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Neßwertwandler zur kapazitiven Füllstandmessung Die Erfindung bezieht
sich auf einen Neßwertwandler zur kapazitiven Füllstandmessung mit einem Hochfrequenzoszillator,
einem an den Ausgang des Hochfrequenzoszillators angeschlossenen Spannungsteiler,
der einen in seiner Kapazität vom Füllstand abhängigen Meßkondensator in Reihe zu
einer Festkapazität enthält, einem Spannungsregelkreis, der die Oszillatorausgangsspannung
so regelt, daß die Meßkondensatorspannung konstant gehalten wird, und mit einem
an den Ausgang des Hochfrequenzoszillators angeschlossenen Meßgleichrichter.
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In bekannter Weise werden bei der kapazitiven FUllstandmessung an
Wechselspannung liegende und in das Füllgut eintauchende Meßsonden verwendet, wobei
der zwischen Meßsonde und Bezugselektrode fließende kapazitive Blindstrom ein Maß
für den Füllstand darstellt.
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Aus der Praxis ist der den Meßwert verfälschende Einfluß von Füllgütern
bekannt, deren Leitwert Schwankungen unterworfen ist. Weiter geben leitende Überzüge
an dem nicht vom Füllgut bedeckten Sondenteil zu Meßwertverfälschungen Anlaß, da
sie sich als reeller Leitwert parallel zur Meßkapazität präsentieren.
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Mit dem Meßwertwandler der eingangs angegebenen Art werden die vorstehend
geschilderten Einflüsse zwar gemildert, aber er weist andere meßtechnische Nachteile
auf, die seine breite Anwendung verbieten.
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Bei diesem Meßwertwandler wird nicht der über die Meßkapazität fließende
Strom oder der dadurch am Meßkondensator verursachte Spannungsabfall unmittelbar
als Maß für den Füllstand verwendet, sondern die am kapazitiven Spannungsteiler
liegende Ausgangsspannung des Hochfrequenzoszillators wird so geregelt, daß die
Spannung über der in Serie zu der Festkapazität liegenden Meßkapazität konstant
bleibt; als Maß für den Füllstand wird die Ausgangsspannung des Hochfrequenzoszillators
verwendet, die theoretisch in linearem Zusammenhang mit der Größe der Meßkapazität
steht. Die Regelung der Oszillatorausgangsspannung erfolgt beispielsweise dadurch,
daß die an der Meßkapazität abgegriffene Spannung nach Spitzengleichrichtung dem
einen Eingang eines Differenzverstärkers zugeführt wird, an dessen anderem Eingang
eine feste Bezugsspannung liegt; die Ausgangsspannung des Differenzverstärkers steuert
die Versorgungsspannung des Hochfreguenzossillators so, daß die Spannung am Meßkondensator
auf einem Sollwert gehalten wird. Die Ausgangsspannung des Hochfrequenzoszillators
steht nach Gleichrichtung in dem iVjeßgleichrichter als Meßsignal zur Weiterverarbeitung
in einer über beliebig lange xeiçungen verbundenen Anzeigeeinheit zur Verfügung,
In
der Praxis hat es sich aber gezeigt, daß die zuvor geschilderte Schaltung erhebliche
Mängel aufweist. Sie hat, wie alle bekannten kapazitiven Meßwertwandlerschaltungen,
wenn sie mit relativ tiefer Meßfrequenz weit unter 1 z betrieben wird, den Nachteil,
daß Leitwertveränderungen der Füllgüter, vornehmlich von Flüssigkeiten, zu einer
oft untragbaren Verfälschung des Meßwerts führen. Andererseits wurde rechnerisch
nachgewiesen und praktisch bestätigt, daß bei hohen Meßfrequenzen, z.B. größer als
1 NHz, beim Einsatz praktisch üblicher Sondenlängen untragbare Meß-Nichtlinearitäten
auftreten.
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Auch war die Verarbeitung höherfrequenter Meßsignale in bezug auf
Linearität und Temperaturstabilität des Meßwertumformers zumindest auf für die breite
Anwendung kostengerechte Art bis zum neuerlichen Erscheinen modernster Bauelemente
kaum sinnvoll.
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Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Meßwertwandlers zur
kapazitiven Büllstandmessung, der mit einer relativ tiefen Meßfrequenz arbeiten
kann, so daß es praktisch keine Beschränkungen bezüglich der verwendbaren Sondenlängen
gibt und wegen der niedrigen Meßfrequenz die Signalverarbeitung auch bei sehr kleinen
Sondentneßspannungen unproblematisch ist, und bei dem der den Meßwert verfälschende
Einfluß von parallel zum Meßkondensator liegenden reellen Leitwerten eliminiert
ist.
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Ausgehend von einem Meßwertwandler der eingangs angegebenen Art wird
diese Aufgabe dadurch gelöst, daß dem Meßkondensator ein als veränderbarer reeller
Leitwert wirkendes Stellglied parallel geschaltet ist, und daß ein Phasenregelkreis
vorgesehen ist, der das Stellglied im Sinne einer Konstanthaltung der Phasendifferenz
zwischen der Oszillatorausgangsspannung und der Meßkondensatorspannung steuert.
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Bei dem nach der Erfindung ausgeführten Meßwertwandler bleiben die
Vorteile der mit Regelung der Ausgangsspannung des Hochfrequenz.oszillators arbeitenden
Meßwertwandler in vollem Umfang erhalten; darüber hinaus wird der den Meßwert verfälschende
Einfluß von parallel zum Meßkondensator liegenden reellen Leitwerte eliminiert,
insbesondere der Einfluß der veranderlichen Beitfähigkeit der Fullgüter und der
Einfluß von leitenden Über-Zügen an der Meßsonde. Die Wirkung der Kompensationsschaltung
setzt keine hohe Meßfrequ.enz voraus; man ist daher bei der Auswahl der Meßfrequenz
frei und kann sie beispielsweise so tief legen, daß die Verarbeitung der Meßsignale
mit preiswerten Bauelementen möglich ist.
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Zugleich werden durch die niedrige Meßfrequenz die mit höheren Meßfrequenzen
verknüpften Meß-Nichtlinearitäten vermieden.
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Aufgrund der Tatsache, daß bei der gewählten tiefen Meßfrequenz eine
Verarbeitung der Meßsignale unproblematisch ist, kann die Meßspannung über dem Meßkondensator
sehr klein sein, was die Anwendbarkeit eines Oszillators sehr geringer Leistung
ermöglicht, ein Umstand, der vor allem der Schaltungsaulegung nach Richtlinien des
Explosionsschutzes Rechnung trägt.
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Schließlich ist eine tiefe Meßfrequenz in Verbindung mit einer kleinen
Meßspannung in bezug auf die Störstrahlung günstig.
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Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung besteht
darin, daß der Festkapazität ein Festwiderstand parallelgeschaltet ist, und daß
der Phasenregelkreis eine Phasenvergleichsschaltung enthält, die an einem Eingang
die Oszillatorausgangsspannung und am anderen Eingang die
Meßkondensatorspannung
empfängt und ein der Phasendifferenz entsprechendes Signal liefert, das dem Steuereingang
des Stellgliedes zugeführt wird und dieses im Sinne einer Konstanthaltung der Phasendifferenz
steuert.
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Das Stellglied ist vorzugsweise ein Beldeffekttransistor.
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weitere Merkmale und Vorteile der Efindung ergeben sich aus der folgenden
Beschreibung eines Ausführungsbeispiels an Hand der ZeioInung.
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Die einzige Figur der Zeichnung zeigt das Blockschaltbild eines Meßwertwandlers
nach der erfindung.
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Die dargestellte Schaltung enthält einen Hochfrequenzoszillator 1,
an dessen Ausgang ein Spannungsteiler angeschlossen ist, der die durch einen veränderlichen
Meßkondensator 2 dargestellte Meßkapazität CM in Serie zu einem Festkondensator
3 mit der Kapazität CF enthält. Die Meßkapazität CM ist beispielsweise die von der
Füllguthöhe abhangwge Kapazität einer in einem Behälter angeordneten Meßsonde.
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Der Hochfrequenzoszillator 1 ist so ausgebildet, daß seine Ausgangsspannung
UHF durch eine seinem Steuereingang zugefiihrte Spannung steuerbar ist, beispielsweise
durch Veränderung seiner Stromversorgungspannung. Es ist ein Spannungsregelkreis
vorgesehen, der die Oszillatorausgangsspalmung UHF so regelt, daß die Spannung UCM
über dem Meßkondensator 2 konstant gehalten wird.
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Dieser Spannungsregelkreis enthält einen Präzisionsgleichrichter 4,
der die Spannung UCM gleichrichtet. Die vom Präzisionsgleichrichter 4 abgegebene
Gleichspannung wird
dem einen Eingang eines Differenz'verstärkers
5 zugeführt, an dessen anderen Eingang die von einer Referenzspannungsquelle 6 gelieferte
Referonsspannung UR angelegt ist. Der Differenzverst'rker 5 gibt eine Spannung ab,
die der Differenz seiner Eingangsspannungen entspricht. Diese Spannung wird dem
Steuereingang 4 des Hochfrequenzoszillators 1 zugeführt und bewirkt eine Änderung
der Oszillatorausgangsspannung UHF in dem Sinne, daß die Differenz zwischen der
Meßkondensatorspannung UCM und der Referenzspannung zu Null gemacht wird. Die Meßkondensatorspannung
UCM wird dadurch auf einem durch die Referenzspannung UR bestimmten konstanten Wert
gehalten.
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Wenn sich infolge einer Anderung der Füllguthöhe die Kapazität CM
des Meßkondensators 2 ändert, ändert sich das Teilverhältnis des Spannungsteilers
2, 3, so daß sich die Meßkondensatorspannung UCM ebenfalls zu ändern sucht. Dieser
Anderung wird durch die Regelung der Oszillatorausgangsspannung Uri entgegengewirkt.
Wenn angenommen wird, daß nur die Kapazitäten CF und CM der Kondensatoren 2 und
3 vorhanden sind, steht die Amplitude der Oszillatorausgangsspannung UHF in linearem
Zusammenhang mit der Kapazität CM des Meßkondensators 2, und sie kann daher als
Meßgröße für die Füllguthöhe verwendet werden. Zu diesem Zweck ist an den Ausgang
des Hochfrequenzoszillators 1 ein Präzisions-Meßgleichrichter 7 angeschlossen, der
am Ausgang eine der Oszillatorausgangsspannung UHF proportionale Gleichspannung
liefert, die als Meßsignal zur Anzeige und Weiterverarbeitung zur Verfügung steht
und über beliebig lange Leitungen übertragen werden kann.
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Diese idealen Verhältnisse sind aber in Wirklichkeit nicht vorhanden,
denn es liegen stets reelle Störleitwerte
parallel zum Meßkondensator.
Diese reellen Störleitwerte, die in der Zeichnung durch einen gestrichelten Widerstand
8 angedeutet sind, ergeben sich insbesondere durch die Beitfähigkeit des Füllgutes,
die im allgemeinen veränderlich ist, sowie auch durch Ansätze an der Meßsonde und
durch andere Störeinflüsse. Jede Änderung dieser reellen Störleitwerte wirkt sich
auf die Meßkondensatorspannung UC aus, der durch den Spannungsregelkreis entgegengewirkt
wird, so daß sie sich im Meßsignal wie eine Änderung der Füllguthöhe auswirkt. Diese
Verfälschung des Meßwerts ist umso größer, je niedriger die Meßfrequenz des Hochfrequenzoszillators
1 ist. Es ist aber nicht möglich, den Einfluß der reellen Störleitwerte durch eine
beliebige Erhöhung der Meßfrequenz zu eliminieren, weil bei hohen Meßfrequenzen,
die beispielsweise über 1 IEHz liegen, untragbare Meß-Nichtlinearitäten bei den
praktisch üblichen Sondenlängen auftreten. Außerdem entstehen bei der Verarbeitung
höherfrequenter Meßsignale hinsichtlich der Linearität, Temperaturstabilität und
Störstrahlung des Meßwertumformers Probleme, die nur mit erhöhtem Aufwand und entsprechend
höheren Kosten zu lösen sind.
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Zur Vermeidung dieser Nachteile und Schwierigkeiten ist bei der dargestellten
Schaltung zusätzlich zu dem beschriebenen Spannungsregelkreis ein Phasenregelkreis
vorgesehen, der den schädlichen Einfluß der parallel zum Meßkondensator 2 liegenden
Störleitwerte 8 auf das Meßergebnis eliminiert. Dieser Phasenregelkreis enthält
eine Phasenvergleichsschaltung 9, deren Referenzeingang R die Ausgangsspannung U1IJ?
des Hochfrequenzoszillators 1 und deren Signaleingang S die Meßkondensatorspannung
UCM empfängt.
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Der Ausgang der Phasenvergleichsschaltung 9 ist mit dem Steuereingang
eines Stellglieds 10 verbunden, das als einstellbarer ohmscher Widerstand RV wirkt
und parallel
zum Meßkondensator 2 geschaltet ist. einem ist ein
reeller Festwiderstand 11 mit dem Widerstandswert RF parallel zum Festkondensator
3 geschaltet.
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Die Phasenvergleichsschaltung 9 mißt die Phasenverschiebung zwischen
ihren Eingangsspannungen und gibt am Ausgang ein Signal ab, das von der gemessenen
Phasenverschiebung abhängt. Dieses Signal wirkt auf das Stellglied 10 ein und verstellt
dessen Leitwert, bis die Phasendifferenz zwischen den Eingangsspannungen der Phasenvergle
ichs schaltung 9 auf einen nahe bei Null liegenden konstanten Sollwert gebracht
ist Die Schaltungselemente 2, 3, 10 und 11 bilden somit einen abgeglichenen Spannungsteiler,
dessen Abgleich durch den Phasenregelkreis bei allen Meßkapazitäten innerhalb des
Meßbereichs der Schaltung aufrechterhalten wird.
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Weil die im einen Zweig des abgeglichenen Spannungsteilers liegende
Parallelkombination CF, RF bereits eine von der Dimensionierung abhängige Phasenverschiebung
ergibt, muß auch bei verlustfreier Meßkapazität CM der Widerstand RV des Stellglieaes
10 einen endlichen Wert haben, damit die Bedingung der Phasenverschiebung Null zwischen
den Eingangsspannungen der Phasenvergleichsschaltung 9 erfüllt ist. In diesem Fall
lautet die Abgleichbedingung: CM RF = CF RV Wenn ein reeller Störleitwert 8 parallel
zum Meßkondensator 2 auftritt, oder wenn sich ein vorhandener reeller Störleitwert
ändert, sucht sich die Phasenlage des Spannungsteilers zu verschieben. Dieser Änderung
wirkt der
Phasenregelkreis durch Änderung des Widerstands W des
Stellglieds 6 entgegen, wodurch die Änderung des Störleitwerts kompensiert wird,
die somit keinen Einfluß auf das Meßergebnis hat.
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Dagegen haben Änderungen der Meßkapazität CM über den Spannungsregelkreis
4, 5 eine linear abhängige Anderung der Oszillatorausgangsspannung UliF und damit
des vom Meßgleichrichter 7 gelieferten Meßsignals zu Folge.
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Der Abgleich und das Teilverhältnis eines abgeglichenen Spannungsteilers
der beschriebenen Art sind frequenzunabhängig. Aus diesem Grund sind an die Frequenzkonstanz
des Hochfrequenzoszillators 1 keine Anforderungen zu stellen.
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In der Praxis liegen die Werte des Widerstands RV des Stellglieds
10 in der Größenordnung von einigen Kiloohm. Dadurch wird zugleich auf elegante
Weise das Problem eines wegen möglicher statischer Aufladungen der Meßkapazität
notwendigen Ableitwiderstandes parallel zur Meßkapazität gelöst.
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Ohne Vorhandensein des Phasenregelkreises würde ein solcher Ableitwiderstand
notwendigerweise zu Meß-Nichtlinearitäten führen.
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Das Stellglied 10 ist in der Zeichnung symbolisch als einstellbarer
Widerstand angedeutet. in der Praxis wird dieses Stellglied elektronisch ausgebildet,
vorzugsweise als Feldeffekttransistor, dessen Source- und Drain-Anschlüsse mit den
Klemmen des Meßkondensators 2 verbunden sind und dessen Gate-Anschluß an dem Ausgang
der Phasenvergleichsschaltung 9 angeschlossen ist.