DE3133239C2

DE3133239C2 -

Info

Publication number: DE3133239C2
Application number: DE19813133239
Authority: DE
Inventors: Guenther Ing.(Grad.) 6233 Kelkheim De Schmitt
Original assignee: Mannesmann VDO AG
Current assignee: Mannesmann VDO AG
Priority date: 1981-08-22
Filing date: 1981-08-22
Publication date: 1990-12-13
Also published as: DE3133239A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur kapazitiven Füllstandsmessung mit einem nach Maßgabe des Füllstandes in das zu messende Medium tauchenden ersten Meßkondensator, einem zweiten Meßkondensator, dessen Kapazität gleich derjenigen des ersten Meßkondensators ist, wenn dieser mit Luft als Dielektrikum gefüllt ist, einem Kompensationskondensator mit dem Medium als Dielektrikum, Mitteln zum Aufladen der Kondensatoren auf eine vorgegebene Spannung, Mitteln zum Entladen der Kondensatoren, Mitteln zum Erzeugen von Impulsen mit einer von der Aufladezeit abhängigen Impulsdauer und Mitteln zum Auswerten dieser Impulse nach einer vorgegebenen Beziehung.

Es ist bereits eine Einrichtung zur kapazitiven Füllstandsmessung dieser Gattung bekannt (DE-OS28 52 212), die neben den erwähnten beiden Meßkondensatoren und dem Kompensationskondensator einen weiteren Kompensationskondensator enthält und bei der die Auswertung der Impulse dadurch erfolgt, daß diese teilweise einer Subtraktion und teilweise einer Division unterworfen werden. Mit diesen Einrichtungen läßt sich zwar eine Füllstandsmessung auch bei Medien unterschiedlicher Dielektrizitätskonstanten, also beispielsweise bei Kraftstoffen mit unterschiedlichem Methanolgehalt durchführen, ohne daß sich im allgemeinen ins Gewicht fallende Meßwertfehler ergeben. Ein erheblicher Nachteil dieser Einrichtung besteht jedoch darin, daß sie verhältnismäßig bauteilaufwendig und kompliziert herzustellen und zu eichen ist, was sich negativ auf die Herstellkosten auswirkt. Aus diesem Grunde haben solche Füllstandsmeßeinrichtungen auch noch keine Verwendung im Kraftfahrzeug gefunden.

Es ist des weiteren eine kapazitive Füllstandsmeßeinrichtung bekannt (DE-AS 25 50 936), die einen Meßkondensator und einen Kompensationskondensator enthält, von denen jeder an einen gleich großen Spannungszufuhrwiderstand und einen Eingang einer Differenzverstärkerschaltung angeschlossen ist, an deren Ausgängen ein Meßsignal abgreifbar ist, das der Differenz der Kapazitäten der beiden Kondensatoren entspricht. Die Aufladung und die Entladung der beiden Kondensatoren erfolgt über ein Schaltelement in der Speisediagonalen. Eine derartige Füllstandsmeßeinrichtung erlaubt eine genaue Messung der jeweiligen Kapazität des Meßkondensators auch bei einem großen Meßbereich mit sehr kleinem unteren Kapazitätsgrenzwert. Die Messung ist jedoch von der Dielektrizitätskonstanten des Mediums abhängig, so daß diese bekannte Einrichtung nicht zur Erfassung eines Füllstandes eines Mediums mit sich ändernder Dielektrizitätskonstanten geeignet ist.

Bei einer anderen bekannten kapazitiven Füllstandsmeßeinrichtung für Flugzeuge (DE-OS 29 36 309) mit Meß- und Kompensationskondensatoren für die verschiedenen Tanks ist eine Mikroprozessor-Steuereinrichtung vorgesehen, die eine Anzeigesteuerung in Verbindung mit einer automatischen Kompensation für Änderungen der Nullfüllstandshöhe in einem Tank und einer automatischen Einstellung des Skalenvollausschlags bei Änderungen des Fassungsvermögens eines Tanks aufweist. Eine solche Füllstandsmeßeinrichtung ist sehr bauteilaufwendig, benötigt einen teuren Mikroprozessor und ist demzufolge mit hohen Herstellkosten behaftet.

Diese Nachteile sollen durch die Erfindung beseitigt werden. Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Einrichtung zur kapazitiven Füllstandsmessung zu schaffen, die einerseits eine möglichst exakte Angabe des jeweiligen Füllstandes in einem Behälter unabhängig von der Dielektrizitätskonstanten des im Behälter befindlichen Mediums erlaubt und andererseits mit einem möglichst geringen Aufwand herstellbar ist.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Einrichtung der eingangs beschriebenen Gattung erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein erster Differenzverstärker vorhanden ist, der als freilaufender Oszillator beschaltet ist, daß der erste Differenzverstärker an seinem einen Eingang mit dem mit einer konstanten Spannung beaufschlagten Kompensationskondensator und an seinem anderen Eingang mit einer Referenzspannug beschaltet ist, daß ein zweiter Differenzverstärker vorhanden ist, an dessen einen Eingang der mit einer konstanten Spannung beaufschlagte erste Meßkondensator angeschlossen und dessen anderer Eingang mit einer Referenzspannung beaufschlagt ist, daß ein dritter Differenzverstärker vorhanden ist, an dessen einen Eingang der mit einer konstanten Spannung beaufschlagte zweite Meßkondensator angeschlossen und dessen anderer Eingang mit einer Referenzspannung beaufschlagt ist, daß zu jedem der drei Kondensatoren jeweils ein Schalter parallel geschaltet ist, von denen jeder vom Ausgang des ersten Differenzverstärkers ansteuerbar ist, und daß als Mittel zum Auswerten eine Integrierstufe und ein dieser vorgeschalteter Schalter vorgesehen sind, der an den Ausgang des zweiten Differenzverstärkers angeschlossen und vom Ausgang des dritten Differenzverstärkers angesteuert ist.

Es ist ohne weiteres ersichtlich, daß diese erfindungsgemäße Einrichtung mit einer wesentlich geringeren Anzahl von Bauteilen auskommt, als dies bei der bekannten Einrichtung der Fall ist. So werden bei der erfindungsgemäßen Einrichtung lediglich drei Differenzverstärker sowie vier steuerbare Schalter benötigt, während bei der bekannten Einrichtung fünf Differenzerstärker und acht steuerbare Schalter erforderlich sind. Ferner werden im Gegensatz zu der erfindungsgemäßen Einrichtung bei der bekannten Einrichtung noch vier Flipflops und eine Vielzahl anderer Bauelemente benötigt. Die erfindungsgemäße Einrichtung ist also äußerst bauteilarm aufgebaut, wobei sie sich zudem leicht in einem einzigen IC (Integrated Circuit) besonders billig realisieren läßt.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die einzelnen Kondensatoren jeweils über einen Vorwiderstand an die Betriebsspannung angeschlossen, wobei die dem ersten und zweiten Meßkondensator zugeordneten Vorwiderstände gleich groß sind und der dem Kompensationskondensator zugeordnete Vorwiderstand

R_K = (C_MO/C_KO) R_M

ist, wobei
C_MO die Kapazität des zweiten Meßkondensators,
C_KO die Kapaztät des Kompensationskondensators ist, wenn dieser mit Luft als Dielektrikum gefüllt ist, und
R_M der Wert des dem ersten oder zweiten Meßkondensators zugeordneten Vorwiderstandes ist,
und wobei die den Differenzverstärkern zugeordneten Referenzspannungen gleich groß sind. Dadurch läßt sich der Schaltungsaufwand der Einrichtung weiter erheblich vereinfachen.

Um sicherzustellen, daß die Leitfähigkeit des zu messenden Mediums zu keiner Verfälschung des Meßergebnisses führt, sind die den beiden Meßkondensatoren zugeordneten Vorwiderstände wesentlich kleiner als der Widerstand des Kompensationskondensators gewählt. Auf diese Weise läßt sich der Einfluß der Leitfähigkeit des Mediums in einer Größenordnung halten, die eine ins Gewicht fallende Beeinflussung des Meßergebnisses durch die Leitfähigkeit ausschließt.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist der der Integrationsstufe vorgeschaltete Schalter als Tri-state-buffer ausgebildet. Ein solcher Schalter hat unter anderem den Vorteil, daß eine besonders hochohmige Trennung zwischen der Integrationsstufe und dem ersten Differenzverstärker stattfindet und somit im Trennungszustand ein am Ausgang des ersten Differenzverstärkers anstehendes Signal keinen Einfluß auf die Integrationsstufe hat.

Die Erfindung sei anhand der Zeichnungen, die ein Ausführungsbeispiel enthält, näher erläutert, es zeigt

Fig. 1 eine prinzipielle Darstellung der Einrichtung zur kapazitiven Füllstandsmessung,

Fig. 2 ein Prinzipschaltbild der Füllstandsmeßeinrichtung und

Fig. 3 Diagramme der Impulse, wie sie in der Schaltungsanordnung nach Fig. 2 auftreten.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, befindet sich in einem Behälter 1, in dem der Füllstand des Mediums Kraftstoff gemessen werden soll, ein sich über die gesamte Füllstandshöhe erstreckender erster Meßkondensator 2 sowie ein Kompensationskondensator 3, der gleich groß wie der Meßkondensator 2 ist und dauernd vollständig im Medium eingetaucht bleibt.

Der erste Meßkondensator 2 liegt, wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, über einen Vorwiderstand 4 an einer konstant gehaltenen Betriebsspannung U_B. Die am Meßkondensator 2 abfallende Spannung ist dem invertierenden Eingang 5 eines Differenzverstärkers 6 zugeführt, dessen nicht invertierender Eingang 7 mit einer Referenzspannung U_S beaufschlagt ist, die durch einen Spannungsteiler 8 erzeugt wird.

Der zweite Meßkondensator 9 ist in gleicher Weise beschaltet. Auch er liegt über einen Widerstand 10, dessen Größe gleich dem des Vorwiderstandes 4 des ersten Meßkondensators 2 ist, an der konstanten Betriebsspannung U_B. Die am zweiten Meßkondensator abfallende Spannung ist wiederum dem invertierenden Eingang 11 eines weiteren Differenzverstärkers 12 zugeführt, der wiederum an seinem nicht invertierenden Eingang 13 mit der Referenzspannung U_S beaufschlagt ist. Auch diese Referenzspannung wird durch einen Spannungsteiler 14 erzeugt, dessen Widerstandswerte dem Spannungsteiler 8 entsprechen.

Etwas anderes ist die Beschaltung des Kompensationskondensators 3. Dieser liegt über einen Vorwiderstand 15 an der konstanten Betriebsspannung U_B, dessen Widerstandswert

R_K = (C_MO/C_KO) · R_M

ist.

Hierbei ist C_MO die Kapazität des zweiten Meßkondensators 9 und C_KO die Kapazität des Kompensationskondensators 3, wenn dieser vollständig mit Luft als Dielektrikum gefüllt ist. Ferner ist R_M der Widerstandswert des Vorwiderstandes 4 bzw. des Vorwiderstandes 10, da ja die beiden Vorwiderstände, wie vorstehend erläutert, gleich groß sind. Die am Kompensationskondensator 3 abfallende Spannung liegt am invertierenden Eingang 16 eines weiteren Differenzverstärkers 17, dessen nicht invertierender Eingang 18 wiederum mit der Referenzspannung U_S beaufschlagt ist. Im Gegensatz zu den Differenzverstärkern 6 und 12, die lediglich eine ohmsche Kopplung zwischen Ausgang und nicht invertierendem Eingang aufweisen, ist der Differenzverstärker 17 zusätzlich mit einer kapazitiven Kopplung versehen, so daß er als freilaufender Oszillator arbeitet.

Der Ausgang 19 des Differenzverstärkers 17 steuert drei Schalter 20, 21 und 22, von denen der eine parallel zum Meßkondensator 2, der zweite parallel zum Kompensationskondensator 3 und der dritte parallel zum zweiten Meßkondensator 9 geschaltet ist.

Der Ausgang 23 des Differenzverstärkers 12 steuert einen Tri-state-buffer 24, der an den Ausgang 25 des Differenzverstärkers 6 angeschlossen ist. An den Tri-state-buffer 24 ist eine Integrierstufe 26 angeschlossen, die als einstufiger Tiefpaß ausgebildet ist. Der Ausgang der Integrierstufe 26 kann mit einem Meßinstrument 27 verbunden sein, das beispielsweise als Drehspulmeßwerk aufgebaut ist. Mit diesem Instrument erfolgt die Anzeige des jeweiligen Füllstandes.

Im folgenden wird die Funktion der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 2 in Verbindung mit den Impulsidagrammen in Fig. 3 näher erläutert.

Es wird angenommen, daß im Zeitpunkt t₀ die Kondensatoren 2, 3 und 9 entladen sind und die Schalter 20, 21, 22 und 24 gerade geöffnet haben. Dies hat zur Folge, daß sich die Kondensatoren 2, 3 und 9 aufladen und die Spannungen in den Punkten P1, P3 und P5 in Abhängigkeit von dem jeweiligen RC-Wert anwachsen. Da die an den Kondensatoren 2, 3 und 9 abfallenden Spannungen zu Beginn des Ladevorganges kleiner als die Referenzspannung U_S sind, geben die Differenzverstärker 6,12 und 17 jeweils eine Spannung an ihrem Ausgang ab.

Aufgrund der unterschiedlichen Kapazitäten der Kondensatoren 2, 3 und 9 erreicht die Spannung im Punkt P5 zuerst die Höhe der Referenzspannung U_S und im Punkt P6 verschwindet die Ausgangsspannung. Dies hat zur Folge, daß der Tri-state-buffer 24 den Ausgang 25 des Differenzverstärkers 6 auf die Integrierstufe 26 schaltet.

Danach entsteht im Punkt P3 in einer vom jeweiligen Füllstand abhängigen Zeitverzögerung ein Potential, das gleich der Referenzspannung U_S ist, so daß auch im Ausgang 25 des Differenzverstärkers 6 die Spannung verschwindet und die Integrierstufe 26 nicht länger von einer Eingangsspannung beaufschlagt ist. Schließlich gelangt auch der Punkt P1 auf ein der Referenzspannung U_S entsprechendes Potential, so daß der Ausgang des Differenzverstärkers 19 spannungslos wird. Die Folge ist, daß die Schalter 20, 21 und 22 in ihre Schließstellung gesteuert werden, so daß sich die Kondensatoren 2, 3 und 9 über die geschlossenen Schalter entladen können. Mit dem Verschwinden der Spannung im Ausgang 19 des Differenzverstärkers 17 wird über den Kopplungskondensator gleichzeitig auch die Referenzspannung kurz abgesenkt, so daß trotz des sich entladenden Kondensators 3 im Ausgang 19 des Differenzverstärkers 17 nicht sofort wieder eine Ausgangsspannung erscheint. Nach dem Abklingen dieses Prozesses erscheint im Ausgang 19 des Differenzverstärkers 17 wieder eine Spannung, die bewirkt, daß die Schalter 20, 21 und 22 wieder geöfnet werden und der Vorgang von neuem beginnen kann. Auf diese Weise erscheint am Ausgang des Tri-state- buffer 24 im Punkt P7 eine Folge von Impulsen, deren Dauer gleich der Zeitdifferenz zwischen dem Ende der Ladezeit des ersten Meßkondensators und der Ladezeit des zweiten Meßkondensators ist und deren Periodendauer der Differenz der Ladezeitdauer des Kompensationskondensators und der Ladezeitdauer des zweiten Meßkondensators entspricht. Mit anderen Worten, das Tastverhältnis dieser Impulsfolge beträgt

τ/T = (t_M - t_MO) / (t_K - t_MO) .

Dieser Term ist aber gleich dem auf den maximalen Füllstand bezogene Füllstand, da die Zeiten t_M, t_K und t_MO jeweils proportional den Kapazitäten C_M, C_K und C_MO sind.

Die am Ausgang des Tri-state-buffer auftretende Impulsfolge wird in der Integrierstufe zu einem dem jeweiligen Füllstand entsprechenden Mittelwert integriert.

Claims

1. Einrichtung zur kapazitiven Füllstandsmessung mit einem nach Maßgabe des Füllstandes in das zu messende Medium tauchenden ersten Meßkondensator, einem zweiten Meßkondensator, dessen Kapazität gleich derjenigen des ersten Meßkondensators ist, wenn dieser mit Luft als Dielektrikum gefüllt ist, einem Kompensationskondensator mit dem Medium als Dielektrikum, Mitteln zum Aufladen der Kondensatoren auf eine vorgegebene Spannung, Mitteln zum Entladen der Kondensatoren, Mitteln zum Erzeugen von Impulsen mit einer von der Aufladezeit abhängigen Impulsdauer und Mitteln zum Auswerten dieser Impulse nach einer vorgegebenen Beziehung, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Differenzverstärker (17) vorhanden ist, der als freilaufender Oszillator beschaltet ist, daß der erste Differenzverstärker (17) an seinem einen Eingang (16) mit dem mit einer konstanten Spannung (U_B) beaufschlagten Kompensationskondensator (3) und an seinem anderen Eingang (18) mit einer Referenzspannung (U_S) beschaltet ist, daß ein zweiter Differenzverstärker (6) vorhanden ist, an dessen einen Eingang (5) der mit einer konstanten Spannung (U_B) beaufschlagte erste Meßkondensator (2) angeschlossen und dessen anderer Eingang (7) mit einer Referenzspannung (U_S) beaufschlagt ist, daß ein dritter Differenzverstärker (12) vorhanden ist, an dessen einen Eingang (11) der mit einer konstanten Spannung (U_B) beaufschlagte zweite Meßkondensator (9) angeschlossen und dessen anderer Eingang (13) mit einer Referenzspannung (U_S) beaufschlagt ist, daß zu jedem der drei Kondensatoren (2, 3, 9) jeweils ein Schalter (20, 21, 22) parallel geschaltet ist, von denen jeder vom Ausgang (19) des ersten Diffferenzverstärkers (17) ansteuerbar ist, und daß als Mittel zum Auswerten eine Integrierstufe (26) und ein dieser vorgeschalteter Schalter (24) vorgesehen sind, der an den Ausgang (25) des zweiten Differenzverstärkers (6) angeschlossen und vom Ausgang (23) des dritten Differenzverstärkers (13) angesteuert ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der der Integrationsstufe (26) vorgeschaltete Schalter als Tri-state-buffer (24) ausgebildet ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Kondensatoren (2, 3, 9) jeweils über einen Vorwiderstand (4, 10, 15) an die Betriebsspannung (U_B) angeschlossen sind, wobei die dem ersten und zweiten Meßkondensator (2, 9) zugeordneten Vorwiderstände (4, 10) gleich groß sind und der dem Kompensationskondensator (3) zugeordnete Vorwiderstand (15) einen Wert von hat, wobei
C_MO die Kapazität des zweiten Meßkondensators (9),
C_KO die Kapazität des Kompensationskondensators (3) hat, wenn dieser mit Luft als Dielektrikum gefüllt ist, und
R_M Widerstandswert des Vorwiderstandes (10) ist,
und daß die den Differenzverstärkern (6, 12, 17) zugeordneten Referenzspannungen (U_S) gleich groß sind.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorwiderstände (4, 10, 15) wesentlich kleiner als der Widerstand des Kompensationskondensators (3) sind.