DE2740289C3

DE2740289C3 - Vorrichtung zur Überwachung des Niveaus einer in einem Behälter enthaltenen Flüssigkeit

Info

Publication number: DE2740289C3
Application number: DE2740289A
Authority: DE
Inventors: Charles Henri Colombes Jourdain
Original assignee: JAEGER 92303 LEVALLOIS-PERRET HAUTS-DE-SEINE FR
Current assignee: JAEGER 92303 LEVALLOIS-PERRET HAUTS-DE-SEINE FR
Priority date: 1976-10-06
Filing date: 1977-09-07
Publication date: 1982-03-04
Also published as: FR2367276A1; US4163391A; IT1084898B; MX143777A; ES462965A1; AR221036A1; FR2367276B1; DE2740289B2; GB1535153A; DE2740289A1

Description

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

b) die Veriögerungsschaltung (2) mit dem Vergleiclier (6) in Verbindung steht;

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

d) der Vergleicher (6) ein Ausgangssignal an die Überwachungsvorrichtung (7) abgibt, sobald die über das RCGMed (5) abfallende Spannung gleich derjenigen des Inverters (4) ist

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ι Verglt '.eher (10_t bis 1O_n) mit einem Analogspeicher '8) über eine Differenzierschaltung (9) verbunden sind, d »sen Speicherinhalt der Anfangsspannung (Uo), wie sie zum Zeitpunkt (to) des Meßbeginns vorliegt, entspricht, wobei die Differenzierschaltung (9) in jedem Augenblick die Differenz zwischen der Spannung (U₁) an den Anschlüssen der Widerstandssonde (1) und der -to Anfangsspannung (Uo) 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 (A?, Tibzw.^e, Ti) 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 (ii) der Überschneidung der Geraden (δ) der Entladung des /?C-Gliedes (5) mit der Kurve (K), weiche die Spannung der Widerstandssonde (1) darstellt, wenn diese voll in die Flüssigkeit eingetaucht ist und dem Zeitpunkt (r₂) der Überschneidung der gleichen Geraden (A) der Entladung des RC-GYiedes mit der Kurve (ix) liegt, welche die Spannung der Widerstandssonde (1) darstellt wenn diese sich voll in der Luft befindet

5. Schaltungsanordnung zur temperaturunabhängigen Überwachung des Flüssigkeitsniveaüs in Behältern oder dergleichen mit einer Stromquelle, einer Von der Stromquelle speisbaren Widerstands* sonde mit. hohem TempefatUrköeffizienten 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 (Vy mit der Widerstandssonde (1) und der Konstantstromquelle (3) verbunden ist, während

c) der andere Eingang (Vi) 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, dei en einer Eingang mit dem Ausgang des Vergleichers (16) verbunden ist und deren Abschaltung bewirkt wenn der Ausgang des Vergleichen (iS) 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 95691) 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 r/eist jedoch insofern einen wesentlichen Nachteil auf, daß sie auf sich ändernde Umwelttempera türen relativ schnell reagiert wodurch die Meßergebnisfe nicht unerheblich verfälsch! 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 HeiUleiterwiderstand 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, der außerhalb des die Flüssigkeit aufnehmenden Behälters an dessen Wandung befestigt und in einem geschlossenen Gehäuse untergebrachf 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 Eingang 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 der 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 (DE-AS 12 95 867) ganz allgemein bekannt ist, den Abgriff eines Spannungsteilers über ein ÄC-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

Fine 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 Ausführunpsformen der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnungen dargestellt, und zwar zeigt

F i g. 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 F ig. 2.

F i g. 4 ein Zeitdkgramm der Schaltungsanordnung,

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

F i g. 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 AilsfÜhrungsforrn für eine Schaltungsanordnung Unter Verwendung numerischer Bauelemente, und

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

Wenn ein Draht mit einem hohen Temperaturkoeffizienten, der ,als Widerständssonde Verwendet werden soll, an eine Konstantstromquelle angeschlossen wird, ergibt sich in Abhängigkeit von der Zeit für den Spannungsverlauf an den Klemmen der in Fig.! dargestellte Verlauf der Kurve a, für den Fall, daß der Draht sich voll in der Luft befindet, während die Kurve Zj den Spannungsverlauf zeigt, wenn der Draht voll in eine Flüssigkeit eingetaucht ist Durch die Zunahme der Erwärmung des Drahtes nach Anlegen der Spannung Uq zum Zeitpunkt to ergibt sich zu einem Zeitpunkt tu

ίο eine Spannung Ui₂, die in der Luft immer einen höheren Wert als die Spannung U\b gemessen an den Klemmen des gleichen Drahtes und im gleichen Zeitpunkt ti in eine Flüssigkeit aufweisen wird. Nach dem Erreichen eines für jedes Medium charakteristischen Sättigungswertes variieren diese Spannungsendwerte Ui₁, t/iz>mit den verschiedenen Eintauchtiefen des Drahtes, d. h. der Widerstandssonde. Die so gemessenen Werte sind jedoch höher als der Wert der Spannung i/o zum Zeitpunkt der Inbetriebnahme der Widerstandssonde.

Die gemessenen Spannungen i/i_a U\b stehen jedoch zusätzlich unter dem Einfluß der Umgebungstemperatur, was zu Fehimterpretationen der jewc iligen Meßergebnisse führen kann. Zur Ausschaltung dieses Einflusses wird daher mit den nachfolgend beschriebenen Schaltungen der Anfangsspannung Uo Rechnung getragen, we^; ;he den gleichen Umwelteinflüssen unterliegt

Bei einer ersten Ausführungsform gemäß F i g. 2, 3 und 4 wird der Spannungswert Ua zunächst ermittelt und nach einem bekannten Gesetz verändert, um zum Zeitpunkt t mit einer weiteren Messung einen Wen 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 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 während einer Zeit t eine Konstantstromquelle 3. die mit der Widerstandssonde 1 verbunden ist

An die Widerstandssonde 1 ist ferner eine I Imkehrschaltung, also ein Inverter 4 angeschlossen, der eine Spannung (V-U) liefert, wobei V eine stabilisierte Bezugsspannung ist und U die an den Anschlüssen der Widerstandssonde 1 gemessene Spannung. Im Zeitpunkt u liefert der Inverter 4 die Spannung (V- U₀). 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 <^ dargestellt. Wenn sich die Widerstandssonde 1 erwärmt, nimm' tie Spannung U zu und die Umkehrschaltung liefert an einen Vergleicher 6 eine Spannung von der Form (V— U), wie in F i g. 4 oben durch die ivurve λ gezeigt ist, wenn die Widerstandssonde 1 voll in die Flüssigkeit eingetaucht ist und eine Kurve <%, wenn die Widerstandssond5 1 vollständig von Luft umgeben ist Die Gerade δ der Kondensatoraufladung schneidet die Kurve λ im Zeitpunkt f ι (Fig. 4 Mitte) und die Kurve α zum Zeitpunkt t₂. Die Betriebsdauer / der Verzögerungsschaltung 2 ist so gewählt, daß ii < f< £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- Ua an den Anschlüssen des ÄC-Gliedes 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 Ai und einen Transistor Γι. Zum Einschaltzeitpunkt 7o liefert ein Umkehrverstärker A3 eine Spannung (V— Uo), wobei Vdie am Punkt /'stabilisierte 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 Ai verfügbar ist, wird geringer als die durch den Kondensator G gelieferte Spannung (selbst wenn die Entladung 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 übe·· den Verstärker A1 die Abschaltung der Widerstandssonde 1 von der Stromquelle und die Bestimmung des logischen Zustandes des Ausgangs des Verstärkers /U der durch das RC-GMed Ri, 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 As und des Transistors Ti gespeichert solange die Schaltungsanordnung unter Spannung ist um ein Alarmgerät Win 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 t, an deren Anschlüssen die Anfangsspannung Un in dem Augenblick ansteht in welchem die Schaltungsanordnung in Betrieb gesetzt wird. Der Wert i/o 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 t/o ermittelt wird. Sodann wird in dem Vergleicher 10 bzw. einer Reihe von Vergleichen! 10 bis 1O_n diese Differenz (JJ₁- Uo) mit π bestimmten Spannungen verglichen, weiche 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 Hi bis ll„betätigt

F i g. 6 zeigt die Ausführangsform der Schaltungsanordnung entsprechend dem Blockschaltbild nach Fi 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 Ai 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 Vdie am Punkt P anliegende stabilisierte Spannung ist Nach dem Erwärmen des Drahtes der Widerstandssonde 1 ist die am Punkt S verfügbare Spannung gleich (V+Uo+AU), Wobei diese Summe die Zunahme der Spannung an den Anschlüssen der Widerstandssonde 1 darstellt

Die Widerstände Λ5 und Re, teilen bei Rs-Rt die Spannung hälftig, so daß die an die invertierten Eingänge der beiden Vergleicher As und Af, gelegte Spannung

( m

V IJ

ist In jedem Augenblick wird die Spannung in den Vergleichern As und Ae, mit zwei Bezugsspannungen verglichen, die an den Anschlüssen der Widerstände Ri und Ri (entsprechend den beiden Flüssigkeitsniveaus, die überwacht werden sollen) anliegen und an die nicht invertierten Eingänge der Vergleicher Ae, und Λ5 gelegt sind. Sobald diese Spannung gleich einer dieser Bez&gsspannungen wird, verändert der entsprechende Vergleicher As oder Ae 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 Wi oder W₁ aus einer Speicherschaltung, nämlich dem, den Anzeigeelementen W₁ zugeordneten Verstärker A₁ mit dem Transistor T₃ und Widerständen, um die Information nach dem Abschalten durch die Verzögerungsschaltung 2 der Meßkreise aufrechtzuerhalten, und für das Anzeigeelement W₂ aus dem Verstärker As, dem Transistor Ta 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 zäha bis die Anfangsspannung Vi₀ (Fig.8), die am Eingang des Vergleichers 16 aufgenommen wird, gleich der Spannung V20 wird, die am anderen Eingang des Vergleichen 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 f hat sich die Spannung der Sonde erhöht und ist gleich V2=Uo+&U 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

am Eingang des Vergleichers 16 wieder Vi = V₂ ist Und damit eine Änderung das logischen Niveaus am Eingang der Steuerschaltung 17 und eine Sperrung der beiden Zähler 14 und 18 vorliegt* Im Zähler 18 ist nunmehr ein Informationswert gespeichert, der der Zunahme Δ L/der Spannung der Widerstandssonde 1 entspricht. Dieser informationswert ist direkt ausnutzbar, um die Pegelhöhe der Flüssigkeit anzuzeigen* in welche die Widers\üiidssonde eintaucht, und zwar mittels numerischer oder analoger Anzeigeinstrumente.

Die Aüsführungsform nach Fig.!? hat außerdem den Vorteil, daß sie für Veränderungen der Speisespannung unempfindlich ist, und die Spannung V₂ sowie die Spannung Vi sind proportional der !Speisespannung und ihr Verhältnis

ίο ist von dieser unabhängig.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

10 15 20 25 JO Patentansprüche:

1. 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 Spannungsquelle gelegt ist, wobei der Ausgang des Vergleichers an die Überwachungsvorrichtung angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß