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Anordnung zur Füllstandsmessung in einem Behälter
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zu kapazitiven Füllstandsmessung
in einem Behälter durch erzeugung eines Meßsignals, das sich entsprechend der unterschiedlichen
Eintauchtiefe eines Füllstand@meßwertgebers in das Füllgut ändert, wobei der Füllstandsmeßwertgeber
mittels eines Schaltelements im Wechsel aufgeladen und entladen wird.
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Eine derartige Anordnung mit der FU stände von dielektrisch konstanten
Stoffen in Behältern festgestellt werden können, ist bekannt (Zeltschritt: "Control",
March 1963, @elte 116). @n den Behältern werden Meßelektroden angeordn@t, deren
Kapazltät sich In Abhänglgkeit von der Eintauchtiefe ändert. Die Meßelektroden,
von denen eine z.B. die elektrisch leitende Behälterwand oder deren Tell@ oder Sestandtei
le sein kanne bilden einen kapazitiven Füllstend@m@ßertgeber. Dieser ist In der
bekannten Anordnung an den gemeinsamen Anschluß zweier mit ihren Ernitter-Kol lektor-Strecken
in Reihe geschalteten Transistoren gelegt, von denen einer mit dem ersten und der
andere mit dem zweiten Pol einer Spannungsquelle verbunden
ist.
Die mit ihren Basen an einen Oszillator angeschlossenen Transistoren werden wechselweise
in den leitenden und nichtleitenden Zustand gesteuert. Der kapazitive FU lstandsmeßwertgeber
wird dadurch im Wechsel aufgeladen und entladen. An einen Widerstand im Entladestromkreis
tritt dabei ein der Kapazität des Füllstandsmeßwertgebers proportionaler Spannungsabfall
auf. Bei dieser bekannten Anordnung beeinflussen Streukapazitäten sowie die an den
Sperrschichten der Transistoren auftretenden Diffusions-und Raumladungskapazltäten
das Meßergebnis. Genaue Messungen ergeben sich daher nur bei Füllstandsmeßwertgebern
mit größeren Kapazitäten, gegenüber denen die vorstehend erwähnten Stör-Kapazitäten
klein sind.
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Es ist ferner eine Meßschaltung für einen kapazitiven Füllstandsmeßwertgeber
bekannt, bei der die Amplitude einer von einem Niederfrequenz-Oszillator erzeugten
Wechselspannung in einer Brückenschaltung in Abhängigkeit von der Füllstandshöhe
moduliert wird. Der Niederfrequenz-Oszii lator enthält einen aus einem Kondensator
und einer Spule bestehenden Resonanzkreis.
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Die Spule ist mit der Sekundärwicklung, die an die Meßbrücke angeschlossen
ist, ausgestattet. In den Zweigen der Brücke sind die beiden Hälften der Sekundärseite
der zugleich einen Übertrager bildenden Spule angeordnet. An die Enden der Sekundärwicklung
sind der Füllstandsmeßwertgeber und ein Kompensationskondensator angeschlossen.
Die Brückendiagonale speist einen Demodulationskreis, dem ein Verstärker nachgeschaltet
ist. Bei einer anderen bekannten Anordnung ist an Stelle der Brückenschaltung ein
Resonanzkreis mit dem Niederfrequenz-Oszil lator verbunden. Der Füllstandsmeßwertgeber
liegt parallel zum Resonanzkreis. Die Meßinformation verändert die Frequenz des
Resonanzkreises. Der Resonanzkreis speist einen Frequenzmodul ator (Archiv für technisches
Messen, Biatt J 86-13, Seiten 65 und 66, März 1966).
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Die vorstehend erwähnten Schaltungen eignen sich auch für die Messungen
von kleinen Kapazitäten. Jedoch benötigen die Schaltungen zumindest eine Spule,
die überdies Anzapfungen sowie eine Sekundärwicklung aufweist. Die Induktivität
der Spule ist für den Resonanzkreis des Niederfrequenz-Osziilators erforderlich.
Von den für die Meßschaltung verwendeten elektrischen Bauelementen hat die Spule
das höchste Gewicht und die größten Abmessungen. Die Montage der Spule neben den
anderen Bauelementen auf einer Platte mit gedruckten Leitungen ist überdies umständlich
und zeitraubend.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der eingangs
erwähnten Gattung derart weiterzuentwickeln, daß bei einem großen Meßbereich mit
sehr kleinem unteren Kapazltätsgrenzwert eine genaue Messung der Kapazität von Fül
lstandsmeßwertgebern ohne Benutzung einer Induktivität möglich ist.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der kapazitive
Fül lstandsmeßwertgeber und ein an sich bekannter Kompensationskondensator durch
den die Kapazität des Füllstandsmeßwertgebers für einen auswählbaren Füllstandsfall
abgieichbar ist, je an einen von zwei gleich großen Spannungszuführwtderständen
und einen Eingang einer Di fferenzverstärkerschaltung angeschlossen sind, an deren
Ausgängen ein der Differenz der Kapazitäten des Füllstandsmeßwertgebers und des
Kompensatlonskondensators proportionales Meßsignal abgreifbar ist, und daß das die
Aufladung über die Spannungszuführwiderstände und die Entladung des Füllstandsmeßwertgebers
und des Kompensatlonskondensators steuernde Schaltelement an einer Stelle angeschlossen
ist, gegenüber der zwei, jeweils den FU lstandsmeßwertgeber oder den Kompensationskondensator
enthaltende, in bezug auf die Anordnung und die Parameter der anderen Schaltelemente
symmetrische Schaltungshälften gebildet sind.
