DE2740289B2

DE2740289B2 - Vorrichtung zur Überwachung des Niveaus einer in einem Behälter enthaltenen flüssigkeit

Info

Publication number: DE2740289B2
Application number: DE2740289A
Authority: DE
Inventors: Jean-Jacques La Garenne Colombes FR; Jourdain Charles Henri Colombes FR; Laianne Bruno Courbevoie Bezard
Original assignee: Jaeger, Levallois-Perret, Hauts-de-Seine
Priority date: 1976-10-06
Filing date: 1977-09-07
Publication date: 1981-06-04
Also published as: IT1084898B; US4163391A; AR221036A1; GB1535153A; ES462965A1; DE2740289C3; FR2367276A1; MX143777A; FR2367276B1; DE2740289A1

Description

a) die Widerstandssonde (1) mit jedem Meßbeginn an eine Konstantstromqueile (3) gelegt wird, die während der Meßzeit von einer Verzögerungsschaltung (2) betätigt ist;

b) die Verzögerungsschaltung (2) mit dem Vergleicher (6) in Verbindung steht;

c) der Vergleicher (6) mit dem an die Widerstandssonde (1) angeschlossenen Inverter (4) und einem dazu parallelgeschalteten WC-Glied (5), sowie mit der Verzögerungsschaltung (2) verbunden ist; und

d) der Vcrgleicher (6) ein Ausgangssignal an die Überwachungsvorrichtung (7) abgibt, sobald die

^λ über das ÄC-Glied (5) abfallende Spannung gleich derjenigen des Inverters (4) ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß η Vergleicher (10i bis 1O_n) mit einem Analogspeicher (8) über eine Differenzierschaltung (9) verbunden sind, dessen Speicherinhalt der Anfangsspannung (Lk), wie sie zum Zeitpunkt (ίο) des Meßbeginns vorliegt, entspricht, wobei die Differenzierschaltung (9) in jedem Augenblick die Differenz zwischen der Spannung (U,) an den Anschlüssen der Widerstandssonde (1) und der Anfangsspannung (i/o) ermittelt, die die η Vergleicher bei η bestimmten Spannungen, die η Eintauchtiefen der Widerstandssonde entsprechen, schalten.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Überwachungsschaltung zur Anzeige der Messung des Flüssigkeitspegels und/oder zur Alarmabgabe eine Speichereinrichtung (Ai, Tz bzw Ag, Ta) aufweist.

4. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungsschaltung eine Betriebszeit (5) vorgibt, die so berechnet ist, daß sie zwischen dem Zeitpunkt (fi) der Überschneidung der Geraden (6) der Entladung des /?C-Gliedes (5) mit der Kurve (λ), welche die Spannung der Widerstandssonde (1) darstellt, wenn diese voll in die Flüssigkeit eingetaucht ist und dem Zeitpunkt (k) der Überschneidung der gleichen Geraden φ) der Entladung des WC-Gliedes mit der Kurve (οι) liegt, welche die Spannung der Widerstandssonde (1) darstellt, wenn diese sich voll in der Luft befindet.

5. Schaltungsanordnung zur temperaturunabhängigen Überwachung des Flüssigkeitsniveaus in Behältern oder dergleichen mit einer Stromquelle, einer von der Stromquelle speisbaren Widerstandssonde mit hohem Temperaturkoeffizienten und einer Vergleichsschaltung, die einerseits an einen Inverter und andererseits gegebenenfalls über

zwischengeschaltete Bauelemente an eine Bezugsspannung gelegt ist, wobei der Ausgang des Vergleichers an die Überwachungsvorrichtung angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß

a) die Widerstandssonde (1) mit jedem Meßbeginn an eine Konstantstromquelle (3) gelegt wird, die während der Meßzeit von einer Verzögerungsschaltung (19) betätigt ist,

b) der Vergleicher (16) mit seinem einen Eingang (V₂) mit der Widerstandssonde (1) und der Konstantstromquelle (3) verbunden ist, während

c) der andere Eingang (Vj) mit einem Zähler (14) über einen Digital-Analog-Wandler (15) verbunden ist,

d) ein zweiter Zähler (18) zwischen dem Eingang des ersten Zählers (14) und eine logische Steuerschaltung (17) geschaltet ist, deren einer Eingang mit dem Ausgang des Vergleichers (16) verbunden ist und deren Abschaltung bewirkt, wenn der Ausgang des Vergleichers (16) bei Gleichheit der beiden an seinen Eingängen anliegenden Spannungen umschaltet.

Die Erfindung bezieht sich auf Schaltungsanordnungen nach dem Gattungsteil der Patentansprüche 1 und 5.

Derartige Schaltungsanordnungen sind bereits bekannt.

Es gibt eine Mehrzahl von Vorrichtungen und Schaltungseinrichtungen, die metallische Leiter mit hohem Temperaturkoeffizienten des Widerstandes als Detektor für die Pegelanzeige eines Flüssigkeitsspiegels in einem Behälter oder dergleichen benutzen. Eine bekannte Vorrichtung zur Anzeige des Flüssigkeitsstandes in Behältern (DE-PS 5 95 691) kennzeichnet sich dadurch, daß in ein teils in der Flüssigkeit, teils außerhalb der Flüssigkeit angeordneter, durch gleichbleibende, einstellbare elektrische Beheizung erwärmter Stab zur Anzeige dient, der zusammen mit einem oder mehreren elektrischen Meßdrähten aus Material mit geeignetem Widerstandskoeffizienten innerhalb eines Rohres, das an dem in die Flüssigkeit tauchenden Ende geschlossen ist, derart angeordnet ist, daß der beheizte Stab und der oder die Meßdrähte zwar elektrisch isoliert, aber wärmeleitend verbunden sind. Diese Vorrichtung weist jedoch insofern einen wesentlichen Nachteil auf, daß sie auf sich ändernde Umwelttemperaturen relativ schnell reagiert, wodurch die Meßergebnisse nicht unerheblich verfälscht werden können und sich somit Ungenauigkeiten einstellen, die nicht hingenommen werden können.

Insbesondere für den Bereich der Kraftfahrzeugtechnik ist es auch nicht mehr neu, einen elektrischen Reservefühler für den Kraftstoffbehälter so auszubilden, daß wiederum von einem Heißleiterwiderstand ausgehend beim Unterschreiten eines vorgegebenen Flüssigkeitsniveaus eine Warnanzeige mittels einer Anzeigelampe ermöglicht (DE-GM 17 54 669) wird.

Ein weiterer bekannter Detektor für die Anzeige eines Flüssigkeitsspiegels, d^:r außerhalb des die Flüssigkeit aufnehmenden Behälters an dessen Wandung befestigt und in einem geschlossenen Gehäuse untergebracht ist, wird von einem Oszillator mit einer Rechteckimpulsspannungsfolge gespeist, die gleichfalls über einen Kondensator und einen Inverter einer

Torschaltung zugeführt wird, die an einem Eingang eines Operationsverstärkers liegt, während der andere Hingang wiederum über eine Torschaltung mit dem Ausgang der Detektoreinheit verbunden ist (US-PS 39 55 416). Diese Schaltungsanordnung mag für eine Vielzahl von Anwendungen vorteilhaft sein, sie bietet jedoch ausschließlich die Möglichkeit der Verarbeitung von Oszillator-Signalen, nicht aber die Möglichkeit einer Analog-Messung bei Ausschaltung von Temperaturänderungen in der Umgebung. Von diesem Stand d-„r Technik wird bei der vorliegenden Erfindung ausgegangen, wobei darüber hinaus noch zu berücksichtigen ist, daß es bei einem bekannten Verfahren und einer Vorrichtung zur Abtastung von Füllständen in Flüssigkeitsbehältern (DF-AS 12 95 867) ganz allgemein bekannt ist, den Abgriff eines Spannungsteilers über ein RC-Glied vorzunehmen, das mit der Steuerelektrode des Verstärkers verbunden ist

Hier setzt die vorliegende Erfindung ein, der die Aufgabe zugrunde liegt, eine Schaltungsanordnung mit einem an sich bekannten Meßfühler derart von der Umgebungstemperatur unabhängig aufzubauen, daß sich eine gegenüber dem Bekannten störunanfälligere Schaltung ergibt, die sich für jede Messung unmittelbar an der jeweiligen Umgebungstemperatur orientiert.

Eine Lösung dieser Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruches 1 angegebenen Merkmale erfindungsgemäß erreicht

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen dieser Aufgabenlösung ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 4.

Eine weitere vorteilhafte Lösung der gleichen Aufgabe für eine rein numerische Schaltung ergibt sich aus den Merkmalen des Kennzeichens des Nebenanspruches 5.

Dadurch, daß die Widerstandssonde mit jedem Meßbeginn an eine Konstantstromquelle gelegt wird, die während der Meßzeit von einer Verzögerungsschaltung betätigt ist, ist eine absolut temperaturunabhängig orientierte Messung möglich, ohne daß eine Kompensation der möglicherweise auftretenden Temperaturveränderungen für die einzelnen Bauelemente erfolgen muß, was bekanntlich nur mit relativ aufwendigen Schaltungen möglich ist.

In den Zeichnungen sind verschiedene beispielsweise Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnungen dargestellt, und zwar zeigt

Fig. 1 die Darstellung des Spannungsabfalls an den Anschlüssen der Widerstandssonde in Abhängigkeit von der Zeit,

F i g. 2 ein Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung für einen einzigen Überwachungspegel,

F i g. 3 die Darstellung der Schaltungsanordnung nach Fig. 2,

F i g. 4 ein Zeitdiagramm der Schaltungsanordnung,

F i g. 5 ein Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform einer Schaltungsanordnung mit η Überwachungspegeln,

Fig.6 die Darstellung der Schaltungsanordnung entsprechend dem Blockschaltbild nach F i g. 5 für zwei Alarm- bzw. Überwachungspegel,

F i g. 7 ein Blockschaltbild einer dritten Ausführungsform für eine Schaltungsanordnung unter Verwendunj numerischer Bauelemente, und

Fig. 8 ein Zeitdiagramm für die Schaltungsanordnung nach F i g. 7.

Wenn ein Draht mit einem hohen Temperaturkoeffizienten, der als Widerstandssonde verwendet werden soll, an eine Konstantstromquelle angeschlossen wird, ergibt sich in Abhängigkeit von der Zeit für den Spannungsverlauf an den Klemmen der in F i g. 1 dargestellte Verlauf der Kurve a, für den Fall, daß der -> Draht sich voll in der Luft befindet, während die Kurve b den Spannungsverlauf zeigt, wenn der Draht voll in eine Flüssigkeit eingetaucht ist Durch die Zunahme der Erwärmung des Drahtes nach Anlegen der Spannung i/o zum Zeitpunkt U, ergibt sich zu einem Zeitpunkt t\.

ι» eine Spannung Ui₃, die in der Luft immer einen höheren Wert als die Spannung U\_b gemessen an den Klemmen des gleichen Drahtes und im gleichen Zeitpunkt t\ in eine Flüssigkeit aufweisen wird. Nach dem Erreichen eines für jedes Medium charakteristischen Sättigungs-"> wertes variieren diese Spannungsendwerte Ui₃, U\b mit den verschiedenen Eintauchtiefen des Drahtes, d. h. der Widerstandssonde. Die so gemessenen Werte sind jedoch höher als der Wert der Spannung U₀ zum Zeitpunkt der Inbetriebnahme der Widerstandssonde.

-'<i Die gemessenen Spannungen U₁₃, U_ib stehen jedoch zusätzlich unter dem Einfluß der Umgebungstemperatur, was zu Fehünterpretationen der jeweiligen Meßergebnisse führen kann. Zur Ausschaltung dieses Einflusses wird daher mit den nachfolgend beschriebenen

-'"> Schaltungen der Anfangsspannung Uo Rechnung getragen, welche den gleichen Umwelteinflüssen unterliegt.

Bei einer ersten Ausführungsform gemäß F i g. 2, 3 und 4 wird der Spar.nungswert U₀ zunächst ermittelt und nach einem bekannten Gesetz verändert, um zum

«ι Zeitpunkt t mit einer weiteren Messung einen Wert zu erhalten, der etwas unter oder über dem liegt, der zu diesem Zeitpunkt an den Anschlüssen der Widerstandssonde vorliegt Das Vorzeichen der Differenz zwischen diesen beiden Meßwerten hängt von der Anordnung der ι Widerstandssonde in der Flüssigkeit ab.

Wenn die Schaltungsanordnung nach F i g. 2 eingeschaltet wird, und somit durch die Widerstandssonde 1 ein Strom entsprechend der Abhängigkeit nach F i g. 1 fließt, beeinflußt eine Verzögerungsschaltung 2 wäh-

iii rend einer Zeit feine Konstantstromquelle 3. die mit der Widerstandssonde 1 verbunden ist.

An die Widerstandssonde 1 ist ferner eine Umkehrschaltung, also ein Inverter 4 angeschlossen, der eine Spannung (V-U) liefert, wobei V eine stabilisierte

4Ί Bezugsspannung ist und U die an den Anschlüssen der Widerstandssonde I gemessene Spannung. Im Zeitpunkt U liefert der Inverter 4 die Spannung (V— Uo). Die vorgegebene Spannung lädt einen Kondensator eines /?C-Gliedes 5 auf, der sich dann nach der bekannten

">» Gesetzmäßigkeit entlädt, die durch den Widerstandswert und die Kapazität der Schaltung bestimmt ist. Die Aufladungskurve ist in F i g. 4 oben als Gerade ό dargestellt. Wenn sich die Widerstandssonde 1 erwärmt, nimmt die Spannung U zu und die Umkeiirschaltung

>■"> liefert an einen Vergleicher 6 eine Spannung von der Form (V — U), wie in F i g. 4 oben durch die Kurve A gezeigt ist, wenn die Widerstandssonde 1 voll in die Flüssigkeit eingetaucht ist und eine Kurve λ, wenn die Widerstandssonde 1 vollständig von Luft umgeben ist.

•>ii Die Gerade 6 der Kondensatoraufladung schneidet die Kurve λ im Zeitpunkt ii (F i g. 4 Mitte) und die Kurve <x zum Zeitpunkt t₂. Die Betriebsdauer t der Verzögerungsschaltung 2 ist so gewählt, daß /, </<?₂ (siehe Fig. 4 unten). Zu dem Zeitpunkt t steuert die

■>"> Verzögerungsschaltung 2 den im Vergleicher 6 durchgeführten Vergleich zwischen dem Wert der Spannung V-U/, an den Anschlüssen des /?OGIiedes 5 und demjenigen, der an dem Inverter 4 anliegt. Die

Überwachungsvorrichtung 7 kann hierbei beim Überschreiten eines vorgebbaren Schwellenwertes einen Alarm auslösen.

Eine Ausführungsform der Schaltungsanordnung gemäß dem Blockschaltbild nach F i g. 2 ist in F i g. 3 dargestellt. Die Widerstandssonde 1 liegt an einer Konstantstromquelle über einen Verstärker A_: und einen Transistor T\. Zum Einschaltzeitpunkt T₀ liefert ein Umkehrverstärker A\ eine Spannung (V— Uo), wobei Kdie am Punkt Pstabilisierte Spannung ist, welche den Kondensator Q auflädt. Wenn sich der Draht der Widerstandssonde 1 erwärmt, nimmt die Spannung U an seinen Anschlüssen zu und die Spannung (V- U). die am Ausgang des Verstärkers As verfügbar ist, wird geringer als die durch den Kondensator G gelieferte Spannung (selbst wenn die F.ntladung desselben berücksichtigt wird). Die Diode D\ befindet sich in ihrem nichtleitenden Zustand und der Ausgang des Verstärkers befindet sich auf dem logischen Niveau »0«. Nach Ablauf einer von dem Eintauchgrad der Widerstandssonde 1 in die Flüssigkeit abhängigen Zeit stabilisiert sich die Spannung t/an den Anschlüssen derselben und die Spannung an den Anschlüssen des Kondensators G, der sich weiterhin entlädt, unterschreitet den Wert (V — U). Die Diode D\ geht damit in den leitenden Zustand über und der Ausgang des Verstärkers A₃ geht auf einen Wert, der dem logischen Niveau 1 entspricht. Nach Ablauf einer Zeit t, die, wie zu F i g. 4 beschrieben, bestimmt wird, bewirkt die Verzögerungsschaltung über den Verstärker A \ die Abschaltung der Widerstandssonde 1 von der Stromquelle und die Bestimmung des logischen Zustandes des Ausgangs des Verstärkers Ai, der durch das ÄC-Glied A₂, C₂ gespeichert worden ist. Wenn dieses Niveau »1« ist, was beweist, daß die Widerstandssonde in geeigneter Weise eingetaucht ist, tritt keine Spannung an den Anschlüssen der Überwachungsvorrichtung 7 auf. Wenn das logische Niveau dagegen »0« ist, wird die Überwachungsvorrichtung 7 betätigt, d. h. ein Alarm ausgelöst, die Information wird mit Hilfe des Verstärkers Aa und des Transistors T₂ gespeichert, solange die Schaltungsanordnung unter Spannung ist, um ein Alarmgerät W/in Betrieb zu halten, selbst nachdem die Verzögerungsschaltung 2 die Stromquelle abgeschaltet hat

