Serienschaltung des Brückenzweigs 20 ist an den invertierenden Eingang 14 des Verstärkers 10 angeschlossen. Das andere Ende dieses Brückenzweigs 20 liegt an der Masse 17. In der Schaltungsanordnung von Fig. 1 bildet der zweite Brückenzweig 20 einen Gegenkopplungszweig des RC-Generators.

Wie das Schaltbild von Fig. 1 erkennen läßt, sind die RC-Serien- und RC-Parallelschaltungen in den beiden Brückenzweigen in vertauschter Reihenfolge angeordnet.

Zur Feststellung des Füllstands dient in der Schaltungsanordnung von Fig. 1 die Kapazität C2, die beispielsweise die Kapazität einer Meßsonde ist, die aus 2 sich im Abstand voneinander gegenüberstehenden Elektroden besteht. Der Raum zwischen den beiden Elektroden ist je nach dem Füllstand mehr oder weniger mit dem Medium gefüllt, dessen Füllstand überwacht werden soll. Die Kapazität Cl ändert sich also in Abhängigkeit vom Füllstand des zu überwachenden Mediums.

Die Werte der Bauelemente im Mitkopplungszweig 18 des RC-Generators sind so gewählt, daß bei einem bestimmten Wert der Kapazität Cl, also bei einem bestimmten Füllstand, der Mitkopplungszweig 18 eine Resonanzfrequenz/,, hat, bei derein maximaler Mitkopplungsgrad erreicht wird. Das Erreichen dieses maximalen Mitkopplungsgrads führt zum Anschwingen des RC-Generators; die Tatsache, daß der RC-Generator schwingt, kann zur Erzeugung eines Signals verwendet werden, das das Erreichen oder das Überoder Unterschreiten eines bestimmten gewünschten Füllstands anzeigt.

Damit gewährleistet wird, daß das Anschwingen nur bei der gewünschten Resonanzfrequenz/,, eintritt, sind die Werte der Bauelemente des Gegenkopplungszweigs 20 so gewählt, daß auch der Gegenkopplungszweig 20 die Resonanzfrequenz /„ aufweist. Dies hat zur Folge, daß der Gegenkopplungsgrad bei dieser Frequenz/₀ einen minimalen Wert annimmt, während er bei allen anderen Frequenzen einen hohen Wert hat.

Der Gegenkopplungszweig 20 wirkt also einem Meßsonde verwendete Kapazität Cl vollständig mit

Schwingen des RC-Generators bei allen von der Reso- dem Medium bedeckt, dessen Füllstand überwacht

nanzfrequenz /₀ abweichenden Frequenzen entgegen. werden soll, und demzufolge ist der Wert der Kapazität

Da bei der beschriebenen Schaltungsanordnung der Cl groß. Die Anschwingbedingung des RC-Genera-

Gegenkopplungszweig 20 frequenzabhängig arbeitet 5 tors ist in diesem Zustand nicht erfüllt {k ■ v< I), so

und dem Anschwingen des RC-Gencrators bei zuneh- daß er nicht schwingt. Wenn bei einer Abnahme des

mender Abweichung von der Resonanzfrequenz/₀ in zu überwachenden Füllstands und einer damit verbun-

zunehmendem Maße entgegenwirkt, müssen Phasen- denen Verkleinerung des Werts der Kapazität Cl die

drehungen, die im Verstärker selbst erzeugt werden Anschwingbedingung schließlich erfüllt wird (A: r = I),

und zum Anschwingen des Generators führen könnten, io beginnt der RC-Generator zu schwingen (Punkt P I).

nicht mehr durch eigene Schallungsmaßnahmen Die Verstärkerausgangsspannung wird dabei über die

kompensiert werden. Das Abgleichen des Mitkopp- Diode Dl gleichgerichtet und gelangt als Steuerspan-

lungszweigs 18 und des Gegenkopplungszweigs 20 nung an die Diode der Kapazitätsdiode Dl; die Kapa-

auf die gleiche Resonanzfrequenz/₀ stellt sicher, daß zität dieser Diode wird durch diese Steuerspannung

die Anschwingbedingungen des Generators nur bei »5 verringert. Diese Verringerung der Kapazität der

dieser Frequenz optimal erfüllt ist. Kapazitätsdiode Dl hat auch eine Verringerung der