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Infolge der vorstehend erläuterten Symmetrie der Anordnung gehen Streukapazitäten
der elektrischen Bauelemente der Meßschaltung sowie der Leltungen zwischen den Bauelementen
und der Di ffusions- und Raumladungskapazitäten der Transistoren nicht in die Messung
eln. Es können deshalb auch kleine Kapazitäten von Fül lstandsmeßwertgebern bzw.
kleine Kapazitätsänderungen genau gemessen werden. Weitere Vorteile der Anordnung
sind darin zu sehen, daß Anderungen Im Verhältnis der für die Ladung und Entladung
vorgesehenen Zeiträume, Änderungen der für je eine Ladung und Entladung bestimmten
Gesamtzelt, Temperaturänderungen und Schwankungen der Betriebsspannung der Spannungsquelle
das Meßergebnis nicht störend beeinflussen.
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Weiterhin ist der Leistungsverbrauch der Anordnung nur gering.
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Für die Steuerung des Schaltelements reicht ein astabilder Multivibrator
aus, der nach dem Prinzip des negativen Widerstands arbeitet und keine Induktivität
benötigt. Die Anordnung kommt deshalb ohne eine aufwendig herzustellende und zu
montierende Spule aus. Der Füllstandsmeßwertgeber und der Kompensationskondensator
können galvanisch an die Differenzverstärkerschaltung angeschlossen werden. Es sind
daher keine übertrager erforderlich.
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Dies bedeutet gegenüber den bekannten Füllstandsmeßschaltungen eine
Reduzierung des schaltungstechnischen Aufwands. Durch die Einsparung eines harmonische
Schwingungen erzeugenden Oszillators wird die Anordnung überdies unempfindlich gegen
Störspannungen.
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Vorzugsweise sind an die Ausgänge der Dl fferenzverstärkerschaltung
Integrationsschaltungen angeschlossen. An den Ausgängen der Integratlonsschaltungen
steht das Meßergebnis auch während der Entladung oder in Pausen zwischen zwei aufetnanderfolgenden
Meßzyklen zur Verfügung. Die Integratlonsschaltungen ermöglichen somit auch bei
Intervallen zwischen Meßzyklen eine
kontinuierliche Feststellung
des Füllstands.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß die Differenzverstärkerschaltung
zwei Transistoren enthält, die einen gemeinsamen Emitterwiderstand aufweisen, und
mit Ihren Basen je an einen Eingang gelegt sind, und daß in den Kol lektorkreisen
der Transistoren mit den Ausgängen verbundene Widerstände angeordnet sind.
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Die beiden Transistoren sind vorzugsweise in einem gemeinsamen Halbleiterkristall
angeordnet. Daher stimmen die Parameter der Transistoren überein. Die Anordnung
zeigt In bezug auf die beiden Eingänge der Bifferenzversärkerschaltung sowie der
Zuführung der Betriebsspannung einen symmetrischen Aufbau. Die Kapazitäten werden
über gleichartige Basis-Emitter-Strecken entladen. Die Aufspaltung des Stroms im
Emitterwiderstand in die einzelnen Kollektorströme wird nicht durch unterschiedliche
Transistorparameter beeinflußt.
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Eine zweckmäßige Anordnung besteht darin, daß die nicht mit dem Füllstandsmeßwertgeber
bzw. dem Kompensatlonskondensator verbundenen Anschlüsse der Spannungszuführwiderstände
und der Stromversorgungselngang der Di fferenzverstärkerschaltung an einen Anschluß
des Schaltelements gelegt sind, dessen anderer Anschluß mit einem Pol einer Spannungsquelle
verbunden ist. Das Schaltelement, bei dem es sich um einen Schalttransistor handeln
kann, ist somit in der gemeinsamen Energiezuleltung angeordnet. Der schaltungstechnische
Aufwand für die Einfügung des Schaltelements ist gering. Der Spannungsquelle wird
bei offenem Schaltelement keine Energie entzogen.
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Bei einer anderen günstigen Ausführungsform ist vorgesehen, daß die
nicht mit dem FülIstandsmeßwertgeber bzw. dem Kompensationskondensator verbundenen
Anschlüsse der Spannungszuführwtderstände
und der Stromversorgungseingang
der Di fferenzverstärkerschaltung einerseits an einen von einem @@@ e er Spannungsquelle
gespeisten Widerstand und andererseits an das Schaltelement angeschlossen sind,
dessen anderer Eingang mit dem zweiten Stromversorgungseinnang der Differenzverstärkerschaltung,
dem einen Belag des Kompensatinnskondensators und einen Anschluß des Füilstandsmeßwertgebers
an den zweiten Pol der Spannungsquelle gelegt ist. Beim Öffnen und Schließen des
Schaltelements wird der über den Widerstand von der Stromcel le eingespeiste Strom
nur umgeleitet und nicht unterbrochen. ¼:e Stromquelle liefert somit kontinuierlich
Strom. Dies hat den Vorteil, daß auch bei einfachem Aufbau der Stromquelle infolge
der kontinuierlichen Belastung keine großen Schwankungen der Betriebsspannung entstehen
Zweckmäßigerweise ist das Schaltelement parallel zu dem Emitterwiderstand der Transistoren
der Differenzverstärkerschaltung gelegt. Bei geschlossenem Schaltelement können
s?ch die Kapazitäten sehr schnell entladen. Die für einen Meßzyklus erforderliche
Zeit wird somit verkleinert, Da das Schaltelement in bezug auf die anderen Teile
der Mcßschaltung symmetrlsch angeordnet ist, beeinflussen seine Ubergangswiderstände
und Streukapazitäten nicht das Ergebnis der Messung Eine andere bevorzugte Ausführungsform
besteht darin, daß als Spannungszuff@hrwiderstände für den Füllstandsmeßwertgeber
und den Kompenst-tlOnskondensator zwischen dio Basis und den Kollektor jeweils eines
Transistors geschaltete Widerstände vorgesehen sind.