Eine weitere in F i g. 5 wiedergegebene Ausführungsform ermöglicht die Ermittlung mehrerer unterschiedlicher Flüssigkeitspegel, wobei jedem dieser Pegel ein Anzeigeorgan und/oder ein Alarmgerät zugeordnet ist. Eine Konstantstromquelle 3 liegt an der Widerstandssonde 1, an deren Anschlüssen die Anfangsspannung Uo in dem Augenblick ansteht, in welchem die Schaltungsanordnung in Betrieb gesetzt wird. Der Wert Uo wird in einem Speicher 8 gespeichert Wenn sich der Draht der Widerstandssonde 1 erwärmt, nimmt die Spannung an den Anschlüssen zu, wobei zu jedem Augenblick eine Differenzierschaltung 9 die Differenz zwischen der Spannung U, und der gespeicherten Spannung U₀ ermittelt wird. Sodann wird in dem Vergleicher 10 bzw. einer Reihe von Vergleichern 10 bis 1O_n diese Differenz (Ut- Uo) mit π bestimmten Spannungen verglichen, welche verschiedenen Eintauchniveaus der Widerstandssonde entsprechen. Wenn die Differenz U,— Uo gleich einer der Spannung U_n wird, wird das Anzeigeorgan und/oder die jeweils zugehörige Überwachungsvorrichtung i 11 bis 11 „ betätigt.

F i g. 6 zeigt die Ausführungsform der Schaltungsanordnung entsprechend dem Blockschaltbild nach F i g. 5 für nur zwei von allgemein »n« verschiedenen zu überwachenden Pegelhöhen der Flüssigkeit in einem Behälter oder dergleichen. Die Widerstandssonde 1 wird wie bei dem vorangehend beschriebenen Beispiel mit einem konstanten Strom über einen Verstärker A₂

■> und einen Transistor Ti gespeist. Mit dem Einschalten der Vorrichtung wird die Schaltungsanordnung unter Spannung gesetzt und die Leiterverzweigung Q auf das Potential (V-Uo) gebracht, wobei V die am Punkt P anliegende stabilisierte Spannung ist. Nach dem

in Erwärmen des Drahtes der Widerstandssonde 1 ist die am Punkt Sverfügbare Spannung gleich (V+Ut + AU), wobei diese Summe die Zunahme der Spannung an den Anschlüssen der Widerstandssonde 1 darstellt.

Die Widerstände A₅ und R_b teilen bei R^=Rt, die

r> Spannung hälftig, so daß die an die invertierten Eingänge der beiden Vergleicher A5 und A_b gelegle Spannung

ist. In jedem Augenblick wird die Spannung in den Vergleichern A·. und Ab mit zwei Bezugsspannungen verglichen, die an den Anschlüssen der Widerstände Rs und /?4 (entsprechend den beiden Flüssigkeitsniveaus, die überwacht werden sollen) anliegen und an die nicht invertierten Eingänge der Vergleicher Ab und A^ gelegt sind. Sobald diese Spannung gleich einer dieser Bezugsspannungen wird, verändert der entsprechende Vergleicher Aioder A_b das logische Niveau am Ausgang derart, daß das Anzeigeorgan und/oder die entsprechende Überwachungsvorrichtung betätigt wird. Im Ausführungsbeispiel besteht jede Überwachungsvorrichtung außer aus dem eigentlichen Anzeigeelement IVi oder W/, aus einer Speicherschaltung, nämlich dem, den Anzeigeelementen IVi zugeordneten Verstärker A? mit dem Transistor Ti und Widerständen, um die Information nach dem Abschalten durch die Verzögerungsschaltung 2 der Meßkreise aufrechtzuerhalten, und für das Anzeigeelement W, aus dem Verstärker A_s, dem Transistor T« mit zugehörigen Widerständen.

Bei einer dritten Ausführungsform (F i g. 7) wird ein voll numerisches Schaltungsprinzip angewendet. Die Widerstandssonde 1 ist an einen der Eingänge eines Vergleichers 16 gelegt, dessen anderer Eingang mit einem Analog-Digital-Wandler 15 verbunden ist, der seinerseits mit einem Zähler 14 in Verbindung steht, welcher die von einem Taktgeber 13 abgegebenen Impulse aufnimmt. Ein zweiter Zähler 18 ist zwischen den Eingang des Zählers 14 und einer Steuerschaltung 17 geschaltet Mit dem Anlegen der Spannung wird der Zähler 18 gesperrt, und der Zähler 14 zählt bis die Anfangsspannung V₁₀ (Fig.8), die am Eingang des Vergleichers 16 aufgenommen wird, gleich der Spannung V₂O wird, die am anderen Eingang des Vergleichers

16 anliegt und die der Anfangsspannung Uo der Widerstandssonde entspricht In diesem Augenblick verändert der Ausgang des Vergleichers 16 sein logisches Niveau »0« bzw. »1« und die Steuereinrichtung 17 bringt die Zählung im Zähler 14 zum Stillstand. Die Anfangsspannung Uo der Sonde wird daher in diesem Zähler gespeichert. Nach Ablauf einer Zeit t hat sich die Spannung der Sonde erhöht und ist gleich V₂- i/o+ΔU geworden, von welchem Augenblick an die Ausgangsspannung des Vergleichers 16 von neuem das logische Niveau ändert, und die Steuereinrichtung

17 durchschaltet, so daß die beiden Zähler 14 und 18 die vom Taktgeber 13 ankommenden Impulse zählen, bis

7 8

am Eingang des Vergleichers 16 wieder Vi = V₂ ist und Die Ausführungsform nach F i g. 7 hat außerdem den

damit eine Änderung des logischen Niveaus am Eingang Vorteil, daß sie für Veränderungen der Speisespannung

der Steuerschaltung 17 und eine Sperrung der beiden unempfindlich ist, und die Spannung V₂ sowie die

Zähler 14 und 18 vorliegt. Im Zähler 18 ist nunmehr ein Spannung Vi sind proportional der Speisespannung und

Informationswert gespeichert, der der Zunahme Δ U der > ihr Verhältnis

Spannung der Widerstandssonde 1 entspricht. Dieser

Informationswert ist direkt ausnutzbar, um die Pegelhö- i_i

he der Flüssigkeit anzuzeigen, in welche die Wider- >':

Standssonde eintaucht, und zwar mittels numerischer

oder analoger Anzeigeinstrumente. in ist von dieser unabhängig.

Hierzu 5 Liliitt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur temperaturunabhängigen Überwachung des Flässigkeitsniveaus in Behältern oder dergleichen mit einer Stromquelle, einer von der Stromquelle speisbaren Widerstandssonde mit hohem Temperaturkoeffizienten und einer Vergleichsschaltung, die einerseits an einen Inverter und andererseits gegebenenfalls Ober zwischengeschaltete Bauelemente an eine Spannungsquelle gelegt ist, wobei der Ausgang des Vergleichers an die Überwachungsvorrichtung angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß