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Schaltungsanordnung zur Pegelüberwachung elektrisch
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leitfähiqer Flüssiakeiten Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung
zur Pegel überwachung elektrisch leitfähiger Flüssigkeiten gegenüber Medien geringerer
elektrischer Leitfähigkeit.
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Bei verschiedenen technischen Einrichtungen ist es erforderlich, einen
Flüssigkeitspegelstand automatisch zu überwachen und das Unter- bzw. Überschreiten
einer bestimmten Pegelmarke zu signalisieren. Um eine zuverlässige Anzeige zu gewährleisten
ist es von Vorteil, wenn bei der Pegel messung keine mechanisch bewegten Teile (z.B.
Schwimmer oder dergl.) eingesetzt werden müssen.
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Um einen Flüssigkeitsstand rein elektronisch feststellen zu können,
gibt es im wesentlichen zwei Möglichkeiten, nämlich erstens die Kühlwirkung oder
zweitens die elektrische Leitfähigkeit der Flüssigkeit auszunutzen. Die erstgenannte
Methode funktioniert aber nur dann sicher, wenn sich oberhalb der Flüssigkeit ein
Mittel mit wesentlich geringerer Wärmekapazität (im Fall von Wasser z.B.
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Luft) befindet. Die zweite Möglichkeit funktioniert nur dann zufriedenstellend,
wenn sich oberhalb des zu überwachenden Flüssigkeitspegels ein Medium befindet,
daß eine gut unterscheidbare elektrische Leitfähigkeit aufweist (im Fall von Wasser
z.B. Luft oder Öl). Es muß darauf geachtet werden, daß bei einer Leitfähigkeitsmessung
keine Polarisation auftritt, weswegen sie mit Wechselstrom durchgeführt werden muß.
Ferner ist
darauf zu achten, daß die angelegte Spannung nicht so
hoch ist, daß elektrolytische Effekte bzw. eine Gasbildung in der Flüssigkeit auftreten.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung zur Pegelüberwachung
elektrisch leitfähiger Flüssigkeiten gegenüber Medien geringerer elektrischer Leitfähigkeit
anzugeben, die keine mechanisch bewegten Teile enthält, die mit besonders wenig
und billigen Bauelementen ausgeführt werden kann und die, wenn sich der eigentliche
Sensor samt der Elektronik an der Meßstelle und das Anzeige- oder Warnelement samt
der Spannungsversorgung an irgend einer anderen Stelle befinden, nur zwei Verbindungsleitungen
benötigt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Ausgang
eines Rechteckimpulsgenerators der Periodendauer T über einen Widerstand an den
ersten Eingang einer Spannungsvergleichsschaltung gelegt ist, daß an diesem ersten
Eingang ein Kondensator angelegt ist, der zu einer Elektrode eines den Pegelstand
bestimmenden Elektrodenpaares eines Sensors geführt ist, dessen zweite Elektrode
an Masse liegt, daß vom Ausgang der Spannungsvergleichsschaltung eine optische und/oder
akustische Warnvorrichtung angesteuert wird und daß der zweite Eingang der Spannungsvergleichsschaltung
mit einer Referenzspannung beaufschlagt wird.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
sind in den Unteransprüchen angeführt.
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Die Vorteile des Gegenstandes der Erfindung werden anhand der folgenden
Ausführungsbeispiele näher erläutert.
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In der dazugehörenden Zeichnung zeigen Fig. 1 ein Blockschaltbild,
die Figuren 2 und 3 Ausführungsbeispiele mit Exklusiv-Oder-Gliedern, Fig. 4 ein
Ausführungsbeispiel mit Doppeloperationsverstärker, Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel
mit Vierfachoperationsverstärker, Fig. 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel mit Doppeloperatlonsverstärker,
Fig. 7 ein Ausführungsbeispiel zur Pegel überwachung mit digitalem Eingang und Fig.
8 ein Ausführungsbeispiel mit Doppeloperationsverstärker und akustischem Warnsignal.
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In der Fig. 1 ist ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
dargestellt. Der Ausgang A eines Rechteckimpulsgenerators RI mit der Periodendauer
T ist über den Widerstand R an den Eingang u der Spannungsvergleichsschaltung V
gelegt. Weiterhin liegt am Eingang u der Kondensator C an, der zu einer Elektrode
des Sensors S geführt ist. Im Behälter B befindet sich eine elektrisch leitende
Flüssigkeit F. Die zweite Elektrode des Sensors S ist an Masse gelegt, d.h. wenn
der Behälter B selbst aus einem elektrisch leitfähigem Material besteht, kann dieser
Behälter an Masse gelegt sein. Weiterhin wird der Spannungsvergleichsschaltung V
eine Referenzspannung Uref zugeführt. Die Spannungsvergleichsschaltung V liefert
an ihrem Ausgang Si ein Signal, das eine optische und/oder akustische Warnvorrichtung
ansteuert.
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Die Pegelstandsüberwachung basiert darauf, daß im Raum L oberhalb
der elektrisch leitfähigen Flüssigkeit F
die Ionenkonzentration
des Mediums (beispielsweise Luft, Wasserdampf oder Öl) gegenüber der elektrisch
leitfähigen Flüssigkeit F sehr gering ist. Wenn daher mindestens eine der beiden
Elektroden des Sensors S nicht mehr in die Flüssigkeit eintaucht, weil z.B. der
Pegel zu tief abgesunken ist, dann ist die früher vorhandene Leitfähigkeit stark
vermindert, was als Kriterium zur Pegelüberwachung herangezogen wird.
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Die Zwischenschaltung des Kondensators C gewährleistet, daß der durch
die Flüssigkeit fließende Strom im Mittel Null ist. Die Spannung u, die am Punkt
der R-C-Zusamenschaltung auftritt, ist davon abhängig, welcher Widerstand R5 zwischen
der Elektrode und dem Massepotential vorhanden ist. Wenn R5i> R ist, ist die
Spannung u etwa die Rechteckspannung. Wenn dagegen RS 46 R ist, ergibt sich - wenn
nur die Zeitkonstante R . C groß gegenüber der Periodendauer T der Rechteckschwingung
ist - ein Spannungsmittelwert. Diese beiden Fälle werden von der Spannungsvergleichsschaltung
V unterschieden.
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In der Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem als
Spannungsvergleichsschaltung ein Exklusiv-Oder-Glied EO verwendet wird. Der Rechteckimpulsgenerator
RI gibt an seinem Ausgang fortlaufend ein Signal mit der Periodendauer T ab. Dieses
Signal wird dem Exklusiv-Oder-Glied EO einerseits direkt und andererseits über den
Widerstand R zugeführt, wobei am letztgenannten Eingang noch der Kondensator C anliegt,
der zu einer Elektrode des Sensors S geführt ist. Die zweite Elektrode des Sensors
S liegt an Masse. Hierbei ist die Zeitkonstante R . C so bemessen, daß R . C <5
T/2 ist. Vom
Ausgang des Exklusiv-Oder-Gliedes EO wird über den
Widerstand R1 die Basis des Transistors Tr angesteuert. Der Emitter des Transistors
Tr liegt an Masse, während der Kollektor über den Widerstand R2 mit einer Klemme
K verbunden ist. Die Klemme K ist einerseits über die Leuchtdiode LD mit dem positiven
Pol der Spannungsquelle + U B verbunden. Andererseits wird von der Klemme K auch
die Betriebsspannung für den Rechteckimpulsgenerator RI und das Exklusiv-Oder-Glied
EO über das Siebglied, das aus dem Widerstand R3 und dem Kondensator C besteht,
eonnen.
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Der Ruhestrom der dargestellten Schaltung läßt sich so klein halten,
daß die in der Stromzuleitung angeordnete Leuchtdiode LD auch bei Dunkelheit nicht
sichtbar leuchtet.
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Solange der Widerstand zwischen dem Elektrodenpaar groß ist gegenüber
dem Widerstandswert des Widerstandes R, also wenn sie sich z.B. in Luft befinden
oder in Öl eintauchen, sind die beiden am Exklusiv-Oder-Glied EO anliegenden Spannungen
U1 bzw. U2 einander gleich und die Ausgangsspannung U3 ist ständig fast Null (Fall
L im Impulsdiagramm). Befindet sich dagegen zwischen den beiden Elektroden eine
elektrisch leitfähige Flüssigkeit, ergibt sich ein im Verhältnis zum Widerstand
R niederohmiger Schluß gegen Masse, und die Spannung U2 ist keine Rechteckschwingung
mehr sondern zeigt während der Spannungsphase von U1 einen exponentiell zunehmenden
und während der Nullphase von U1 ein exponentiell abnehmendem Verlauf. Dadurch ergibt
sich am Ausgang des Exklusiv-Oder-Gliedes EO eine Rechteckspannung mit der Peridodendauer
T/2 (Fall F im Impulsdiagramm) und der
Transistor Tr schaltet die
Klemme K periodenmäßig niederohmig nach Masse, wobei durch die Leuchtdiode LD ein
nun nicht mehr zu vernachlässigender Strom fließt, so daß sie zu leuchten beginnt.
Je nach Wahl der Frequenz f = 1/T wird das Pulsen des Lichtes nicht mehr wahrgenommen
(f > 25 Hz) oder kann absichtlich - zu einer Erhöhung der Warnfunktion - zum
Blinken führen (f 1 Hz ergibt Blinkfrequenz vOnN 2 Hz).
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Im aktiven Zustand wird durch den zeitweise erhöhten Spannungsabfall,
der an der Leuchtdiode LD auftritt, die mittlere Spannung an der Klemme K und damit
auch die Betriebs spannung für den Rechteckimpulsgenerator RI und das Exklusiv-Oder-Glied
etwas vermindert, was aber keinen Einfluß auf die Funktion hat.
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In der Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, das mit einem
integrierten CMOS-Schaltkreis 4070 aufgebaut ist, der vier Exklusiv-Oder-Gatter
beinhaltet.
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Zwei Gatter E01, EO2 sind dabei nur für Invertfunktionen benutzt,
um einen einfachen - in der Prinzipschaltung bekannten - Rechteckimpulsgenerator
zu realisieren. Das dritte Gatter E03 ist das eigentliche Exklusiv-Oder-Glied, das
vierte Gatter EO4 ist unbenutzt.
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Bei der in der Fig. 3 angegebenen Dimensionierung der Bauelemente
ergibt sich eine Lichtfrequenz von ungefähr 160 Hz, d.h. das menschliche Auge erkennt
nur eine mittlere Dauerhelligkeit.
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Werden dagegen Kondensatoren mit den in den Klammern angegebenen Werten
verwendet, ergibt sich eine Blinkfrequenz von etwa 2 Hz, d.h. das Blinken wird deutlich
wahrgenommen.
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Die Elektroden S können beliebig gestaltet werden, wobei selbstverständlich
darauf geachtet werden muß, daß das elektrisch leitfähige Material in den verwendeten
Medien nicht korrodiert.
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Statt der optischen Anzeige mit der Leuchtdiode LD läßt sich auch
ein akustisches Signal erzeugen. Dazu muß nur anstelle der Leuchtdiode LD ein Kleinlautsprecher
(4 bis 8 Ohm) eingesetzt werden und der im Kollektorkreis liegende Widerstand auf
etwa 15 Ohm verringert werden.
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Außerdem empfIehlt sich dann eine höhere Betriebsfrequenz (Verklinerung
der C-Werte um den Faktor 4 bis 6).
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In der Fig. 4 ist eine Schaltungsanordnung dargestellt, die beispielsweise
als Wasserstandsüberwachung in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden kann. Das Hauptfunktionselement
ist ein Doppeloperationsverstärker, z.B. TAB 2453 A, dessen eine Hälfte OP1 als
Rechteckimpulsgenerator geschaltet ist und dessen zweite Hälfte OP2 als Spannungsvergleichsschaltung
dient. Am u -Eingang dieses Komparators liegt eine feste Spannung von etwa 3/4 U.
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Wenn nun u größer ist als +, dann schaltet der Ausgang auf "L" und
durch die Leuchtdiode LED fließt ein Strom von etwa 30 mA (bei UBs 12 12 V). Im
umgekehrten Fall fließt durch die Leuchtdiode LED nur ein verhältnismäßig kleiner
Strom, wenn man - wie gestrichelt angedeutet - einen Widerstand parallel schaltet,
an dem ein Spannungsabfall von t" 1 V (kleiner als die Durchlaßspannung der Leuchtdiode
LED) auftritt, fließt durch die Leuchtdiode überhaupt kein SLrom.
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Wenn die Elektrode des Sensors S in die Flüssigkeit F eintaucht, beträgt
die an u anliegende Spannung Z 1/2 U, d.h. der Wert ist kleiner als 3/4 U und die
Leuchtdiode LED leuchtet daher nicht. Wenn dagegen die Elektrode
oberhalb
der elektrisch leitfähigen Flüssigkeit F, also beispielsweise in Luft, hängt, wechselt
die an u herrschende Spannung periodenweise zwischen fast Null und U, wodurch die
Leuchtdiode LED halbperiodenweise zum Leuchten gebracht wird. Bei der angegebenen
Dimensionierung beträgt die Periodendauer etwa 10 ms, so daß für das menschliche
Auge ein gleichmäßiges Leuchten wahrnehmbar ist. Will man dagegen zur Erhöhung der
Warnfunktion ein Blinken erzielen, müßte man für eine Blinkfrequenz von N 3 Hz die
beiden C-Werte ungefähr um den Faktor 30 erhöhen.
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Infolge der verhältnismäßig niedrigen Betriebsfrequenz und der sehr
schwachen Meßströme ist keine Gefahr einer Funkstörung durch das geschilderte System
gegeben, was z.B. beim Einsatz in Kraftfahrzeugen wichtig ist.
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Bei der dargestellten Pegelstandsüberwachung des Kühlwassers in Kraftfahrzeugen
braucht der Sensor S nur aus einer einzelnen Metallelektrode zu bestehen, da nämlich
die zu überwachende Flüssigkeit an anderer Stelle bereits mit einem metallischen
Körper in Verbindung steht.
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Wenn dagegen beispielsweise der Pegelstand eines Waschwasserbehälters
aus Plastik überwacht werden soll, wird eine Doppelelektrode- benötigt, wobei die
eine auf Massepotential zu legen ist. Die Elektrodenform selbst ist völlig belanglos,
sie kann beispielsweise als Stab, Draht oder Blechstreifen ausgebildet sein. Wichtig
ist nur, daß die Leitung zwischen der Elektrode und der Elektronik so gestaltet
ist, daß keine unerwünschten Nebenschlüsse (in Kraftfahrzeugen z.B. durch Spritzwasser
und dergl.) auftreten können.
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Positiv für alle Einsatzfälle ist, daß bei einer Überwachungsstelle
auch nur eine einzige spannungsführende Zuleitung benötigt wird, unabhängig davon,
ob sich die Elektronik beim Sensor oder bei der Anzeige befindet. Der erstgenannte
Fall hat gegenüber dem zweiten den Vorteil, daß bei der Fernleitung keine besonderen
Probleme betreffend die Isolation auftreten können, weil keine Empfindlichkeit gegenüber
(Feuchtigkeits-) Nebenschlüssen, bei Kraftfahrzeugen z.B. durch das Chassis, vorhanden
ist. Im allgemeinen würde man in einem solchen Fall, d.h. wenn sich die Elektronik
bei der Meßstelle befindet und das Anzeigeelement weit davon entfernt angeordnet
ist, außer der Masseleitung noch eine zweipolige Leitung (Spannungsversorgung und
Signal) benötigen. Durch die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist aber die Spannungsversorgungsleitung
gleichzeitig Signalleitung, was zu der entsprechenden Vereinfachung und Systemverbilligung
führt.
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In der Fig. 5 ist eine Schaltungsanordnung dargestellt, die für drei
Meßstellen E1, E2 und E3 ausgelegt ist.
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Da alle drei Meßstellen vom selben Rechteckimpulsgenerator aus gespeist
werden.können, muß der Bauteile aufwand nicht verdreifacht werden, sondern es genügt
ein Vierfach-Operationsverstärker, von denen der Operationsverstärker °P1 als Rechteckimpulsgenerator
und die drei anderen OP2, OP3 und OP4 als Spannungsvergleichsschaltung dienen.
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In der Fig. 6 ist eine Schaltungsanordnung dargestellt, die beispielsweise
bei Dieselfahrzeugen den Pegel im Wasserabscheider, der in die Kraftstoffzuleitung
eingefügt ist, angeben kann. Hierzu ist es erforderlich,
daß der
Benutzer des Fahrzeuges von Zeit zu Zeit eine Schraube kurzzeitig öffnet, um das
angesammelte Wasser zu entfernen. Mit der in der Fig. 6 dargestellten Schaltungsanordnung
wird zum nötigen Zeitpunkt ein optischer Hinweis geliefert. Das Leuchten der Leuchtdiode
LED tritt erst dann aüf, wenn der Wasserstand F gegenüber dem Dieselöl D eine bestimmte
Höhe erreicht hat, dies wird durch eine umgekehrte Logik bei der Auswerteelektronik
erreicht.
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In der Fig. 7 ist eine Schaltungsanordnung dargestellt, die sich für
eine Ankopplung an Mikroprozessorschaltungen eignet (5 V-System). In manchen Anwendungsfällen
(z.B.
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Waschmaschinen) ist dabei jedoch zu berücksichtigen, daß zwischen
dem Wasser F und dem Meßsystem keine galvanische Trennung besteht.
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In der Fig. 8 ist eine Schaltungsanordnung mit akustischer Warneinrichtung
durch einen kleinen Lautsprecher dargestellt. Die Schaltung ist so ausgelegt, daß
man keinen eigenen Tonfrequenzgenerator benötigt, da die Meßfrequenz entsprechend
hoch (z.B. 1 kHz) gewählt ist.
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Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnungen zeichnen sich besonders
dadurch aus, daß mit einem sehr einfachen, billigen Sensor und einer sparsamst ausgeführten
Elektronik eine funktionssichere Pegel überwachung gewährleistet ist, wobei entweder
eine für die menschlichen Sinne direkt wahrnehmbare Signalausgabe (optisch oder
aktustisch) erfolgen kann oder ein Spannungssignal zur digitalen Weiterverarbeitung
am Ausgang ansteht.
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11 Patentansprüche 8 Figuren