DE3127637A1

DE3127637A1 - "anordnung zur feststellung des fuellstands in einem behaelter"

Info

Publication number: DE3127637A1
Application number: DE19813127637
Authority: DE
Inventors: Volker 7850 Lörrach Dreyer; Hans-Jürgen Ing.(grad.) 7860 Schopfheim Franz
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 1980-08-01
Filing date: 1981-07-13
Publication date: 1982-03-25
Also published as: NL9200020A; SE8104632L; DE3127637C2; IT8123318A0; FR2487976B1; GB2081452B; FR2487976A1; NL187994B; CH652499A5; IT1137773B; NL187994C; US4412450A; NL8103569A; SE447305B; GB2081452A

Description

Patentanwälte-·-" "--" - *--" .:

Dipl.-Ing. Dipl.-Chem. 3 Dipl.-Ing.

E. Prinz - Dr. G. Hauser - G. Leiser

Ern s bergers trasse 19

8 München 60

13. Juli 1981

Endress u. Hauser GmbH u. Co.
Hauptstraße 1
7867 Maulburg

Unser Zeichen: E 1053

Anordnung zur Feststellung des Füllstands in einem Behälter

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Feststellung des Füllstands in einem Behälter, mit einer im Behälter isoliert angeordneten kapazitiven Sonde, deren Kapazität vom Füllstand abhängt, einem am Ort des Behälters angeordneten Meßwandler, der ein von der Sondenkapazität abhängiges Meßwertsignal erzeugt, und mit einem vom Behälter entfernt angeordneten Auswertegerät, das mit dem Meßwandler durch eine Zweidrahtleitung verbunden ist, über die einerseits die für den Betrieb des Meßwandlers erforderliche Gleichstromenergie vom Auswertegerät zum Meßwandler und andrerseits das vom Meßwandler gelieferte Meßwertsignal zum Auswertegerät übertragen werden.

Anordnungen dieser Art ergeben den Vorteil, daß zwischen dem Meßwandler und dem Auswertegerät nur eine einfache Zweidrahtleitung vorhanden ist, die sowohl zur Stromversorgung des Meßwandlers als auch zur übertragung

der Meßwertsignale dient. Die den Füllstand kennzeichnende Signalgröße ist, die Frequenz der vom Oszillator erzeugten Schwingungen; Meßwertsignale mit dieser Frequenz oder vorzugsweise mit einer daraus durch Frequenzteilung abgeleiteten niedrigeren Frequenz werden dem Versorgungsgleichstrom auf der Zweidrahtleitung überlagert. Das Auswertegerät stellt "die Frequenz der überlagerten Meßwertsignale fest . und gewinnt daraus eine Information über den Füllstand. Oft ist es nur erforderlich, das über- oder Unterschreiten eines vorbestimmten Maximal- oder Minimalfüllstandes festzustellen; solche Anordnungen werden dann als Grenzschalter bezeichnet.

Aus der DE-OS 27 01 184 ist es bekannt, zum Zweck der überlagerung der Meßwertsignale im Nebenschluß zu dem Meßwandler an die Zweidrahtleitung einen im Takt der Meßwertsignale gesteuerten Widerstandszweig anzuschließen. Die Meßwertsignale sind dann zusätzliche Stromimpulse, die dem über die Zweidrahtleitung übertragenen Versorgungsgleichstrom überlagert sind. Bei Anwendung dieser Maßnahme auf eine Anordnung der eingangs angegebenen Art drückt dann die Folgefrequenz der überlagerten Stromimpulse den Füllstand im Behälter aus.

Es ist auch möglich, die Frequenz des Oszillators in einen davon abhängigen Gleichstrom umzuwandeln und diesen Gleichstrom als Meßwertsignal dem Versorgungsgleichstrom auf der Zweidrahtleitung zu überlagern. Das Auswertegerät ist dann so ausgebildet, daß es auf die Änderungen des Gleichstroms anspricht. . ^:

Bei den bekannten Anordnungen dieser Art kann es jedoch vorkommen, daß Störungen an der Sonde oder im Meßwandler nicht erkannt oder sogar als falscher Füllstand gedeutet

werden. Bei bestimmten Anwendungsfällen kann sogar ein vollständiges Ausbleiben der Meßwertsignale, das beispielsweise durch einen Ausfall des Meßwandlers durch einen Sondenkurzschluß oder durch einen Sondenabriß verursacht wird, zu einer Fehlinterpretation führen. Bei verlustbehafteten Füllgütern kann es nämlich vorkommen, daß die Schwingungen des Oszillators infolge der starken Dämpfung aussetzen, wenn die Sonde vollständig vom Füllgut bedeckt ist. Vom Gesichtspunkt der Füllstandsmessung ist diese Erscheinung nicht nachteilig, weil das Aussetzen der Schwingungen als . Information "Behälter voll" gedeutet werden kann. Es besteht jedoch das Problem, daß im Auswertegerät nicht·erkanrt werden kann, ob das Ausbleiben der Meßwertsignale ein normaler Betriebszustand oder die Folge einer schwerwiegenden Störung ist.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Anordnung der eingangs angegebenen Art, bei der vorkommende Fehler und Störungen im Auswertegerät mit Sicherheit erkannt und von den normalen Betriebszuständen unterschieden werden können.

Nach der Erfindung wird dies durch eine im Meßwandler angeordnete Schaltvorrichtung zur Umschaltung von' der kapazitiven Sonde auf eine Testkapazität, die von jeder im normalen Betrieb vorkommenden Sondenkapazität verschieden ist, und durch eine Steueranordnung zur periodischen Betätigung der Schaltvorrichtung erreicht. '

Bei der Anordnung nach der Erfindung werden in jeder Betätigungsperiode der Schaltvorrichtung zwei verschiedene Arten von Meßwertsignalen übertragen, nämlich in einer Teilperiode (bei zugeschalteter Sonde) Meßwertsignale, die die Füllstandsinformationen ausdrücken, und in der anderen Teilperiode (bei abgeschalteter Sonde) Meßwertsignale, die der Testkapazität entsprechen und das richtige

Arbeiten des Meßwandlers anzeigen. Auf diese Weise können im Auswertegerät Fehler und Störungen erkannt werden.

Da die Sondenkapazität während der Test-Teilperiode vollkommen abgeschaltet ist, ist das Testsignal konstant und insbesondere unabhängig vom Füllstand im Behälter. Es unterscheidet sich ferner von jedem im Betrieb vorkommenden Füllstandsmeßsignal, so daß keine Gefahr einer Verwechslung besteht.

Die Anordnung nach der Erfindung eignet sich insbesondere für Meßwandler, die einen Oszillator enthalten, dessen Frequenz von der Sondenkapazität abhängt. In diesem Fall erzeugt der Oszillator bei jeder periodischen Betätigung der Schaltvorrichtung eine von der Meßfrequenz verschiedene Testfrequenz, die durch die Testkapazität bestimmt ist. Dadurch körinen im Auswertegerät Fehler und Störungen erkannt werden, die die Schwingfrequenz des Oszillators verändern und dadurch einen falschen Füllstand vortäuschen. Ferner kann auch bei verlustbehaftetem Füllgut eindeutig erkannt werden, ob das Aussetzen der Schwingungen auf einem Ausfall der Geräts beruht oder dem normalen Betriebszustand der vollständigen Bedeckung der Sonde entspricht. Im letzten Fall muß nämlich der Oszillator in den Teilperioden, in denen die Sonde abgeschaltet ist, wieder anschwingen, so daß in diesen Teilperioden ein Meßwertsignal mit der entsprechenden Folgefrequenz bzw. dem entsprechenden Gleichstromwert über die Zweidrahtleitung zum Auswertegerät übertragen wird. Im ersten Fall bleibt dagegen das Meßwertsignal vollständig aus, was bei der Anordnung nach der Erfindung stets eine Störung anzeigt.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß die kapazitive Sonde eine vom Behälter isolierte .'Sondenelektrode aufweist, über die ein von der Schaltvorrichtung gesteuerter galvanischer Stromkreis verläuft, und daß eine Detektorschaltung vorgesehen ist, die auf die durch die periodische Betätigung der Schaltvorrichtung im galvanischen Stromkreis erzeugten periodischen Stromimpulse anspricht und beim Ausfall der periodischen Stromimpulse die Übertragung einer diesen Ausfall kennzeichnenden Information zum Auswertegerät bewirkt.

Durch diese Weiterbildung kann insbesondere festgestellt werden, ob im Sondenanschluß ein Kurzschluß oder eine Unterbrechung besteht. In beiden Fällen empfängt nämlich die Detektorschaltung keine Stromimpulse mit der Folgefrequenz der Betätigung der Schaltvorrichtung, sondern ein konstantes Potential.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 das Blockschema einer Anordnung nach der Erfin-dung,

Fig. 2 das Schaltbild des Meßwandlers der Anordnung von Fig. 1,

Fig. 3 das Blockschema einer anderen Ausführungsform der Anordnung nach der Erfindung und

Fig. 4 das Blockschaltbild .einer Ausführungsform der Auswertegeräts.

Die in Fig. 1 gezeigte Anordnung dient zur Feststellung des Füllstands in einem Behälter 1, der eine Flüssigkeit oder ein Schüttgut enthält. Als Beispiel sei angenommen, daß es sich um die Feststellung eines vorbestimmten Minimal- oder Maximalgrenzstands handelt, so daß die Anordnung als Grenzschalter arbeitet. Im Behälter 1 ist eine kapazitive Sonde 2 angeordnet, deren Kapazität sich in Abhängigkeit vom Füllstand ändert. Ein am Ort des Behälters angeordneter elektronischer' Meßwandler 3 stellt die Änderungen der Kapazität der Sonde 2 fest und wandelt sie in impulsförmige ■ Meßwertsignale um,.die zu einem an entfernter Stelle angeordneten Auswertegerät 4 übertragen werden. Der Meßwandler 3 ist mit dem Auswertegerät über eine Zweidrahtleitung 5 verbunden; über diese Zweidrahtleitung erfolgt einerseits die Stromversorgung des Meßwandlers 3 durch eine am Ort des Auswertegeräts 4 angeordnete Gleichspannungsquelle 6 und andererseits die Übertragung der Meßwertsignale vom Meßwandler 3 zum Auswertegerät 4. In der üblichen Weise können die Meßwertsignale im Auswertegerät dazu benutzt werden, das Erreichen des zu erfassenden Minimal- oder■Maximalfüllstands anzuzeigen, oder auch zur Auslösung von Schaltvorgängen, mit denen beispielsweise ein Füll- oder Entleerungsvorgang eingeleitet oder beendet wird.

Der eine Leiter 5a der Zweidrahtleitung 5 verbindet eine Klemme 7a des Meßwandlers 3 mit einer Klemme 8a des Auswertegeräts 4, an die auch der Pluspol der Gleichspannungsquelle 6 unmittelbar angeschlossen ist. Der andere Leiter 5b der Zweidrahtleitung 5 verbindet eine Klemme 7b des Meßwandlers 3 mit einer Klemme 8b des Auswertegeräts 4, die über einen Schalter 9 mit dem Minuspol der Gleichspannungsquelle 6 in Verbindung steht.

Die kapazitive Sonde 2 weist eine stabförmige Sondenelektrode 10 auf, welche die eine Belegung der zu messenden Kapazität bildet/ während die andere Belegung durch die Metallwand des Behälters 1 gebildet ist. Die Sondenelektrode 10 kann durch einen vertikal im Behälter angeordneten Metallstab mit einer Dicke von etwa 12 mm gebildet sein, der durch eine isolierende Umhüllung vom Behälter 1 und dem darin enthaltenen Füllgut isoliert ist.

Eine Anschlußklemme 11a am Behälter 1 ist durch einen Leiter 12 direkt mit der Klemme 7a verbunden. Der Behälter 1 liegt somit auf dem Potential des Pluspols der Spannungsquelle 6. Da der Behälter 1 im allgemeinen geerdet ist und das Erdpotential zweckmäßig als Massepotential der elektronischen Schaltungen gewählt wird/.handelt es sich um eine Schaltung mit "Pluspol an Masse".

Die Stromversorgung der im Meßwandler 3 enthaltenen elektronischen Schaltungen erfolgt zwischen zwei Leitern 13 und 14/ von denen der Leiter 13 das positive Massepotential führt/ während der Leiter 14 das negative Potential führt. Der Leiter 13 ist aber nicht unmittelbar mit der Klemme 7a verbunden/ sondern an eine zweite Anschlußklemme 11b des Behälters 1 angeschlossen/ die im Abstand von der Anschlußklemme 11a liegt. Durch diese Maßnahme wird überwacht/ ob die vom Behälter 1 gebildete Belegung der Meßkapazität richtig angeschlossen ist. Wenn nämlich die Verbindung zwischen dem Behälter 1 und dem Pluspol der Spannungsquelle 6 an irgendeiner Stelle unterbrochen ist, ist auch die Stromversorgung des Meßwandlers 3 unterbrochen, so daß er keine Signale liefert. Das vollständige Ausbleiben von Signalen wird im Auswertegerät 4 als Anzeichen für das Bestehen eines Fehlers festgestellt.

Der Leiter 14 ist mit der Klemme 7b über eine ,Diode 15 verbunden, so daß der Versorgungsgleichstrom zum negativen Pol der Glexchspannungsquelle 6 zurückfließen kann, wenn der Schalter 9 geschlossen ist.

Zwischen den Leitern 13 und 14 ist ein Kondensator 16 angeschlossen, der im Betrieb im wesentlichen auf die Spannung der Gleichspannungsquelle 6 aufgeladen ist und als Energiespeicher wirkt.

Der Meßwandler 3 enthält einen HF-Oszillator 20, der über einen Schalter 17 mit einer Anschlußklemme 18a am einen Ende der stabförmigen Sondenelektrode 10 verbunden ist. Der Oszillator 20 ist so ausgebildet, daß er auf einer bestimmten Frequenz (beispielsweise etwa 400 kHz) schwingt, wenn der Schalter 17 geöffnet ist. Beim Schließen des Schalters 17 wird die zwischen den Klemmen 11b und 18a verhandene Sondenkapazität zur Schwingkreiskapazität des HF-Oszillators 20 hinzugeschaltet, so. daß die Schwingfrequenz .des Oszilliitors 20 in Abhängigkeit vom Wert der Sondenkapazität mehr oder weniger stark verringert wird. Der Wert der Sondenkapazität hängt vom Füllstand und von der Dielektrizitätskonstante des Füllguts ab; sie ist am kleinsten, wenn der Füllstand tiefer als das untere Ende der Sondenelektrode 10 ist, so daß die Sonde vollkommen von Luft als Dielektrikum umgeben ist. Die Sondenkapazität wächst mit zunehmender Bedeckung der Sonde durch das Füllgut, und sie erreicht ihren Maximalwert, wenn die Sonde vollständig vom Füllgut bedeckt i:st. Bei diesem Maximalwert der Sondenkapazität hat die Schwingfrequenz des Oszillators 20 ihren kleinsten Wert. Bei dem zuvor angenommenen Zahlenwert der maximalen Schwingfrequenz f _„ = 400 kHz (bei offenem Schalter 17) kann die minimale

Schwingfrequen2 (bei geschlossenem Schalter 17 und vollständig bedeckter Sonde) beispeilsweise f_4_n =138 kHz betragen.

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Die Schwingfrequenz liegt zwischen diesen beiden Werten, wenn die Sonde nicht oder nur teilweise vom Füllgut bedeckt ist und der Schalter 17 geschlossen ist.

Wenn das Füllgut verlustbehaftet ist und die Sonde 2 ganz oder teilweise bedeckt ist, wird die Oszillatorschwingung gedämpft, was zur Folge haben kann, daß von einem bestimmten Bedeckungsgrad an die Oszillatorschwingung aussetzt. Auch dieser Zustand kann zur Feststellung eines vorbestimmten. Füllstandes verwendet werden.

An den Ausgang des Oszillators 20 ist eine Signalformerschaltung 21 angeschlossen, welche die vom Oszillator 20 gelieferten Schwingungen in Rechtecksignale gleicher Frequenz umwandelt. Die von der Signalformerschaltung 21 erzeugten Rechtecksignale werden dem Eingang eines Frequenzteilers 23 zugeführt, der Rechtecksignale verhältnismäßig niedriger Frequenz abgibt. Wenn der Frequenzteiler 23 den Teilerfaktor 2048 hat, liegt bei den zuvor angegebenen Zahlenwerten für die Schwingfrequenz f des Oszillators 20 die Frequenz F der Ausgangssignale des Frequenzteilers 23 zwischen den folgenden Werten:

^{Für f}max = ⁴⁰° ^{kH2: F}max " ^{195 Hz}'
^für W 138 kHz: F_m._n = 67 Hz.

Die Ausgangssignale des Frequenzteilers 23 steuern einen Widerstandszweig 24, der zwischen dem Leiter 13 und der Klemme 7b angeschlossen ist "und bei dem dargestellten Beispiel durch einen Schalter 25 in Reihe mit einem Festwiderstand 26 gebildet ist. Der Schalter 25, der in Wirklichkeit ein elektronischer Schalter ist, wird durch die vom Ausgang des Frequenzteilers 23 abgegebenen Rechtecksignale im Takt

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der Frequenz dieser Signale abwechselnd geöffnet und geschlossen. Wenn der Schalter 25 geschlossen ist, liegt der Festwiderstand 26 parallel zu den Stromverbrauchern des Meßwandlers 3 an den Klemmen 7a, 7b der Zweidrahtleitung 5, so daß über den gesteuerten Widerstandszweig 24 ein Strom Iw fließt. Die Diode 15 verhindert, daß dieser zusätzliche Strom I_M aus dem Kondensator 16 entnommen wird. Der Strom I„ muß daher von der Gleichspannungsquelle 6 über die Zweidrahtleitung 5 geliefert werden, so daß er sich auf der Zweidrahtleitung dem normalen Versorgungsgleichstrom überlagert, der allein fließt, wenn der Schalter 25 geöffnet ist. Da der Schalter 25 im Takt der Ausgangssignale des Frequenzteilers 23 betätigt wird, werden dem Versorgungsgleichstrom auf der Zweidrahtleitung 5 Stromimpulse I_M überlagert, deren Folgefrequenz der Sehwingfrequenz des Oszillators 20 proportional ist.

Das Auswertegerät 4 enthält Einrichtungen zur Erfassung der überlagerten Stromimpulse I_M. Zu diesem Zweck kann beispielsweise in die Verbindung zwischen die Klemme 8b und dem negativen Pol der Gleichspannungsquelle 6 ein niederohmiger Widerstand 27 eingefügt sein. Eine mit den Klemmen des Widerstands 27 verbundene Detektorschaltung 28 stellt den zusätzlichen Spannungsabfall fest, der durch jeden Stromimpuls I_M am Widerstand 27 verursacht wird.

Da jeder Stromimpuls I_M nicht nur im Widerstand 27, sondern auch auf der Zweidrahtleitung 5 einen zusätzlichen Spannungsabfall erzeugt, schwankt die Spannung an den Klemmen 7a, 7b im Takt der Stromimpulse I_M. Die Diode 15 bildet zusammen mit dem Kondensator 16 eine Trennschaltung, welche die schnellen SpannungsSchwankungen vom Meßwandler 3 fernhält.

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Der Schalter 17 wird periodisch betätigt, damit die Sondenkapazität abwechselnd vom Schwingkreis des Oszillators 20 abgetrennt und zum Schwingkreis hinzugeschaltet wird. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird die periodische Betätigung des Schalters 17 vom Auswertegerät 4 mit Hilfe des Schalters'9 gesteuert. Eine im Auswertegerät 4 vorhandene Zeitsteuerschaltung 29 öffnet den Schalter 9 periodisch jeweils für eine kurze Dauer, so daß die Versorgurigsgleichspannung auf der Zweidrahtleitung 5 für die kurze Zeitdauer unterbrochen wird. Zur Vereinfachung ist angenommen, daß der Schalter 17 ein Arbeitskontakt eines Relais 30 ist, dessen Wicklung einerseits unmittelbar an die Klemme 7b (vor der Diode 15) angeschlossen ist und andrerseits über einen normalerweise geschlossenen Schalter 31 mit dem Leiter 13 verbunden I₁St. Der Schalter 31 wird durch das Ausgangssignal einer monostabilen Kippschaltung 32 geöffnet, wenn diese im Arbeitszustand ist. Die Auslösung der monostabilen Kippschaltung 32 erfolgt durch das Ausgangssignal eines Sondenfehlerdetektors 33, dessen Eingang mit einer zweiten Anschlußklemme 18b der Sonde 2 verbunden ist. Die Anschlußklemme 18b ist, beispielsweise über einen innerhalb der Sondenisolation verlaufenden Draht 19, mit dem unteren Ende der stabförmigen Sondenelektrode 10 verbunden. Bei geschlossenem Schalter 17 besteht somit ein Gleichstromweg vom Leiter 13 über den Oszillator 20, den Schalter 17, die stabförmige Sondenelektrode 10 und den Detektor 31 zum Leiter

Wenn die Schalter 9 und 31 geschlossen sind, ist das Relais 30 erregt, so daß auch der Schalter 17 geschlossen ist. Beim öffnen des Schalters 9 fällt das Relais 30 ab, so daß sich der Schalter 17 öffnet. Dadurch wird der Gleichstromweg über die Sondenelektrode 10 zum Detektor 33 unterbrochen. Diese Unterbrechung bewirkt, daß der Detektor 33 die monostabile

Kippschaltung 32 auslöst. Die monostabile Kippschaltung 32 öffnet den Schalter 31 für die Dauer ihrer Haltezeit. Das Relais 30 bleibt daher abgefallen, wenn der Schalter 9 wieder geschlossen wird. Erst wenn sich der Schalter 31 am Ende der Haltezeit der monostabilen Kippschaltung 32 wieder schließt, wird das Relais 30 wieder erregt, so daß der Schalter 17 geschlossen wird. Dieser Vorgang wiederholt sich bei jedem kurzzeitigen öffnen des Schalters 9, wobei natürlich vorausgesetzt wird, daß die Haltezeit der monostabilen Kippschaltung kürzer ist als der Zeitabstarid zwischen zwei aufeinanderfolgenden Betätigungen des Schalters 9.

Als Beispiel sei angenommen, daß die Zeitsteuerschaltung 29 den Schalter 9 in Zeitabständen von 1 s jeweils für eine Dauer von etwa 10 ms öffnet, und daß die monostabile Kippschaltung eine Haltezeit von etwa 0,4 s hat. In diesem Fall wird der Schalter 17 so betätigt, daß er während jeder Periode von 1 s für etwa 0,4 s geschlossen und für etwa 0,6 s offen ist. Somit erzeugt der Oszillator 20 im Verlauf jeder Periode von 1 s während 0,4 s die durch die Sondenkapazität bedingte Meßfrequenz und während 0,6 s die höhere Eigenfrequenz (400 kHz bei dem zuvor angegebenen Zahlenbeispiel), die als Testfrequenz dient. Im Auswertegerät 4- wird geprüft, ob der periodische Wechsel von· Testfrequenz und Meßfrequenz richtig stattfindet. Diese Maßnahme ermöglicht im Auswertegerät die überwachung des richtigen Arbeitens des Meßwandlers und die Feststellung verschiedener Fehler. Insbesondere kann bei verlustbehaftetem Füllgut überprüft werden, ob ein Aussetzen der Oszillatorschwingung durch die Bedeckung der Sonde oder durch ein Versagen der Schaltung verursacht ist. Im ersten Fall muß nämlich die Oszillatorschwingung periodisch für jeweils 0,6 s wieder einsetzen; ein dauerndes Ausbleiben der Oszillatorschwingung zeigt den Ausfall eines Schaltungsteils an.

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Die kurzzeitige periodische Unterbrechung der Versorgungsgleichspannung auf der Zweidrahtleitung 5 ist ohne Nachteil für die Energieversorgung der elektronischen Schaltungen des Meßwandlers 3, weil der als Energiespeicher wirkende Kondensator 16 die Energieversorgung während· der Unterbrechungszeiten übernimmt.

Wenn an irgendeiner Stelle eine dauernde Unterbrechung in dem über die Sondenelektrode 10 verlaufenden Gleichstromweg besteht, beispielsweise bei einem Abriß der Sonde, löst der Sondenfehlerdetektor 33 die monostabile Kippschaltung nicht mehr periodisch aus, so daß der zuvor geschilderte Wechsel von Meßfrequenz und Testfrequenz nicht mehr stattfindet. Dadurch wird im Auswertegerät 4 das Bestehen eines Fehlers angezeigt.

Bei Vorhandensein eines Lecks in der Sondenisolation oder- bei Kondenswasserbildung im Sondenkopf fließt von der Wand des Behälters 1 über die Sondenelektrode 10 ein Leckstrom zum Leiter 14, wenn der Schalter 17 geöffnet ist. Der Sondenfehlerdetektor 31 ist so ausgebildet, daß er die monostabile Kippschaltung nicht mehr auslöst, wenn dieser Leckstrom einen bestimmten Höchstwert übersteigt. Die gleiche Wirkung tritt natürlich ein, Wenn ein.Kurzschluß zwischen der Sondenelektrode 10 und der Behälterwand besteht. In allen diesen Störungsfällen wird der periodische Wechsel zwischen Meßfrequenz und Testfrequenz gestört, wodurch im Auswertegerät 4 der Fehler angezeigt wird.

In Fig. 1 ist noch ein weiterer Schalter 34 dargestellt, der im geschlossenen Zustand eine Klemme 35 mit dem Leiter 13 verbindet. Der Schalter 34 wird im wesentlichen synchron mit dem Schalter 17 betätigt, was in Fig. 1 dadurch angedeutet ist,

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daß er gleichfalls durch einen Arbeitskontakt des Relais 30 gebildet ist. Der Zweck des Schalters 34 wird später im Zusammenhang mit Fig. 2 erläutert.

Fig. 2 zeigt das Schaltbild eines Ausführungsbeispiels des Meßwandlers 3. Zur Verdeutlichung ist auch der Behälter 1 mit der Sonde 2 dargestellt. An die Klemmen 7a, 7b ist die nicht dargestellte Zweidrahtleitung 5 angeschlossen, die entsprechend der Darstellung von Fig. 1 zu dem Auswertegerät führt.

Man findet in Fig. 2 wieder die Leiter 12, 13, 14, die in der in Fig. 1 gezeigten Weise angeschlossen sind, sowie die Diode 15 und den zwischen den Leitern 13 und 14 angeschlossenen Kondensator 16. Der Schalter 17 ist wieder als Arbeits- · kontakt des Relais 30 dargestellt. Beispielsweise handelt es sich hierbei um ein Reed-Relais, so daß der Schalter 17 ein Reed-Kontakt ist. Diese Ausbildung- ist im Hinblick auf die verhältnismäßig große Schaltperiode von 1 s ohne weiteres möglich. Der Schalter 17 kann jedoch auch als elektronischer Schalter ausgebildet sein, beispielsweise in Form eines Transistors oder eines CMOS-Analogschalters.

Der HF-Oszillator 20 ist als Meißner-Oszillator mit induktiver Rückkopplung aufgebaut. Er enthält einen npn-Transi-Stor T₁, dessen Kollektor über einen Widerstand R₁ und eine Induktivität L₁ an den das positive Potential führenden Leiter 13 angeschlossen ist, während der Emitter über einen Widerstand R₂ mit den das negative Potential führenden Leiter 14 verbunden ist. Die Induktivität L₁ bildet zusammen mit einem dazu parallelgeschalteten Kondensator C₁ den frequenzbestimmenden Schwingkreis. Bei einer Induktivität L₁= 720 μΕ und einer Kapazität C. = 220 pF ergibt sich die zuvor erwähnte Schwingfrequenz des Oszillators von 400 kHz. Die Rückkopplung erfolgt durch eine im Basiskreis des Transistors T₁ liegende Induktivität L₂, die mit der Induktivität L₁ induktiv gekoppelt ist. Die Induktivität L₂ ist über einen Widerstand R₃ mit dem Abgriff eines die Basisvorspannung liefernden Spannungsteilers verbunden, der zwischen den Leitern 13 und 14 angeschlossen ist und aus der Serienschaltung eines Widerstands R*, einer Diode. D₁ und eines Widerstands Rc besteht. Ein zwischen dem Abgriff des Spannungsteilers und dem Leiter 14 angeschlossener Kondensator C₂ dient zur HF-Entkopplung. Die erzeugte Schwingung wird am Verbindungspunkt zwischen der Induktivität L₂ und dem Widerstand R₄ abgegriffen und über einen Kondensator C3 zum Eingang der Impulsformerschaltung 21 übertragen.

Der im Kollektorkreis des Transistors T/ liegende Widerstand R₁ gewährleistet, daß auch bei durchgeschaltetem Transistor T₁ nur die Schwingkreiskomponenten L₁, C₁ die Frequenz des Oszillators bestimmen.

Die eine Klemme des Schwingkreiskondensators C₁ ist mit dem Leiter 13 verbunden, an den auch der Behälter 1 angeschlossen ist. Der Schalter 17 ist mit der anderen Klemme

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des Schwingkreiskondensators C. verbunden, so daß bei geschlossenem Schalter 17 die zwischen dem Behälter 1 und der Sondenelektrode 10 bestehende Sondenkapazität parallel zum Schwingkreiskondensator C. liegt. Bei einer maximalen Sondenkapazität von 1,6 nF ergibt sich eine minimale Schwingfrequenz f_mln =^138 kHz.

Die Signalformerschaltung 21 besteht aus zwei in Kaskade geschalteten Verstärkerstufen, deren Gesamtverstärkung so groß ist, daß eine Begrenzerwirkung eintritt, so daß am Ausgang der zweiten Verstärkerstufe ein rechteckförmiges . Signal erhalten wird. Als Grundschaltung für jede Verstärkerstufe dient ein integrierter Inverter IC*, IC~ mit einem Rückkopplungswider stand R_g bzw. R_. Die n- und p-Kanal-MOS-Transistoren jeder Verstärkerstufe sind bei der Ansteuerung durch das HF-Signal beide für eine bestimmte Übergangszeit leitend; um die dann fließenden Schaltströme der MOS-Transistoren und die daraus resultierende erhöhte Stromaufnahme des Verstärkers zu begrenzen, sind in die Verbindungen zwischen den Stromanschlußklemrnen jedes Inverters und den Leitern 13 bzw. 14 Widerstände Rg, R₉, R-|₀' ^R11 eingefügt. Der Ausgang der ersten Verstärkerstufe ist mit dem Eingang der zweiten Verstärkerstufe über einen Kondensator C^ gekoppelt. Das" Ausgangssignal der zweiten Verstärkerstufe wird an den Signaleingang des Frequenzteilers 23 angelegt, der beispielsweise durch einen integrierten 12-*Bit-Binärzähler IC, des Typs 4040 gebildet ist. Die .Frequenz des von der Torschaltung 22 gelieferten Rechtecksignals wird somit durch 2048 geteilt, und am Ausgang des Frequenzteilers 23 erhält man ein Rechtecksignal mit einer Frequenz zwischen 195 Hz und 67 Hz.

Der Schalter 25 des gesteuerten Widerstandszweigs 24 ist durch einen Transistor T₂ gebildet, dessen Kollektor über den Festwiderstand 26 mit dem Leiter 13 verbunden ist, während der Emitter direkt an die Klemme 7b .angeschlossen ist.

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Der Ausgang des Frequenzteilers 23 ist über einen Kondensator C₆ in Reihe mit einem Widerstand R mit der Basis des Transistors T₃ verbunden, die andererseits mit der Klemme 7b über eine Parallelschaltung aus einem Widerstand R₁₇ und. einer Diode D„ verbunden ist*

Der Kondensator C₅ bildet zusammen mit den< Widerständen R₁₆ und R₁₇ ein Differenzierglied, das bewirkt, daß der Transistor T„ bei jeder ansteigenden Flanke des vom· Ausgang des Frequenzteilers 23 gelieferten Rechtecksignals für eine kurze Zeitdauer von etwa 200 ^s leitend wird. Während dieser Schaltphase des Transistors T~ fließt über den gesteuerten Widerstandszweig'24 ein Stromimpuls I_M, dessen Größe durch des Festwiderstand 26 bestimmt ist. Dieser Stromimpuls überlagert sich dem Grundstrom auf der Zweidrahtleitung 5.

Der Schalter 31 ist durch einen pnp-Transistor T₃ gebildet·, dessen Emitter an den positiven Leiter 13 angeschlossen ist und dessen Kollektor über die Wicklung des Relais 30 mit der Klemme 7b verbunden ist, wobei gegebenenfalls zur Strom begrenzung noch ein niederohmiger Widerstand R in Reihe geschaltet ist. Eine Diode D₃ überbrückt die Relaiswicklung, um Schaltspitzen kurzzuschließen. Der Schalter 34 ist ebenfalls durch einen pnp-Transistor T- gebildet, dessen Emitter-Basis-Strecke parallel zu einem Widerstand R_1Q. in Reihe mit der Wicklung des Relais 30 im Kollektorkreis des Transistors T₃ liegt. Der Kollektor des Transistors T. ist über eine Diode D. und einen Widerstand R„_n mit der Klemme 35 verbunden.

Die monostabile Kippschaltung 3 2 enthält einen integrierten Operationsverstärker IC., beispielsweise vom Typ 1458, dessen nicht invertierender Eingang an den Abgriff eines Spannungsteilers angeschlossen ist, der zwischen den Leitern 13 und 14 angeschlossen ist und durch zwei Widerstände R₂I' ^22 gebildet ist. Zwischen dem Ausgang des Operationsverstärkers IC. und dem positiven Leiter 13 ist ein Spannungsteiler

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^R23' ^R24 ^an9^escnl°^sseni dessen Abgriff mit der Basis des pnp-Transistors T₃ verbunden ist.

Der Sondenfehlerdetektor 3 3 enthält einen als Komparator geschalteten integrierten Operationsverstärker IC₅. Der invertierende Eingang dieses Operationsverstärkers ist an den Abgriff eines Spannungsteilers angeschlossen, der durch zwei zwischen dem positiven Leiter 13 und dem negativen Leiter 14 in Reihe geschaltete Widerstände 1*26' ^R27 gebildet ist. Der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers IC₅ ist über einen Widerstand R28 ^mit ^er ^¹¹" schlußklemme 18b der Sonde 2 und über einen Widerstand R₂₉ mit dem negativen Leiter 14 verbunden. Ein Kondensator C₆ ist dem Widerstand R₂₈ parallelgeschaltet.

Bei geschlossenem Schalter 17 besteht ein Gleichstromweg vom Leiter 13 über die Induktivität L₁, den Schalter 17, die Klemme 18a, die Sondenelektrode 10, die Anschlußklemme 18b, den Widerstand R₂₈und den Widerstand R₂Q zum Leiter 14. Über diesen Gleichstromweg fließt ein Gleichstrom, dem ein bestimmter HF-Strom überlagert ist. Da die Induktivität L^ und die Sondenelektrode 10 für den Gleichstrom als Kurzschluß angesehen werden können, bilden die Widerstände R₂Q und R₂Q für den Gleichstrom einen Spannungsteiler, an dessen Abgriff der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstär*- kersIC₅ angeschlossen ist, während die an diesem Abgriff bestehende HF-Spannung vom Kondensator Cg ausgesiebt wird. Die Widerstände R₂₈und R₂₉ sind gleich groß, so daß am nichtin vertier enden Eingang des Operationsverstärkers ICc bei geschlossenem Schalter 17 eine Spannung besteht, die gleich der Hälfte der zwischen den Leitern 13 und 14 bestehenden Versorgungsspannung ist. Wenn dagegen der Schalter 17 geöffnet

ist, liegt am nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers IC₅-das Potential des negativen Leiters 14 an.

Dagegen ist der Widerstand R₂₆ größer als der Widerstand R₃₇; diese Widerstände sind so bemessen, daß das am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers IC₅ anliegende Potential etwa in der Mitte zwischen den beiden Potentialen liegt, die am nichtinvertierenden Eingang beim öffnen und Schließen des Schalters 17 periodisch abwechselnd auftreten. Der Operationsverstärker IC₅ ist nicht rückgekoppelt, so daß er als Schwellenwert-Komparator arbeitet, dessen Ausgang entweder das positive oder das negative Versorgungspotential führt, je nachdem, ob das am nichtinvertierenden Eingang anliegende Potential über oder unter dem am invertierenden Eingang anliegenden Potential liegt. ·

Zwischen dem Ausgang des Operationsverstärkers IC₁- und dem positiven Leiter 13 ist ein Kondensator C₇ in Reihe mit einem Widerstand R₃₀ angeschlossen. Parallel zum Widerstand R₃₀ liegt eine Diode D₅. Der invertierende Eingang des Operationsverstärkers IC₄ ist an den Verbindungspunkt zwischen dem Kondensator C₇ und dem Widerstand R₃₀ angeschlossen.

Diese Schaltung arbeitet in der folgenden Weise:

Wenn der Schalter 9 im Auswertegerät 4 geschlossen ist und somit die volle Betriebsspannung an den Klemmen 7a, 7b anliegt, ist der Transistor T₃ stromführend (Schalter 31 geschlossen) , so daß das Relais 30 erregt ist. Der Schalter ist geschlossen, so daß der Oszillator 20 auf der durch die Sondenkapazität bestimmten Meßfrequenz schwingt. Der über den Schalter 17 und die Sondenelektrode 10 verlaufende Gleichstromweg ist geschlossen, so daß am nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers IC₅ ein Potential anliegt, das

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höher ist als das am invertierenden Eingang anliegende Potential. Der Ausgang des Operationsverstärkers IC₁. führt das positive Potential des Leiters 13. Der Kondensator C₇ ist entladen, und am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers IC₄ liegt.das positive Potential des Leiters 13 an, das höher als das am nichtinvertierenden Eingang anliegende Potential ist, das durch den Spannungsteiler R_?1, R~„ bestimmt ist. Der Ausgang des Operationsverstärkers IC, führt demzufolge ein niedriges Potential, das über den Spannungsteiler R₂3' ^24 ^^en Transistor T₃ stromführend macht.

Wenn die Verbindung zwischen der Klemme 7b und dem negativen Pol der Gleichspannungsquelle 6 durch öffnen des Schalters 9 kurzzeitig für etwa 10 ms unterbrochen wird, hält der als Energiespeicher wirkende Kondensator 16 die Spannung zwischen den Leitern 13 und 14 aufrecht, wodurch die Stromversorgung der elektronischen Schaltungen des Meßwandlers 3

. einschließlich der Operationsverstärker IC- und IC,- während der Dauer dieser Unterbrechung gewährleistet ist. Die Diode sperrt jedoch die.übertragung der Spannung des Kondensators zur Klemme 7b. Die Wicklung des Relais 30 wird daher stromlos, so daß das Relais abfällt, und den Schalter 17- öffnet. Der Oszillator 20 schwingt nun auf der Testfrequenz. Gleichzeitig wird der Gleichstromweg zum Sondenfehlerdetektor 33 unterbrochen, so daß der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers IC₁- das negative Potential des Leiters 14 annimmt. Dementsprechend geht auch der Ausgang des Operationsverstärkers ICj- auf das negative Potential. Da- · der Kondensator C₇ zunächst entladen ist, führt nunmehr auch der invertierende Eingang des Operationsverstärkers IC₄ ein Potential, das niedriger als das am nichtinvertierenden Eingang anliegende Potential ist. Demzufolge besteht am Ausgang des Operationsverstärkers das positive Potential, und der Transistor T₃ wird gesperrt (Schalter 31 offen).

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Wenn somit der Schalter 9 nach der kurzen Dauer von ,10 ms wieder geschlossen wird, bleibt das Relais 30 stromlos, weil der Transistor 31 gesperrt ist. Am Zustand der Schaltung ändert sich nichts, abgesehen davon, daß die Stromversorgung wieder über die Zweidrähtleitung 5 erfolgt und die verbrauchte Ladung des Kondensators 16 wieder ergänzt wird. Der Oszillator 20 schwingt weiterhin auf der Testfrequenz, und die daraus durch Frequenzteilung erhaltenen Impulse werden dem Versorgungsstrom überlagert. .

Der Kondensator C₇ wird über den Widerstand R^_Q aufgeladen. Sobald das Potential am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers IC₄ das am Abgriff des Spannungsteilers ^21 ' ^R22 i^)estenenc^^e Potential übersteigt, nimmt der Ausgang dieses Operationsverstärkers wieder das negative Potential an, so daß der Transistor T_ wieder stromführend wird. Das Relais 30 wird erregt und der Schalter 17 schließt sich. Die Zeitkonstante des vom Widerstand R_~ und vom Kondensator C- gebildeten RC-Glieds ist so bemessen, daß diese Umschaltung nach 0", 6 s erfolgt. Der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers IC₁. erhält wieder das durch, den Spannungsteiler R₀₀, R_OQ bestimmte höhere Potential, und der Ausgang dieses Operationsverstärkers IC,- nimmt das positive Potential an. Der Kondensator C_ entlädt sich über die Diode D₁-. Nunmehr ist wieder der Ausgangszustand erreicht.

Im normalen Betrieb wiederholen sich die gleichen Vorgänge bei jedem öffnen des Schalters 9.

Wenn der über die Sondenelektrode· 10 führende Gleichstromweg an irgendeiner Stelle bleibend unterbrochen ist, beispielsweise infolge eines Sondenabrisses, bleibt der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers IC₅ dauernd auf dem Potential des Leiters 14, und demzufolge behält der Ausgang des Operationsverstärkers dauernd das niedrige Potential.

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Bei einem Kurzschluß zwischen der Sondenelektrode 10 und der Behälterwand besteht dagegen am nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers IC₅ dauernd das durch den Spannungsteiler &28'^Κ29 ^bestimmte höhere Potential, so daß der Ausgang des Operationsverstärkers IC₅ ständig auf dem positiven Potential bleibt. Wenn schließlich ein Kriechstrom zwischen der Sondenelektrode 10 und der Wand des Behälters 1 besteht, beispielsweise infolge eines Lecks in der Sondenisolation oder infolge von Kondenswasserbildung, fällt das Potential am Abgriff des Spannungsteilers ^R ₂8^fR29 ^{bei ge}~ öffnetem Schalter 17 nicht vollständig auf das negative Potential des Leiters 14 ab, sondern nur auf einen Zwischenwert, der. dem vom Kriechstrom am Widerstand R₂9 verursachten Spannungsabfall entspricht. Wenn dieser untere Spannungswert das am Abgriff des Spannungsteilers R₂₆, ^R27 anliegende Potential nicht unterschreitet, bleibt das Ausgangssignal des Operationsverstärkers IC₅ ebenfalls dauernd auf dem hohen Potential. Durch entsprechend große Bemessung der Spannungsteilerwiderstände R₂g,R„g kann -erreicht werden, daß diese Wirkung schon bei einem verhältnismäßig geringen Kriechstromwert von beispielsweise etwa 18 uA eintritt.

In allen geschilderten Störungsfällen findet der zuvor geschilderte periodische Wechsel zwischen Meßfrequenz und' Testfrequenz nicht mehr statt. Wenn der Ausgang des Operationsverstärkers IC_n- dauernd das hohe Potential führt, bleibt der Ausgang des·Operationsverstärkers IC. dauernd auf dem negativen Potential; wenn der Ausgang des Operationsverstärkers IC₅ dauernd das negative Potential führt, nimmt der Ausgang des Operationsverstärkers IC. nach der Aufladung des Kondensators C7 das niedrige Potential an, das er dann beibehält. In beiden Fällen bleibt der Transistor T₃ dauernd

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geöffnet, so daß das Relais 30 beim Schließen des Schalters 9 nach der kurzen Zeit von 10 ms wieder Strom erhält. ' Der Schalter 17 wird also allenfalls für die kurze Zeit von 10 ms geöffnet, so daß das Tastverhältnis der Frequenzumtastung sehr stark geändert ist. Es wäre jedoch auch möglich, die Schaltung so auszulegen, daß der Schalter 17 während der kurzen Dauer von 10 ms geschlossen bleibt. Im Auswertegerät wird somit die Testfrequenz in der vorgesehenen Teilperiode von 0,6 s entweder überhaupt nicht oder nur sehr kurzzeitig festgestellt.

Im normalen Betrieb der Sonde und des Meßwandlers empfängt somit das Auswertegerät dem Grundstrom überlagerte Stromimpulse Ij, von etwa 200 us Dauer, die periodisch abwechselnd für jeweils 0,6 s eine Fölgefrequenz von 195 Hz und für 0,4 s eine dem Füllstand entsprechend niedrigere Folgefrequenz haben, die (bei verlustbehäftetem Füllgut) auch Null sein kann. Bei der Inbetriebnahme des Geräts erfolgt ein.Abgleich auf den zu erfassenden Grenzstand, indem jeweils die Folgefrequenz der übertragenen Stromimpulse I_M bei offenem und bei geschlossenem Schalter 17 im Auswertegerät 4 gespeichert wird. Im Betrieb wird die Folgefrequenz der übertragenen Stromimpulse I_M mit den gespeicherten Werten verglichen. Wenn innerhalb der Teilperiode von 0,4 .s eine Impulsfolgefrequenz festgestellt wird, die dem gespeicherten Wert entspricht, ist dies ein Anzeichen dafür, daß der zu erfassende Grenzstand erreicht ist; im Auswertegerät kann dann ein Relais betätigt werden, das über seine Kontakte das Erreichen des Füllgrenzstandes nach außen signalisiert oder entsprechende Schaltvorgänge einleitet.

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Wenn innerhalb der anderen Teilperiode von 0,6 s die Folgefrequenz der übertragenen Stromimpulse L· von dem entsprechenden gespeicherten Wert um mehr als einen vorbestimmten Toleranzbereich abweicht, ist dies ein Anzeichen dafür, daß der Oszillator 20 im Meßwandler 3 nicht einwandfrei arbeitet, beispielsweise infolge des Defekts eines Bauteils. In diesem Fall wird im Auswertegerät 4 ein Alarmrelais betätigt, das eine Störung anzeigt. Dieses Alarmrelais wird'auch dann betätigt, wenn die Testfrequenz nicht innerhalb eines bestimmten Zeitintervall in jeder Teilperiode von 0,6 s auftritt, oder wenn die Testfrequenz in der für die übertragung der Meßfrequenz vorgesehenen Teilperiode erscheint.

Bei der vorstehend beschriebenen Anordnung war vorausgesetzt worden, daß die Sondenelektrode 10 mit zwei Anschlußklemmen 18a, 18b ausgestattet ist, so daß über die Sondenelektrode ein galvanischer Stromkreis verläuft, dessen bleibende Unterbrechung einen Sondenabriß anzeigt. Die Anordnung kann jedoch auch in Verbindung mit Stabsonden verwendet werden, die nur eine Anschlußklemme aufweisen. Zwar ist dann die Feststellung eines Sondenabrisses in der geschilderten Weise nicht mehr möglich, die übrigen Funktionen der Schaltung bleiben aber unverändert..

Falls es sich um eine vollisolierte Sondenelektrode handelt, die nicht in leitende Berührung mit dem Füllgut kommen kann, genügt es, die Sondenelektrode an der Klemme 18a anzuschliessen und' die Klemmen 18a und 18b durch einen Kurzschluß zu verbinden. Der Spannungsteiler R₂R' ^R29 ^einPfängt dann die gleichen Stromimpulse wie zuvor über den Schalter 17, so daß der Wechsel zwischen Testfrequenz und Meßfrequenz in der geschilderten Weise abläuft. Der Detektor 33 spricht in diesem Fall sogar auf das Auftreten eines Lecks in der Sondenisolation oder eines Sondenkurzschlusses an.

Bei Verwendung einer teilisolierten Sondenelektrode ist diese Maßnahme nicht möglich, weil die Berührung der Sondenelektrode mit dem Füllgut ein Leck (bzw. einen Kurzschluß) vortäuschen würde. Der periodische Wechsel zwischen Testfrequenz und Meßfrequenz kann aber auch in diesem Fall erhalten werden, indem die Klemme 18b mit der Klemme 35 verbunden wird. Der Spannungsteiler R_?b/ R_?q ist dann über den Widerstand R₂O' ^^{e D}i°^^e D., den vom Transistor T. gebildeten Schalter 34 und den vom Transistor T-, gebildeten Schalter 31 mit dem positiven Leiter 13 verbunden. Der Transistor T. wird durch den Spannungsabfall am Widerstand R _g immer dann geöffnet, wenn das Relais 30 erregt ist; der Schalter 34 wird also synchron mit dem Schalter 17 betätigt. Somit empfängt der Detektor 33 auch in diesem Fall die gleichen Stromimpulse wie zuvor, so daß der periodische Wechsel zwischen Testfrequenz und Meßfrequenz in der geschilderten Weise stattfindet.

Die beschriebene Test- und Detektoranordnung ist unabhängig von der Art der Erzeugung der Meßwertsignale, die über die Zweidrahtleitung übertragen werden. Sie ist insbesondere nicht auf den zuvor als Beispiel beschriebenen Fall beschränkt, daß die Oszillatorfrequenz von der Sondenkapazität abhängt.

In Fig. 3 ist eine andere Ausführungsform einer Füllstandsmeßanordnung dargestellt, die sich hinsichtlich der Art der Erzeugung der Meßwertsignale von der in Fig. 1 und 2 dargestellten Anordnung unterscheidet.. Die gleichen Bestandteile wie in Fig. 1 sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Bei der Anordnung von Fig. 3 erzeugt der HF-Oszillator 40 dauernd eine feste Frequenz, die unabhängig von der Kapazität der Sonde 2 ist. An den Ausgang des Oszillators 40 ist die Primärwicklung eines Transformators 41 angeschlossen, dessen Sekundärwicklung über den Schalter 17' mit der Sondenelektrode 10 verbunden ist. Der Schalter 17' enspricht

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dem Schalter 17 von Fig. 1 und 2; er ist aber als Umschaltkontakt ausgebildet, der im Ruhezustand (bei abgefallenem Relais 30) die Sekundärwicklung des Transformators 41 mit einer festen Testkapazität 42 verbindet. An die Sekundärwicklung des Transformators 41 ist eine Kapazitätsmeßschaltung 43 angeschlossen, die eine Ausgangsspannung liefert, die eine Funktion der mit der Sekundärwicklung verbundenen Kapazität ist. Ein Spannungs/Frequenzwandler 44 empfängt die Ausgangsspannung der Kapazitätsmeßschaltung 43 und erzeugt Ausgangsimpulse, deren Folgefrequenz von dieser Spannung abhängt. Durch diese Impulse wird der Schalter 25 betätigt.

Die Betätigung des Schalters 17' erfolgt durch das Relais 30, den Sondenfehlerdetektor 33 und die monostabile Kippschaltung 32 bei jedem kurzzeitigen Öffnen des Schalters 9 in der zuvor beschriebenen Weise. Im normalen Betrieb werden somit während jeder Periode von 1 s über die Zweidrahtleitung 5 Impulse übertragen, die für die Dauer von 0,6 s eine durch die Testkapazität 42 bestimmte. .Testfrequenz und für die Dauer von 0,4 s die durch die Sondenkapazität bestimmte Meßfrequenz haben.. Bei Versagen eines Schaltungsteils, einem Sondenabriß, einem Sondenkurzschluß oder einem Leck in der Sondenisolation wird dieser regelmäßige Wechsel von Testfrequenz und Meßfrequenz gestört, was im Auswertegerät 4 als Anzeichen für das Vorliegen eines Fehlers erkannt wird.

Auch bei dieser Ausfuhrungsform ist die Testkapazität 42 so bemessen, daß sie von jeder im Betrieb vorkommenden Sondenkapazität verschieden ist. Ferner ist die Sondenkapazität während der Test-Teilperiodan vollkommen abgeschaltet, so daß die Testfrequenz konstant und unabhängig vom Füllstand· ist.

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Es sind natürlich verschiedene Abänderungen der beschriebenen Schaltung möglich. So ist es bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen nicht unbedingt notwendig, daß die Stromversorgungsspannung auf der Zweidrahtleitung 5 zur Erregung eines Relais vollkommen unterbrochen wird. Die' Betätigung des Schalters 17 bzw. 17' könnte auch durch eine Triggerschaltung erfolgen, die beispielsweise durch ein kurzzeiti- · ges impulsförmiges Absenken der Spannung auf einen niedrigeren jedoch von Null verschiedenen Wer.t ausgelöst wird, oder die Auslösung könnte durch Überlagerung von Signalen anderer Art erfolgen, beispielsweise von Torifrequenzsignalen.

Der zuvor beschriebene periodische" Wechsel zwischen Meßwertsignalen und Testsignalen, die von der Soride.nkapazität unab-· hängig sind, erlaubt zusätzlich eine selbsttätige Kompensation von Umwelteinflüssen, die das Meßergebnis beeinflussen können, insbesondere der Temperatur.

Wenn sich beispielsweise bei den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen die Frequenz des HF-Oszillators 20 (in Fig·. 1 und 2) oder des HF-Oszillators 40 (in Fig. 3) · infolge von Temperatureinflüssen ändert, ändert sich auch die Frequenz der über die Zweidrahtleitung 5 übertragenen Meßwertsignale. Wenn keine besonderen Vorkehrungen getroffen werden, wird diese temperaturbedingte Frequenzänderung vom Auswertegerät als Änderung der Sondenkapazität interpretiert, so daß das Meßergebnis verfälscht wird. Eine ähnliche Verfälschung der Meßergebnisse tritt ein, wenn die Oszillatorfrequenz durch andere Einflüsse verändert wird, beispielsweise durch eine Alterung der Bauelemente, oder wenn die Änderung des die Sondenkapazität darstellenden Parameters der Meßwertsignale nicht vom HF-Oszillator, sondern von einem oder mehreren anderen Bestandteilen des Meßwandlers verursacht wird.

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Alle diese nachteiligen Erscheinungen können bei der beschriebenen Anordnung aufgrund der Tatsache beseitigt werden, daß in jeder Meßperiode außer dem Meßwertsignal auch ein Testsignal vorhanden ist, das unabhängig von der Sondenkapazität ist, wobei sich die zuvor erwähnten Einflüsse, wie Temperaturänderungen, in gleicher Weise auf die Meßsignale und auf die Testsignale auswirken.

Die Detektoranordnung 28 (Fig. 1 und 3) ist so ausgebildet, daß sie in jeder Meßperiode den die Kapazität darstellenden Wert, des Testsignals, bei den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen also die Folgefrequenz der über die Zweidrahtleitung 5 übertragenen Stromimpulse, speichert und zur Korrektur bei der Auswertung des anschließend übertragenen Meßwertsignals verwendet. Diese Korrektur kann beispielsweise durch eine der nachstehenden Maßnahmen erfolgen:

1 . Im einfachsten Fall wird der gespeicherte Wert des Testsignals als Bezugsgröße bei der Auswertung des Meßwertsignals verwendet.

2. Der gespeicherte Wert des Testsignals wird mit dem bei der Inbetriebnahme der Schaltung festgelegten Anfangswert verglichen, und die Abweichung wird als Korrekturgröße verwendet.

Fig. 4 zeigt als Beispiel ein vereinfachtes Blockschaltbild des Auswertegeräts 4, das die erste der oben angeführten Maßnahmen bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen von Fig. 1, 2 und 3 durchführt. .. ·

Man erkennt in Fig. 4 wieder die Spannungsquelle 6, den Widerstand 27, den Schalter 9 und die Zeitsteuerschaltung 29.

Die Detektorschaltung 28 enthält einen Impulsfrequenzdetektor 50, der am Ausgang ein (vorzugsweise digitales) Signal abgibt, das die Folgefrequenz der über den Widerstand 27 gehenden Stromimpulse darstellt. Bei dem zuvor angegebenen Zahlenbeispiel· stellt das Ausgangssignal des Impulsfrequenzdetektors 50 während jeder Meßperiode von 1 s für die Dauer des Meßzeitintervalls von 0,4 s die Meßfrequenz und für die Dauer des Testzeitintervalls von 0,6 s die Testfrequenz dar, wenn keine Störung vorliegt.

An den Ausgang des Impulsfrequenzdetektors 50 sind parallel die Eingänge eines Füllstandsrechners 51 und einer Kontrollschaltung 52 angeschlossen. Der Füllstandsrechner 51 ermittelt aus der während des MeßzeitintervalIs anliegenden Meßfrequenz die Sondenkapazität und daraus den Füllstand; er gibt im Fall einer kontinuierlichen Füllstandsmessung.am Ausgang ein Signal ab, das den Füllstand anzeigt, während er bei einer Verwendung als Füllstandsgrenzschalter am Ausgang ein Signal liefert, wenn der ermittelte Füllstand einen vorgegebenen Wert über- oder unterschreitet. Die Kontrollschaltung 52 prüft, ob die Meß- und Testfrequenzen im richtigen Takt aufeinanderfolgen, und sie liefert an einem oder an mehreren Ausgängen Signale, die das Vorliegen einer Störung und gegebenenfalls deren Ur*- sache anzeigen. Die Synchronisierung d.er Schaltungen 50, 51 und 52 erfolgt durch die Zeitsteuerschaltung 29, die durch die Betätigung des Schalters 9 den Beginn jeder Meßperiode festlegt.

Zum Zweck der zuvor erläuterten Fehlerkorrektur ist ein Speicher 53 vorgesehen, der gleichfalls an den Ausgang des Impulsfrequenzdetektors 50 angeschlossen ist und durch die Zeitsteuerschaltung 29 gesteuert wird; Der Speicher 53 speichert in jeder Meßperiode die während des Testzeitintervalls festgestellte Testfrequenz, und er liefert am Ausgang den gespeicherten Wert während des anschließenden Meßzeitintervalls- Dieser gespeicherte Wert wird einem zweiten Eingang des Füllstandsrechners 51 zugeführt.

Im Füllstandsrechner 51 wird der vom Speicher 53 gelieferte Wert der Testfrequenz als Bezugsgröße bei der Auswertung.der Meßfrequenz verwendet. Der Wert der Testfrequenz steht zu dem Wert der konstanten Testkapazität (C₁ in Fig. 2; 42 in Fig. 3) im gleichen Verhältnis wie der Wert der Meßfrequenz zu dem Wert der zu messenden Sondenkapazität. Temperaturänderungen oder andere Einflüsse, die sich in gleicher Weise auf die Testfrequenz und die Meßfrequenz auswirken, bleiben daher ohne Auswirkung auf das Meßergebnis, wenn die zu messende Sondenkapazität aufgrund des Verhältnisses von testfrequenz. zu Meßfrequenz ermittelt wird.

In Fig. 4 ist gestrichelt angedeutet, wie die Schaltung· abgeändert werden kann, damit sie nach der zweiten oben angegebenen Maßnahme arbeitet. Die Verbindung zwischen dem Ausgang des Speichers 53 und dem zweiten Eingang des Füllstandsrechners 52 wird zwischen den Punkten A und B aufgetrennt. An den Punkt A ist ein Eingang 55 einer Vergleichsschaltung angeschlossen, die an einem zweiten Eingang 56 ein Signal empfängt, das den bei -der Inbetriebnahme der Schaltung festgelegten Anfangswert der Testfrequenz darstellt. Die Vergleichsschaltung 54 gibt an dem mit dem Punkt B verbundenen ·

Ausgang ein Signal ab, das die Abweichung der gespeicherten Testfrequenz vom Anfangswert darstellt. Dieses Signal wird dem Füllstandsrechner 51 als Korrektursignal zugeführt, wo es zur Korrektur der von Temperaturänderungen oder anderen Einflüssen bedingen- Abweichungen bei der Auswertung des Meßwertsignals verwendet wird.

Natürlich wäre es auch möglich, den ersten Eingang 55 der Vergleichsschaltung 54 unmittelbar mit dem Ausgang des Impulsfrequenzdetektors 50 zu verbinden und den Speicher 53 an den Ausgang der Vergleichsschaltung 54 anzuschließen. In -diesem Fall würde die Vergleichsschaltung 54 den Vergleich zwischen der Testfrequenz und dem Anfangswert in jedem Testzeitintervall durchführen, und der Speicher 53 würde nicht den Wert der Testfrequenz, sondern die festgestellte Abweichung speichern.

Die Anordnung arbeitet in entsprechender Weise, wenn der die Kapazität darstellende Parameter des Meßwertsignals und des Testsignals nicht die Folgefrequenz von Impulsen, sondern ein anderer Parameter ist, beispielsweise die Impulsbreite bei einer Pulsbreitenmodulation oder auch die Codierung bei einer Pulscodemodulation.

Von besonderer Bedeutung ist die Tatsache, daß die beschriebene Korrekturanordnung automatisch alle Einflüsse kompensiert, die sich in gleicher Weise auf die Testfrequenz und auf die Meßfrequenz auswirken, unabhängig von der Art dieser Einflüsse (Temperaturabhängigkeit, Alterung von Bauelementen usw.) und von dem die Änderung verursachenden Schaltungsteil.

Ein wesentlicher Vorteil besteht ferner darin, daß die Korrektur der Umwelteinflüsse nicht in dem am Ort. der Sonde befindlichen Meßwandler, sondern in dem davon entfernten

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Auswertegerät erfolgt, ohne daß es erforderlich ist, zusätzliche Steuersignale über die Zweidrahtleitung zu übertragen .

Die beschriebene Lösung eignet sich auch besonders gut für den Fall, daß die Detektorschaltung 28 des Auswertegeräts durch einen entsprechend programmierten Mikrocomputer gebildet ist.

-SI-

Leerseite

Claims

Dipl.-lng.
E. Prinz Patentanwälte- -
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Dlpl.-Chem.
Dr. G. Hauser Dipl.-lng.
G. Leiser * 3127637 e
I Ernsbergerstrasse 19 8 München 60 13. Juli 1981

Endress u. Hauser GmbH u. Co,
Hauptstraße 1
7867 Maulburg

Unser Zeichen: E 1053

Patentansprüche

Anordnung zur. Feststellung des Füllstands in einem Behälter, mit einer im Behälter isoliert angeordneten kapazitiven _ß Sonde, deren Kapazität vom Füllstand abhängt, einem am Ort f des Behälters angeordneten Meßwandler, der ein von der Son- j» denkapazität abhängiges Meßwertsignal erzeugt, und mit einem vom Behälter entfernt angeordneten Auswertegerät, das mit dem Meßwandler durch eine Zweidrahtleitung verbunden ist, über die einerseits die für den Betrieb des Meßwandlers erforderliche Gleichstromenergie vom Auswertegerät zum Meßwandler und andrerseits das vom Meßwandler gelieferte Meßwertsignal zum Auswertegerät übertragen werden, gekennzeichnet durch eine im Meßwandler angeordnete Schaltvorrichtung , zur Umschaltung von der kapazitiven Sonde auf eine Testkapazität, die von jeder im normalen Betrieb vorkommenden Sondenkapazizät verschieden ist, und durch eine Steueranordnung zur periodischen Betätigung der Schaltvorrichtung. .
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der _H Meßwandler einen Oszillator enthält/ dessen Frequenz von ^ der Sondenkapazität bzw. von der Testkapazität abhängt. i

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3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Auswertegerät eine zeitgesteuerte Einrichtung vorgesehen ist, welche die Stromversorgungs-Gleichspannung auf der Zweidrahtleitung periodisch impulsförmig verändert, und daß im Meßwandler eine Steuerschaltung angeordnet ist, die auf jede impulsförmige Änderung der Stromversorgungs-Gleichspannung anspricht und die Schaltvorrichtung betätigt.
4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung eine monostabile Kippschaltung enthält, deren Haltezeit kleiner als die Periode . und größer als die Dauer der impulsförmigen Änderungen der Stromversorgungs-Gleichspannung ist.
5. Anordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die impulsförmige Änderung der Stromversorgungs-Gleichspannung in einer kurzzeitigen Unterbrechung besteht.
6. Anordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß' im Meßwandler ein Energiespeicher zur überbrückung der periodischen impulsförmigen Änderungen der Stromversorgungs-Gleichspannung vorgesehen is f.
7. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die kapazitive Sonde eine vom Behälter isolierte Sondenelektrode aufweist, über die ein von der Schaltvorrichtung gesteuerter galvanischer Stromkreis verläuft, und daß eine Detektorschaltung vorgesehen ist, die auf die durch die periodische Betätigung der Schaltvorrichtung im galvanischen Stromkreis erzeugten periodischen Stromimpulse anspricht und beim Ausfall der periodischen Stromimpulse die Übertragung einer diesen Aus-, fall kennzeichnenden Information zum Auswertegerät bewirkt.
8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektorschaltung beim Ausfall der periodischen Stromimpulse die. periodische Betätigung der Schaltvorrichtung sperrt oder deren Tastverhältnis ändert.
9. Anordnung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektorschaltung einen Schwellenwert-Komparator enthält, von dem ein Eingang an den Abgriff eines in Reihe mit der Sondenelektrode geschalteten Spannungsteilers angeschlossen ist und der andere Eingang an einer festen Gleichspannung liegt. · · ■
10. Anordnung nach den Ansprüchen 4 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Schwellenwert-Komparators mit dem Auslöseeingang der monostabilen Kippschaltung verbunden ist.
11. Anordnung nach Anspruch 9- oder 1Q, .dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung einer Sondenelektrode mit nur einer An-■ schlußklemme der Spannungsteiler an diese Anschlußklemme angeschlossen ist.
12. Anordnung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung einer Sondenelektrode mit nur einer Anschlußklemme der Spannungsteiler über eine synchron mit der ersten Schaltvorrichtung betätigte zweite Schaltvorrichtung an Spannung gelegt ist.
13. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sondenkapazität durch die leitende Behälterwand und durch eine von der Behälterwand isolierte Sondenelektrode gebildet ist, daß der eine Leiter der Zweidrahtleitung mit einer ersten Stelle der Behälterwand verbunden ist, daß der eine Stromversorgungsanschluß des Meßwandlers mit einer zweiten Stelle der Behälterwand verbunden ist, die im Abstand von der ersten Stelle liegt, und daß der andere Stromversorgungsanschluß des Meßwandlers mit dem anderen Leiter der Zweidrahtleitung verbunden ist.

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14. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch" gekennzeichnet, daß im Auswertegerät das während jedes Testzeitintervalls übertragene Testsignal zur Korrektur des während jedes Meßzeitintervalls übertragenen. Meßwertsignals verwendet wird.
15. Anordnung nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch einen im Auswertegerät vorgesehenen Speicher zur Speicherung des die Testkapazität darstellenden Wertes des in jedem Testzeitintervall übertragenen Testsignals.
16. Anordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der im Speicher gespeicherte Wert des Testsignals im nächsten Meßzeitintervall als Bezugsgröße bei der Auswertung des Meßwertsignals verwendet wird.
17. Anordnung nach Anspruch 14 oder 15, gekennzeichnet durch eine Vergleichsschaltung, die an einem ersten Eingang den die Kapazität darstellenden Wert des Testsignals und an einem zweiten Eingang einen festen Anfangswert empfängt und die ein die Abweichung zwischen den Eingangswerten darstellendes Ausgangssignal als Korrekturgröße für die Auswertung des Meßwertsignals liefert.
18. Anordnung nach den Ansprüchen 15 und 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichsschaltung am ersten Eingang das Ausgangssignal des Speichers empfängt.