DE2901516C2 - Anordnung zur Erzeugung eines einer Kapazität proportionalen Signals - Google Patents

Description

i j derstand verwendet ist

W 15. Anordnung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch

.KS gekennzeichnet, daß der veränderbare Widerstand

£ (68) ein Feldeffekttransistor ist

frf 16. Anordnung nach Anspruch 13 oder einem der

ti - folgenden, dadurch gekennzeichnet daß der Kollek-

'■':. tor des zusätzlichen Transistors (70) einerseits über

einen Kondensator (78) an eine Ader (18) der Zwei- ύ'- leiterverbindung und andererseits über einen hoch-

F: ohmigen Widerstand (80) an den Emitter des vom

i Strom des Oszillators (22) durchflossenen Transi-

fe stors (42) angeschlossen ist

Vl 17. Anordnung nach Anspruch 1 oder einem der

#j folgenden, dadurch gekennzeichnet daß der Wider-

d stand (40) für den Istwert der Regelgröße oder der

'& Widerstand (34) für den Sollwert der Regelgröße

% einstellbar ausgebildet ist

;4 18. Anordnung nach Anspruch 3 oder einem der

S folgenden, dadurch gekennzeichnet daß die Sekun-

I därwicklung (26) des Übertragers (24) mit einer Anzapfung versehen ist und daß der zwischen der Anzapfung und dem einen Ende liegende Wicklungsteil einen einstellbaren Kondensator (64) speist

19. Anordnung nach Anspruch 5 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet daß zwischen dem vom Strom des Oszillators (22) durchflossenen Widerstand (40) und dem einen Eingang des zweiten Differenzverstärkers (62) ein aus einem Widerstand (38) und einem Kondensator (36) bestehendes integrierglied angeordnet ist.

20. Anordnung nach Anspruch 5 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß ein Anschluß des weiteren Differenzverstärkers (50) für den Betrebsstrom über einen hochohmigen Widerstand (52) mit dem vom Strom des Oszillators (22) durchflossenen Widerstand (40) verbunden ist.

21. Anordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Ausgang des weiteren Differenzverstärkers (50) und der Basis des vom Be^.riebsstrom des Oszillators (22) durchflossenen Transistors (42) ein hochohmiger Widerstand (48) angeordnet ist.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Erzeugung eines von einem kapazitiven Meßfühler abhängigen Meßsignals mit einer für die Übertragung des Meßsignals bestimmten Zweileiterverbindung, an die der kapazitive Meßfühler über einen aktiven Meßumformer gelegt ist, der einen den Meßfühler mit einer Wechselspannung versorgenden Oszillator und eine Regelschaltung für die Regelung des Meßsignals in Abhängigkeit von der Meßgröße des Meßfühlers enthält, wobei sowohl das Meßsignal als auch die Energie für den aktiven Meßumformer auf der Zweileiterverbindung übertragen wird und wobei an den Meßfühler kontaktlose Schaltelemente zur polaritätsabhängigen Anschaltung des Meßfühlers an verschiedene Stromzweige angeschlossen sind.

Eine derartige Anordnung ist bereits bekannt (DE-PS 20 52 520). Bei dieser Anordnung ist der kapazitive Meßfühler ein für die Druckmessung ausgebildeter Differentialkondensator. Durch die Druckbeaufschlagung ändern sich die Teilkapazitäten des Differentialkondensators. Der Meßumformer enthält eine an den Differential-Kondensator angeschlossene Gleichrichterschaltung, die von mehreren Sekundärwicklungen eines Übertragers gespeist wird, dessen Primärwicklung in einer Oszillatorschaltung angeordnet ist Der Oszillator ist innerhalb eines ersten Regelkreises angeordnet der ίο weiterhin einen Differenzverstärker enthält dessen Eingängen jeweils eine feste Sollwertspannung und eine dem Differenzstrom des Differentialkondensators proportionale Spannung zugeführt wird. Bei Änderungen der Teikapazitäten wird die Oszillatorwechelspannung im Sinne einer Verminderung der Regelabweichung verändert. In einem zweiten Regelkreis wird eine dem Differenzstrom proportionale Spannung als Istwert mit einem durch einen Spannungsteiler vorgegebenen Soliwert verglichen. Ein der Differenz entsprechendes Regelabweichungssignal beaufschlagt «nen zu den übrigen Teilen des Meßumformers parallelgebchalteten Beipaß-Transistor, dessen Strom zusammen mit dem den anderen Teilen des Meßumformers zugeführten eingeprägten Strom in die Zweileiterverbindung eingespeist wird.

Bekannt ist auch eine Anordnung zur Erzeugung eines einer zu messenden Kapazität proportionalen Signals. Die Kapazität ist bei dieser Anordnung an einen aktiven Meßumformer angeschlossen, der das Meßsigna! in eine Zweidrahtleitung einspeist Der aktive Meßumformer enthält einen Oszillator, der die Kapazität mit einer gleichbleibenden Wechselspannung versorgt. Nebem dem Oszillator weist der aktive Meßumformer eine Meßschaltung auf, die aus einem Transistor in Emitterschaltung und aus der im Emitterkreis angeordneten Parallelschaltung einer Spule des Meßobjekts und eines Kondensators besteht. Die Zweileiterverbindung dient zur Übertragung des Meßsignals zu einem Weehselspannungs-Gleichspannungsumsetzer, der ein Voltmeter rpeist. Die Meßschaltung wird über eine gesonderte Leitung von einer Gleichspannungsquelle mit Energie versorgt. Ein Pol der GleichspannungsqueJle und ein Anschluß der Meßschaltung sind an Masse gefegt (DE-AS 12 49 404).

Um Füllstandshöhen in Behältern festzustellen, werden die Kapazitätsunterschiede von Sonden gemessen, die je nach der Füllstandshöhe vom Füllgut ganz, zum Teil oder nicht bedeckt sind. Derartige Kapazitäten sind im allgemeinen stark verlustbehaftet. Neben dem rein so kapazitiven Strom muß der Oszillator des Meßumformers deshalb einen Ver'uststrom aufbringen, der u. a. von der an die Sonde angelegten Spannung abhängt. Diese Spannung kann nicht beliebig klein gewählt werden, da sich sonst ein ungünstiges Nutz-/Stör-Signak erhältnis ergibt, das die Genauigkeit der Messung beeinträchtigt. Wird jedoch die Oszillatorausgangsspannung zur Vermeidung dieses ungünstigen Nutz-ZStörverhältnisses größer bemt jsen, dann reicht ein Oszillator-Betriebsstrom "on 4 mA nicht aus.

Schwierigkeiten, die beim im Verhältnis zum Meßstrom zu großem Betriebsstrom auftreten, lassen sich vermeiden, indem das Meßsignal als überlagerte Wechselkomponente auf der Zweileiterstrecke übertragen wird, während der Meßumformer mit Gleichstrom ver-6ϊ sorgt wird. Als Wechselkomponente kann ein Signal mit variabler Frequenz verwendet werden. Die Meßwerte können auch digitalisiert und in codierter Form als Impulse der Zweileiterstrecke zugeführt werden. Bei der-

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artigen Übertragungsmethoden werden im aktiven Meßumformer aufwendige Codierschaltungen benötigt. Auf der Empfangsseite der Zweileiterstrecke sind Decodiereinrichtungen notwendig. Die Übertragung ist überdies störanfällig, da von fremden Wechselstromquellen eingekoppelte Spannungen und Ströme die Meßwerte beeinflussen. Daneben gehen aber auch von den in Form von Wechselkomponenten übertragenen Meßwerten infolge von elektrischen und magnetischen Kopplungen zu benachbarten Leitungen Störungen aus. Bei höheren Übertragungsfrequenzen bzw. Impulsübertragungen können auch Störstrahlungen erzeugt werden. Die aufwandarme Anzeige durch direkte Strommessung in einer der Adern über ein Drehspulanzeigegerät ist hierbei nicht möglich.

Meßumformer, die mit von der Sinusform abweichenden Kurvenformen arbeiten, bilden wegen des Gehalts an starken hochfrequenten Oberwellen Kunkstörqueilen. Ihr Einsatz ist deswegen zumeist nicht zulässig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der eingangs erwähnten Gattung derart weiterzuentwickeln.daß sie bei einem kapazitiven Meßfühler für die Füllstandsmessung in einem Behälter ein Signal erzeugt, das der Kapazität des Meßfühlers, die auch hohe ohmsche Verluste aufweisen kann, proportional ist und das in analoger Form als Gleichstrom neben dem Betriebsstrom des Meßumformers mit großem Nutzsignalbereich und weitgehend unbeeinflußt von durch Temperaturänderungen oder sonstige Einwirkungen hervorgerufene Schwankungen der Charakteristiken der Bauelemente des Meßumformers auf der Zweileiterverbindung übertragen wird.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Meßfühler ein Kondensator mit nur einer zu messenden Kapazität ist, die in an sich bekannter Weise an eine gleichbleibende wechselspannung gelegt ist. daß der über die Kapazität fließende Strom wechselweise dem Meßsignal auf der Zweileiterverbindung als eingeprägter Strom oder einem Widerstand und einem Kondensator für die Bildung des Sollwerts einer Regelgröße zugeführt wird, deren Istwert dem Strom über den aktiven Meßumformer proportional ist und daß vom Regelabweichungssignal ein Stellglied im Oszillator für die Beeinflussung des vom Oszillator aufgenommenen Stroms gesteuert ist, durch den die Zweileiterverbindung mit einem dem Meßsigna! entsprechenden Stromanteil beaufschlagt ist

Mit dieser Anordnung kann ein großes Meßsignal-/ Ruhestromverhältnis erreicht werden. Deshalb ist es möglich, einen vorgegebenen Bereich für die Meßsignaistromübertragung, z. B. den Bereich zwischen 4 und 20 mA, voll auszunutzen. Dabei ergibt sich als weiterer Vorteil, daß bereits verfügbare Einheiten für die Weiterverarbeitung solcher zwischen 4 und 20 mA veränderlichen Ströme am Ort der Auswertung benutzt werden können. Für hochpräzise Messungen läßt sich das Meßstrom-/RuhestromverhäItnis mühelos bis 10 :1 erhöhen. Mit der Anordnung können sowohl ohmsche Widerstände als auch verlustbehaftete oder reine Reaktanzen gemessen werden.

Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform ist vorgesehen, daß der vom Oszillator aufgenommene Strom über einen Widerstand geleitet wird, dessen Spannungsabfall der Istwert der Regelgröße ist, daß die Eingänge eines Differenzverstärkers je mit dem Sollwert und dem Istwert beaufschlagt sind und daß der Ausgang des Differenzverstärkers an das Stellglied im Oszillator angeschlossen ist. Diese Anordnung zeichnet sich durch besonders sparsamen und einfachen Aufbau aus.

Vorzugsweise enthält der Oszillator einen Übertrager, dessen Sekundärkreis den Kondensator mit der zu messenden Kapazität speist. Unabhängig von der Betriebsspannung auf der Zweileiterverbindungsstrecke kann bei dieser Anordnung die Versorgungsspannung für die Kapazität, z. B. eines Behälters, den vorhandenen Bedingungen optimal angepaßt werden. Wenn die zu messende Kapazität sehr geringe Werte hat, ist es notwendig, die Meßkreisspannung höher als die Betriebsspannung auf der Zweileiterverbindungsstrecke einzustellen.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform weisen der vom Strom des Oszillators durchflossene Widerstand und der für die Erzeugung des Sollwerts der Regelgröße vorgesehene Widerstand verschieden große Werte auf. Die Spannungsabfälle an den beiden Widerständen sind wegen der sehr kleiner. Regelabweichungen nahezu gleich. 1st der vom Oszillatorstrom durchfiossene Widerstand kleiner als der vom Sollwert beaufschlagte Widerstand, dann verursachen kleine Änderungen des über den Sondenkondensator fließenden Stroms größere Änderungen des vom Oszillator aufgenommenen Stroms. Durch eine entsprechende Wahl der Größe des vom Oszillatorstrom durchflossenen Widerstands läßt sich somit der Bereich einstellen, in dem sich der Signalstrom auf -Λα Zweileiterverbindungsstrecke verändert. Daher kann die Anordnung auf sehr einfache Weise so eingestellt werden, daß sie ein Meßwandler-Einheitssignal mit 4 mA Grurdstromanteil jnd einen zwischen 4 und 20 mA schwankenden Signalsiromanteil führt.

Eine günstige Ausführungsform besteht darin, daß die Ausgänge des Oszillators einerseits über den Kondensator mit der zu messenden Kapazität an Bezugspotential

Λ5 und andererseits über die Emitter-Kollektor-Strecke eines Transistors an den Widerstand und den Kondensator angeschlossen sind, daß die Basis des Transistors mit dem vom Strom des Oszillators durchflossenen Widerstand verbunden ist und daß der an seinen Eingängen

■to jeweils vom 1st- und vom Sollwert der Regelgröße beaufschlagte Differenzverstärker, der einen weiteren Differenzverstärker speist, bei der einen Polarität des durch den Kondensator fließenden Stroms als Differenzverstärker und als kontaktloses Schaltelement den Strom übernimmt und bei der anderen Polarität des Stroms nichtleitend ist.

Diese Anordnung enthält einen Differenzverstärker, der doppelt ausgenutzt wird- Dieser Differenzverstärker dient einerseits zur Erzeugung eines verstärkten Regelabweichungssignals, das über den ei.ren Differenzverstärker das Stellglied beeinflußt. Andererseits i richtet der Differenzverstärker den Meßstrom, der über t die Sondenkapazität fließt gleich. Über die Kollektoren '-der beiden Transistoren des Differenzverstärkers flie-Ben Ströme, die der Spannungsdifferenz an den Basen proportional sind. Die Summe der beiden Koilektorströme ist dem Strom im Meßkreis proportional. Die Eingänge des Differenzverstärkers können mit Eingangsspannungen bis zu Null Volt beaufschlagt werden,

ohne daß eine Stromaufnahme über denjenigen Anschluß des Meßumformers erfolgt, der nicht an die Kollektorkreise des Differenzverstärkers angeschlossen ist. Der Betriebsstrom des weiteren Differenzverstärker«,: wird vom Regelkreis mitverarbeitet und kann daher

nicht ohne Kontrolle den Ruhestrom des Meßumfor-; mers erhöhen. Eine Beschränkung der Spannungen an;: den Widerständen für den Sollwert und den Istwert ist;? bei der vorstehend erläuterten Anordnung nicht mehr;;

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gegeben. Die Spannungen können daher bedarfsweise durch die Wahl entsprechender Widerstände auf den für den jeweiligen Ehsatzfall günstigsten Wert eingestellt werden.

Vorzugsweise leitet in einer Halbperiode des den Kondensator mit der zu messenden Kapazität durchfließende;-Stroms der Differenzverstärker und in der anderen Halbperiode der Transistor als kontaktloses Schaltelement den Strom von dem Kondensator mit der zu messenden Kapazität weiter. Bei dirrer Art der Stromverarbeitung wird die Symmetrie der in den beiden Halbperioden durch die Kapazität fließenden Ströme nicht beeinträchtigt. Daher ergibt sich eine große Meßgenauigkeit.

Beide Halbwellen des den Kondensator mit der zu messenden Kapazität durchfließenden Stroms rufen auf der Zweileiterverbindung einen eingeprägten Meßsicrnalcrjptrhstrnrn hprvrtr Pi^S^T S'^rr>rn ¹^t iinahhäncficr von der Entfernung zwischen der Kapazität und der Auswertungsstelle.

Bei einer weiteren günstigen Ausführungsform ist vorgesehen, daß der eine Eingang des Differenzverstärkers mit dem vom Strom des Oszillators durchflossenen Widerstand und der andere Eingang mit dem Widerstand und dem Kondensator verbunden ist, daß der Differenzverstärker als Eirigangsstüfcn zwei Transistoren aufweist, deren Emitter gemeinsam an einen Ausgang des Oszillators und deren mit Kollektorwiderständen verbundene Kollektoren je an die Eingänge des weiteren rifferenzverstärkers gelegt sind. Diese Schaltungsanordnung hat bei einer hohen Meßgenauigkeit einen einfachen Aufbau.

Der Differenzverstärker wird vorteilhafterweise nur während seiner Betriebsweise als kontaktloses Schaltelement zugleich mit Betriebsstrom versorgt

Es ist zweckmäßig, wenn der Differenzverstärker nur während einer Halbperiode des den Kondensator mit der zu messenden Kapazität durchfließenden Stroms Betriebsstrom verbraucht, der dem Strom durch den Kondensator mit der zu messenden Kapazität proportional ist. Ein gesonderter Anteil des Grundstroms für die Versorgung des Differenzverstärkers ist somit nicht nötig. Dies wirkt sich günstig auf das Meßsignal-/Ruhestrom-Verhältnis aus.

Bei einer anderen günstigen Ausführungsform enthält der Oszillator einen Transistor, über dessen Kollektor-Emitter-Strecke der Betriebsstrom für die Bildung des Istwerts der Regelgröße in den Widerstand eingespeist wird, während die Basis des Transistors an den Ausgang des weiteren Differenzverstärkers gelegt ist. Der weitere Differenzverstärker regelt somit über den Transistor die Stromaufnahme des Oszillators. Deshalb bildet der erste Transistor das Stellglied, das zur Verminderung der Regelabweichung betätigt wird.

Vorzugsweise ist der Transistor des Oszillators zugleich als den Strom bestimmendes Stellglied und unabhängig davon als Stellglied für die Aufrechterhaltung einer stabilisierten Wechselspannung vorgesehen. Der Transistor wird somit mehrfach ausgenutzt wobei der Aufbau des aktiven Meßumformers vereinfacht wird

Eine weitere zweckmäßige Ausführungsform besteht darin, daß parallel zur Primärwicklung des Übertragers im Oszillator die Reihenschaltung einer Zenerdiode, einer Diode und eines Widerstands zur Grobstabilisierung der vom Oszillator erzeugten Wechselspannung gelegt ist Diese Grobstabilisierung ist von der Regelung des Betriebsstroms in einem sehr weiten Bereich unabhängig. Der Bereich kann durch die Wahl der Versorgungsspannung und der Zenerspannung der Zenerdiode eingestellt werden. Er wird an die bei der Messung von Kapazitäten gegebenen Bedingungen angepaßt.

Bei einer weiteren günstigen Ausführungsform ist vorgesehen, daß die Primärentwicklung des Übertragers eine Anzapfung aufweist, die mit der Basis eines zusätzlichen Transistors verbunden ist, dessen Emitter an die Anoden der Zenerdiode und der Diode angeschlossen ist, und daß der Kollektor des zusätzlichen Transistors an die Steuerelektrode eines veränderbaren Widerstands gelegt ist, der zur Feinregelung der stabilisierten Wechselspannung in Reihe mit einem Kondensator zwischen das eine Ende der Primärwicklung und die Basis des Transistors im Oszillator geschaltet ist. Diese Anordnung stabilisiert zusammen mit der vorstehend erläuterten Schaltung die an der Meßimpedanz anstehend·? Spannung mit großer Genauigkeit. Der Transistor übervacht den Scheitelwert der Meßwechselspannung und wirkt je nach der Höhe über einen veränderlichen Widerstand und einen Kondensator dynamisch auf den Oszillator-Transistor ein, über den auch der Betriebsstrom des Oszillators fließt.

Es ist vorteilhaft, den Widerstand zugleich als Arbeitswiderstand für den Transistor des Oszillators und als Istwert Widerstand ?u verwenden, da sich hierdurch ein einfacherer Schaltungsaufbau ergibt.

Vorzugsweise ist der veränderliche Widerstand ein Feldeffekttransistor. Die Steuerung des veränderbaren Widerstands kann bei dieser Anordnung mit sehr geringer Leistung erfolgen, so daß der Anteil am Grundstrom für die dynamische Stabilisierung der Wechelspannung vernachlässigbar klein ist.
Vorteilhafterweise ist der Widerstand für den Istwert oder der Widerstand für den Sollwert einstellbar ausgebildet. Mittels dieser Widerstände kann die Meßspanne verändert werden. Die Anordnung läßt sich auf einfache Weise am Einsatzort den durch den Bereich der Impedanzänderung für das Meßsignal gegebenen Bedingungen anpassen.

Bei einer weiteren günstigen Ausführungsform ist die Sekundärwicklung des Übertragers mit einer Anzapfung versehen, wobei der zwischen der Anzapfung und dem einen Ende liegende Wicklungsteil einen einstellbaren Kondensator speist Mit dieser Anordnung läßt sich die Kapazität für den Meßanfang einstellen.

Vorteilhafterweise ist der Widerstand für den Istwert oder der Widerstand für den Sollwert einstellbar ausgebildet. Mittels dieser Widerstände kann die Meßspanne verändert werden. Die Anordnung läßt sich auf einfache Weise am Einsatzort den durch den Bereich der Impedanzänderung für das Meßsigna! gegebenen Bedingungen anpassen.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispieis.

Bei der zu messenden Impedanz soll es sich um die Kapazität einer Sonde handeln, mit der die Höhe des Füllstands in einem Behälter kontrolliert werden kann.

Diese zu messende Kapazität, die in der Zeichnung als veränderbarer Kondensator dargestellt und mit 10 bezeichnet ist ist über nicht näher bezeichnete Leitungen mit Steckverbindern 12, 14 an eine Anordnung 16 zur Erzeugung eines Signals angeschlossen, das der Kapazitat des Kondensators 10 proportional ist Je nach der Höhe des die Sonde bedeckenden Füllguts im Behälter ergibt sich ein anderer Wert der Kapazität des Kondensators 10.

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ίο

Die Anordnung ist über zwei Adern 18, 20 einer Zweileiterverbindung an ein entfernt angeordnetes Auswertgerät angeschlossen, das nicht dargestellt ist. Die Anordnung 16 stellt einen aktiven Meßumformer dar, der nahe am Kondensator 10 angeordnet ist und über die Adern 18, 20 mit Betriebsstrom versorgt wird. Über die Adern 18, 20 nimmt der Meßumformer 16 außerdem einen der Kapazität des Kondensators 10 proportionalen Gleichstrom auf. Beide Ströme sind daher auf den Adern 18,20 einander überlagert.

Der aktive Meßumformer 16 enthält einen Oszillator 22 mit einem Übertrager 24. Die Sekundärwicklung 26 des Übertragers 24 ist mit einem Ende an den Steckverbinder 14 angeschlossen. Eine Anzapfung der Sekundärwicklung 26 steht mit dem Emitter eines Transistors 28 in Verbindung. Parallel zu der Anzapfung und dem einen Ende der Sekundärwicklung 26 ist ein Kondensator 30 geiegi, dessen Kapazität mit der Induktivität des Übertragers 24 einen Resonanzkreis bildet. Der Kollektor des Transistors 28 ist an einen Anschluß eines Kondensators 32 gelegt, dessen anderer Anschluß mit der Ader 20 verbunden ist, die mit Massepotential beaufschlagt ist. Zum Kondensator 32 ist ein einstellbarer Widerstand 24 parallel geschaltet.

Die Basis des Transistors 28 ist einerseits an einen Anschluß eines zweiten Kondensators 36 und andererseits an einen Widerstand 38 angeschlossen, der eine Verbindung zu einem weiteren Widerstand 40 herstellt. Dieser Widerstand 40 ist zwischen -die Ader 20 und dem Emitter eines Transistors 42 gelegt, der einen Bestandteil des Oszillators 22 bildet. Der Kollektor des Transistors 42 wird von einem Ende der Primärwicklung 44 des Übertragers 24 gespeist. Die Primärwicklung 44 ist über eine Anzapfung 46 an die Ader 18 angeschlossen. Die Basis des Transistors 42 steht über einen Widerstand 48 mit dem Ausgang eines ersten Differenzverstärkers 50 in Verbindung, dessen Anschlüsse für die Betriebsstromversorgung einerseits an die Ader 18 und andererseits über einen Widerstand 52 an den Emitter des Transistors 42 gelegt sind.

Der Emitter des Transistors 28 steht weiterhin mit den Emittern zweier Transistoren 54,56 in Verbindung, die mit Kollektorwiderständen 58,60 einen zweiten Differenzverstärker 62 bilden. Die Kollektorwiderstände 58, 60 werden über die Ader 18 mit positiver Betriebsspannung versorgt. Der invertierende Eingang des ersten Differenzverstärkers 50 ist an den Kollektor des Transistors 56 angeschlossen, während der nichtinvertierende Eingang mit dem Kollektor des Transistors 54 in Verbindung steht Die Basis des Transistors 54 ist an die Basis des Transistors 28 angeschlossen. Die Basis des Transistors 56 ist an einen Anschluß des Kondensators 32 und des Widerstands 34 gelegt

Das zweite Ende der Sekundärwicklung 26 ist über einen einstellbaren Kondensator 64 mit der Ader 20 verbunden, die Bezugspotential führt

Die Basis des Transistors 42 ist weiterhin über einen Kondensator 66 und einen veränderbaren Widerstand 68 mit dem zweiten Ende der Primärwicklung 44 verbunden. Bei dem veränderbaren Widerstand 68 handelt es sich vorzugsweise um einen Feldeffekttransistor, dessen Steuerelektrode vom Kollektor eines Transistors 70 gespeist wird. Die Basis des Transistors 70 ist an die Anzapfung 46 angeschlossen. Parallel zu den beiden Er, den der Primärwicklung 44 liegt die Reihenschaltung einer Zenerdiode 72 einer Diode 74 und eines Widerstands 76. Die Anoden der Zenerdiode 72 und der Diode 74 sind miteinander und mit dem Emitter des Transistors 70 verbunden. Zwischen der Ader 18 und dem Kollektor des Transistors 70 liegt ein weiterer Kondensator 78. Der Kollektor des Transistors 70 ist zusätzlich über einen Widerstand 80 an den Widerstand 40 angeschlossen. Die Elemente 42, 66, 68,70, 72, 74,78 und 80 bilden, wie aus der Figur hervorgeht, weitere Bestandteile des Oszillators 22.

Der Oszillator 22 erzeugt eine stabilisierte Wechselspannung. Die Art und Weise der Erzeugung wird später noch näher erläutert. Die an der Sekundärwicklung 26 anstehende stabilisierte Wechselspannung treibt einen Strom über den Kondensator 10. Dieser Wechselstrom ist der Kapazität des Kondensators 10 proportional. Die Halbwellen des Stroms fließen über verschiedene Wege. Die positive Halbwelle lädt über den Transistor 28 den Kondensator 32 auf. Am Kondensator 32 entsteht hierbei eine der Kapazität des Kondensatoi 5 10 proportionale Gleichspannung, die am Widerstand 34 abfällt. Die am Widerstand 34 anstehende Spannung wird in einem nachstehend beschriebenen Regelkreis als Sollwert der Regelgröße verwendet. Bestandteil dieses Regelkreises ist auch der Widerstand 40, über den der Betriebsstrom des Oszillators 22 und der Betriebsstrom des ersten Differenzverstärkers 50 fließt. Diese Ströme rufen am Widerstand 40 einen Spannungsabfall hervor, der den Istwert der Regelgröße bildet.

Der Istwert beaufschlagt die Basis des Transistors 54 des Differenzverstärkers 62, während an der Basis des Transistors 56 der Sollwert ansteht. Die am Widerstand 40 abfallende Spannung, die dem Transistor 54 zugeführt wird, unterliegt einer Glättung durch den Kondensator 36 in Verbindung mit dem Widerstand 38.

