DE2550936C3 - Zur kapazitiven Füllstandsmessung eines Behälters verwendete Schaltungsanordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine zur kapazitiven Füllstandsmessung eines Behälters verwendete Schaltungsanordnung mit einem Meßkondensator, der mittels eines Schaltelements im Wechsel aufgeladen und entladen wird.

Eine derartige Anordnung mit der Füllstände von dielektrisch konstanten Stoffen in Behältern festgestellt werden können, ist bekannt (Zeitschrift: »Control«, March 1963, Seite 116). In den Behältern werden Meßelektroden angeordnet deren Kapazität sich in Abhängigkeil von der Eintauchtiefe ändert. Die Meßelektroden, von denen eine z. B. die elektrisch leitende Behälterwand oder deren Teile oder Bestand teile sein kann, bilden einen kapazitiven Füllstandmeß wertgeber. Dieser ist in der bekannten Anordnung an den gemeinsamen Anschluß zweier HMt ihren Emitter-Kollektor-Sirecken 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 Füllstandsmeßwertgeber wird dadurch im

so 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 Raumladungskapazitäten das Meßergebnis. Genaue Messungen ergeben sich daher nur bei Füllstandsmeßwertgebern mit größeren Kapazitäten, gegenüber denen die vorstehend erwähnten Störkapazitäten klein sind.

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.

μ Der Niederfrequenz-Oszillator enthält einen aus einem Kondensator und einer Spule bestehenden Resonanzkreis. 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 Niedergrequenz-Oszillator verbunden. Der Füllstandsmeßwertgeber liegt parallel zum Resonanzkreis. Die Meßinformation verändert die Frequenz des Resonanzkreises. Der Resonanzkreis speist einen Frequenzmodulator (Archiv für technisches Messen, Blatt J 86-13, Seiten 65 und 66, März 1966).

Die vorstehend erwähnten Schaltungen eignen sich auch für 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-Oszillators 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 umstandlieh und zeitraubend.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der eingangs erwähnten Gattung cerart weiterzuentwickeln, daß bei einem großen Meßbereich mit sehr kleinem unteren Kapazitätsgrenzwert eine genaue Messung der Kapazität von Füllstandsmeßwert gebern ohne Benutzung einer Induktivität möglich ist

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Meßkondensator und ein an sich bekannter Kompensationskondensator je an einen gleich großen Spannungszufuhrwiderstand und einen Eingang einer Differenzverstärkerschaltung angeschlossen sind, an deren Ausgängen ein der Differenz der Kapazitäten des Meßkondensators und des Kompensationskondensators proportionales Meßsignal abgreifbar ist, und daß die Aufladung über die Spannungszufuhrwiderstände und die Entladung des Meßkondensators und des Kompensationskondensators über ein Steuern des Schaltelements in der Speisediagonale erfolgt. Diese Schaltungsanordnung besteht in bezug auf die Speisediagonale aus zwei Hälften, die jeweils den Meßkondensator und den Kompensationskondensator enthalten, aber im übrigen gleichen Aufbau zeigen. Die beiden Schaltungshälften sind somit hinsichtlich der Schaltelemente neben dem Meß- bzw. Kompensationskondensa- tor symmetrisch zueinander. Infolge dieser Symmetrie, die sich nicht nur auf die Art Anzahl und geometrische Anordnung der elektrischen Bauteile und Leitungen erstrecken kann, gehen Streukapazitäten der elektrischen Bauelemente der Meßschaltung sowie der Leitungen zwischen den Bauelementen und der Diffusions- und Raumladungskapazitäten der Transistoren nicht in die Messung ein. Es können deshalb auch kleine Kapazitäten von Füllstandsmeßwertgebern bzw. kleine Kapazitätsänderungen genau gemessen werden, eo Weitere Vorteile der Anordnung sind darin zu sehen, daß Änderungen im Verhältnis der für die Ladung und Entladung vorgesehenen Zeiträume, Änderungen der für je eine Ladung und Entladung bestimmten Gesamtzeit, Temperaturänderungen und Schwankun- b5 gen der Betriebsspannung der Spannungsquelle das Meßergebnis nicht störend beeinflussen. Weiterhin ist der Leistungsverbrauch der Anordnung nur gering. Für die Steuerung des Schaltelements reicht ein astabiler 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 Kompensations-Kondensator können galvanisch an die Differenzverstärkerschaltung angeschlossen werden. Es sind daher keine Übertrager erforderlich. 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.

Vorzugsweise sind die Ausgänge der Differenzverstärkerschaltung jeweils an Integrationsschaltungen angeschlossen. An den Ausgängen der Integrationsschaltungen steht das Meßergebnis auch während der Entladung oder in Pausen zwischen zwei aufeinanderfolgenden Meßzyklen zur Verfügung. Die Integrationsschaltungen ermöglichen somit auch bei Intervallen zwischen Meßzyklen eine kontinuierliche Feststellung des Füllstandes.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß die Differenzverstärkerschaltung zwei Transistoren mit einem gemeinsamen Emitterwiderstand enthält deren Basis jeweils an einen Eingang gelegt ist und deren Kollektorzweige an einen Ausgang und Widerstände angeschlossen sind.

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 Differenzverstärkerschaltung 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 Kollektorstrc'me wird nicht durch unterschiedliche Transistorparameter beeinflußt

Eine zweckmäßige Anordnung besteht darin, daß die nicht mit dem Füllstandsmeßwertgeber bzw. dem Kompensationskondensator verbundenen Anschlüsse der Spannungszuführwiderstände und der Stromversorgungseingang der Differenzverstärkerschaltung 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 Engergiezuleitung angeordnet. Der schaltungstechnische Aufwand für die Einfügung des Schaltelements ist gering. Der Spannungsquelle wird bei offenem Schaltelement keine Energie entzogen.

Bei einer anderen günstigen Ausführungsform ist vorgesehen, daß die nicht mit dem Füllstandsmeßwertgeber bzw. dem Kompensationskondensator verbundenen Anschlüsse der Spannungszuführwiderstände und der Stromversorgungseingang der Differenzverstärkerschaltung einerseits an einen von einem Pol einer Spannungsquelle gespeisten Widerstand und andererseits an das Schaltelement angeschlossen sind, dessen anderer Eingang mit dem zweiten Stromversorgungseingans; der Differenzverstärkerschaltung, dem einen Belag des Kompensationskondensators und einen Anschluß des Füllstandsmeßwertgebers an den zweiten Pol der Spannungsquelle gelegt ist Beim öffnen und Schließen des Schaltelements wird der über den Widerstand von der Stromquelle eingespeiste Strom

"WPB.'

nur umgeleitet und nicht unterbrochen. Die Stromquelle Hefen 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 sich die Kapazitäten sehr schnell entladen. Die für einen Meßzyklus erforderliche Zeit wird somit verkleinert

Da das Schaltelement in bezug auf die anderen Teile der Meßschaltung symmetrisch angeordnet ist, beeinflussen seine Übergangswiderstände und Streukapazitäten nicht das Ergebnis der Messung.

Eine andere bevorzugte Ausführungsform besteht darin, daß zwischen Basis und Kollektor jeweils eines Transistors Widerstände geschaltet sind.

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 kleineren Kapazität stärker leitend gesteuert Die damit verbundene Anhebung des Emitterpotentials verschiebt den Arbeitspunkt des Transistors auf Seiten 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. Danach treten in etwa gleiche Kollektorpotentiale an den beiden 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 Änderungen der Kapazitäten einander angeglichen. Bei kleinen Kapazitätsunterschieden entsteht durch die Amplitudengleichung eine den Kapazitätswerten entsprechende Stromaufteilung in den Transistoren. Dadurch ergibt sich ein kontinuierliches Ausgangssigna!. Bei zunehmender Kapazitätsdifferenz setzt der Stromfluß in dem der kleineren Kapazität zugeordneten Transistor früher ein. Damit bleibt die Kontinuität des Ausgangssignals erhalten.

