DE3720473A1 - Kapazitive fuellstandsmessung - Google Patents

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.

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.