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Füllstandsanzeige
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Die Erfindung geht aus von einer Füllstandsanzeige zur Ermittlung
des Füllstandes eines in einem Behälter enthaltenen, elektrisch leitenden Mediums
mit zwei in Abhängigkeit von dem Füllstand in das Medium eintauchenden Elektroden
und mit einer wenigstens an eine der Elektroden angeschlossenen Auswerteschaltung,
deren Ausgangssignal sich in Abhängigkeit von dem Eintauchen der Elektroden in das
Medium ändert.
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Aus der "Funkschaug' Nr. 23 vom 9. November 1979, Seite 1376, ist
eine derartige Füllstandsanzeige bekannt, bei der zwei im Abstand zueinander angeordnete
Kohlestifte die Elektroden der Füllstandsanzeige bilden. Eine der beiden Elektroden
ist an die positive Versorungsspannung der gesamten Schaltung angeschlossen, während
die andere Elektrode an dem Eingang der Auswerteschaltung liegt. Die Auswerteschaltung
enthält einen im Tonfrequenzbereich schwingenden Oszillator, der aus einem integrierten
Schaltkreis aufgebaut ist und dessen Ausgangsspannung über einen nachgeschalteten
NPN-Transistor einen Lautsprecher steuert.
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In der Versorgungsleitung des Oszillators liegt die Emitterkollektorstrecke
eines weiteren NPN-Transistors, dessen Kollektor mit der positiven Versorgungsspannung
und dessen Emitter an dem positiven Versorgungsanschluß des IC liegt. Die Basis
des Transistors ist über einen Widerstand an den Eingang der Auswerteschaltung angeschlossen.
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Sobald durch ein elektrisch leitendes Medium, beispielsweise Wasser,
die beiden Kohlestiftelektroden elektrisch leitend miteinander verbunden werden,
fließt von der Versorgungsspannung über die beiden Elektroden ein Strom zu der Basis
des in der Versorungsleitung des Oszillators liegenden Transistors, so daß dieser
durchgesteufsrt wird und in der Folge die Versorgungsspannung an den Oszillator
anlegt. Der Oszillator beginnt daraufhin zu schwingen und erzeugt in dem angeschlossenen
Lautsprecher ein entsprechendes Warnsignal.
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Da an den beiden Elektroden ständig Gleichspannung anliegt und demzufolge
beim Eintauchen der Elektroden in das elektrisch leitende Medium durch dieses ein
ständiger Gleichstrom fließt, tritt eine entsprechend starke Elektrolyse an den
Kohlestiften auf, weshalb die Schaltung nicht geeignet ist, den Füllstand in einem
Wasserbehälter anzuzeigen, wenn die Elektroden normalerweise untergetaucht sind
und erst im Fehlerfall, c1.h. beim Verbrauchen des Wassers, auftauchen.
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Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, die eingangs genannte Füllstandsanzeige
derart weiterzubilden, daß keine oder fast keine Dissoziation mehr auftritt, so
daß die den Füllstand ermittelnden Elektroden ohne weiteres auch längere Zeit untergetaucht
bleiben können.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist die erfindungsgemäße Füllstandsanzeige
durch die Merkmale des Hauptanspruches gekennzeichnet.
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Durch die Verwendung der an den Elektroden anliegenden Wechselspannung
wird eine Dissoziation in dem elektrisch leitenden Medium entsprechend der gewählten
Frequenz vollständig oder nahezu vollständig vermieden.
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Die nachgeschaltete Meßschaltung wird sehr einfach, wenn die Wechselspannungen,
die in die Elektroden eingespeist werden, gleiche Amplitude aufweisen. Eine weitere
Vereinfachung ergibt sich, wenn die Wechselspannungen, bezogen auf die Schaltungsmasse,
unipolar sind und ihre Mittelwerte das gleiche Vorzeichen, bezogen auf die Schaltungsmasse,
aufweisen.
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Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform der Auswerteschaltung ist die
Wechselspannungsquelle so gestaltet, daß der Innenwiderstand der Weçhselspannungsquelle
je nach Vorzeichen der Stromflußrichtung unterschiedliche Größe aufweist. Hierzu
kann im einfachsten Fall in der Verbindungsleitung zwischen dem Ausgang der Wechselspannungsquelle
und der jeweiligen Elektrode ein durch eine Diode überbrückter Widerstand liegen.
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Eine sehr einfache Ausführungsform ergibt sich, wenn die Wechselspannungsquelle
einen im wesentlichen aus zwei Invertern aufgebauten Oszillator enthält, dessen
Ausgang einen der Ausgänge der Wechselspannungsquelle bildet und an den Eingang
eines weiteren Inverters angeschlossen ist, dessen Ausgang den zweiten Ausgang der
Wechselspannungsquelle darstellt.
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Die Erfassung zweier unterschiedlicher Füllstände ist möglich, wenn
der Behälter wenigstens teilweise elektrisch leitend ausgebildet ist und mit der
Schaltungsmasse verbunden ist.
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Ein sehr einfacher und kostengünstiger Oszillator kann dadurch erhalten
werden, daß die Inverter aus NOR-Gattern in CMOS-Technik gebildet sind.
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Eine bevorzugte Ausbildung der Meßschaltung enthält ein NOR-Gatter
mit zwei Eingängen und einem Ausgang, wobei jeder der beiden Eingänge einen der
beiden Eingänge der Meßschaltung bildet.
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Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform kann das NOR-Gatter'entsprechend
der Anzahl der Eingänge, Dioden und Inverter enthalten, deren Eingänge die Gattereingänge
bilden.und deren Ausgänge jeweils an die Kathode einer zugehörigen Diode angeschlossen
sind, deren Anoden zusammengeschaltet sind und den Gatterausgang bilden.
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Wenn die Elektroden, bezogen auf den Füllstand, in unterschiedlicher
Höhe angeordnet sind, ist es möglich, drei unterschiedliche Füllstandshöhen mit
der Füllstandsanzeige zu messen. Hierbei kann eine blinkende Anzeige dadurch erhalten
werden, daß die Frequenz der Wechselspannungsquelle bei etwa 1 Hz liegt. Damit der
Benutzer eine gewisse Kontrollmöglichkeit dafür hat, daß die Füllstandsanzeige auch
tatsächlich anzeigen kann und nicht etwa der optische Indikator defekt ist, enthält
die Meßschaltung einen dritten Eingang, an dem zur Uberprüfung der Meßschaltung
beim Einschalten der Versorgungsspannung eine Kontrollschaltung angeschlossen ist.
Im einfachsten Fall kann die Kontrollschaltung einen mit dem Versorgungsspannungsanschluß
der Auswerteschaltung verbundenen Kondensator enthalten, der mit seinem anderen
Anschluß zu dem dritten Eingang führt, von wo aus ein Widerstand zum Laden des'Kondensators
gegen Masse geschaltet ist. Dabei kann zwischen der Verbindungsstelle von dem Kondensator
und dem Widerstand einerseits und dem dritten Eingang andererseits ein Widerstand
liegen.
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Um zu verhindern, daß bei einem falschen Anschließen der Füllstandsanzeige
aufgrund eines Kurzschlusses zwischen
dem nicht geerdeten Versorgungsspannungsanschluß
und einer der Elektroden die Wechselspannungsquelle zerstört wird, kann in jeder
der Verbindungsleitungen zu den Elektroden ein nicht überbrückter Längswiderstand
liegen, der den Kurzschlußstrom auf einen ungefährlichen Wert begrenzt. Eine weitere
Schutzmöglichkeit der Auswerteschaltung gegen Spannungsspitzen auf der Versorgungsspannung
kann im einfachsten Falle so durchgeführt werden, daß stromversorgungsmäßig parallel
zu der Auswerteschaltung eine Z-Diode geschaltet ist und die Versorgungsspannung
über einen Schutzwiderstand der Auswerteschaltung zugeführt wird.
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Zum Schutz gegen Verpolen beim Anschluß der Versorgungsspannung liegt
stromversorgungsmäßig in Serie mit der Auswerteschaltung eine normalerweise in Durchlassrichtung
betriebene Diode.
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Zum Betrieb einer optischen Anzeige mit verhältnismßig großer Stromaufnahme,
die nicht unmittelbar aus dem Gatter betrieben werden kann, kann die Meßschaltung
eine an den Ausgang des NOR-Gatters angeschlossene Anzeigeeinrichtung mit einem
ersten und einem zweiten Transistor sowie mit einer Anzeigelampe enthalten, von
denen der erste Transistor mit seiner Basis an den Ausgang des NOR-Gatters,mit seinem
Emitter zusammen mit dem Kollektor des zweiten Transistors an die Anzeigelampe und
mit seinem Kollektor an die Basis des zweiten Transistors angeschlossen ist, wobei
der zweite Transistor mit seinem Emitter an Masse und die Anzeigelampe mit ihrem
anderen freien Anschluß an der Versorgungsspannung liegen.
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Damit nicht etwa bei einem Kurzschluß in der Anzeigelampe die beiden
Transistoren der Anzeigeeinrichtung zerstört
werden, liegt der
Emitter des ersten Transistors über einen Widerstand an der Versorgungsspannung,und
es ist ferner ein dritter Transistor vorgesehen, dessen Emitter an den Ausgang des
NOR-Gatters, dessen Kollektor an den Emitter des ersten Transistors und dessen Basis
über einen Widerstand an den Emitter des zweiten Transistors angeschlossen ist,
während die Basis-Emitterstrecke des dritten Transistors durch einen Kondensator
überbrückt ist.
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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch
dargestellt. Es zeigen: Fig. 1 eine Füllstandsanzeige gemäß der Erfindung mit zwei
in eine Flüssigkeit eines Behälters eintauchenden Elektroden in einem schematischen
Schaltbild, Fig. 2 ein Diagramm der Signalspannungen an verschiedenen Schaltpunkten
der Füllstandsanzeige nach Fig. 2 bei zwei unterschiedlichen Betriebssituationen,
Fig. 3 das Ersatzschaltbild für die Verzweigung des elektrischen Stromes bei in
die Flüssigkeit eintauchenden Elektroden und geerdetem Behälter, Fig. 4 eine Füllstandsanzeige
gemäß der Erfindung zur Anzeige unterschiedlicher Füllstände mit auf zwei Höhen
angeordneten-Elektroden im Ausschnitt, und Fig. 5 eine Füllstandsanzeige gemäß der
Erfindung mit einem aus Invertern aufgebauten NOR-Gatter und verschiedenen Schutzeinrichtungen
gegen Verpolen und Kurzschlüsse.
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In Fig. 1 ist eine Füllstandsanzeige 1 zur Ermittlung des Füllstandes
eines in einem Behälter 2 enthaltene elektrisch leitenden Mediums 4 veranschaulicht,
die zwei an eine Auswerteschaltung 6 angeschlossene Elektroden 8 und 10 enthält.
Die Auswertschaltung 6 weist eine Wechselspannungsquelle 12 mit zwei Ausgängen 14
und 16 sowie eine Meßschaltung 18 auf.
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Die Wechselspannungsquelle 12 ist durch zwei zu einem Oszillator geschalteten
Inverter 20 und 21 gebildet, wobei der aus einem NOR-Gatter gebildete Inverter 20
mit seinem Ausgang an dem Eingang des ebenfalls aus einem NOR-Gatter gebildeten
Inverters 21 liegt. An den Ausgang des Inverters 22 ist ein Kondensator 24 angeschlossen,
dessen andere Elektrode mit zwei Widerständen 26 und 28 verbunden ist, wobei der
Widerstand 26 von dem Kondensator 24 zu dem Eingang des. Inverters 22 und der Widerstand
28 von dem Kondensator 24 zu dem Eingang des Inverters 20 führt. Der Ausgang des
Inverters 22 bildet den Ausgang 14 der Wechselspannungsquelle, an den eingangsseitig
ein weiterer Inverter 30 angeschlossen ist, der-ebenfalls durch ein NOR-Gatter gebildet
ist. Der Ausgang des Inverters 30 stellt den Ausgang der Wechselspannungsquelle
12 dar.
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An jedem der beiden Ausgänge 14, 16 der Wechselspannungsquelle 12
liegt ein jeweils durch eine Diode 32, 34 überbrückter Widerstand 36, 38, der mit
seinem anderen Ende an eine der beiden Elektroden 8 bzw. 10 angeschlossen ist.
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Die Anordnung der Dioden 32 und 34 ist hierbei so getroffen, daß ihre
Kathoden jeweils mit den Ausgängen 14, 16 der Wechselspannungsquelle 12 verbunden
sind, während die Anoden der Dioden 32, 34 an die Elektroden 8 und 10 angeschlossen
sind.
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Die Meßschaltung 18 enthält ein NOR-Gatter 40, das mit einem Eingang
an die Verbindungsstelle zwischen dem Widerstand 38 und der Elektrode 8 angeschlossen
ist, während der andere Eingang des NOR-Gatters 40 an der Verbindungsstelle zwischen
dem Widerstand 36 und der Elektrode 10 liegt. Der Ausgang des NOR-C7atters 40 ist
mit der Basis eines PNP-Transistors 46 verbunden, dessen Kollektor an die Basis
eines NPN-Transistors 48 angeschlossen ist. Der NPN-Transistor 48 liegt emitterseitig
an der Schaltungsmasse 50 und kollektorseitig an einer Signallampe 52, an der auch
der Emitter des PNP-Transistors 46 angeschlossen ist. Die Signallampe 52 steht ihrerseits
mit ihrem freien Anschluß mit dem Pluspol einer schematisch veranschaulichten Batterie
54 in Verbindung, deren Minuspol an der Schaltungsmasse 50 liegt.
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Die die Inverter 20, 22 und 30 bildenden NOR-Gatter sowie das NOR-Gatter
40 sind als integrierte Schaltkreise in CMOS-Technik ausgeführt und beispielsweise
die NOR-Gatter einer integrierten Schaltung vom Typ CA 4001. Der Übersichtlichkeit
halber ist der Anschluß der Versorgungsspannung der einzelnen NOR-Gatter bzw. Inverter
20, 22, 30 und 40 nicht im einzelnen gezeichnet, sondern nur durch eine Anschlußleitung
56 schematisch veranschaulicht; der zweite Versorgungsspannungsanschluß der NOR-Gatter
bzw.
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Inverter 20, 22, 30 und 40 ist mit der Schaltungsmasse 50 verbunden.
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Die Funktionsweise des aus den Invertern 20 und 22 sowie den Widerständen
28, 26 und dem Kondensator 24 aufgebauten Oszillators ist an sich bekannt und braucht
deswegen nur kurz beschrieben zu werden: Es sei angenommen, daß sich der Eingang
des Inverters 20 auf H-Itotential befindet, was zur Folge hat, daß der Ausgang des
Inverters 20 auf L-Potential und damit wiederum der Ausgang des Inverters 22
auf
H-Potential liegt. Diens hat zur Folge, daß durch den Kondensator 24 und den Widerstand
26 von dem Ausgang des Inverters 22 zu dem Ausgang des Inverters 20 ein Ladestrom
für den Kondensator 24 fließt, der zur Folge hat, daß an dem Widerstand 26 ein positiver
Spannungsabfall entsteht, der das H-Potential am Eingang des Inverters 20 hervorruft.
Sobald der Kondensator 24 geladen ist; hört der Ladestrom auf zu fließen und das
L-Potential am Ausgang des Inverters 20 gelangt über die Widerstände 28 und 26 an
den Eingang des Inverters 20 und schaltet diesen in den anderen Zustand um, womit
nunmehr an dem Ausgang des Inverters 20 ein H-Potential anliegt, was zur Folge hat,
daß der Ausgang des Inverters 22 auf das L-Potential umgeschaltet wird.
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Hierdurch fließt nunmehr durch den Widerstand 26 und den Kondensator
24 ein Strom-in umgekehrter Richtung von dem auf H-Potential liegenden Ausgang des
Inverters 20 zu dem auf L-Potential liegenden Ausgang des Inverters 22, so daß an
der Verbindungsstelle zwischen den Widerständen 28 und 26 L-Potential entsteht,
das in den Eingang des Inverters 20 eingespeist wird. Sobald der Kondensator 24
mit umgekehrter Polarität aufgeladen ist, verschwindet das L-Potential an der Verbindungsstelle
zwischen den Widerständen 28 und 26, so daß der Oszillator in den vorhergehenden
Zustand zurückkippt.
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Die auf diese Weise erzeugte unipolare Rechteckschwingung weist ein
Tastverhältnis von 50% auf, d.h. die positive Halbwelle der Rechteckschwingung dauert
genau so lange wie die Pause zwischen zwei benachbarten positiven Rechteckschwingungen.
Diese Rechteckschwingung wird in den Inverter 30 eingespeist, womit an dem Ausgang
des Inverters und damit am Ausgang der Wechselspannungsquelle 12 eine weitere Rechteckschwingung
ansteht, die gegenüber der an dem Ausgang 14 anliegenden Rechteckschwingung um 1800
phasengedreht
ist, so daß, wenn der Ausgang 16 der Wechselspannungsquelle auf L-Potential liegt,
der Ausgang 14 der Wechselspannungsquelle auf H-Potential liegt und umgekehrt, wie
dies in Fig. 2 veranschaulicht ist, wobei U14 und U16 die Spannungsverläufe an dem
Ausgang 14 bzw.
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an dem Ausgang-16 darstellen.
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Befindet sich in dem Behälter 2 kein oder nur so wenig elektrisch
leitendes Medium 4, daß die beiden Elektroden 8 und 10 gerade noch nicht in das
Medium 4 eintauchen, dann besteht, abgesehen von dem Eingangswiderstand des NOR-Gatters
40 keine elektrisch leitende Verbindung zwischen den beiden Elektroden 8 und 10,
so daß die Spannung U8 und U10 an den beiden Elektroden 8 und 10,wie in Fig.
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2 dargestellt, der Spannung U14 bzw. U16 an den Ausgängen 14 und 16
der Wechselspannungsquelle 12 folgt. Da die Spannungen U8 und U10 gegeneinander
um 180° phasenversetzt sind, führt jeweils einer der beiden Eingänge des NOR-Gatters
40 H-Potential, so daß die Ausgangsspannung U40 am Ausgang des NOR-Gatters 40, wie
in Fig. 2 dargestellt, auf dem 1-Potential bleibt. Das L-Potential am Ausgang des
NOR-Gatters 40 hat zur Folge, daß der aus den Transistoren 46 und 48 gebildete Treiber
für die Signallampe 52 durchgesteuert wird, so daß die Lampe 52 aufleuchtet. Das
Durchsteuern der Transistoren 46 und 48 ergibt sich, weil wegen des auf L-Potential
liegenden Ausganges des NOR-Gatters 40 ein Basisstrom durch den Transistor 46 und
damit ein Kollektorstrom durch den Transistor 46 fließen kann, der wiederum den
Transistor 48 aufsteuert.
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Wenn hingegen das elektrisch leitende Medium 4 in dem Behälter 2 so
hoch steht, daß die beiden Elektroden 8 und 10 in das Medium 4 eintauchen, ergibt
sich eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den beiden Elektroden 8 und 10.
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Die elektrisch leitende Verbindung durch das Medium 4 ist schematisch
durch eine Serienschaltung aus einem Widerstand und einer Gegenspannungsquelle 60
veranschaulicht, wobei die Größe des Widerstands 58 und der Betrag der Gegenspannung
durch die Gegenspannungsquelle 60 von den elektrischen Eigenschaften der-Flüssigkeit
abhängig sind.
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Es sei nunmehr zunächst angenommen, daß der Ausgang 14 auf L-Potential
und der Ausgang 16 auf H-Potential liegt.
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Damit fließt von dem Ausgang 16 über den Widerstand 36, die Elektrode
10,die Gegenspannungsquelle 60,den Innenwiderstand 58 der Flüssigkeit 4,die Elektrode
8 und die in Durchlaßrichtung wirkende Diode 34 ein Strom zu dem Ausgang 14. Da
die Diode 34 in diesem Betriebszustand in Durchlaßrichtung gepolt ist, liegt die
Elektrode 8 und der damit verbundene Eingang des NOR-Gatters 40 praktisch unabhängig
vom Strom nahezu auf L-Potential (aufgrund der Durchlaßspannung der Diode 34 ergibt
sich eine geringfügige Spannungserhöhung für die Elektrode 8, jedoch bleibt die
Spannung dennoch unterhalb der Umschaltspannung für das NOR-Gatter 40, d.h. auf
L-Potential).
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An der Elektrode 10 liegt jetzt hingegen eine Spannung an, die im
wesentlichen bestimmt wird durch das Verhältnis des Widerstandes 36 zu dem Innenwiderstand
58 des elektrisch leitenden Mediums 4 und der Gegenspannung 60.
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Wenn der Widerstand 36 groß gegenüber dem Innenwiderstand 58 ist,
für Wasser beispielsweise 330 kQ, dann liegt die Spannung der Elektrode 10 nur geringfügig
oberhalb der Spannung für die Elektrode 8 und somit auch auf L-Potential für das
NOR-Gatter 40. An den Eingängen des NOR-Gatters 40 liegen somit zwei Spannungen
mit L-Potential, womit der Ausgang des NOR-Gatters 40 H-Potential annimmt und der
aus den Transistoren 46 und 48 gebildete Lampentreiber nicht aufgesteuert wird.
Die Signallampe 52 bleibt deshalb dunkel.
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Wenn bei der nächsten Halbwelle der Wechselspannungsquelle der Ausgang
14 H-Potential annimmt und der Ausgang 16 L-Potential, fließt ein Strom von dem
Ausgang 14 über den Widerstand 38, die Diode 34 ist jetzt in Sperrichtung gepolt,
über die Elektrode 8, den Innenwiderstand 58, die C.egenspannungsquelle 60, die
Elektrode 10 und die nunmehr in Durchlaßrichtung betriebene Diode 32 zu dem Ausgang
16. Die Elektrode 10 liegt jetzt, wie bei der vorhergehenden Halbwelle die Elektroden
8, auf L-Potential, während nunmehr die Elektrode 8 auf einem Potential liegt, wie
die Elektrode 10 bei der vorausgehenden Halbwelle. Wenn die Spannung an der Elektrode
8 wie vordem unter der Schaltschwelle des NOR-Gatters 40 liegt, werden wiederum
in beide Eingänge.
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des NOR-Gatters 40 L-Potential eingespeist, so daß der Ausgang des
NOR-Gatters 40 auf H-Potential bleibt. In der Folge bleiben auch bei dieser Halbwelle
die Transistoren 46 und 48 gesperrt, da das H-Potential des NOR-Gatters 40 praktisch
genauso groß ist wie die Spannung am Emitter des Transistors 46. An den in das elektrisch
leitende Medium 4 eintauchenden Elektroden 8 und 10 stellen sich deshalb Spannungsverläufe
U8' und U10' ein, wie sie in Fig. 2 veranschaulicht sind. An dem Ausgang des NOR-Gatters
40 hat daraufhin die Spannung den Verlauf wie es bei U40' in Fig. 2 gezeigt ist.
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Fig. 3 zeigt ausschnittsweise ein weiteres Ausführungsbeispiel einer
Füllstandsanzeige, die sich von der Füllstandsanzeige nach Fig. 1 lediglich dadurch
unterscheidet, daß der Behälter 2 wenigstens teilweise elektrisch leitend ausgebildet
ist und elektrisch an die Schaltunc3smasse 50 angeschlossen ist. Bei dem Ausführungsbeispiel
nach Fig. 3 sind die Bauelemente, die den Bauelementen der Füllstandsanzeige nach
Fig. 1 entsprechen, mit den gleichen Bezugszeichen versehen; die Meßschaltung 18
und
die Wechselspannungsquelle 12 sind im übrigen gleich aufgebaut
wie bei Fig. 1 und deshalb nicht erneut gezeichnet.
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Wenn bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 keine der beiden Elektroden
8 und 10 in das Medium 4 eintauchen entspricht die Arbeitsweise der Arbeitsweise
der Füllstandsanzeige nach Fig. 1, wenn keine oder lediglich eine der beiden Elektroden
8 und 1Q in das Medium 4 eintauchen. Tauchen hingegen beide Elektroden 8 und 10
in das Medium 4 ein, so werden zusätzlich zu dem Strompfad über den Innenwiderstand
58 und die Gegenspannungsquelle 60 weitere Strompfade zwischen den Elektroden 8
und 10 und dem Behälter 2 wirksam. Diese zusätzlichen Strompfade sind schematisch
durch die Serienschatungen aus dem Widerstand 62a und der Gegenspannungsquelle 64a
bzw.
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dem Widerstand 62b und der Gegenspannungsquelle 64b, die zwischen
den Elektroden 8 und 10 und dem Behälter 2 liegen, veranschaulicht.
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Für die Erläuterung der Funktionsweise wird zunächst angenommen, daß
der Ausgang 14 auf L-Potential und der Ausgang 16 der Wechselspannungsquelle 12
auf H-Potential liegt. Da das L-Potential praktisch gleich dem Potential der Schaltungsmasse
50 ist, fließt von der Elektrode 8 praktisch kein Strom über den aus der Serienschaltung
62a, 64a gebildeten Strompfad,und der an der Elektrode 8 angeschlossene Eingang
des NOR-Gatters 40 liegt ebenfalls auf L-Potential. Über den Widerstand 36 fließt
hingegen von dem Ausgang 16 ein Strom ion die Elektrode 10 und von dort über die
Serienschaltung aus dem Widerstand 58 und der Gegenspannungsquelle 60 zu der Elektrode
8 und über die Serienschaltung aus dem Widerstand 62b und der-Gegenspannungsquelle
64b zu dem Behälter 2 und von dort zur Schaltungsmasse 50. Wie bei dem Ausführungsbeispiel
nach
Fig. 1 tritt damit, wenn die Parallelschaltung aus den Widerständen
58 und 62b klein gegenüber dem Widerstand 36 ist und auch der Betrag der Gegenspannung
60 und 64b klein ist, eine Spannungsteilung auf, so daß die Spannung an der Elektrode
10 im Bereich des l,-Potentials für den zugehörigen Eingang des NOR-Gatters 40 Jecjt.
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Der Ausgang des NOR-Gatters 40 nimmt daraufhin H-Potential an und
die Transistoren 46 und 48 werden oder bleiben gesperrt, und damit die Lampe 52
dunkel. Während der anderen Halbwelle, bei der der Ausgang 14 der Wechselspannungsquelle
12 H-Potential und der Ausgang 16 L-Potential führt, ergibt sich an sich dieselbe
Betriebssituation, nur fließt jetzt der Strom über den Widerstand 38 zu der Elektrode
8 und von dort über die Serienschaltung aus dem Widerstand 62a und der Gegenspannungsquelle
64a bzw. der Serienschaltung aus dem Widerstand 58 und der Gegenspannungsquelle
60 zu der Elektrode 10. Im übrigen ist aber das Betriebsverhalten gleich und das
NOR-Gatter 40 behält an seinem Ausgang das H-Potential.
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Bei dem in Fig. 4 gezeigten Ausführungsbeispiel einer Füllstandsanzeige
sind die Elektroden im Gegensatz zu dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 auf unterschiedliche
Höhe innerhalb des Behälters 2 angeordnet. Im übrigen entsprechen die Bauelemente
in ihrer Bezeichnung und ihrer Wirkungsweise den Bauelementen der Füllstandsanzeige
1 nach Fig. 1, so daß eine Beschreibung insoweit überflüssig ist, Auch die Wechselspannungsquelle
12 und die Meßschaltung 16 sind wie bei dem Ausftihrungsbeispiel nach Fig. 1 angeordnet
und deshalb in Fig. 4 nicht mehr veranschaulicht.
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Wenn in den Behälter 2 lediglich soviel elektrisch leitendes Medium
4 eingefüllt ist, daß es unterhalb eines durch eine gestrichelte Linie 66 gekennzeichneten
Füllstandes bleibt
und damit keine der beiden Elektroden 8 und
10 in das Medium 4 eintauchen, ist die Arbeitsweise der Füllstandsanzeige 1 nach
Fig. 4 gleich der Arbeitsweise der Füllstandsanzeige 1 nach Fig. 1.
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Befindet sich soviel Medium 4 in dem Behälter 2, daß es oberhalb der
Füllstandsmarkierung 66, aber unterhalb einer durch eine gestrichelte Linie 68 angedeuteten
Marke steht, taucht lediglich die Elektrode 10 ein. Wenn bei dieser Betriebssituation
der Ausgang 14 auf H-Potential und der Ausgang 16 auf L-Potential liegen, liegt
auch die Spannung an der Elektrode 8 und damit die Spannung an dem zugehörigen Eingang
des NOR-Gatters 40 auf H-Potential, denn es besteht keine elektrisch leitende Verbindung
zwischen der Elektrode 8 und der Elektrode 10 bzw. dem Behälter 2.
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Die Elektrode 10 hingegen liegt auf L-Potential und damit auch der
zugehörige Eingang des NOR-Gatters 40. Wenn einer der beiden Eingänge des NOR-Gatters
40 auf H-Potential liegt, geht der Ausgang des NOR-Gatters 40 auf L-Potential und
als Folge hiervon werden die Transistoren 46 und 48 durchgesteuert, die ihrerseits
den Strom durch die Lampe 52 einschalten. Sobald.bei der nächsten Halbwelle der
Ausgang 14 auf L-Potential und der Ausgang 16 auf H-Potential liegen, führt der
zu der Elektrode 8 gehörende Eingang des NOR-Gatters 40 L-Potential und auch der
zu der Elektrode 10 gehörende Eingang des NOR-Gatters 40 liegt auf L-Potential,
da zwischen der Elektrode 10 und dem Behälter 2 ein Strompfad durch das elektrisch
leitende Medium 4 wirksam wird, der in Fig. 3 durch die Serienschaltung aus dem
Widerstand 62b und der Gegenspannungsquelle 64b symbolisiert ist. Aufgrund dieses-zusätzlichen
Strompfades entsteht an dem Widerstand 36 ein Spannungsabfall, so daß der zugehörige
Eingang des NOR-Gatters 40, wie ausgeführt, auf L-Potential liegt. Die somit beide
auf L-Potential liegenden Eingänge des NOR-
Gatters 40 führen dazu,
daß der Ausgang des NOR-Gatters 40 H-Potential annimmt und damit die Transistortn
4G und 48 gesperrt werden. Diese Betriebsweise der Vil 1-standsanzeige 1 nach Fig.
4 führt dazu, daß die LEimt( 52 je nach Halbwelle, d.h je nach Zustand des Ausgangs
14 bzw. des Ausgangs 16 abwechselnd ein- und wieder ausgeschaltet wird und demzufolge
bei hoher Frequenz des Oszillators 12 entweder dunkler brennt oder bei niedriger
Frequenz, beispielsweise 1 Hz, für das Auge erkennbar blinkt.
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Ist jedoch soviel Medium 4 in dem Behälter 2 eingefüllt, daß es oberhalb
der Füllstandsmarke 68 steht und beide Elektroden 8 und 10 in das Medium 4 eintauchen,
ergibt sich dieselbe Retriebsweise wie bei der Füllstandsanzeige 1 nach Fig. 3,
wenn die beiden Elektroden 8 sind 10 eine3etaucht sind. Das Ausführungsbeispiel
nach Fig. 4 ist damit geeignet, drei verschiedene Füllstände nämlich unterhalb der
Füllstandsmarke 66, zwischen den Füllstandsmarken 66 und 68 und über der Füllstandsmarke
68 zu signalisieren.
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In Fig. 5 ist eine weitere Füllstandsanzeige 1 veranschaulicht, bei
der die Bauelemente, die den Bauelementen der Füllstandsanzeige 1 nach Fig. 1 entsprechen,
mit gleichen Bezugszeichen versehen sind.
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Die Füllstandsanzeige nach Fig. 5 unterscheidet sich von der nach
Fig. 1 im wesentlichen durch einen geänderten Aufbau des NOR-Gatters 40, sowie durch
zusätzliche Schaltungsmaßnahmen, mit denen eine Zerstörung der Füllstandsanzeige
1 bei einer Reihe von möglichen Verpolungen beim Anschluß bzw. Kurzschlüssen vermieden
wird.
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Anstelle der in der Wechselspannungsquelle 12 nach Fig. 1 verwendeten
NOR-Gatter 20, 22 und 30, die zu Invertern geschaltet sind, enthält die Wechselspannungsquelle
12 von Fig. 5 einfache Inverter, die in CMOS-Technik ausgeführt sind; im übrigen
ist die Arbeitsweise gleich der der Wechselspannungsquelle 12 nach Fig. 1.
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In die Verbindungsleitungen zwischen den Widerständen 38 und. 36 mit
den zugehörigen, in das Medium 4 eintauchenden Elektroden 8 und 10, sind Schutzwiderstände
56 und 58 geschaltet, die ein Zerstören der Ausgänge der Inverter 22 und 30 verhindern,
falls versehentlich auf eine der beiden Elektroden 8 oder 10 eine positive Spannung
von der Batterie 54 gelangen sollte, wie dies beim Anschließen der Füllstandsanzeige
durchaus möglich ist. Ohne die Widerstände 56 und 58 würde bei der gewählten Polarität
und bei auf L-Potential liegenden Ausgang der Inverter 22 bzw. 30 ein diese Ausgänge
zerstörender Strom über die Dioden 32 und 34 fließen, da keine nennenswerte Strombegrenzung
auftritt. Durch die Widerstände 56 und 58 hingegen wird der in diesem Betriebszustand
möglicherweise fließende Strom in die Ausgänge der Inverter 22 und 30 auf einen
ungefährlichen Wert begrenzt.
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Im übrigen beeinflussen die Widerstände 56 und 58 die Arbeitsweise
der Füllstandsanzeige 1 nicht, und sie arbeitet wie dies bereits oben zur Fig. 1
ausgeführt ist.
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Anstelle des NOR-Gatters-nach Fig. 1 sind bei Fig. 5 insgesamt drei
Inverter 60, 62 und 64, sowie drei Dioden 66, 68 und 70 zu einem NOR-Gatter 72 zusammengeschaltet,
und zwar in der Weise, daß die Eingänge
der Inverter 60, 62 und
64 die Eingänge des NOR-Gatters 72 bilden, wobei der Inverter 60 an die Anode der
Diode 32 und der Inverter 62 mit seinem Ausgang an die Anode der Diode 34 angeschlossen
ist.
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An den durch den Eingang des Inverters G4 gebildetell dritten Eingang
des NOR-Gatters 72 ist einp luontrol1-schaltung 74 angeschlossen. Die Ausgänge der
Invel-tfu-60, 62 und 64 stehen jeweils mit der hatl1ode der zugehörigen Diode 66,
68 und 70 in Verbindung, die ihrerseits anodenseitig zusammengeschlossen sind und
den Ausgang des NOR-Gatters 72 bilden, an den, wie bei dem Ausführungsbeispiel nach
Fig. 1, die Basis des Transistors 46 angeschlossen ist.
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Zum Schutz der in der Auswerteschaltung 6 enthaltenen aktiven Schaltelemente,
wie der Inverter 20, 22, 30, 60, 62, 64 und der Transistoren 46 und 48 gegen Verpolen,
c1.h. dem Anschluß der iattrie 54 mit falscher Polarität und der daraus sich ergebenden
Zerstörung dieser Bauelemente, liegt in der Masseverbindung zwischen der Auswerteschaltung
6 und der Schaltungsmasse 50 eine Diode 74, deren Kathode an die Masse 50 angeschlossen
ist, und an deren Anode der Emitter des Transistors 48, der zur Schaltungsmasse
führende Anschluß der Kontrollschaltung 74 und die wegen der Ubersichtlichkeit nicht
eingezeichneten negativen Versorgungsspannungsanschlüsse der Inverter 20, 22, 30,
60, 62 und 64 liegen. Durch die Diode 74 wird nunmehr sichergestellt, daß bei einem
versehentlichen falschen Anschließen der Stromversorgungsspannung bzw. der Batterie
54 kein Strom durch die Füllstandsanzeige 1 fließen kann und eine Zerstörung wirksam
vermieden ist.
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Da es sich insbesondere bei der Anwendung der Füllstandsanzeige 1
in Kraftfahrzeugen nicht immer verhindern läßt, daß der Versorgungsspannung Störspitzen
überlagert sind, die gegebenenfalls die integrierten Schaltkreise zerstören können,
führt von der Anode der Diode 74 eine Z-Diode 76 zu dem positiven Versorgungsanschluß
56 der Inverter 20, 22; 30, 60, 62 und 64, womit die Z-Diode 76 stromversorgungsmäßig
parallel zu der Auswerteschaltung 6 liegt. Zur Strombegrenzung bei Störspannungsspitzen
liegt in der Verbindungsleitung zwischen dem Pluspol der Batterie 54 und dem Stromversorgungsanschluß
56 bzw. der Kathode der Z-Diode 76 ein Längswiderstand 78. Da es schließlich noch
geschehen kann, daß in der Anzeigelampe 52 ein Kurzschluß auftritt, was zu einem
sofortigen Zerstören der Transistoren 46 und 48 bei dem Ausführungsbeispiel nach
Fig. 1 führen würde, ist die Schaltung bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 insoweit
geändert und um einen weiteren Transistor 78 ergänzt. Der Transistor 46 liegt mit
seinem Kollektor an der Basis des Transistors.48, und der Emitter des Transistors
46 führt über einen Widerstand 80 zu dem Stromversorgungsanschluß 56. Parallel zu
der Basis-Emitterstrecke des Transistors 46 liegt die Kollektor-Emitterstrecke des
NPN-Transistors 78, und zwar in der ls, daß der Emitter des Transistors 78 an den
Ausgang des NOR-Gatters 72 und der Kollektor an den Emitter des Transistors 76 angeschlossen
ist.
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Von der Basis des Transistors 78 führt ein Kondensator 82 zu der Basis
des Transistors 76,und ein Vorwiderstand 84 verbindet die Basis des Transistors
78 mit dem Kollektor des Transistors 48 und damit mit der Anzeigelampe 52.
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Wenn in einem Fehlerfall die Anzeigelampe 52 kurzgeschlossen ist,
kann bei auf L-Potential liegendem Ausgang des NOR-Gatters 72 über den Widerstand
84 ein Basisstrom in den Transistor 78 fließen, so daß dieser durchgesteuert wird.
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Da die Sättigungsspannung des Transistors 78 kleiner ist als die Basis-emitterspannung,
die erforderlich ist, um den Transistor 46 in den leitenden Zustand zu überführen,
b1 fzi ht uta hängig von dem Zustand an der Basis des Transistors 46 dieser gesperrt
und in der Folge auch der Transistor 48 gesperrt, so daß er gegen Zerstörung geschützt
ist. Dieser Betriebszustand bleibt solange erhalten, bis die Versorgung 5-spannung
abgeschaltet wird.
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Liegt hingegen bei der Anzeigelampe 52 kein Kurzschluß vor, wenn der
Ausgang des NOR-Catters 72 L-Potential annimmt, so wird der Transistor 46 über seine
Basis durchgesteuert und es fließt über den Widerstand 80 sowie die Kolit.ektor-Ein;it\:erstrecke
des Transistors 46 ein Basisstrom in den Transistor 48, womit dieser durchgesteuert
wird.
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Die Spannung an dem Kollektor des Transistors 48 ist in diesem Betriebszustand
niedriger als. die zum Durchsteuern der Basis-Emitterstrecke des Transistors 78
erforderliche Spannung, womit der Transistor 78 im Sperrzustand bleibt.
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Unter bestimmten Betriebsumständen, beispielsweise wenn die Anzeigelampe
52 kalt ist und der Transistor 48 im durchgesteuerten Zustand mit verhältnismäßig
geringem Basisstrom betrieben wird, kann es geschehen, daß die Spannung an dem Kollektor
des Transistors 48 einen Wert erreicht, derart, daß der Transistor 78 durchgesteuert
werden könnte und die Steuerspannung für den Transistor 76 ab-schaltet. Um dies
zu
verhindern, ist der Kondensator 82 vorgesehen, der zusammen mit dem Vorwiderstand
84 für eine Einschaltverzögerung des Transistors 78 sorgt,-in der Weise, daß der
Transistor 78 erst durchgesteuert wird, wenn der Kondensator 82 aufgeladen ist.
Wenn die Zeitkonstante aus dem Kondensator 82 und dem Vorwiderstand 84 entsprechend
gewählt ist, sinkt die Spannung an dem Kollektor des Transistors 48 infolge des
Aufleuchtens der Anzeigelampe 52 schneller ab als der Transistor 78 infolge des
Kondensators 82 einschalten kann.
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Die schließlich noch vorhandene Kontrollschaltung 74 gibt dem Benutzer
eine Kontrollmöglichkeit, so daß er feststellen kann, ob die Anzeigelampe 52 durchgebrannt
ist oder infolge einer ausreichenden Füllhöhe des Mediums 4 in dem Behälter 2 nicht
brennt.
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Hierzu enthält die Kontrollschaltung 74 einen Kondensator 86, der
mit dem Stromversorgungsanschluß 56 verbunden ist und andernends über einen Vorwiderstand
88 zu dem Eingang des Inverters 64 führt, der den dritten Eingang des NOR-Gatters
72 bildet.
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Von der Verbindungsstelle -zwischen dem Widerstand 88 und dem Kondensator
86 führt ein Widerstand 90 zu der Anode der Diode 74.
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Wenn die Füllstandsanzeige 1 über längere Zeit stromlos gewesen ist,
ist der Kondensator. 86 entladen.
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Sobald nun die Versorgungsspannung für die Füllstandsanzeige 1 über
einen nicht dargestellten Schalter eingeschaltet wird, kommt auf den Eingang des
Inverters 64 über den Widerstand 88 H-Potential, womit der Ausgang des NOR-Gatters
72 auf L-Potential geht, wodurch -wie oben beschrieben - der. Strom durch die Lampe
52 eingeschaltet wird, und zwar unabhängig davon, welche Zustände an den Eingängen
der Inverter 60 und 62
vorliegen. Unmittelbar nach dem Einschalten
der Versorgungsspannung beginnt sich der Kondensator 86 über den Widerstand 90 aufzuladen,
so daß das H-Potential an dem Eingang des Inverters 64 allmählich in das L-Potential
übergeht, so daß, wenn auch an den Eingängen der Inverter 60 und 62 L-Potential
anliegt, der Ausgang des NOR-Gatters 72 auf ll-Potential geht und den Strom durch
die Anzeigelampe 52 wiedtl- al>-schaltet. Tauchen hingegen die beiden Elektrodn
8 und 10 aus dem Medium 4 infolge eines zu niedrigen Füllstandes auf, bleibt die
Anzeigelampe 52 einyeschaltet. Der Widerstand 88 dient dazu, den Eingang des Inverters
64 zu schützen, wenn der Kondensator 86 entladen ist und die Versorgungsspannung
eingeschaltet wird.
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Es ist ersichtlich, daß die verschiedenen Schutzeinrichtungen, wie
sie oben beschrieben sind, unabhängig voneinander vorgesehen werden können und auch
die Kontrollschaltung 74 von den übrigen Schutzeinrichtungen unabhängig ist.
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Die beschriebenen Ausführungsbeispieleder Fülistandsanzei'q-e 1 können
vorteilhafterweise zur Ermittlung des Füllstandes aller elektrisch leitender Medien
verwendet werden, wie beispielsweise des Wasserstandes im Kühlwasserkreislauf eines
Kraftfahrzeuges oder des Ölstandes in dein Motor bzw. dem Getriebe eines Kraftfahrzeuges,
dem Wasserstand in der Scheibenwaschanlage,der Bremsflüssigkeit in einem Brernsflüssigkeitsvorratsbehälter
sowie der Steuerung des Füllstandes bei Geschirrspülmaschinen, Waschmaschinen, Kaffeemaschinen
u.dgl. Ferner weisen die Schaltungen den Vorteil auf, daß die Ausgangsspannung unmittelbar
TTL-bzw. CMOS-Pegel aufweisen und damit zum unmittelbaren Anschluß an Mikroprozessoren
geeignet sind.
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