In Fig. 2 ist das Verhältnis zwischen der an den wirksamen Gesamtkapazität C_w zur Folge. Diese

Verstärkereingangsklemmen 12 und 14 anliegenden Kapazitätsverringerung bewirkt, daß sich die Größe

Brückenausgangsspannung U„ und der parallel zu den k · ν bei Änderungen des Werts der Kapazität Cl

Brückenzweigen liegenden Brückeneingangsspannung »° nunmehr nicht mehr gemäß der Kurve 25 von Fig. 5,

U, in Abhängigkeit von der Frequenz aufgetragen. sondern entsprechend der Kurve 26 ändert (Punkt

Fig. 3 zeigt die Phasenlage dieses Spannungsverhält- Pl). Ferner hat diese Kapazitätsverringerung zur

nisses in Abhängigkeit von der Frequenz. Folge, daß der RC-Generator rasch bis zum Erreichen

Damit bei der oben beschriebenen Verstärkungs- eines stabilen Arbeitspunkts anschwingt,
anordnung auch bei kurzzeitigen Änderungen des zu »5 Wenn der Füllstand des zu überwachenden Mediums überwachenden Füllstands eine stabile Arbeitsweise nun wieder ansteigt, dann nimmt auch der Wert der erzielt wird, kann parallel zum Mitkopplungszweig 18 Kapazität C2 zu, und die Größe k · ν ändert ihren ein Rückkopplungsnetzwerk 22 vorgesehen werden, Wert entsprechend der Kurve 26 von Fig. 5. Wenn wie in Fig. 4 dargestellt ist. Dieses Rückkopplungs- die Größe k · r schließlich so weit verkleinert worden netzwerk 22 enthält eine mit ihrer Anode am Ver- 3° ist, daß die Abschwingbedingung des RC-Generators Stärkerausgang 16 angeschlossene Diode Dl, deren nicht mehr erfüllt ist, (Ar · r< I), dann reißt die Kathode über einen Widerstand RS mit Masse ver- Schwingung des RC-Generators ab (Punkt P3). Das bunden ist. Zwischen den nicht invertierenden Ein- Abreißen der Schwingung wird durch das Vorhandengang 12 des Verstärkers 10 und der Masse 17 ist eine sein des Rückkopplungszweigs 22 beschleunigt. In Serienschaltung aus einem Kondensator CS und aus 35 Folge der Schwingung nimmt die Kapazität der einer Kapazitätsdiode D2 eingefügt, deren Anode an Kapazitätsdiode D2 und damit auch die Gesamt-Masse liegt. Der Verbindungspunkt 23 zwischen der kapazität C_w wieder ihren ursprünglichen Wert an, so Katode der Kapazitätsdiode D2 und dem Konden- daß sich die Größe k ■ ν jetzt wieder gemäß der sator CS ist mit dem Verbindungspunkt 24 zwischen Kurve 25 ändert (Punkt PA).

der Katode der Diode Dl und dem Widerstand RS «° Wie aus Fig. 5 zu erkennen ist, besteht die wesent-

verbunden. liehe Wirkung des Rückkopplungszweigs 22 darin.

Als Gesamtkapazität in der RC-Parallelschaltung daß das FüHstandsüberwachungsgerät in der Ausdes Mitkopplungszweigs 18 des RC-Generators wirken führungsform von Fig. 4 nicht bei geringfügigen Fülljetzt die Kapazität Cl und die dazu parallel liegenden Standsschwankungen um den Sollwert des Ausgangs-Kapazitäten des Kondensators CS und der dazu in *5 signal ständig ändert, sondern eine Hysterese aufweist, Serie geschalteten Kapazitätsdiode D2. Diese wirksame d. h. daß die Generatorschwingung bei Erreichen des Gesamtkapazität ergibt sich aus: Schaltpunkts Pi einsetzt und erst bei dem in defi-C CS niertem Abstand davon liegenden Schaltpunkt />3 C = C2+ ----— i wieder abreißt.

°² ⁵° Für die als Beispiel angenommene Überwachung

mit Cn₂ = Kapazität der Kapazitätsdiode D 2. des zulässigen minimalen Füllstands wird die Anord-

Unter Bezugnahme auf Fig. 5 erfolgt nun eine nung so eingestellt, daß die Kapazität C2 der Sonde Beschreibung der Wirkungsweise der in Fig. 4 darge- am Schaltpunkt Pi diesem minimalen Füllstand entstellten Schaltung. In Fig. 5 ist das Produkt aus dem spricht. Der RC-Generator wird also anschwingen im RC-Generator wirksamen Rückkopplungsfaktor A: 55 _wenn beim Absinken des Füllstands dieser zulässige und dem Verstärkungsfaktor ν des Verstärkers 10 in Mindestwert erreicht wird; dagegen wird die Gene Abhängigkeit vom Wert der Kapazität Cl dargestellt. ratorschwingung erst wieder abreißen, wenn beirr

Wenn also das Füllslandsüberwachungsgerät zur Ansteigen des Füllstands eine Höhe erreicht wird, di<

Überwachung eines zulässigen minimalen Füllstands um einen bestimmten Betrag über dem zulässiger

verwendet wird, ist im Ruhezustand des Geräts die als ^6o Mindestwert liegt.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur Füllstandsüberwachung mit einem kapazitiven Füllstandsfühler und einem RC-Generator,dereinen Verstärkerund eine Brückenschaltung enthält, die mit einem Zweig einen Mitkopplungszweig für den Verstärker und mit dem anderen Zweig einen Gegenkoppllungszweig für den Verstärker bildet, wobei der den Mitkopplungszweig bildende Brückenzweig von einer am Verstärkerausgang angeschlossenen RC-Serjenschaltung aus einem Widerstand und einer Kapazität und von einer dazu in Serie geschalteten RC-Parallelschaltung aus einem Widerstand und einem Kondensator gebildet ist, dadurch (gekennzeichnet, daß der den Gegenkopplungszweig (20) bildende mit seinem einen Ende »m Verstärkerausgang (16) angeschlossene Brükkenzweig von einer am Verstärkerausgang angeschlossenen RC-ParaJlelschaltung aus einem Widerstand (A3) und einem Kondensator (C3) und von einer dazu in Serie geschalteten RC-Serienschaltung aus einem Widerstand (A4) und einem Kondensator (C4) gebildet und mit seinem anderen Ende an Masse gelegt ist, und daß der Mitkopplungstweig (18) und der Gegenkopplungszweig (20) auf die gleiche Resonanzfrequenz abgestimmt sind.

2. Anordnung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker (10) ein Differenzverstärker ist, mit dessen nicht invertierendem Eingang (12) der Mitkopplungszweig (18) und mit dessen invertierendem Eingang (14) der Gegenkopplungszweig (20) in Verbindung steht.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Feststellung des Füllstands die Kapazität {C2) der RC-Parallelschaltung des Mitkopplungszweigs (18) dient.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Mitkopplungszweig (18) tin dem wirksamen Rückkopplungsfaktor des RC-Cenerators ändernder Rückkopplungszweig (22) Jtarallel geschaltet ist.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückkopplungszweig (22) •ine zur Kapazität (C2) der RC-Parallelschaltung im Mitkopplungszweig (18) parallele Kapazität {Dl, CS) enthält, deren Wert in Abhängigkeit vom Ausgangssignal des Verstärkers des RC-Generators veränderlich ist.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Kapazität (Cl) der RC-Schaltung im Mitkopplungszweig (18) parallele Kapazität aus einer Kapazitätsdiode (Dl) und •inem da/u in Serie geschalteten Kondensator (CS) kcsteht, und daß an die Kapazitätsdiode (Dl) die gleichgerichtete Ausgangsspannung des Verstärkers (10) als Steuerspannung angelegt ist.