An den Kollektoren der Transistoren 54 und 56 steht eine der Regelabweichung entsprechende Spannung zur Verfügung, die den ersten Differenzverstärker 50 beaufschlagt Der zweite Differenzverstärker 62 übt neben seiner eigentlichen Funktion der Differenzverstärkung noch eine weitere aus, die in der Gleichrichtung der negativen Halbwelle des über den Kondensator 10

fließenden Stroms besteht Der Strom teilt sich im Differenzverstärker 62 auf. Der Transistor 5b mißt den Sollwert und der Transistor 54 den Istwert. Diesen unterschiedlichen Werten entsprechen unterschiedliche Kollektorströme. Beide Kollektorströme ergeben zusammen den Meßsignalstrom und fließen als eingeprägter Strom über den positiven Anschluß des Meßumformers 16. Da die Regelabweichung jedoch sehr klein gehalten wird, stimmen die beiden Kollektorströme praktisch überein. Aufgrund dieser Doppelfunktion des Differenzverstärkers 62 können die Eingänge mit Spannungen bis zu Null Volt beaufschlagt werden, ohne daß dem negativen Anschluß des Meßumformers 16, der an die Ader 20 gelegt ist, Strom entzogen wird.
Der Differenzverstärker 50 erzeugt ein der Regelabweichur.g proportionales verstärktes Signal, das über den Widerstand 48 der Basis des Transistors 42 zugeführt wird, der den Betriebsstromfluß über den Oszillator 22 bestimmt Daher bildet der Transistor 42 das Stellglied des die Elemente 32,34,36,38,40,42,48,50, 58, 60 und 62 umfassenden Regelkreises, dessen Regelgröße der Betriebsstrom des Oszillators 22 ist Je nach dem Vorzeichen und der Größe des Unterschieds zwichen dem Soll- und Istwert wird der Basisstrom des Transistors 42 erhöht oder vermindert, so daß sich über eine entsprechende Anpassung des Istwertes eine Verkleinerung der Regelabweichung ergibt Der Betriebsstrom des ersten Differenzverstärkers 50 fließt über den Widerstand 52 zum Widerstand 40 und wird daher in

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den Istwert einbezogen.

Die Höhe der Spannung am Kollektor des Transistors 28 hängt von der Einstellung des Wertes des Widerstandes 34 ab. Diese Spannung wird durch die Regelung auch am Widerstand 40 und an der Basis des Transistors 28 hervorgerufen. Daher stellt sich am Transistor 28 eine konstante Kollektor-Basis-Spannung ein. Der Kondensator 36 dient nicht zur Glättung der am Widerstand 40 abfallenden Istwertspannung, sondern auch zur wechselstrommäßigen Abstützung der Basen der Transistoren 28 und 54. Gleiches gilt für den Kondensator 32 im Hinblick auf den Transistor 56.

Die vorstehend erläuterte Schaltungsanordnung ermöglicht einen Stromfluß bei beiden Sinushalbwellen. In der einen Haibperiode leitet der Transistor 28 und in der anderen Halbperiode der zweite Differenzverstärker 62 den über den Kondensator 10 fließenden Strom. Daraus ergeben sich mehrere Vorteile. Einerseits wird die Symmetrie der in de;i beiden Halbperioden über den Kondensator fließenden Ströme nicht gestört und andererseits ist die Störbeeinflußbarkeit sehr gering.

Beide Halbwellen des durch den Kondensator 10 fließenden Stroms erzeugen somit auf den Adern 18, 20 einen eingeprägten Strom, der von der Leitungsimpedanz unabhängig ist.

Mit der Kapazität des Kondensators 64 läßt sich der Anfangspunkt der Messung einstellen.

Der Strombedarf des Oszillators 22 hängt von den Verlusten des Schwingungskreises, den Verlusten bei dtr Regelung einer stabilisierten Wechselspannung und von der im Kondensator 10 eingespeisten Energie ab, die insbesondere bei verlustbehafteten Kapazitäten einen hohen Anteil in Anspruch nimmt. Bei der Füllstandsmessung mittels kapazitiver Sonden sind die Ströme über die Verlustwiderstände bei niedrigen Füllständen klein und wachsen mit steigenden Füllständen an. Bei maximalem Füllstand tritt die größte Verlustleistung auf, die eine entsprechende maximale Belastung des Oszillators 22 hervorruft. Der Ruhestrombedarf des Oszillators 22 ist wegen dieses Sachverhalts bei niedrigen Füllständen, die neben kleinen Verlustströmen auch kleine kapazitive Ströme verursachen, sehr klein. Ober eine Einstellung des Kondensators 64 kann der Ruhestrombedarf des Oszillators 22 für einen durch den Kondensator 64 bestimmten Anfangswert auf beispielsweise 4 mA festgelegt werden. Dieser Mindeststrom fließt ständig über die Adern 18, 20. Dieser geringe Strom wird nicht zuletzt durch die Art der Schaltung und Betriebsweise des zweiten Differenzverstärkers erreicht, der nur während seiner Betriebsweise als kontaktloses Schaltelement zugleich mit Betriebsstrom versorgt wird. Der zweite Differenzverstärker verbraucht somit nur während einer Haibperiode des den Kondensator durchfließenden Stroms einen Betriebsstrom, der überdies dem Strom in dem Kondensator proportional ist.

Ein eigener Anteil des Grundstroms für die Versorgung des zweiten Differenzverstärkers ist daher nicht erforderlich.

Mit der Zunahme der zu messenden Kapazität erzwingt die Regelung einen höheren Strom, der als Meßsignalstrom dem Ruhestrom überlagert wird. Dieser zusätzlich über die Adern 18, 20 fließende Strom ist der Kapazität des Kondensators 10 proportional und wird in einer nicht dargestellten Auswertschaltung weiterverarbeiteL Durch die Regelung wird der Einfluß von Temperaturänderungen oder Änderungen der Kennlinien der Oszillatorbauelemente, zum Beispiel infolge Alterung, auf den über die Adern 18, 20 übertragenen Meßsignalstrom ausgeschaltet.

Der Oszillator 22 ist mit einem zweiten Regelkreis ausgestattet, durch den eine stabile gleichbleibende Wechselspannung erzeugt wird. Diese Wechselspannung muß trotz veränderlicher Oszillatorstrjmaufuahmc und schwankender Meßkreisbeiastung konstant bleiben.

Erreicht die Spannung an der Primärwicklung 44 einen Wert, der gleich der Summe der Zenerspannung der Diode 72 und der Schleusenspannung der Diode 74 ist, dann beginnt in diesem, parallel zur Primärwicklung 44 geschalteten Zweig ein Strom zu fließen. Die Primärwicklung 44 wird durch den Widerstand 76 belastet. Hierdurch wird eine Art »elastische Spannungsklemmung« erzielt, das heißt, der Spannungsanstieg verlangsamt sich. Die Diode 74, die Zenerdiode 72 und der Widerstand 76 bewirken somit eine Grobstabilisierung der Wechselspannung für den Kondensator 10.

Zusätzlich zu dieser Grobstabilisierung wird mittels des Transistors 70 und des veränderbaren Widerstands 68 eine sehr genaue Feinstabilisierung erreicht. Der Transistor 70 fühlt zusätzlich die Spannung an der Primärwicklung 44 ab. Der Einfluß schwankender Temperaturen auf die Basis-Emitter-Spannung des Transistors 70 wird durch die Zenerdiode 72 kompensiert.

Wenn die Zenerdiode 72 Strom führt, entsteht am Emitter des Transistors 70 ein Potential, das um die Zenerspannung niedriger als der Scheitelwert der von dem unteren Teil der Primärwicklung 44 erzeugten Spannung ist. Sobald dieses Potential das Basispotential übersteigt, wird der Transistor 70 leitend und verändert die Ansteuerung des Feldeffekttransistors 68. Dadurch erhöht sich der Widerstand im Basiskreis des Transistors 42. Dem Transistor 42 wird über diesen Widerstand eine Spannung vorgegeben, die zu einer Verkleinerung des Kollektor-Wechselstroms führt. Diese Spannung stammt von dem zwischen der Anzapfung 46 und dem am Widerstandsanschluß 76 liegenden Teil der Primärwicklung 44.

Der über den Transistor 70 und den Widerstand 68 sowie den Kondensator 66 eingespeiste Strom wirkt somit dem Spannungsanstieg in der Primärwicklung des Übertragers 24 entgegen und begrenzt die Am/itude auf einen gleichbleibenden Wert.

Die zweite Regelschleife, deren Bestandteile der Transistor 70, der Feldeffekttransistor 68 und der Kondensator 66 sind, wirkt daher auf das Stellglied, den Transistor 42, ausschließlich dynamisch ein. Beide Regelkreise sind voneinander entkoppelt und arbeiten daher unabhängig voneinander. Der Transistor 42 wird daher mehrfach ausgenutzt, wodurch sich eine starke Vereinfachung des Aufbaus des Meßumformers 16 ergibt.

Auch der Widerstand 34, der vom Oszillatorstrom durchflossen wird, übt zugleich mehrere Aufgaben aus. Einerseits bildet dieser Widerstand den Arbeitswiderstand im Emitterkreis des Oszillators und andererseits dient er zur Erzeugung des Istwerts der Regelgröße. Diese Maßnahme vermindert ebenfalls den Aufwand im Meßumformer 16.

Damit der Kollektorstrom des Transistors 42 von der Basis-Wechselspannung abhängt, darf der Emitterwiderstand 40 nicht durch Kondensatoren überbrückt werden.

Der Emitter des Transistors 42 sollte nicht von anderen dynamischen Signalen beeinflußt werden, daher sind in den Zuleitungen zum Emitter die hochohmischen Widerstände 38, 52 und 80 eingefügt Der Mittelwert des

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Istwerts tritt an dem aus dem Widerstand 38 und dem Kondensator 36 bestehenden Integrierglied auf. Der Kondensator 78 dient zur Glättung der Ansteuerung des Feldeffekttrensistors 68.

Über den Widerstand 34 kann die Meßspanne eingestellt werden. Wenn zum Beispiel über den Bereich der Änderung der Kapazität 10 eine Änderung des Meßsignalstroms von 4 mA bis 20 mA gewünscht wird, kann dies durch eine entsprechende Justierung des Widerstands 34 erreicht werden. Der aktive Meßumformer 16 läßt sich mittels des Kondensators 64 und des Widerstands 34 den Gegebenheiten einer Sonde derart anpassen, daß ein genormtes Einheitssignal an die Adern 18, 20 abgegeben wird.

Wahlweise kann auch der vom Oszillatorstrom durchfjossene Widerstand 40 einstellbar ausgebildet sein. Über den Widerstand 40 kann die Meßspanne ebenfalls verändert werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (14)

29 Ol Patentansprüche:

1. Anordnung zur Erzeugung eines von einem kapazitiven Meßfühler abhängigen Meßsignals mit einer für die Übertragung des Meßsignals bestimmten Zweileiterverbindung, an die der kapazitive Meßfühler über einen aktiven Meßumformer gelegt ist, der einen den Meßfühler mit einer Wechselspannung versorgenden Oszillator und eine Regelschaltung für die Regelung des Meßsignals in Abhängigkeit von der Meßgröße des Meßfühlers enthält, wobei sowohl das Meßsignal als auch die Energie für den aktiven Meßumformer auf der Zweileiterverbindung übertragen wird und wobei an den Meßfühler kontaktlose Schaltelemente zur polaritätsabhängigen Anschaltung des Meßfühlers an verschiedene Stromzweige angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßfühler ein Kondensator ruh nur einer zu messenden Kapazität (10) ist, die in an sich bekannter Weise an eine gleichbleibende Wechselspannung gelegt ist, daß der über die Kapazität (10) fließende Strom wechselweise dem Meßsignal auf der Zweileiterverbindung (18,20) als eingeprägter Strom oder einem Widerstand (34) und einem Kondensator (32) für die Bildung des Sollwerts einer Regelgröße zugeführt wird, deren Istwert dem Strom über den aktiven Meßumformer proportional ist, und d;iß vom Regelabweichungssignal ein SieUglied (42) im Oszillator (22) für die Beeinfassung des vom Oszillator (22) aufgenommenen Stroms gesteuert ist, durch cen die Zweileiterverbindung (18,20) mn einem dem Meßsignal entsprechenden Stromanteil beaufschlagt .st.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der vom Oszillator (22) aufgenommene Strom über einen Widerstand (40) geleitet wird, dessen Spannungsabfall der Istwert der Regelgröße ist, daß die Eingänge einen Differenzverstärkers (62) je mit dem Sollwert und dem Istwert beaufschlagt sind und daß das Stellglied (42) im Oszillator (22) von einem dem Signal an den Ausgängen des Differenzverstärkers (62) proportionalen Signal beaufschlagt ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillator (22) einen Obertrager (24) enthält, dessen Sekundärkreis den Kondensator mit der zu messenden Kapazität (10) speist.

4. Anordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der vom Strom des Oszillators (22) durchflossene Widerstand (40) und der für die Erzeugung des Sollwerts der Regelgröße vorgesehene Widerstand (34) verschieden große Werte aufweisen.

5. Anordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgänge des Oszillators (22) einerseits über den Kondensator mit der zu messenden Kapazität (10) an Bezugspotential und andererseits über die Emitter-Kollektor-Strecke eines Transistors (28) an den Widerstand (34) und den Kondensator (32) angeschlossen sind, daß die Basis des Transistors (28) mit dem vom Strom des Oszillators (22) durchflossenen Widerstand (40) verbunden ist und daß der an seinen Eingängen jeweils vorn Ist- und vom Sollwert der Regelgröße beaufschlagte Differenzverstärker (62), der einen weiteren Differenzverstärker (50) speist, bei der einen Polarität des durch den Kondensator

(10) fließenden Stroms als Differenzverstärker und kontaktloses Schaltelement den Strom übernimmt und bei der anderen Polarität des Stroms nichtleitend ist.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Halbperiode des den Kondensator mit der zu messenden Kapazität (10) durchfließenden Stroms der Differenzverstärker («2) und in der anderen Halbperiode der Transistor (28) als kontaktloses Schaltelement den Strom des Kondensators mit der zu messenden Kapazität (10) weiterleitet

7. Anordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Eingang des Differenzverstärkers (62) mit dem vom Strom des Oszillators (22) durchflossenen Widerstand (40) und der andere Eingang mit dem Widerstand (34) und dem Kondensator (32) verbunden ist, daß der Differenzverstärker (62) als Eingangsstufen zwei Transistoren (54, 56) aufweist, deren Emitter gemeinsam an einen Ausgang des Oszillators (22) und deren mit Kollektorwiderständen (58, 60) verbundene Kollektoren je an die Eingänge des weiteren Differenzverstärkers (50) gelegt sind.

8. Anordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Differenzverstärker (62) während der Betriebsweise als kontaktloses Schaltelement zugleich mit Betriebsstrom versorgt wird.

9. Anordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Differenzverstärker (62) nur während einer Halbperiode des den Kondensator mit der zu messenden Kapazität (10) durchfließenden Stroms Betriebsstrom verbraucht und daß dieser Strom dem Strom durch den Kondensator mit der zu messenden Kapazität (10) proportional ist

10. Anordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillator (22) einen Transistor (42^vi enthält, über dessen Kollektor-Emitter-Strecke der Betriebsstrom für die Bildung des Istwerts der Regelgröße in den Widerstand (40) eingespeist wird, während die Basis des Transistors (42) an den Ausgang des weiteren Differenzverstärkers (50) gelegt ist.

11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor (42) des Oszillators (22) zugleich als den Strom bestimmendes Stellglied und unabhängig davon als Stellglied für die Aufrechterhaltun^ einer stabilisierten Wechselspannung vorgesehen ist.

12. Anordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zur Primärwicklung (44) des Übertragers (24) im Oszillator (22) die Reihenschaltung einer Zenerdiode (72), einer Diode (74) und eines Widerstands (76) zur Grobstabilisierung der vom Oszillator (22) erzeugten Wechselspannung gelegt ist.

13. Anordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärwicklung (44) des Übertragers (24) eine Anzapfung (46) aufweist, die mit der Basis eines zusätzlichen Transistors (70) verbunden ist, dessen Emitter an die Anoden der Zenerdiode (72) und der Diode (74) angeschlossen ist und daß der Kollektor des zusätzlichen Transistors (70) an die Steuerelektrode eines veränderbaren Widerstands (68) gelegt ist, der zur Feinregelung der stabilisierten Wechselspannung in Reihe mit einem Kondensator (66) zwischen das eine Ende der Primärwicklung (44) und die Basis des

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It Transistors (42) im Oszillator (22) geschaltet ist

K

14. Anordnung nach Ansprach 10 oder einem der

ψ folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Wider-

I ν stand (40) zugleich als Arbeitswiderstand für den

Ψ: Transistor (42) des Oszillators und als Istwert-Wi-