Mit der Anordnung der Widerstände zwischen den Basen und den Kollektoren der Transistoren wird zusätzlich eine Angleichung der Basis-Emitter-Spannungen und der Emitter-Kollektor-Spannungen erzielt Die Emitter-Kollektor-Spannungen fiberschreiten nur wenig die Basis-Emitter-Spannungen. Die Kollektor-Emitter-Spannungen sinken daher nicht so weit ab, daß sie in dem stark nichtlinearen Teil des Kennlinie des Koflektorstroms als Funktion der Kollektor-Emitter-Spannung liegen. Auf diese Weise werden auch bei hohen Frequenzen störende Totzeiten vermieden.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß jeweils zwischen Basis des einen Transistors und Kollektor des anderen Transistors Widerstände geschaltet 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 Signalpegel zur Verfügung, ohne daß die Anordnung im nichtlinearen Teil der oben erwähnten Kennlinie arbeitet. Diese zusätzlichen Widerstände sind vorzugsweise größer als die zwischen den Kollektoren und den Basen angeordneten Widerstände.

Vorzugsweise wird das Schaltelement von einem Taktgeber gesteuert, der rechteckförmige Signale erzeugt Diese Signale lassen sich mit geringem schaltungstechnischen Aufwand herstellen. Hohe Anforderungen an die Flankensteilheit dieser Signale stellt

is die oben erläuterte Anordnung nicht Änderungen der Flankensteilheit beeinflussen das Meßergebnis nicht

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 Halbleiterkristall 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 montieren.

Der Schalter kann in einem gesonderten Kristall angeordnet sein. Bei einem höheren Integrationsgrad kann der Schalter auch zusammen mit den anderen Transistoren und Widerständen in einem Kristall vereinigt sein.

Vorzugsweise bestehen die Integrationsschaltungen jeweils aus einem /fC-Glied mit einem Widerstand und einem Kondensator. Diese Elemente können ohne Schwierigkeiten mit den anderen Elementen in einem Kristall vereinigt sein.

Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform sind die Ausgänge der Integrationsschaltungen mit den Eingängen eines Differenzverstärkers verbunden. Diese Anordnung ermöglicht eine kontinuierliche Messung der Kapazität des Füllstandsmeßwertgebers.

Bei einer anderen günstigen Ausführungsform sind die Ausgänge der Integrationsschaltungen je an einen Eingang eines Grenzwertmelders angeschlossen. Als Grenzwertmelder können Komparatoren oder Schmitt-Trigger verwendet werden. Der Grenzwertmelder erzeugt eine Meldung, sobald der Füllstand die am Grenzwertmelder einstellbare Höhe erreicht hat Aufgrund der Hysterese des Grenzwertmelders bleibt die Meldung solange erhalten, bis der Füllstand wieder auf das dem unteren Hysteresepunkt entsprechende Niveau abgesunken ist

Die Erfindung wird im folgenden an Hand von in einer Zeichnung dargestellten Ausfuhrungsbeispielen näher erläutert, aus denen sich weitere Merkmale sowie Vorteile ergeben.

Es zeigt

F i g. 1 eine erste Schaltungsanordnung zur kapazitiven Füllstandsmessung,

F i g. 2 eine andere Schaltungsanordnung zur kapazitiven Füllstandsmessung nut Integrationsschaltungen,

F i g. 3 eine weitere Schaltungsanordnung zur kapazitiven Füllstandsmessung, bei der gegenüber der Schaltung nach Fig.2 die Anordnung des Schaltete- ments geändert ist
Eine Anordnung zur kapazitiven Füllstandsmessung in einem nicht dargestellten Behälter weist eine Differenzschaltung 10 mit zwei Eingangen 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 und in den Ansprüchen kurz als Differenzverstärkerschaltung 10 bezeichnet, obwohl die Funktion vielfältiger ist. An einen Eingang 14 ist ein Kompensationskondensator 16 mit seinem einen Belag angeschlossen. Der andere Belag des Kompensationskondensators 16 ist an einen Pol 18 einer Spannungsquelle gelegt. Mit dem anderen Eingang 12 ist über eine Leitung 20 eine Elektrode des ι ο Füllstandsmeßwertgebers verbunden, dessen andere Elektrode an den Pol 18 angeschlossen ist. Der Füllstandsmeßwertgeber ist in der Zeichnung durch eine Kapazität 22 dargestellt In den folgenden Ausführungen wird der Füllstandsmeßwertgeber auch als Meß- kondensator 22 bezeichnet. Die Differenzschaltung 10 weist zwei Ausgänge 24,26 auf.

Der Meßkondensator 22 und der Kompensationskondensator sind weiterhin je über 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 Differenzverstärkerschaltung 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 18 angeschlossen.

Das Schaltelement 48 wird abwechselnd geöffnet und geschlossen. In bezug auf die Anordnung des Schaltelements 48 ergeben sich bei der in F i g. 1 dargestellten Schaltung zwei symmetrische Hälften, von denen eine den Widerstand 40, den Meßkondensator 22 und einen Teil der symmetrisch ausgebildeten Differenzverstärkerschaltung 10 und die andere den Widerstand 42, den Kompensationskondensator 16 und den anderen Teil der Differenzverstärkerschaltung 10 enthält.

Bei geöffnetem Schaltelement 48 sind die Differenzverstärkerschaltung 10 sowie die Reihenschaltungen der Widerstände 40 bzw. 42 mit den Kondensatoren 22 bzw. 16 an Spannung gelegt. Die Kondensatoren 22,16 laden sich dabei auf.

Bei geschlossenem Schaltelement 48 entladen sich die Kondensatoren 16, 22 über die Differenzverstärkerschaltung 10. 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 dargestellten Schaltung sei mit dem Kompensationskondensator die Kapazität des vollen Behäl- ters abgeglichen.

Wird das Schaltelement 48 geschlossen, dann fließt ein Strom über zum Anschluß 46, der in die Differenzschaltung 10 eintritt Ober 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 Kompensationskondensators 16 werden somit aufgeladen. Durch die Aufladung steigen die an den Kapazitäten der Kondensatoren 16, 22 abfallenden Spannungen an. Die Anstiegsgeschwindigkeiten der Spannungen richten sich nach der Größe der jeweiligen Kapazitäten. Die Spannungen am Meßkondensator 22 und am Kompensationskondensator 16 zeigen 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. ■

Die Differenzverstärkung 10 enthält zwei npn-Transistoren 52,54, die an einen gemeinsamen Emitterwiderstand 56 angeschlossen sind, dessen eines Ende mit dem Po! !8 verbunden ist. Der Pol !* 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 speisen die Ausgänge 24,26. Gegenüber dem Schaltelement 48 und den Ladestromkreisen für den Meßkondensator 22 bzw. den Kompensationskondensator 16 weist die Differenzverstärkerschaltung somit ebenfalls zwei symmetrische Hälften auf, in denen die Widerstände 58 bzw. 60 und die Transistoren 52 bzw. 54 liegen.

Der Taktgeber 62 kann als astabiler Multivibrator ausgebildet sein, der Rechteckimpulse 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 Aufladezeit 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. Da beiden Transistoren 52,54 befinden sich zu diesem Zeitpunkt in nichtleitendem Zustand. Über die Widerstände 40, 42 fließen Ladeströme zu den Kapazitäten 22, 16, die diese aufladen. Durch die Aufladung steigen die Spannungen an den Kondensatoren 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. Im Transistor 52 fließt deshalb auch der größere Kollektorstrom, der am Widerstand 58 einen Spannungsabfall hervorruft Am Widerstand 60 entsteht ein dem kleineren Kollektorstrom im Transistor 54 entsprechender geringer Spannungsabfall An den Ausgängen 24, 26 ist somit ein der Differenz der Ladespannungen proportionales Signal verfügbar.

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 Halbleiterkristall angeordnet sind, stimmen ihre Parameter überein. Die beschriebene Schaltungsanordnung ist unempfindlich gegenüber Temperaturschwankungen, Änderungen der Versorgungsspannungen, der Dauer der Rechteckimpulse und des zeitlichen Zwischenraums zwischen zwei aufeinanderfolgenden Impulsen.

Nach Beendigung des Impulses öffnet das Schaltelement 48. Danach werden die Kapazitäten 16,22 über die Basis-Emitter-Strecken der Transistoren 54,52 und d<:n Emitterwiderstand 56 entladen.

