DE2924711C3

DE2924711C3 - Füllstandsmesser

Info

Publication number: DE2924711C3
Application number: DE19792924711
Authority: DE
Inventors: Paul R. 8000 Muenchen Reimer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1979-06-19
Filing date: 1979-06-19
Publication date: 1982-03-11
Also published as: DE2924711B2; DE2924711A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Füllstandsmesser zur Messung des Füllstandes von mit einem Medium, wie z. B. Flüssigkeiten, Granulaten und Pulvern

-" gefüllten Behältern, mit einem Hochfrequenzgenerator, einer Auswerte- und Anzeigeeinrichtung und einer Meßimpedanz, die gegen den direkten Angriff des Mediums geschützt ist und die in das Medium eingetaucht und mit dem Hochfrequenzgenerator

-⁵ gekoppelt ist.

Es ist eine Vielzahl von Füllstandsmessern bekannt, die die verschiedensten Techniken und Parameter verwenden. Beispiele hierfür sind Schwimmer-Füllstandsmesser, mit Strömungsmedien arbeitende Druck-

^J0 meß-Füllstandsmesser sowie auf der Messung elektrischer Parameter beruhende Füllstandsmeßverfahren.

So ist beispielsweise ein Füllstandsmesser bekannt (DE-AS 12 43 891), der nach dem induktiven Verfahren arbeitet und bei dem die Meßimpedanz eine Primär-

^J5 wicklung, die aus einem Wechselstromgenerator mit einer Frequenz von 50 Hz gespeist wird, und eine Sekundärwicklung umfaßt, deren Ausgangsspannung gemessen und ausgewertet wird. Zumindest die Sekundärwicklung ist in das Medium eingetaucht, das die Kopplung zwischen den beiden Wicklungen beeinflußt. In jedem Fall ist jedoch die Meßimpedanz gegen den direkten Angriff des Mediums geschützt. Dieser Füllstandsmesser eignet sich jedoch lediglich für Medien, die die Kopplung zwischen den beiden Wicklungen in nennenswertem Ausmaß beeinflussen.

Weiterhin ist ein Füllstandsmesser bekannt (US-PS 33 26 043), bei dem die Meßimpedanz durch eine Vielzahl von in Axialrichtung hintereinander aufgereihten Induktivitäten gebildet ist, deren Induktivitätswert

^V) mit dem Induktivitätswert einer Bezugsinduktivität verglichen wird. Die Induktivitäten sind außerhalb eines das Medium enthaltenden Behälters angeordnet und damit gegen den direkten Angriff des Mediums geschützt, und ihr Induktivitätswert wird geändert,

" wenn sich das Medium innerhalb des Innenumfangs der Induktivitäten befindet. Hierbei ergibt sich jedoch keine kontinuierliche Anzeige des Füllstandes und weiterhin ist der Aufwand relativ groß.

Es ist schließlich ein Füllstandsmesser der eingangs genannten Art bekannt (DE-AS 12 42 891), bei dem die Meßimpedanz durch einen Meßkondensator gebildet ist, dessen Kapazität durch den Füllstand verändert wird und der von einem zur Kapazität direkt proportionalen Hochfrequenz-Meßstrom durchflossen wird, der damit

⁶^ ein Maß des Füllstandes liefert. Zur Erzielung einer ausreichenden Genauigkeit und hohen Auflösung über weite Meßbereiche sind jedoch erhebliche Meßströme erforderlich und die Genauigkeit der Messung hängt

unter anderem von der Frequenzstabilität des Hochfrequenzgenerators ab.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Füllstandsmesser der eingangs genannten Art zu schaffen, der bei einfachem Aufbau die Messung des ί Füllstandes für beliebige Medien mit hoher Genauigkeit ermöglicht

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebene Erfindung gelöst.

Der erfindungsgemäße Füllstandsmesser ermöglicht m die Messung des Füllstandes von praktisch beliebigen Medien wie Flüssigkeiten, Granulaten und Pulvern, unabhängig davon, ob diese leitend oder nichtleitend sind, wobei die Messung über einen Temperaturbereich von 0° Kelvin bis ca. 1500" Kelvin anwendbar ist. Der ι ^ erfindungsgemäße Füllstandsmesser nutzt die Tatsache aus, daß die Induktivität jeder Hochfrequenzspule bzw. die Kapazität von in das Medium eingetauchten galvanisch isolierten Kondensatorbelägen durch die verschiedenen umgebenden Medien unabhängig davon, 2<) ob diese leitend, nichtleitend, magnetisch, paramagnetisch oder diamagnetisch sind, eine Ändemng erfährt Diese Änderungen können in Abhängigkei: von den Medien unterschiedlich sein, sie sind in jedem Falle meßbar. Das erfindungsgemäße Meßprinzip ermöglicht beispielsweise sehr genaue Messungen bei flüssiger Luft (87° Kelvin) als auch bei flüssigem Blei (600° Kelvin) durchzuführen.

Durch entsprechende Materialauswahl für die die Induktivität bildende Spule, die als Meßimpedanz J» verwendet wird, können weiterhin sehr geringe Temperaturkoeffizienten erzielt werden und durch Verwendung einer Wicklung mit progressiver Steigung kann eine Linearisierung des Frequenzganges in Abhängigkeit von dem Füllstand erzielt werden. Bei agressiven Medien kann die Wicklung beispielsweise in einen Quarzstab bzw. ein Glas mit sehr kleinem Temperaturkoeffizienten eingeschmolzen werden, so daß sich ein zuverlässiger Schutz der Induktivität gegen äußere Einflüsse ergibt

Bei Ausgestaltung der Meßimpedanz als Kapazität können die Kondensatorbeläge vorzugsweise durch auf die Außenfläche oder Innenfläche eines Ifolierrohres aufgebrachte Metallisierungen gebildet sein, die gegen den direkten Angriff des Mediums geschützt sind. «

Vorzugsweise wird die durch die Füllstandsänderung hervorgerufene Frequenzänderung des Oszillators nicht direkt gemessen, sondern es wird ein zweiter im wesentlichen gleicher Oszillator aufgebaut, der räumlich sehr eng mit dem ersten Oszillator vereinigt wird, so daß so äußere Einflüsse auf dieiie beiden Oszillatoren gleiche Frequenzänderungen hervorrufen. Die Ausgangssignale der beiden Oszillatoren werden miteinander gemischt und das sich ergebende Differenzsignal wird als Nutzsignal verwendet und der Auswerteschaltung zugeführt Auf diese Weise ergibt sich eine noch weitergehende Verbesserung der Genauigkeit des Füllstandsmessers. Die beiden Resonatoren der beiden Oszillatoren sind vorzugsweise in Form eines monolithischen dreipoligen Quarzresonators ausgebildet, wodurch sich einerseits eine Verringerung des Raumbedarfes und andererseits eine verbesserte Gleichheit der elektrischen Parameter ergibt.

Dieser dreipolige Resonator kann vorzugsweise gleichzeitig die Mischstufe zur Mischung der Ausgangssignale der beiden Oszillatoren bilden, so daß sich ein sehr kompakter Aufbau ergibt. Der weitere Oszillator weist in seinem frequerui.bestimmenden Kreis vorzugsweise eine ZiehkapazitU oder Ziehinduktivität auf, mit der ein Nullabgleich des Füllstandsmessers durchgeführt werden kann.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen noch näher erläutert

In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 ein verallgemeinertes Blockschaltbild einer Ausführungsform des Füllstandsmessers,

Fig.2 eine Ausführungsform der Induktivität des Füllstandsmessers nach Fi g. 1,

Fig.3 ein ausführlicheres Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform des Füllstandsmessers.

In Fig. 1 ist ein verallgemeinertes Blockschaltbild einer Ausführungsform des Füllstandsmessers dargestellt Dieser Füllstandsmesser weist eine die Meßimpedanz bildende Induktivität L auf, die mit einem ersten Oszillator O-, verbunden ist, der vorzugsweise als Quarzoszillator ausgebildet ist, wöbe: die Induktivität L als Ziehinduktivität für den Quarzresonator wirkt Das Ausgangssignal des Oszillators O\ wird einem Eingang einer Mischstufe M zugeführt, deren anderem Eingang das Ausgangssignal eines zweiten Oszillators Oi zugeführt wird. Dieser zweite Oszillator ist ebenfalls vorzugsweise als Quarzoszillator ausgebildet wobei eine Ziehkapazität C eine Änderung der Frequenz des Oszillators Oi in gewissen Grenzen ermöglicht Die Schwingfrequenz der Oszillatoren O\ und Oi ist vorzugsweise im wesentlichen gleich, wobei mit Hilfe der Ziehkapazität C bei einem Füllstand von 0 ein Nullabgleich des Füllstandsmessers durchgeführt werden kann.

Das die Differenzfrequenz darstellende Ausgangssignal der Mischstufe M wird einer Auswerte- und Anzeigeschaltung A zugeführt, die entweder eine Analog- oder Digital-Frequenzanzeigeschaltung einschließen kann. Die den Meßgeber bildende Induktivität L wird in das Medium, dessen Füllstand zu messen ist, eil getaucht wodurch sich der Induktivitätswert dieser Induktivität in Abhängigkeit von dem Füllstand sowie den dielektrischen und magnetischen Eigenschaften des Mediums ändert. Da die dielektrischen und magnetischen Eigenschaften der meisten in Frage kommenden Medien bekannt und konstant sind, kann an Hand der auftretenden Änderung des Induktivitätswertes und damit der Ausgangsfrequenz des Oszillators O\ der Füllstand bestimmt werden, wobei die relative Frequenzänderung am Ausgang der Mischstufe M wesentlich größer ist als die relative Frequenzänderung des Oszillators O\ und weiterhin der Vorteil erzielt wird, daß auf Grund von Temperaturänderungen oder Betriebsspannungsänderungen auftretende Änderungen der Schwingfrequenz d?r Oszillatoren kompen iv.xX werden.

Die Meßimpedanz kann auch durch eine Kapazität gebildet sein, die beispielsweise die Form eines Isolierrohres mit auf der Außen- oder Innenfläche, aufgebrachten hietallbelägen aufweist, das in das Medium eingetaucht wird. Diese Ausführungsform ist insbesondere für die Messung geringer Füllhöhen in Flüssigkeiten geeignet. Die Metalleinlage können ebenfalls zur Linearisierung eine entsprechende angenähert dreieckige Form mit sich progressiv vergrößernder Breite aufweisen. In diesem Fall kann die zum Nullabgleich dienende Ziehkapazität auch durch eine Ziehinduktivität ersetzt werden.

In I i g. 2 ist eine Ausfiihrungsform der Induktivität /. nach I'ig. 1 dargestellt. Diese Induktivität besteht aus einer Wicklung I. die auf einen Körper 3. vorzugsweise aus Quarzglas aufgebracht ist und die entweder in diesen Körper 3 eingeschmolzen oder durch eine isolierende Schicht 2 geschützt ist. Die Windungen der Induktivität /. können entweder mechanisch auf den Körper 3 aufgewickelt oder durch Einbrennverfahren, Aufdampfverfahren oder Materialzerstäubung aufgebracht werden. Das Material des Körpers 3 besteht vorzugsweise aus Glas. Quarz, Keramik, Glaskeramik oder ,ims .Sintermetalloxyden oder Saphir, um eine geringe Wärmeausdehnung zu erzielen, die zu einer Frequenzänderung führen würde. Weiterhin sollten diese Materialien gegenüber dem Medium, dessen Füllstand gemessen werden soll, ausreichend widerstandsfähig sein. Die Isolierung der Induktivität kann dadurch erfolgen, daß die Windungen der Induktivität in das Grundmaterial des Körpers 3 eingeschmolzen werden oder daß eine aufgeschrumpfte Kunststoffhülse aufgebracht wird. Weiterhin ist es möglich, die Wicklung durch llberspritzen mit einem Kunststoff zu isolieren oder es kann ein thermisches Glasierverfahren sowie ein Hochvakuiim/.erstäubungsverfahren zum Aufbringen einer ausreichenden und widerstandsfähigen Isolation verwendet werden.

Wie aus I i g. 2 zu erkennen ist, ist der Abstand der einzelnen Windungen I der Induktivität nicht konstant. Der Verlauf der Windungsabstände ist so gewählt, daß sich eine möglichst lineare Anzeige des Füllstandes ergibt.

Die Steigung der Wicklung kann entweder empirisch oder rechnerisch in Abhängigkeit von dem Schwingverhalten des Oszillators Oj festgelegt werden. Die auf die vorstehend beschriebene Weise hergestellte Spule ergibt auf Grund der erzielbaren mechanischen Stabilität sehr genaue elektrische Werte.

In F ι g. 3 ist ein ausführliches Schaltbild einer Ausführungsform des Füllstandsmessers dargestellt. Bei dieser Ausführungsform sind die beiden Quarzresonatoren der Quarzoszillatoren O_: und O; nach F i g. I zu einem gemeinsamen monolithischen Quarzresonator R mit drei F.lektroden vereinigt. Auch die aktiven Elemente, d. h. die Schwingtransistoren Q.. Q der Oszillatoren sind in Form eines Doppeltransistors ausgebildet, so daß sich eine sehr weitgehende Identität der elektrischen Werte der beiden Oszillatoren ergibt. In den Kreis des mit dem Transistor Qi verbundenen Resonatorabschnittes ist die Induktivität L als Ziehinduktivität eingeschaltet während in den Kreis des mit dem Transistor O₂ verbundenen Resonatorabschnittes eine Ziehkapazität C eingeschaltet ist. Diese Ziehkapazität C ermöglicht einen Nullabgleich des Füllstandsmessers und nachfolgende Temperatur- und Betriebsspannungsänderungen rufen gleiche Änderungen der Schwingfrequenz der beiden Oszillatoren O₁. Oi hervor, so daß diese Änderungen ohne Einfluß auf die Differenzfrequenz bleiben. Diese Differenzfrequenz wird an der dritten Elektrode des Resonators R abgenommen, so daß sich die Verwtndung einer getrennten Mischstufe erübrigt.

Dieses die Differenzfrequenz darstellende Ausgangssignal des Resonators R wird einer Verstärkerstufe zugeführt, an deren Ausgang über ein Siebglied mit der Drossel Di und den Kondensatoren Ci. C₄ das Ausgangssignal zur Verfugung steht, das einer Anzeige schaltung zugeführt werden kann. Diese Anzeigeschaltung kann entweder eine Analoganzeige oder eine Digitalanzeige der Differenzfrequen/ liefern, wobei eine Linearisierung des Verhältnisses zwischen dem Füllstand und der Differcnzfrequcnz durch entsprechende Steigung der Wicklung der Induktivität /. erzielt werden kann.

Die beiden Oszillatoren nach Fig. 3 sind identisch aufgebaut, so daß im folgenden nur der den Transistor Qi einschließende Oszillator beschrieben wird. Entsprechende Bauelemente des Oszillators mit dem Transistor Qi sind mit den gleichen Bezugszeichen unter Anfügung eines Striches bezeichnet.

Der Oszillator Oi weist einen Basisspannungsleiler mit den Widersländen R). Ri sowie einen kapazitiven Spannungsteiler mit den Kondensatoren Ci. Cj auf. wobei der Mittelpunkt des Spannungsteilers mit den Widerständen Ri, R; mit der Basis des Transistors Q^ verbunden ist, während der Mittelpunkt des kapazitiven Spannungsteilers mit dem Emitter des Transistors O, verbunden ist. Das heiße Ende des kapazitiven Spannungsteilers ist ebenfalls mit der Basis des Transistors verbunden.

Der Emitter des Transistors Oi ist über einen Widerstand R\ mit Erde verbunden während der Kollektor dieses Transistors direkt mit dem nicht mit Erde verbundenen Pol der Betriebsspannungsquelle verbunden ist. Der monolithische Resonator R ist einerseits mit Erde verbunden und die dem Transistor Oi zugeordnete Elektrode ist übe·· die Induktivität L mit der Basis des Transistors Qi verbunden.

Der die Differenz verstärkende Verstärker ist in üblicher Weise aufgebaut und weist ebenfalls einen Basisspannungsteiler mit den Widersländen Rx und /?, sowie einen Emitterwiderstand Rt auf. Der Kollektor ist über eine Drossel D\ mit der Betriebsspannung verbunden und das Ausgangssignal wird an diesem

■'■ Kollektor über einen Kondensator G, dem Siebglied zugeführt.

Die beiden Oszillatoren können zu einer sehr kompakten Einheit vereinigt werden, so daß Temperatur- und Betriebsspannungsänderungen gleiche Auswir-

■^ kungen auf die Resonanzfrequenz der beiden Oszillatoren haben und diese Frequenzänderungen keine Auswirkung auf die Differenzfrequenz haben. Der Betriebsspannungsbedarf dieses Zustandsmessers ist sehr gering und es ergibt sich eine sehr hohe

vi Genauigkeit, die um mehrere Größenordnungen gegenüber bekannten Meßverfahren verbessert if Die Schwingfrequenz des monolithischen Quarzresonators R kann beispielsweise bei etwa 8MHz liegen, da bei diesen Frequenzen der Kristall klein ist und gleichzeitig eine hohe Stabilität aufweist

Selbstverständlich ist es auch möglich, die mit dem Quarzresonator verbundene Oszillatorschaltung anders aufzubauen, wofür eine Vielzahl von bekannten und vielfältig angewendeten Schaltungen zur Verfugung steht. Beispielsweise kann die gesamte Oszillatorschaltung ohne den monolithischen Quarzresonator R, die Ziehinduktivität L und den Abstimmkondensator C in Form einer einzigen integrierten Schaltung ausgebildet sein.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Füllstandsmesser zur Messung des Füllstandes von mit einem Medium, wie z, B. Flüssigkeiten, ' Granulaten und Pulvern gefüllten Behältern, mit einem Hochfrequenzgenerator, einer Auswerte- und Anzeigeeinrichtung und einer Meßimpedanz, die gegen den direkten Angriff des Mediums geschützt ist und die in das Medium eingetaucht und mit dem »' Hochfrequenzgenerator gekoppelt ist, gekennzeichnet durch die Vereinigung folgender Merkmale:

a) der Hochfrequenzgenerator (O₁) ist ein hoch- ,-stabiler Quarzoszillator;

b) die Meßimpedanz (L) bildet die Frequenz-Ziehinduktivität bzw. -Ziehkapazität des Quarzoszillators (Ot);

c) der Ausgang des Quarzoszillators (Ot) ist mit dem Eingang der Auswerte- und Anzeigeeinrichtung verbunden, die die Frequenz des Ausgangssignals des Quarzoszillators auswertet

2. Füllstandsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die Meßimpedanz bildende Induktivität durch eine Wicklung (1) gebildet ist, die auf einem Körper j(3) aus Glas, Quarz, Keramik angeordnet ist.

3. Füllstandsmesser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Windungen (1) der Induktivität (L) auf d?n Körper (3) aufgebrannt sind.

4. Füllstandsmesser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Windungen der Induktivität auf den Körper (3) aufgedampft sind.

5. Füllstandsmesser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Windungen der Induktivität in den Körper (3) eingeschmolzen sind.

6. Füllstandsmesser nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Steigung der Windungen der Induktivität von unten nach oben hin unterschiedlich ist.

7. Füllstandsmesser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Steigung der Windungen der Induktivität progressiv von unten nach oben hin ansteigt.

8. Füllstandsmesser nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das untere Ende der Wicklung koaxial im Inneren der Induktivität nach oben geführt ist.

9. Füllstandsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ziehkapazität durch auf die Außenfläche oder Innenfläche eines Isolierrohres aufgebrannte Metallbeläge gebildet ist.

10. Füllstandsmesser nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallbeläge zur Linearisierung eine angenähert dreieckige Form mit sich progressiv vergrößernder Breite aufweisen.

11. Füllstandsmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Quarzoszillators (Ot) sowie der Ausgang eines weiteren Quarzoszillators (Oi) mil jeweiligen Eingängen einer Mischstufe verbunden sind und daß das die Differenzfrequenz darstellende Ausgangssignal der Mischstufe der Auswerte- und Anzeigeeinrichtung zugeführt wird.

12. Füllstandsmesser nach Anspruch II, dadurch gekennzeichnet, daß die Quarzresonatoren der beiden Quarzoszillatoren (O\, O₂) gemeinsam als dreipoliger monolithischer Quarzkristall (R) ausgebildet sind, der gleichzeitig die Mischstufe (Abbildet.

13. Füllstandsmesser nach einem der Ansprüche 11, 12, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Quarzoszillator (O₂) eine Ziehkapazität (C) oder Ziehinduktivität zum Nullabgleich des Füllstandsmessers aufweist

14. Füllstandsmesser nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die aktiven Elemente der Quarzoszillatoren (O_x, O2) durch einen Doppeltransistor (Q\, Q) gebildet sind.