DE2521687C3 - Meßwertwandler zur kapazitiven Füllstandsmessung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Meßwertwandler 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.

In bekannter Weise werden bei der kapazitiven Füllstandmessung 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

Aus der Praxis ist der den Meßwert verfälschende Einfluß von Füllgütern bekannt, deren Leitwert Schwankungen unterworfen ist Weiter geben leitende Oberzüge an dem nicht vom Füllgut bedeckten Sondenteil zu Meßwertverfälschungen Anlaß, da sie sich als reeller Leitwert parallel zur MeBkapazität präsentieren.

Diese Erscheinungen treten insbesondere bei den beispielsweise aus der DE-AS 18 01772 bekannten Meßwertwandlern auf, bei denen eine Kapazitätsmeßschaltung einen der Meßkapazität im wesentlichen proportionalen Gleichstrom erzeugt, der über einen Widerstand fließt, an den ein Anzeigegerät angeschlossen ist, das durch den Spannungsabfall am Widerstand gesteuert wird. In diesem Fall zeigt der Ausschlag des Anzeigegeräts direkt die Kapazität des Meßkondensators an, jedoch behaftet mit den zuvor erwähnten Meßwertverfälschungen.

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.

Bei diesem Meßwertwandler wird nicht der Ober 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 Hochfrequenzoszillators so, daß die Spannung am Meßkondensator auf einem Sollwert gehalten wird. Die Ausgangsspannung des Hochfrequenzoszillators steht nach Gleichrichtung in dem Meßgleichrichter als Meßsignal zur Weiterverarbeitung in einer über beliebig lange Leitungen 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 MHz 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 MHz, beim Einsatz praktisch üblicher Sondenlängen untragbare Meß-Nichtlinearitäten auftreten. Auch war die Verarbeitung höherfrequenter Meßsignale in bezug auf Linearität und Temperaturstabilität des Meßwertumformers zumindest auf für die breit: Anwendung kostengerechte Art bis zum neuerlichen Erscheinen modernster Bauelemente kaum sinnvoll.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Mkßwertwandlers zur kapazitiven Füflstandmessung, 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 Sondenmeßspannungen unproblematisch ist, und bei dem der den Meßwert verfälschende Einfluß von parallel zum Meßkondensator liegenden reellen Leitwerten eliminiert ist. _Λ

Ausgehend von einem Meßwertwandler der eingangs angegebenen Art wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß

a) dem Meßkondensator ein als einstellbarer ohmscher Widerstand wirkendes Stellglied parallel geschaltet ist, und

b) ein Phasenregelkreis mit einer Phasenvergleichsschaltung vorgesehen ist, die das Stellglied im Sinne einer Konstanthaltung der Phasendifferenz zwischen den Eingangsspannungen der Phasenvergleichsschaltung, der Oszillatorausgangsspannung einerseits und der Meßkondensatorspannung andererseits steuert

bei dem nach der Erfindung ausgeführten Meßwertwandler bleiben die Vorteile der mit Regelung der ι ο Ausgangsspannung des Hochfrequenzoszillators arbeitenden Meßwertwandlsr in vollem Umfang erhalten; darüber hinaus wird der den Meßwert verfälschende Einfluß von parallel zum Meßkondensator liegenden reellen Leitwerten eliminiert, insbesondere der Einfluß der veränderlichen Leitfähigkeit der Füllgüter und der Einfluß von leitenden Oberzügen an der Meßsonde. Die Wirkung der Kompensationsschaltung setzt keine hohe Meßfrequenz 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 Zugleich werden durch die niedrige Meßfrequenz die mit höheren Meßfrequenzen verknüpften Meß-Nichtlinearitäten vermieden.

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, jo ein Umstand, der vor allem der Schaltungsauslegung nach Richtlinien des Explosionsschutzes Rechnung trägt

Schließlich ist eine tiefe Meßfrequenz in Verbindung mit einer kleinen Meßspannung in bezug auf die r> Störstrahlung günstig.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß die Phasenvergleichsschaltung und das Stellglied so ausgebildet sind, daß die Phasenregelung im Sinne drr Aufrechterhaltung der Phasendifferenz Null erfolgt

Das Stellglied ist vorzugsweise ein Feldeffekttransistor.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung erläutert, deren einzige Figur das Blockschaltbild eines Meßwertwandl :rs zeigt

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 >o Serie zu einem Festkondensator 3 mit der Kapazität Cf enthält Dir Meßkapazität Cm ist beispielsweise die von der Füllguthöhe abhängige Kapazität einer in einem Behälter angeordneten Meßsonde.

Der Hochfrequcnzoszillator 1 ist so ausgebildet, daß seine Ausgangsspannung Uhf durch eine seinem Steuereingang zugeführte Spannung steuerbar ist beispielsweise durch Veränderung seiner Stromversorgungsspannung. Es ist ein Spannungsregelkreis vorgesehen, der die Oszillatorausgangsspannung Uhf so regelt, wi daß die Spannung Ucm über dem Meßkondensator 2 konstant gehalten wird.

Dieser Spannungsregelkreis enthält einen Präzisionsgleichrichter 4, der die Spannung Ucm gleichrichtet Die vom Präzisionsgleirhrichter 4 abgegebene Gleichspan- μ nung wird dem einen Eingang eines Differenzverstärkers 5 zugeführt, an de~-"en anderen Eingang die von einer Referenzspannungsquelle 6 gelieferte Referenzspannung Ur angelegt ist Der Differenzverstärker 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.

Wenn sich infolge einer Änderung der Füliguthöhe 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 Änderung wird durch die Regelung der Oszillatorausgangsspannung Uh? entgegengewirkt Wenn angenommen wird, daß nur die Kapazitäten Cf und Cm der Kondensatoren 2 und 3 vorhanden sind, steht die Amplitude der Oszillato"ijsgangsspannung Uhf in linearem Zusammenhang mit dsr Kapazität Cm des Meßkondensators 2, und sie kann daher als Meßgröße für die Füllguthöhe verwendet werden. Zu diesem Zweck ist an den Ausgang des Hochfrequtnzoszillators 1 ein Präzisions-Meßgleichrichter 7 angeschlossen, der am Ausgang eine der Oszillatorausgangsspannung [/«^proportionale Gleichspannung liefert, die als Meßsignal zur Anzeige und Weiterverarbeitung zur Verfügung steht und über beliebig hnge Leitungen übertragen werden kann.

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 Leitfähigkeit des Füllguts, die im allgemeinen veränderlich ist, sowie auch durch Ansätze an der Meßsonde und durch andere Störeinflüsss. Jede Änderung dieser reellen Störleitwerte wirkt sich auf die Meßkondensatorspannung Ucm aus, der durch den Sprnnungsregelkreis entgegengewirkt wird, so daß sie sich im Meßsignal wie eine Änderung der Füllguthöhe auswirkt Diese Verfälschung des Meßwerts ist um so 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 MHz 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.

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 Phasenregel kreis enthält eine Phasenvergleichsschalt jng 9, deren Referenzeingang R die Ausgangsspannung Uhf des Hochfrequenzoszillators 1 und deren Signaleingang S die MeßkondensaUjfspannung Ucm empfängt. Der Ausgang der Phasenvergleichsschaltung 9 ist mit dein Steuereingang eines Stellglieds 10 verbunden, das als einstellbarer ohmscher Widerstand Rv wirkt und

parallel zum Meßkondensator 2 geschaltet ist. Außerdem ist ein reeller Festwiderstand 11 mit dem Widerstandswert Rf parallel zum Festkondensator 3 geschaltet.

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 a.uf das Stellglied 10 ein und verstellt dessen Leitwert, bis die Phasendifferenz zwischen den Eingangsspannungen der Phasenvergleichsschaltung 9 auf einen nahe bei Null liegenden konstanten Sollwert gebracht ist

Die Schallungselemente 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.

Weil die im einen Zweig des abgeglichenen Spüfifiüngsiciicis liegende raraiieikombination Cf, «f bereits eine von der Dimensionierung abhängige Phasenverschiebung ergibt, muß auch bei verlustfreier Meßkapazität C_Mder Widerstand R ν des Stellgliedes 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:

C₁

R₁
R,

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. Diese Änderung wirkt der Phasenregelkreis durch Änderun des Widerstands Rvdes Stellglieds 6 entgegen, wodurc die Änderung des Störleitv/erts kompensiert wird, di somit keinen Einfluß auf das Meßergebnis hat.

Dagegen haben Änderungen der Meßkapazität Q über den Spannungsregelkreis 4,5 eine linear abhängig Änderung der Oszillatorausgangsspannung Um um damit des vom Meßgleichrichter 7 gelieferten Meß signals zu Folge.

Der Abgleich und das Teilverhältnis eines abgegliche nen Spannungsteilers der beschriebenen Art sini frequenzunabhängig. Aus diesem Grund sind an di Frequenzkonstanz des Hochfrequenzoszillators 1 kein Anforderungen zu stellen.

' In der Praxis liegen die Werte des Widerstands Rvdt Stellglieds 10 in der Größenordnung von einige Kiloohm. Dadurch wird zugleich auf elegante Weise da Problem eines wegen möglicher statischer Aufiadunge der Meßkapazität notwendigen Ableitwiderstande parallel zur Meßkapazität gelöst. Ohne Vorhandenseil des Phasenregelkreises würde ein solcher Ableitwider stand notwendigerweise zu Meß-Nichtlinearitäten füh ren.

Das Stellglied 10 ist in der Zeichnung symbolisch al einstellbarer Widerstand angedeutet In der Praxis wire dieses Stellglied elektronisch ausgebildet, vorzugsweise als Feldeffekttransistor, dessen Source- und Drain-An Schlüsse mit den Klemmen des Meßkondensators : verbunden sind und dessen Gate-Anschluß an den Ausgang der Phasenvergleichsschaltung 9 angeschlos sen ist.

Hierzu I Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Meßwertwandler zur kapazitiven Fallstandmessung mit einem Hochfrequenzoszillator, einem an s den Ausgang des Hochfrequenzoszillator angeschlossenen Spannungsteiler, der einen in seiner Kapazität vom Füllstand abhängigen Meßkondensator in Reihe zu einer Festkapazität enthält, einem Spannungsregelkreis, der die Oszillatorausgangs- ι ο spannung so regelt, daß die Meßkondensatorspannung konstant gehalten wird, und mit einem an den Ausgang des Hochfrequenzoszillators angeschlossenen Meßgleichrichter, dadurch gekennzeichnet, daß

a) dem Meßkondensator ein als einstellbarer ohmscher Widerstand (R v^ wirkendes Stellglied parallel geschaltet ist, und

b) ein Phasenregelkreis mit einer Phasenvergleichsschaltung (9) vorgesehen ist, die das Stellglied im Sinne einer Konstanthaltung der Phasendifferenz zwischen den Eingangsspannungen der Phasenvergleichsschaltung (9), der Oszillatorausgangsspannung (Uhf) einerseits und der Meßkondensatorspannung (Ucm) andererseits steuert

2 Meßwertwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenvergleichsschaltung und das Stellglied so ausgebildet sind, daß die Phasenregelung im Sinne der Aufrechterhaltung der w Phasendifferenz Null erfolgt

3. Meß wer: wandler nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnr», daß das Stellglied ein Feldeffekttransistor ist