Bei der in F i g. 2 gezeigten Anordnung sind an die Ausgänge 24, 26 je eine Integrationsschaltung angeschlossen. Diese Integrationsschaltungen bestehen jeweils aus einem Widerstand 28 bzw. 30, mit dem ein Kondensator 32 bzw. 34 in Reihe geschaltet ist, dessen zweiter Belag an den Pol 18 gelegt ist. An den Verbindungsstellen 36, 38 zwischen 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 Stromversorgungseingang 46 ist an ein Schaltelement 49 angeschlosssen, das abwechselnd geöffnet und geschlossen wird. Das Schaltelement 49 wird beispielsweise vom Taktgeber 62 periodisch betätigt. Der Eingang 46 ist weiterhin über einen Widerstand 50 mit dem Pol 44 verbunden. Der zweite Anschluß des Schaltelementes 49 ist an den Pol 18 gelegt.

Bei geöffnetem Schaltelement 49 werden die Differenzverstärkerschaltung 10 sowie die Kondensatoren 16, 22 und die Integrationsschaltungen mit Betriebsspannung versorgt. Wenn das Schaltelement 49 geschlossen ist, erhalten die Differenzverstärkerschaltung 10 und die dieser nachgeschalteten Elemente keine Betriebsspannung.

In der Schaltung gemäß F i g. 2 ergeben sich wiederum zwei in bezug auf das Schaltelement 49 symmetrische Hälften, die jeweils die Elemente 58, 41, 52,22 oder 60,43,54,16 enthalten.

Während der öffnung des Schaltelements 49 werden die Kondensatoren 16,22 aufgeladen. Dadurch entsteht an den Ausgängen 24, 26 ein Signa), das dem Unterschied der an den Kondensatoren auftretenden Ladespannungen proportional ist Dieses Signal wird durch die Integrationsschaltungen 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.

Die Spannungszuführwiderstände 41, 43 sind bei der Anordnung gemäß F i g. 2 zwischen den Basen und den Kollektoren der Transistoren 52,54 angeordnet.

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.

Es sei angenommen, daß jeweils während der Dauer eines Impulses das Schaltelement 49 geöffnet ist. Die

ίο Ansteuerung für das Schaltelement 49 kann jedoch auch so eingerichtet sein, daß die offene Schalterstellung in den Impulspausen vorliegt. Sobald das Schaltelement 49 geöffnet wird, gelangt eine positive Spannung über den Widerstand 50 zu den Widerständen 58 und 60 sowie zu

is den diesen Widerständen nachgeschalteten elektrischen Bauelementen. Die beiden Transistoren befinden sich zu diesem Zeitpunkt in nichtleitendem Zustand. Über die Widerstände 50, 59 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. 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 Kompensationskondensators 16, nimmt die an dem Kondensator 22 anstehende Spannung schneller zu als die Spannung am Kompensationskondensator 16. Die Transistoren 52 und 54 werden entsprechend den an ihren Basen durch die Aufladung der Kapazitäten

jo vorgegebenen Spannungen aufgesteuert, so daß Kollektorströme fließen. Diese Kollektorströme fließen über den Emitterwiderstand 56 und erzeugen eine von Null aus ansteigende Spannung. Durch die schneller Aufladung des Meßkondensators 22 erhält der Transistor 52

is eine größere Basisspannung als der Transistor 54. In dem Transistor 52 fließt deshalb der große Kollektorstrom. Dieser Strom verursacht am Widerstand 58 einen Spannungsabfall, durch den das Kollektorpotential des Transistors 52 vermindert wird. Gleichzeitig nimm das beiden Transistoren 62 und 54 gemeinsame Emitterpotential aufgrund des Spannungsabfalls am Emitterwiderstand 56 zu. Wegen der vom Kollektorpotential des Transistors 52 abhängigen geringeren Ladespannung wird der Meßkondensator 22 nunmehr langsamer aufgeladen.

Die kleinere Basisspannung am Transistor 54 ruft im Verhältnis zum Kollektorstrom des Transistors 52 einen erheblich kleineren Kollektorstrom im Transistor 54 hervor. Deshalb herrscht am Kollektor des Transistors 54 in etwa das Potential des Anschlusses 46. In den Kompensationskondensator 16 fließt daher ein großer Ladestrom, der zu einer schnelleren Aufladung führt. Der große Ladestrom erhöht die Spannung an der Basis des Transistors 54, durch die ein entsprechend höherer Strom im Transistor 54 erzeugt wird. Während der Aufladungsphase findet deshalb eine Amplitudenangleichung der Spannungen an den Kapazitäten der Kondensatoren 22 und 16 statt Ober die Widerstände 58,60 und die Transistoren 52,54 fließen somit Ströme, die den Ladespannungen der Kondensatoren 16 und 22 proportional sind. Diese Ströme rufen entsprechende Spannungsabfälle hervor, die an den Ausgängen 34,36 abgegriffen und von den Schaltelementen 28,32 und 30, 34 integriert werden. An den Ausgängen 36,38 steht ein Meßsignal zur Verfugung, das sich gemäß der Eintauchtiefe des Fülistandsmeßwertgebers in das Füllgut ändert
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 Taktperiode.

Mit der in der Zeichnung dargestellten Anordnung der Widerstände 41, 43 kann ein großer Bereich der Kapazitätendifferenz verarbeitet werden. Bei großer Kapazitätsdifferenz strömt in die größere Kapazität ein großer Ladestrom. Herrscht jedoch nur ein geringer Unterschied zwischen beiden Kapazitäten 16, 22 , dann fließ in die größere Kapazität nur kurzzeitig ein starker Ladestrom. 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 Kapazitätsunterschieden als auch bei gleichzeitigen großen Änderungen der Kapazitäten der Kondensatoren 16 und 22 einander angeglichen. Bei kleinen Kapazitätsunterschieden entsteht durch diese Amplitudengleichung eine nach der Größe der Kapazitätsdifferenz unterschiedliche Stromaufteilung in den Transistoren 52, 54. Bei zunehmender Kapazitätsdifferenz überwiegt hingegen der Strom in dem an die kleinere Kapazität angeschlossenen Transistor.

Durch den Anschluß der Widerstände 41, 43 an jeweils den eigenen Kollektor eines Transistors wird außerdem erreicht, daß die minimale Kollektor-Emitter-Spannung geringfügig größer ist, als die Basis-Emitter-Spannung. Eine Durchsteuerung bis zur Kollektorsättigungsspannung, die bei hohen Meßfrequenzen zu störenden Totzeiten führen würde, läßt sich somit vermeiden.

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. Daher stehen an den Ausgängen 24, 26 höhere Signalpegel für die Integration zur Verfugung.

Aufgrund des durch die beschriebene Gegenkopplung erreichten großen basisseitigen Dynamikbereichs treten keine Begrenzungserscheinungen durch Störeinkoppiungen 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 Kollektorsignal auf, wo sie durch anschließende Mittelwertbildung in den Integrationsschaltungen zu keiner Meßwertverfälschung führen.

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 Basis-Emitter-Strecken der gepaarten Transistoren 52, 54, weist die Schaltung gegenüber Änderungen der Temperatur, der Versorgungsspannung, der Impulsfrequenz, des Tastverhältnisses der Impulse und der Anstiegs- und Abfallzeit der Impulse eine große Unempfindlichkeit auf.

Bei der in Fig.3 dargestellten Schaltung wird der Stromversorgungseingang 46 unmittelbar vom Pol 44 gespeist Anstelle des Schaltelements 49 enthält die Schaltung gemäß Fi g. 3 ein Schaltelement 51, das dem Emitterwiderstand 56 parallel geschaltet ist. Die übrigen Teile stimmen mit der in Fig. 2 gezeigten Schaltung überein.

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 F i g. 2. Lediglich der Spannungsabfall am Widerstand 50 entfällt.

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 F i g. 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.

In den vorstehenden erläuterten Schaltungen werden keine Induktivitäten benötigt. Somit lassen sich diese Schaltungen aus Bauelementen mit geringem Gewicht und kleinen Abmessungen aufbauen. Der Raumbedarf dieser Anordnung 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 Schaltkreis noch weitere Vorteile, die z. B. in der einfachen Montagemöglichkeit auf Platten mit gedruckter Schaltung zu sehen sind.

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 astabiler Multivibrator, dessen Schwingungen durch eine Charakteristik mit negativem Widerstandsbereich aufrechterhalten werden.

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.

Es ist auch möglich, die Anschlußelemente 36 und 38 mit Eingängen eines Grenzwertmelders zu verbinden, der ein Hysterseverhalten hat Als Grenzwertmelder kann beispielsweise ein Komparator oder ein Schmitt-Trigger verwendet werden. Oberschreitet 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.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentansprüche:

   1. Zur kapazitiven Füllstandsmessung eines Behälters verwendete Schaltungsanordnung mit einem Meßkondensator, der mittels eines Schaltelements im Wechsel aufgeladen und entladen wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkondensator (22) und ein an sich bekannter Kompensationskondensator (16) je an einen gleich großen Spannungszuführwiderstand (40, 42; 41,43) und einen Eingang (12, 14) einer Differenzverstärkerschaltung (10) angeschlossen sind, an deren Ausgänge (24,26) ein der Differenz der Kapazitäten des Meßkondensators und des Kompensationskondensators proportionales Meßsignal abgreifbar ist, und daß die Aufladung über die Spannungszufuhrwiderstände (40, 42; 41, 43) und die Entladung des Meßkondensators (22) und des Kompensationskondenrators (16) über ein steuerndes Schaltelement (48,49,51) an der Speisediagonale erfolgt

   2 Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgänge (24, 26) der Differenzverstärkerschaltung (10) jeweils an Integrationsschaltungen (28,32 bzw. 30,34) angeschlossen sind

   3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenzverstärkerschaltung (10) zwei Transistoren (52, 54) mit einem gemeinsamen Emitterwiderstand (56) enthält, deren Basis jeweils an einen Eingang (12 bzw. 14) gelegt ist und deren Kollektorzweige an einen Ausgang (24 bzw. 26) und Widerstände (58 bzw. 60) angeschlossen sind.

   4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die nicht mit dem Füllstandsmeßwertgeber (22) bzw. dem Kompensationskondensator (16) verbundenen Anschlüsse der Spannungszuführwiderstände (40, 42) und der Stromversorgungseingang (46) der Differenzverstärkerschaltung (f0) an einen Anschluß des Schaltelements (48) gelegt skid, dessen anderer Anschluß mit einem Pol (44) einer Spannungsquelle verbunden ist

   5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die nicht mit dem Füllstandsmeßwertgeber (22) bzw. dem Kompensationskondensator (16) verbundenen Anschlüsse der Spannungszuführwiderstände und der Stromversorgungseingang (46) der Differenzverstärkerschaltung (10) einerseits an einen von einem Pol (44) einer Spannungsquelle gespeisten Widerstand (50) und andererseits an das Schaltelement (49) angeschlossen sind, dessen anderer Eingang mit dem zweiten Stromversorgungseingang der Differenzverstärkerschaltung, dem einen Belag des Kompensationskondensators (16) und einen Anschluß des Füllstandsmeßwertgebers (12) an den zweiten Pol (18) der Spannungsquelle gelegt ist

   6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltelement (51) parallel zu dem Emitterwiderstand (56) der Transistoren (52,54) der Differenzverstärkerschaltung (10) gelegt ist.

   7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Basis und Kollektor jeweils eines Transistors (52,54) Widerstände (41,43) geschaltet sind.

   8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch

   gekennzeichnet, daß jeweils zwischen Basis des einen Transistors und Kollektor des anderen Transistors Widerstände (64,66) geschaltet sind.

   9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltelement (51) von einem Taktgeber (62) steuerbar ist, der rechteckförmige Signale erzeugt

   10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß

   ίο die Integrationsschaltungen jeweils aus einem RC-G\\ed mit einem Widerstand (28,30) und einem Kondensator (32,34) bestehen.

   U. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet daß

   is die Ausgänge (36, 38) der Integrationsschaltungen (28, 32; 30, 34) je an einen Eingang eines Differenzverstärkers angeschlossen sind.

   12. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet daß die Ausgänge (36, 38) der Integrationsschaltungen (28, 32; 30, 34) je an einen Eingang eines Grenzwertmelders angeschlossen sind.