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Durch die Einfügung der für die Aufladung der Kapazitäten bestimmten
Widerstände zwischen den Basen und den Kollektoren der Transistoren kann die Anordnung
genaue Meßergebnisse auch bei großen Schwankungen zwischen der Meß- und der Kompensationskapazität
und
bei gemeinsamen Änderungen der beiden Kapazitäten liefern. Liegt ein großer Unterschied
zwischen der Meß- und der Kompensationskapazität vor, dann wird der Transistor auf
seiten der klelneren Kapazität stärker leitend gesteuert. Die damit verbundene Anhebung
des Emitterpotentials verschlebt den Arbeitspunkt des Transistors auf selten der
größeren Kapazität in das Gebiet größeren Widerstands. Daher herrscht am Kollektor
dieses Transistors ein hohes Potential, durch das eine schnelle Aufladung der größeren
Kapazität erreicht wird. Bei kleinen Kapazitätsunterschieden strömt nur zu Beginn
der Aufladung ein großer Strom in die größere Kapazität.
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Danach treten in etwa gleiche Kollektorpotentlale an den belden Transistoren
auf, über die rasch bis auf Null abklingende Ladeströme für die Kapazitäten erzeugt
werden. Die Spannungsamplituden der an den Kapazitäten auftretenden Ladespannungen
werden daher sowohl bei großen Unterschieden zwischen den-Kapazitäten als auch bei
gleichzeitigen großen Anderungen der Kapazitäten einander angeglichen. Bei kleinen
Kapazitätsunterschieden entsteht durch die Amplitudenangleichung eine den Kapazitätswerten
entsprechende Stromauftel lung in den Transistoren. Dadurch ergibt sich ein kontinuierliches
Ausgangssignal. Bei zunehmender Kapazltätsdl fferenz setzt der Stromfluß in dem
der kleineren Kapazität zugeordneten Translstor früher ein. Damit bleibt die Kontinuität
des Ausgangssignals erhalten.
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Mit der Anordnung der Widerstände zwischen den Basen und den Kollektoren
der Transistoren wird zusätzlich eine Angleichung der Basis-Emltter-Spannungen und
der Emitter-Kollektor-Spannungen erzielt. Die Emitter-Kollektor-Spannungen überschrelten
nur wenig die Basis-Emitter-Spannungen. Die Kollektor-Emitter-Spannungen sinken
daher nicht so weit ab, daß sie in dem stark
nichtlinearen Tel
1 der Kennlinie des Kol lektorstroms als Funktion der Kol lektor-Emitter-Spannung
liegen. Auf diese Weise werden auch bei hohen Frequenzen störende Totzeiten vermieden.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß jeweils
zwischen der Basis eines Transistors und dem Kollektor des anderen Transistors WTderstände
angeordnet sind. Durch Einfügung dieser Widerstände läßt sich der hohe Gleichstromgegenkopplungsgrad,
der von den Widerständen zwischen den Kollektoren und den Basen Jedes einzelnen
Transistors entsteht, vermindern. An den Ausgängen steht aufgrund der zusätzlIchen
Widerstände ein höherer Slgnalpegel zur Verfügung, ohne daß dle Anordnung im nichtilnearen
Teil der oben erwähnten Kennlinie arbeitet. Diese zusätzlichen Widerstände sind
vorzugsweise größer als die zwischen den Kollektoren und den Basen angeordneten
Widerstände.
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Vorzugsweise wird das Schaltelement von einem Taktgeber gesteuert,
der rechteckförmige Signale erzeugt. Dlese Signale lassen sIch mit geringem schaltungstechnischem
Aufwand herstellen. Hohe Anforderungen an die Flankensteilheit dieser Signale stellt
die oben erläuterte Anordnung nicht. Anderungen der Flankensteilhelt beeinflussen
das Meßergebnis nicht.
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Die oben beschriebene Schaltung, die aus den Transistoren und den
Widerständen besteht, eignet sich gut für den Aufbau in Integrierter Technik, bei
der die Elemente In einem Halblelterkristall vereinigt sind. Der Raumbedarf für
diese integrierte Schaltung Ist sehr gering. Für die Meßschaltung wird deshalb nur
sehr wenig Raum beansprucht. Ferner läßt sich ein derartiges integriertes Schaltelement
leicht und schnell montleren. Der Schalter kann In elnem gesonderten Kristall angeordnet
sein. Bei einem höheren Integrationsgrad kann der Schalter auch zusammen mit den
anderen Transistoren und Widerständen In einem Kristall vereinigt sein.
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Vorzugsweise bestehen die lntegrationsschaltungen jeweils aus einem
Widerstand und einem Kondensator. Dlese Elemente können ohne Schwierigkeiten mit
den anderen Elementen in einem Kristall vereinigt sein.
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Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform sind die Ausgänge der integrationsschaltungen
mit den Eingängen eines Differenzverstärkers verbunden. Diese Anordnung ermöglicht
eine kontinuieriiche Messung der Kapazität- des Fül lstandsmeßwertgebers.
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Bei einer anderen günstigen Ausführungsform sind die Ausgänge der
lntegratTonisschaltungen je an einen Eingang eines Grenzwertmelders angeschlossen.
Als Grenzwertmelder können Kamparatoren oder Schmitt-Trigger verwendet werden. Der
Grenzwertmelder erzeugt eine Meldung, sobald der Füllstand die am Grenzwertmelder
einstellbare Höhe erreicht hat. Aufgrund der Hysterese es Grenzwertmel ders bleibt
die Meldung solange erhalten, bis der Füllstand wieder auf das dem unteren Hysteresepunkt
entsprechende Niveau abgesunken ist.
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Die ErfTndung wird im folgenden an Hand von in einer Zeichnung dargestettten
Ausführungsbeispielen näher erläutert, aus denen sich weitere Merkmale sowie Vorteile
ergeben.
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Es zeigen: Fig. 1 eine erste Schaltungsanordnung zur kapazitiven Füllstamdsmessung.
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Fig. 2 eine andere Schaltungsanordnung zur kapazitiven Füllstandsmessung
mit integrationsschaltungen, Fig. 3 eine weitere Schaltungsanordnung zur kapazitiven
Füllstandsmessung, bei der gegenüber der Schaltung nach Fig. 2 d.le Anordnung des
Schaltelements geändert ist.
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Elne Anordnung zur kapazitiven Füllstandsmessung in einem nicht dargestellten
Behälter weist eine Differenzschaltung 10 mit zwei Eingängen 12, 14 auf. Dieser
Schaltblock 10 ist eine Bauelementengruppe, die der Gewinnung des Meßsignals dient
und noch die Aufgabe erfüllt, die Kondensatoren aufzuladen und zu entladen. Da außerdem
eine Verstärkung stattfindet, wird dieser Schaltblock nachstehend ur in den Ansprüchen
kurz als Differenzverstärkerschaltung 10 bezeichnet, obwohl die Funktion vielfältiger
ist. An einen Eingang 14 ist e:n Kompensationskondensator 16 mit seinem einen Belag
angeschlossen.
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Der andere Belag des Kompensationskondensators 16 ist an einen Pol
18 einer Spannungsquelle gelegt. Mit de@ anderen Eingang 12 ist über eine Leitung
20 eine Elektrode des Füllstandsmeßwertgebers verbunden,, dessen andere Elektrode
an den Pol 18 angeschlossen ist. Der Fül lstandsmeßwertgeber Ist in der Zeichnung
durch eine Kapazität 22 dargestellt. In den folgenden Ausführungen wird der Füllstandsmeßwertgeber
auch als Meßkondensator 22 bezeichnet. Die Differenzschaltung 10 weist zwei Ausgänge
24, 26 auf.
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Der Meßkondensator 22 und der Kompensationskondensator sind weiterhin
je Uber den Eingang 12 bzw. 14 an ein Spannungszuführelement 40 bzw, 42 angeschlossen,
das als Widerstand ausgebildet ist. Die gleich großen Widerstände 40 bzw. 42 sind
mit einem Stromversorgungseingang 46 der Differenzverstärker-Schaltung 10 verbunden.
Der Eingang 46 und die Widerstände 40> 42 sind an einen Anschluß eines Schaltelements
48 gelegt, dessen zweiter Anschluß vom anderen Pol 44, der Spannungsquelle gespeist
wird. Der zweite Stromversorgungseingang der Differenzverstärkerschaltung 10 ist
ebenfalls an den Pol 16 angeschlossen.
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Das Schaltelement 48 wird abwechseind geöffnet und geschlossen In
bezug auf' die Anordnung des Schaltelements 48 ergeben sich bei der in Fig. 1 dargestellten
Schaltung zwet symmetrische Hälften, von denen eine den Widerstand 40, den Meßkondensator
22 und einen
Teil der symmetrisch ausgebiIdeten Differenzverstärkerschaltung
10 und die andere den Widerstand 42, den Kompensationskondensator 16 und den anderer'
Tei der Differenzverstärkerschaltung 10 enthält.
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Bei geöffnetem Schaltelement 48 sind die Differenzverstärkerschaltung
10 sowie die Reihenschaltung@n der Widerstände 40 bzw. 42 mit den Kondensatoren
22 bzw. 16 an Spannung gelegt. Die Kondensatoren 22, 16 laden s-ch dabei auf.
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Bei geschlossenem Schaltelement 48 entladen sich die Kondensatoren
16, 22 über die Differenzverst-irkerschaltung 10.
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Mit der Differenzverstärkerschaltung 10 wird eine der Differenz der
Ladeströme der Kapazitäten der Kondensatoren 16 und 22 proportionale Spannung erzeugt,
die an den Ausgängen 24, 26 zur Verfügung steht. Der Kompensationskondensator 16
dient zum Abgleich der Kapazität des Meßkondensators 22 bei vorgewähltem Füllstand.
Bei der in der Zeichnung dargestel Iten Schaltung sei mit dem Kompensationskondensator
die Kapazität des vollen Behälters abgeglichen.
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Wird das Schaltlement 48 geschlossen, dann fließt ein Strom über zum
Anschluß 46, der In die Differenzschaltung 10 eintritt. Silber das Schaltelement
gelangen ferner Ladeströme zu den Widerständen 40, 42 und den Kondensatoren 16,
22. Die In Abhängigkeit von der Höhe des Füllstandes veränderliche Kapazität des
Meßkondensators 22 und die Kapazität des Kompansationskondensetors 16 werden somit
aufgeladen. Durch die Aufladungen steigen die an den Kapazitäten der Kondensatoren
16, 22 abfallenden Spannungen an.
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Die Anstiegsgeschwindigkeiten der Spannungen richten sich nach der
Größe der jeweiligen Kapazitäten. Die Spannungen am Meßkondensator 22 und am Kompensatlonskondensator
16 zeigern bei -vollem Behälter einen gleichartigen Verlauf, wenn das vorgegebene
Füllstandsniveau vorhanden ist. Bei teilweise gefülltem oder leerem Behälter ist
die Kapazität des Meßkondensators 22 kleiner als
diejenige des
Kompensationskondensators 16. Daher steigt die Spannung am Meßkondensator 22 schneller
an als die Spannung am Kompensationskondensator 16. Während der Aufladung der Kondensatoren
16, 22 entsteht an den Ausgängen 24, 26 ein Signal, das den Unterschieden der an
den Kondensatoren entstehenden Ladespannungen zum jeweiligen Zeitpunkt proportional
ist.
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Die Differenzverstärkerschaltung 10 enthält zwei npn-Transistoren
52, 54, die an einen gemeinsamen Emitterwiderstand 56 angeschlossen sind, dessen
eines Ende mit dem Pol 18 verbunden Ist. Der Pol 18 kann an Masse gelegt sein. Mit
den Kollektoren der Transistoren 52, 54 sind Widerstände 58, 60 verbunden, Die beiden
anderen Enden der Widerstände 58, 60 sind gemeinsam an den Stromversorgungseingang
46 gelegt, der an das Schaltelement 48, z.B. einem Schalttransistor, angeschlossen
ist. Das Schaltelement 48 wird mittels Impulsen geöffnet und geschlossen, die von
einem Taktgeber 62 erzeugt werden. Die Basen der Transistoren 52, 54 sind mit den
Eingängen 12, 14 verbunden. Die Kollektoren der Transistoren 52, 54 spelsen die
Ausgänge 24, 26. Gegenüber dem Schaltelement 48 und den Ladestromkreisen für den
Meßkondensator 22 bzw. den Kompensationskondensator 16 weist die Dl fferenzverstärkerschaltung
somit ebenfalls zwei symmetrische Hälften auf, in denen die Widerstände 58 bzw.
60 und die Transistoren 52 bzw.
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54 liegen.
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Der Taktgeber 62 kann als astabiler Multivibrator ausgebIldet sein,
der Rechtecklmpulse erzeugt. Für die Betätigung des Schaltelements 48 sind keine
Rechteckimpulse mit hohen Anforderungen an die Flankensteilheit erforderlich. Durch
die Dauer der Impulse des Taktgebers 62 Ist die Aufladezelt für die Kondensatoren
16, 22 festgelegt;
Während der Dauer eines Impulses ist das Schaltelement
48 geschlossen. Sobald sich das Schaltelement 48 schließt, gelangt eine positive
Spannung zu den Widerständen 40, 42, 58, 60 sowie zu den diesen Widerständen nachgeschalteten
elektrischen Bauelementen. Die beiden Transistoren 52, 54 befinden sich zu diesem
Zeitpunkt In nichtleitendem Zustand. Uber die Widerstände 40, 42 fließen Ladeströme
zu den Kapazitäten 22, 16, die diese aufladen. Durch die Aufladung steigen die Spannungen
an den Kodensatoren 22, 16 an. Da die Kapazität des Meßkondensators 22 bei leerem
Behälter kleiner ist als die Kapazität des Kondensators 16 steigt die Spannung am
Kondensator 22 schneller an. Die Transistoren 52, 54 werden entsprechend den an
ihren Basen anstehenden Ladespannungen aufgesteuert, so daß Kollektorströme fließen,
die gemeinsam den Emitter-Widerstand 56 durchströmen, und eine von Null aus ansteigende
Spannung erzeugen. Durch die schnellere Aufladung des Kondensators 22 steht am Transistor
52 die größere Basisspannung an.
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Im Transistor 52 fließt deshalb auch der größere Kollektorstrom, der
am Widerstand 58 einen Spannungsabfall hervorruft.
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Am Widerstand 60 entsteht ein dem kleineren Kollektorstrom im Transistor
54 entsprechender geringerer Spannungsabfall.
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An den Ausgängen 24, 26 ist somit ein der Differenz der Ladespannungen
proportlonales Signal verfügbar.
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Streukapazitäten der Bauelemente 40, 52, 58, 60, 56 sowie Kapazitäten
zwischen den Leitungen zu diesen Bauelementen und die Diffusions- und Raumladungskapazitäten
der Transistoren 52, 54 sowie im Schaltelement 48 beeinflussen aufgrund der Symmetrie
der Schaltung das Meßergebnis nicht. Die Symmetrie umfaßt sowohl die Anordnung der
Bauelemente 40, 42, 58, 60, 56, 52, 54 in den beiden Schaltungshälften als auch
die Anwendung gleich großer Elemente an einander entsprechenden Stellen. Da die
Transistoren 52, 54 In einem gemeinsamen Halblelterkristall angeordnet sind, stimmen
ihre Parameter überein. Die beschriebene Schaltungsanordnung ist unempfindlich gegenüber
Temperaturschwankungen, Anderungen der Versorgungsspannungen, der Dauer der Rechteckimpulse
und des
zeitlichen Zwischenraums zwischen zwei aufeinanderfolgenden
Impulsen.
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Nach Beendigung des Impulses öffnet das Schaltelement 48.
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Danach werden die Kapazitäten 16, 22 über die Basis-Emitter-Strecken
der Transisto@en 54, 52 und den Emit+-erw.derstand 56 entladen.
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Bei der in Fig. 2 geeigten Anordnung sind an die Ausgänge 24, 26 je
eine 1 ntegrationsschaltung angeschlossen. Diese Integratlonsschaltungen bestehen
jeweils aus einem Widerstand 28 bzw. 30, mit dem ein Kondensator 32 bzw. 34 in Reihe
geschaltet ist, dessen zweiter Belag 3n en Pol 18 gelegt ist. An den Verbindungsstellen
36, 38 z;ischen den Widerständen 28 bzw. 30 und den Kondensatoren 32 bzw. 34 ist
Jeweils das Integral des an dem Ausgang 24 bzw. 26 anstehenden Signals abgreifbar.
Für die Spannungszuführung zu den Kondensatoren 22, 16 sind Widerstände 41 43 vorgesehen,
die mit den Kollektoren der Transistoren 52, 54 verbunden sind. Der Stromversorgunseingang
46 ist an ein Schaltelement 49 angeschlossen, das abwechselnd geöffnet und geschlossen
wird.
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Das Schaltelement 49 wird beisp@e'sweise vom Taktgeber 62 periodisch
betestigt. Der Eingang 46 Ist weiterhin über einen Widerstand 50 mit dem Pol 44
verbunden. Der zweite Anschlup des Schaltelements 49 Ist an den Pol 18 gelegt.
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Bei geöffnetem Schaltelement 49 werden die Differenzverstärkerschaltung
10 sowie die Kondensatoren 16, 22 und die Integrationsschaltungen mit Betriebsspannung
versorgt. Wann das Schaltelement 49 geschlossen Ist, erhalten die Ditterenzverstärkerschaltung
10 und die dieser nachgeschalteten Elemente keine Betriebbsspannung@ In der Schalt-ung
gemäß Fig. 2 eroeben sich wiederum zwei in bezug auf das Schaltelement 49 symmetrische
@älften, die jeweils die Elemente 58, 41, 52, 2 oder 60, 43, 54, 16 enthalten.
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Während der Öffnung des Schaltelements 49 werden die Kondensatoren
16, 22 aufgeladen. Dadurch entsteht an den Ausgängen 24, 26 ein Signal, das dem
Unterschied der an den Kondensatoren auftretenden Ladespannungen proportional ist.
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Dleses Signal wird durch die lntegrationsschaltungen 28, 32 und 30,
34 integriert. Zwischen den Ausgängen 36, 38 steht dann ein Signal an, das dem Unterschied
der Spannungen der Kapazitäten der Kondensatoren 16, 22 proportional ist. Da umgekehrte
Proportionalität zwischen der Spannung und der Kapazität vorliegt, ergibt sich aus
dem Signal an den Ausgängen 36, 38 unter Berücksichtigung eines konstanten Faktors
der Unterschied zwischen den Kapazitäten des Meß- und des Kompensationskondensators,
deren beide Schaltungshälften symmetrisch zueinander sind.
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Die Spannungszuführwiderstände 41, 43 sind bei der Anordnung gemäß
Fig. 2 zwischen den Basen und den Kollektoren der Transistoren 52, 54 angeordnet.
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Zwischen der Basis 12 des Transistors 52 und dem Kollektor des Transistors
54 liegt außerdem ein Widerstand 64. In gleicher Weise ist die Basis 14 des Transistors
54 mit dem Kollektor des Transistors 52 über einen Widerstand 66 verbunden.
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Es sei angenommen, daß jeweils während der Dauer eines Impulses das
Schaltelement 49 geöffnet ist. Die Ansteuerung für das Schaltelement 49 kann jedoch
auch so eingerichtet sein, daß die offene Schalterstellung in den Impulspausen vorliegt.
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Sobald das Schaltelement 49 geöffnet wird, gelangt eine positive Spannung
über den Widerstand 50 zu den Widerständen 58 und 60 sowie zu den diesen Widerständen
nachgeschalteten elektrlschen Bauelementen. Die beiden Transistoren befinden sich
zu dIesem Zeitpunkt in nichtleitendem Zustand. über die Widerstände 50, 58 und 41
fließt ein Strom zum Kondensator 22, der dadurch
aufgeladen wird.
Ebenso fließt über die Widerstände 50, 60 und 43 ein Strom, der den Kompensationskondensator
16 auflädt.
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Durch die Aufladung steigt die Spannung an den Kondensatoren 16 und
22 an. Da die Kapazität des Meßkondensators 22, wie angenommen, kleiner ist als
die Kapazität des Kompensatlonskondensators 16, nimmt die an dem Kondensator 22
anstehende Spannung schneller zu als die Spannung am Kompensationskondensator 16.
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Die Transistoren 52 und 54 werden entsprechend den an ihren Basen
durch die Aufladung der Kapazitäten vorgegebenen Spannungen aufgesteuert, So daß
Koliektorströme fließen. Diese Kollektorströme fließen über den Emitterwiderstand
56 und erzeugen eine von Null aus ansteigende Spannung. Durch die schnellere Aufladung
des Meßkondensators 22 erhält der Transistor 52 eine größere Basisspannung als der
Transistor 54. In dem Transistor 52 fließt deshalb der größere Kollektorstrom. Dieser
Strom verursacht am Widerstand 58 einen Spannungsabfall, durch den das Kollektorpotential
des Tranststors 52 vermindert wird. Gleichzeitig ntmmt das beIden Transistoren 52
und 54 gemeinsame Emitterpotential aufgrund des Spannungsabfalls am Emitterwiderstand
56 zu. Wegen der vom Kollektorpotential des Transistors 52 abhängigen geringeren
Ledespannung wird der Meßkondensator 22 nunmehr langsamer aufgeladen.
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Die kleinere Basisspannung am Transistor 54 ruft im Verhältnis zum
Kollektorstrom des Transistors 52 einen erheblich klelneren Koli@ktorstrom im Transistor
94 hervor. Deshalb herrscht am Kollektor das Trahsistors 54 in etwa das Potential
des An-@chiusses 46. In den Kompensationskondensator 16 fließt daher ein großer
L@d@@trom, der zu einer schn@ll@ren Auffladung führt.
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Der große Ladestrom erhöht die Spannung @n der basis des Transistors
54, durch die ein entsprechend höherer Strom im Transistor 34 erzeugt wird. Während
der Autladungaphase findet deshalb eine Amplltudenangleichung der Spennungen an
den Kapazutaten der Kondensatoren 22 und 16 statt. Uber die Widerstände 58, 60 und
die Transistoren 52, 54 fließen somit Ströme, die den
Ladespannungen
der Kondensatoren 16 und 22 proportional sind.
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Diese Ströme rufen entsprechende Spannungsabfälle hervor, die an den
Ausgängen 24, 26 abgegriffen und von den Schaltelementen 28, 32 und 30, 34 Integriert
werden. An den Ausgängen 36, 38 steht ein Meßslgnal zur Verfügung, das sich gemäß
der Eintauchtlefe des Füllstandsmeßwertgebers in das Füllgut ändert.
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Nach Ablauf des ersten Abschnitts der Taktperiode schließt das Schaltelement
49. Die Kondensatoren 16 und 22 werden dadurch über die Basis-Emitter-Strecken der
Transistoren 52, 54 und den Emitterwiderstand 56 entladen. Die Kollektoren der Transistoren
52, 54 weisen nach der Entladung In etwa das Potential des Pols 18 auf. Die Kondensatoren
32 und 34 halten ihre Ladung bis zur nächsten Taktperlode.
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Mit der in der Zeichnung dargestellten Anordnung der Widerstände 41,
43 kann ein großer Berelch der Kapazitätendifferenz verarbeitet werden. Bei großer
Kapazitätendlfferenz strömt In die größere Kapazität ein großer Ladestrom. Herrscht
Jedoch nur ein geringer Unterschied zwischen beiden Kapazitäten 16, 22, dann fließt
in die größere Kapazität nur kurzzeitig ein starker Ladestrom.
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Der Ladestrom geht anschließend schnell bis auf den Wert Null zurück.
Die Amplituden der an den Kondensatoren 16, 22 abfallenden Spannungen werden sowohl
bei großen Kapazitätsunterschweden als auch bei gleichzeitigen großen änderungen
der Kapazitäten der Kondensatoren 16 und 22 einander angeglichen.
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Bei kleinen Kapazltätsunterschieden entsteht durch diese Amplltudenangleichung
eine nach der Größe der Kapazltätsdifferenz unterschiedliche Stromauftellung In
den Transistoren 52, 54. Bel zunehmender Kapazltätsdlfferenz überwiegt hingegen
der Strom in dem an die kleinere Kapazität angeschlossenen Transistor.
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Durch den Anschluß der WIderstände 41, 43 an jeweils den elgenen Kollektor
eines Transistors wird außerdem erreicht, daß die minimale Kollektor-Emltter-Spannung
geringfügig größer
ist, als die Basis-Emitter-Spannung. Eine Durchsteuerung
bis zur Kol lektorsättigungsspannung, die bei hohen Meßfrequenzen zu störenden Totzeiten
führen würde, läßt sich somit vermeiden.
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Die zusätzlichen Ladewiderstände 64, 66 vermindern die durch den Anschluß
der Widerstände 41, 43 an den jeweils eigenen Kollektor hervorgerufene große Gleichstromgegenkopplung,
ohne daß der Nachteil der zuvor erwähnten Sättigungssteuerung verursacht wird.
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Daher stehen an den Ausgängen 24, 26 höhere Signalpegel für die Integration
zur Verfügung.
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Aufgrund des durch die beschriebene Gegenkopplung erreichten großen
basisseitigen Dynamikbereichs treten keine Begrenzungserscheinungen durch Störeinkopp
lungen auf, von denen die Kondensatoren 16 bzw. 22 und die Leitung 20 beeinflußt
werden.. Störeinkopplungen, beispielsweise in den Kondensator 22, werden somit linear
verarbeitet und treten proportional im Kol lektorsignal auf, wo sie durch anschließende
Mittelwertbi ldung in den Integrationsschaltungen zu keiner Meßwertverfälschung
führen.
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Durch die Gleichartigkeit der Transistoren 52, 54, den symmetrischen
Aufbau der gezeigten Schaltung, die Zuführung der Steuerimpulse an einem, die Schaltsymmetrie
nicht störenden Punkt und die Entladung beider Kapazitäten über gleichartige 8asis-Emitter-Strecken
der gepaarten Transistoren 52, 54weist die Schaltung gegenüber Änderungen der Temperatur,
der Versorgungsspannung, der Impulsfrequenz, des Tastverhäitnisses der Impulse und
der Anstiegs- und Abfallzeit der Impulse eine große Unempfindlichkeit auf.
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Bei der in Fig. 3 dargestellten Schaltung wird der Stromversorgungseingang
46 unmittelbar vom Pol 44 gespeist. Anstelle des Schaltelements 49 enthält die Schaltung
gemäß Fig. 3 ein Schaltelement 51, das dem Emitterwiderstand 56 parallel geschaltet
ist. Die übrigen Teile stimmen mit der in Fig. 2 gezeigten Schaltung überein.
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Bei offenem Schaltelement 51 werden die Kondensatoren 22, 16 über
die Widerstände 58, 41 bzw. 60, 43 aufgeladen. Die Schaltung arbeitet deshalb während
der Aufladung in gleicher Weise wie die Schaltung gemäß Fig. 2. Lediglich der Spannungsabfall
am Widerstand 50 entfällt.
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Bei geschlossenem Schalter 51 werden die Emitter der Transistoren
52, 54 mit dem Potential des Pols 18 beaufschlagt. Die Kondensatoren 16, 22 entladen
sich daher sehr schnell über die Basis-Emitter-Strecken der Transistoren 52, 54.
Die Entladezeit wird deshalb verkürzt. Auch bei der in Fig. 3 gezeigten Anordnung
ergeben sich in bezug auf das vom Taktgeber 62 betätigte Schaltelement 51 zwei symmetrische
Schaltungshälften mit den Elementen 58, 64, 41, 22, 52 und 60, 66, 43, 54, 16.
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In den vorstehend erläuterten Schaltungen werden keine Induktivitäten
benötigt. Somit lassen sich diese Schaltungen aus Bauelementen mit geringem Gewicht
und kleinen Abmessungen aufbauend Der Raumbedarf dieser Anordnungen ist deshalb
gering. Es ist beispielsweise möglich, die Transistoren 52, 54, die Widerstände
40 bzw. 41, 42 bzw. 43, 60, 50, 56, 64, 66, 28, 30 und die Kondensatoren 32, 34
In Integrierter Technik gemeinsam in einem Halbleiterkristall anzuordnen. Ein derartiger
Integrierter Schaltkreis enthält lediglich die Anschlußelemente 12, 14, 36, 38 sowie
weitere Anschlüsse z.B. 46 für die Versorgungsspannung und die Schaltsysteme 48,
49, 51. Neben dem geringen Raumbedarf hat ein solcher integrierter Schaltkrels noch
weltere Vorteile, die z.B.
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in der einfachen Montagemöglichkeit auf Platten mit gedruckter Schaltung
zu sehen sind.
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Die dargestellten Schaltungsanordnungen sind überdies gegen Störspannungen
besonders unempfindlich. Demgegenüber verursachen Störspannungen bei den bekannten
Meßschaltungen für Füllstände häufig Schwingungen der Oszillatoren mit nicht erwünschten
Frequenzen. Ein weiterer Vorteil der Schaltungsanordnungen besteht in einem geringen
Leistungsverbrauch.
Der Taktgeber 62 ist ebenfalls ohne Spule ausgebildet, z.B. als stabiler Multivibrator,
dessen Schwingungen durch eine Charakteristik mit negativem Widerstandsbereich aufrecht
erhalten werden.
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An die Ausgänge 36, 38 kann ein Differenzverstärker mit seinen beiden
Eingängen angeschlossen werden. Der Differenzverstärker gibt an seinen Ausgängen
ein Signal ab, das der Differenz der Spannungen an den Anschlußelementen 36 und
38 proportional ist. Dadurch kann der Füllstand kontinuierlich gemessen werden.
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Es ist auch möglich, die Anschlußelemente 36 und 38 mit Eingängen
eines Grenzwertmelders zu verbinden, der ein Hystereseverhalten hat. Als Grenzwertmelder
kann beispielsweise ein Komparator oder ein Schmitt-Trigger verwendet werden. Uberschreitet
die an den Ausgängen 36 und 38 auftretende Spannungsdifferenz die Schwellenspannung
des Grenzwertmelders, dann gibt dieser eine Meldung ab, die erst wieder verschwindet,
wenn die Spannungsdifferenz kleiner als der untere Grenzwert der Hysterese geworden
ist. Auf diese Weise bewirkt der Grenzwertmelder ein Totzeitverhalten, das für eine
Zweipunktregelung des Füllstandes ausgenutzt werden kann.
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Patentansprüche: