DE3720473A1 - Kapazitive fuellstandsmessung - Google Patents
Kapazitive fuellstandsmessungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur kapazitiven Füllstandsmessung, bei dem eine
Elektrodenanordnung, nachfolgend kurz "Sonde" genannt, in
das zu messende Füllgut eintaucht, wobei die Sonde mehrere
in verschiedenen Höhen angebrachte Elektroden aufweist,
welche mit hochfrequenter Wechselspannung beaufschlagt sind.
Diese Vorrichtung wird verwendet, um bei flüssigen
Füllgütern oder bei Schüttgütern eine Pegelmessung zu
erzielen. Diese Aufgabe ergibt sich häufig an automatisier
ten Tank- oder Behälter-Fülleinrichtungen und auch an
vielen Stellen in automatisierten industriellen Anlagen.
Derzeit gibt es für kapazitive Füllstandsmessungen zweierlei
Verfahren, die verbreitet sind:
- 1. die kontinuierlichen Sonden mit einem Sondenstab und
einer elektronischen Schaltung, welche die Kapazität des
Stabes auswertet und ein zu Füllhöhe proportionales Signal
liefert. Der Nachteil hierbei besteht in der Anfälligkeit
bei Schwankungen der Dielektrizitätskonstante des Füllgutes:
Die Skala muß je nach Füllgut eingetrimmt werden; außerdem gibt es Materialien, welche von sich aus eine so stark schwankende Dielektrizitätskonstante aufweisen, wie z. B. wasserziehende Schüttgüter (Beton) oder Flüssigkeiten mit temperaturabhängigem Dielektrizitätswert, so daß eine Füllstandsmessung auf diese Weise sehr ungenau ist. - 2. Sonden mit einer Schalt-Charakteristik. Eine Pegelmessung kann realisiert werden, indem verschiedene Sonden in verschiedenen Höhen angebracht werden, z. B. Minimal- und Maximalpegel. Dabei wird für jede Elektrode eine eigene kapazitätsempfindliche elektronische Schaltung verwendet, die dann anspricht, wenn die Kapazität der Elektrode durch Berühren mit dem Füllgut ansteigt.
Das Problem hierbei ist, daß sich mehrere Sonden kapazitiv
gegenseitig stören können und daher auf verschiedenen
Frequenzen betrieben werden müssen. Weiterhin ergibt sich
das Problem, daß für jede Elektrode eine eigene abgeschirmte
Leitung erforderlich ist, deren Raum die maximale Anzahl der
möglichen Elektroden begrenzt, wenn diese in einen
gemeinsamen Sondenstab integriert werden sollen.
Die elektronische Auswertung geschieht nach dem Stand der
Technik für jede Elekrode mittels eines HF-Oszillators, der
über einen Widerstand an die Elektrode angekoppelt ist, und
der bei einer Kapazitätserhöhung einer Sonde über den
Widerstand mehr oder weniger bedämpft wird. Die Amplitude
bzw. das Abreißen der Schwingung wird ausgewertet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Sonde zu
schaffen, deren Eichung nicht von der Eigenschaft des
Füllgutes abhängt, und deren Genauigkeit durch eine Vielzahl
von relativ kleinen, in verschiedenen Höhen abschnittsweise
angebrachten Elektroden garantiert wird. Hierbei muß das
Problem gelöst werden, ein gegenseitiges Beeinflussen der
einzelnen Elektroden und deren Zuleitungen durch die
vorhandene kapazitive Kopplung zu verhindern.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mehrere
Elektroden mit einer hochfrequenten Wechselspannung gleicher
Frequenz, Phase und Amplitude beaufschlagt sind, und daß
mittels einer Auswertschaltung der an jeder Elektrode als
Verschiebungsstrom auftretende Wechselstrom ohne wesentlichen
Spannungsabfall gemessen wird.
Durch das Fehlen eines Spannungsabfalls wird erreicht, daß
die Gesamtheit der Elektroden sich elektrisch so verhält und
dasselbe Feld erzeugt, als wäre die gesamte Elektrodenanord
nung ein einziger leitender Körper.
Das Fehlen des Spannungsabfalls wird in einer Ausgestaltung
der Erfindung erreicht, indem an jede Elektrode ein
Hochfrequenzverstärker mit niederohmigem Eingang angekoppelt
ist, und die Speise- und Masseleitungen aller Verstärker
zusammengeschaltet sind und an einen Hochfrequenzoszillator
angeschlossen sind. Dadurch ergibt sich gleichzeitig, daß von
den niederohmigen Eingängen her jede Elektrode mit der
Hochfrequenz gespeist wird.
Dies kann z. B. mittels einer Basis-Schaltung als Eingangs
stufe der Verstärker realisiert werden, wobei die Basis als
Bezugspol nicht wie üblich geerdet ist, sondern an den
Oszillator angekoppelt ist.
Eine weitere Möglichkeit ist die Verwendung von gegengekop
pelten Operationsverstärkern, deren invertierende Eingänge
an den Elektroden anliegen und deren nichtinvertierende
Eingängen als Bezugspole gelten und an den Oszillator
gekoppelt sind.
Vorzugsweise erhält die Elekroden-Anordnung die Form eines
Stabes, bestehend aus einer Vielzahl aneinandergereihter
Abschnitte. Die Abschnitte bestehen vorzugsweise aus
Metallrohrstücken und sind in das Innere eines Kunststoffroh
res oder -Schlauches eingebracht.
Die im Stab liegenden Zuführungsdrähte der Elektroden müssen
nicht abgeschirmt sein, wenn sie durch die Metallrohrstücke
durchgeführt werden. Dies ermöglicht eine Vielzahl von z. B.
10 bis 30 Elektroden, die wie Facetten oder Segmente in
einen Sondenstab als Meßwertaufnehmer wirken.
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung (Fig. 3 oder
4) wird für die einzelnen Elektrodenabschnitte zusätzlich
ein kontinuierlicher Meßbereich geschaffen, so daß sich
durch aneinanderstückeln insgesamt eine quasi
kontinuierliche Ansprechfunktion ergibt.
Erklärung eines Ausführungsbeispiels, siehe Fig. 1 und 2:
Im Kunststoffstab (9) sind als Elektroden die
Metallrohrstücke (1) bis (4) eingebracht. Sie sind über
Leitungen elektrisch mit der Auswertschaltung (10)
verbunden. Die Verbindung geht zu den Eingängen der
HF-Verstärker (11 bis 14).
Die Eingangsstufe eines der Verstärker (11) ist im Detail in
Fig. 2 dargestellt. Um einen niederohmigen Eingang zu
realisieren, enthält der Hochfrequenzverstärker (11) als
Eingangsstufe einen Transistor (6) in Basis-Schaltung.
Hierbei ist der Emitter als Eingang an die Elektrode
angekoppelt, und die Basis als Bezugspol ist nicht wie
üblich geerdet, sondern an den HF-Oszillator (18)
angekoppelt.
An den Ausgängen der Verstärker (11 bis 14) liegen
Schaltstufen, welche je einen Amplitudendetektor oder
Hüllkurvendemodulator (21 bis 24) und dahinter je eine
Kippstufe (26 bis 29) enthalten.
Die Ausgänge von 26 bis 29 können dienen zur Ansteuerung
einer Anzeige (LED-Line) und ggf. von Stellgliedern
(Ventile/Pumpen etc.) für Regel- oder Steuerzwecke.
Gemäß Anspruch 12 liegt um die Verbindungsleitungen
zwischen Elektroden und Auswertelektronik eine elektrische
Abschirmung (7), welche an den Oszillator (18) angekoppelt ist
und dadurch als "Wächterelektrode" dient, und eine zweite,
äußere Abschirmung (8), welche geerdet ist.
Innerhalb des Sondenstabes (9) werden die Leitungen ohne
Abschirmung geführt. Dies ist möglich, da die Rohrstücke,
durch welche die Drähte geführt sind, ihrerseits als
Abschirmung bzw. Wächter dienen (Anspruch 11).
Vorzugsweise enthalten die gezeigten Vorrichtungen eine
wesentlich höhere Anzahl von Elektroden nach demselben
Schema.
Eine weitere Ausgestaltung, siehe Fig. 3, enthält gemäß
Anspruch 6 und 7 eine Mischschaltung (19), mit derenHilfe
ein Ausgangssignal gewonnen wird, das aus den einzelnen,
abschnittsweise kontinuierlichen Signalen, wie sie aus den
Demodulatoren (21 bis 25) stammen, kontinuierlich zusammen
gesetzt ist, so daß es im wesentlichen zur Eintauchtiefe der
gesamten Sonde proportional ist:
Die Demodulatorschaltungen (21 bis 15) geben ein Analog signal ab je nachdem, ob deren zugeordnete Elektrode mehr oder weniger in das Füllgut eingetaucht ist.
Die Demodulatorschaltungen (21 bis 15) geben ein Analog signal ab je nachdem, ob deren zugeordnete Elektrode mehr oder weniger in das Füllgut eingetaucht ist.
Mit dem Trimmer (30) wird an den Komparatoren (31 bis 35)
eine Spannungsschwelle eingestellt.
Diejenigen Komparatoren, deren zugeordnete Elektroden bis zu
einem gewissen Maß eingetaucht sind, schalten sich an. Dies
geschieht derart, daß bei ansteigender Füllhöhe der Reihe
nach die Komparatoren (31 bis 35) ansprechen, so daß das
gemischte Signal in der Leitung (50) einen als Funktion zur
Füllhöhe treppenförmigen Verlauf hat.
Von den Ausgängen der Logikgatter (41 bis 45) spricht einer
an, und zwar der der oberen Füllgrenze zugeordnete. Wenn
z. B. der Füllstand bis zur Elektrode reicht, die dem
Detektor (23) zugeordnet ist, wird entweder Gatter (42) oder
Gatter (43) ansprechen. Dieses ansprechende Gatter steuert
eines der Schalter (51 bis 54) auf "Ein", in diesem Beispiel
schalter 52 oder 53. Die Schalter sind vorzugsweise CMOS-
Analogschalter oder bipolare Analogschalter. Vom Schalter
gelangt eines der mit den Widerständen R gemischten Signale
an den Sammelpunkt (60). Es wird jeweils dasjenige Signal
eingeschaltet, das über einen der Widerstände R von der
obersten - teilweise - eingetauchten Elektrode stammt und
daher im kontinuierlichen Bereich liegt. Das am Punkt (60)
liegende Signal wird zum Ausgang zugemischt, so daß das
Gesamtsignal einerseits kontinuierlich ist, zum anderen aber
bei definierten Füllhöhen genau definierte Spannungswerte
aufweist.
Fig. 4 zeigt eine weitere Ausgestaltung der Erfindung.
Hierbei werden die verschiedenen zur Kapazität
proportionalen Signale aus den Demodulatoren (21) bis (25),
bevor sie in der Mischschaltung (19) zu einem
kontinuierlichen Signal zusammengemischt werden, mittels der
Klemmdioden (72) bis (75) in ihrem Maximalwert begrenzt auf
den Wert, der an Punkt (71) anliegt, und der z. B. 10 Volt
betragen kann. Außerdem werden die Signale gemäß Anspruch 8
mit den Modulatoren (61) bis (65) in ihrer Stärke moduliert,
und zwar in der Weise, daß das der untersten Elektrode
zugeordnete Signal aus (21) über den Operationsverstärker
(70) auf den Maximalpegel (71) nachgeregelt wird. Hierbei
werden die übrigen Modulatoren (62) bis (65) in der gleichen
Weise parallel angesteuert. Hierdurch ergibt sich, daß bei
schwankendem Dielektrizitätswert des Füllgutes die Meßskalen
aller Elektroden normiert werden vom Signal der untersten,
ganz eingetauchten Elektrode.
Claims (12)
1. Verfahren zur kapazitiven Füllstandsmessung, bei dem eine
Elektrodenanordnung, nachfolgend kurz "Sonde" genannt, in das zu
messende Füllgut eintaucht, wobei die Sonde mehrere in
verschiedenen Höhen angebrachte Elektroden aufweist, welche mit
hochfrequenter Wechselspannung beaufschlagt sind, dadurch
gekennzeichnet, daß mehrere Elektroden mit einer hochfrequenten
Wechselspannung gleicher Frequenz, Phase und Amplitude
beaufschlagt sind, und daß mittels einer Auswertschaltung der an
jeder Elektrode als Verschiebungsstrom auftretende Wechselstrom ohne
wesentlichen Spannungsabfall gemessen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Messung mittels mehrerer Hochfrequenzverstärker mit niederohmigem
Eingang erfolgt, deren eingangsseitigen Bezugspotentiale oder
Gegenpole gekoppelt sind und an einen gemeinsamen Oszillator
angeschlossen sind.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die
Kopplung der eingangsseitigen Bezugspotentiale erfolgt, indem
entweder die Speiseleitungen oder die Komplementär-Eingänge der
Verstärker miteinander verbunden sind und an den Oszillator
angeschlossen sind.
4. Vorrichtung zur kapazitiven Füllstandsmessung mit einer Sonde,
die in das zu messende Füllgut eintaucht und die in verschiedenen
Höhen elektrisch leitende Abschnitte, nachfolgend kurz
"Elektroden" genannt, trägt oder enthält, welche an eine
Kapazitäts-Meßanordnung angeschlossen sind, dadurch
gekennzeichnet, daß die Kapazitäts-Meßanordnung für mehrere
Elektroden mehrere Wechselspannungs-Verstärker mit niederohmigem
Eingang enthält, und daß die Speiseleitungen der Verstärker oder
deren Eingangs-Bezugspole gemeinsam an den Ausgang eines
Oszillators angeschlossen sind, und daß weiterhin verschiedenen
Elektroden verschiedene elektrisch/elektronische Auswert
schaltungen zugeordnet sind, welche die Amplituden der
verstärkten Wechselspannungen auswerten und welche an die
Ausgänge der jeweils zugeordneten Verstärker gekoppelt sind.
5. Vorrrichtung nach Anspruch 4 oder nach dem den Ansprüchen 1 bis 3
zugrundeliegenden Verfahren, dadurch gekennzeichnet, daß zu
verschiedenen Elektroden verschiedene Auswertschaltungen
zugeordnet sind, wobei jede Auswertschaltung an den Ausgang des
entsprechenden Hochfrequenzverstärkers angeschlossen ist und eine
Hochfrequenz-Demodulatorstufe und eine daran folgende
Schaltstufe enthält.
6. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß
aus den Strömen der einzelnen Elektroden mittels
Demodulatorschaltungen oder Gleichrichterschaltungen Signale
gewonnen werden, welche dem jeweiligen Verschiebungsstrom und
somit der an der entsprechenden Elektrode liegenden Kapazität
proportional sind, und daß die einzelnen proportionalen Signale
mittels einer Mischschaltung zu einem kontinuierlichen Signal
zusammengefügt werden, das im Wesentlichen zur Eintauchtiefe der
Sonde in das Füllgut bzw. zur Füllhöhe proportional ist.
7. Verfahren nach einem der vorausgegangenen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß mehrere analoge Signale mittels einer
Demodulatorschaltung gewonnen werden, so daß diese proportional
zu den Verschiebungsströmen in den verschiedenen Elekroden sind,
und daß mittels elektronischer Schalter in Abhängigkeit von der
Anzahl der eingetauchten Elektroden jeweils eines der analogen
Signale oder eine Mischung hiervon ausgewählt oder angeschaltet
wird, und daß mit diesen ausgewählten oder angeschalteten
Signalen ein im Wesentlichen zur Füllhöhe proportionales
Meßsignal gewonnen wird, indem die Bereiche der einzelnen
Elektroden quasi-kontinuierlich fortgesetzt werden.
8. Verfahren nach einem der vorausgegangenen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß eine Kompensation bei Schwankungen der
Dielektrizitätskonstante des Füllgutes erfolgt, indem mindestens
ein Signal welches einer Elektrode zugeordnet ist, mittels
analoger Modulation/Multiplikation normiert wird bezogen auf
die Stärke eines Signals, welches von einer darunter liegenden und
voll eingetauchten Elektrode stammt.
9. Vorrichtung nach dem Anspruch 6, 7 oder 8 zugrundeliegenden
Verfahren, gekennzeichnet durch mehrere Hochfrequenzverstärker,
mehrere Demodulatoren, und einer an den Ausgängen der Modulatoren
angekoppelten Mischschaltung.
10. Vorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche,
gekennzeichnet durch eine Schaltung zur Eigenüberwachung, die aus
einer Anordnung logischer Gatter besteht, deren Ausgang dann
anspricht, wenn eine höher liegende Elektrode mehr Kapazität
aufweist als eine niedrigere.
11. Vorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Zuführung der Elektroden derart
geschieht, daß die Zuleitung von den entfernter liegenden
Elektroden durch Öffnungen geführt werden, welche sich in den
näher liegenden Elektroden befinden, wobei die näher liegenden
Elektroden für die Zuleitungen als elektrische Abschirmung nach
dem "Wächter"-Prinzip wirkt.
12. Vorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche,
gekennzeichnet durch ein Zuführungskabel zwischen Sondenstab und
der damit verbundenen Elektronik, welche eine zweifache
Abschirmung enthält, wobei die innere Abschirmung verbunden ist
mit dem Oszillator und als Wächterelektrode dient, und die äußere
Abschirmung geerdet ist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19873720473 DE3720473A1 (de) | 1987-06-20 | 1987-06-20 | Kapazitive fuellstandsmessung |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19873720473 DE3720473A1 (de) | 1987-06-20 | 1987-06-20 | Kapazitive fuellstandsmessung |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE3720473A1 true DE3720473A1 (de) | 1988-12-29 |
Family
ID=6330000
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19873720473 Withdrawn DE3720473A1 (de) | 1987-06-20 | 1987-06-20 | Kapazitive fuellstandsmessung |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE3720473A1 (de) |
Cited By (6)
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-
1987
- 1987-06-20 DE DE19873720473 patent/DE3720473A1/de not_active Withdrawn
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8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |