DE4027692A1

DE4027692A1 - Vorrichtung zur fluessigkeitspegelerfassung

Info

Publication number: DE4027692A1
Application number: DE4027692A
Authority: DE
Inventors: Kazuyoshi Ogasawara
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 1989-09-01
Filing date: 1990-08-31
Publication date: 1991-03-14
Also published as: GB2235538B; DE4027692C2; US5001928A; JPH0342527U; GB9018870D0; GB2235538A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung eines Flüssigkeitspegels oder einer Flüssigkeitshöhe gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

In einer herkömmlichen Vorrichtung zur Flüssigkeitspegelerfassung besitzen sowohl ein Pegelerfassungswiderstand Rd als auch ein Temperaturkompensationswiderstand Rc die Form eines Wickelwiderstandes, wie er in Fig. 3 gezeigt ist; dabei ist der Widerstand um ein langgestrecktes Trägerelement 3 oder 8 gewickelt. Der Pegelerfassungswiderstand Rd wird senkrecht in der Flüssigkeit angeordnet, wie in Fig. 4 gezeigt ist, und mit einem von einer Konstantstromquelle 1 gelieferten konstanten Strom Id versorgt. Ähnlich wird der Temperaturkompensationswiderstand Rc in die Flüssigkeit eingesetzt, wie ebenfalls in Fig. 4 gezeigt ist. In Fig. 2 ist eine herkömmliche Vorrichtung zur Flüssigkeitspegelerfassung gemäß einer solchen Bauart gezeigt. Der Spannungsabfall über dem Pegelerfassungswiderstand Rd wird über den Temperaturkompensationswiderstand Rc an einen invertierenden Eingang (-) eines Operationsverstärkers OP3 geliefert. Der Ausgang des Operationsverstärkers OP3 wird über einen Rückkopplungswiderstand R6 mit dem invertierenden Eingang (-) rückgekoppelt. Das heißt, daß die Widerstände Rc und R6 und der Verstärker OP3 einen negativen Rückkopplungsverstärker bilden, dessen Verstärkung durch das Verhältnis R6/Rc gegeben ist.

Die Widerstände Rd und Rc besitzen die folgenden Temperaturkennlinien:

Rd=Rdt (1+α_d ΔT) L (1)

Rc=Rct (1+α_c ΔT) L (2)

Hierbei sind Rdt und Rct die Widerstandswerte pro Einheitslänge des Pegelerfassungswiderstandes bzw. des Temperatur kompensationswiderstandes bei einer bestimmten Umgebungslufttemperatur von beispielsweise t=20°C. Rd und Rc sind die Gesamtwiderstände des Pegelerfassungswiderstandes bzw. des Temperaturkompensationswiderstandes, wenn die Umgebungslufttemperatur ausgehend von der Temperatur t um die Temperatur ΔT ansteigt. α_d und α_c sind die Widerstands-Temperaturkoeffizienten des Pegelerfassungswiderstandes Rd bzw. des Temperaturkompensationswiderstandes Rc bei der Umgebungslufttemperatur t. L ist die Gesamtlänge der jeweiligen Widerstände.

Wenn durch den Pegelerfassungswiderstand Rd der konstante Strom Id fließt, entsteht im Widerstand Wärme, die den Widerstandswert des Pegelerfassungswiderstandes Rd gegebenüber demjenigen bei Umgebungstemperatur t erhöht. Diese Wärme wird von einem in die Flüssigkeit eingetauchten Bereich an die Flüssigkeit abgestrahlt, wodurch der Gesamtwiderstand etwas abnimmt. Daraus wird deutlich, daß der Gesamtwiderstandswert des Pegelerfassungswiderstandes Rd bei Umgebungstemperatur t in Abhängigkeit von der in die Flüssigkeit eingetauchten Länge des Widerstandes variiert. Das heißt, daß die über dem Pegelerfassungswiderstand Rd abfallende Spannung den Flüssigkeitspegel darstellt. Wenn gilt, daß α_d=α_c=α und sowohl der Pegelerfassungswiderstand als auch der Temperaturkompensationswiderstand in die Flüssigkeit eingesetzt werden, können die Gleichungen (1) und (2) folgendermaßen umgeschrieben werden:

Rd=Rdt (1+αΔT) [X/(1-aK)+(L-X)/(1-K)] (3)

Rc=Rct (1+αΔT) [X/(1-aK)+(L-X)/(1-K)] (4)

Hierbei ist X die jeweilige Eintauchlänge der Widerstände, a ist eine spezifische Konstante der Flüssigkeit und K ist eine Größe, die durch K=I²Rα_oR gegeben ist und durch den Temperaturkoeffizienten α_o (α_d oder α_c), den Strom I (Id oder Ic) durch den Widerstand R (Rd oder Rc) und den Wärmewiderstand R bezüglich der im Widerstand erzeugten und an die Atmosphäre abgestrahlten Wärme bestimmt wird.

Daher gilt:

Vd=Id Rd=(1+αΔT)[X/(1-aK)+(L-X)/(1-K)] (5)

Daher ist die Ausgangsspannung V_aus des Operationsverstärkers OP3 durch die folgende Gleichung gegeben:

V_aus=-Vd R6/Rc=-Id (Rd R6)/Rc
=-Id(Rdt(1+αΔT) [X/(1-aK)+(L-X)/(1-K)]R6)/ (Rct (1+αΔT)[X/(1-aK)+(L-X)/(1-K)]) (5′)

Wenn gilt, daß Id»Ic, so ändert sich der Gesamtwiderstand des Temperaturkompensationswiderstandes Rc in Abhängigkeit von der in die Flüssigkeit eingetauchten Länge nicht, so daß gilt:

V_aus=-Id[(Rdt R6)/(Rct L)] [X/(1-aK)+(L-X)/(1-K)] (6)

Rdt und Rct sind die Widerstände pro Einheitslänge des Pegelerfassungswiderstandes Rd bzw. des Temperaturkompensationswiderstandes Rc bei einer bestimmten Umgebungstemperatur von beispielsweise t=20°C; sie stellen daher feste Werte dar. V_aus ändert sich mit der in die Flüssigkeit eingetauchten Länge X und wird von der Änderung ΔT der Umgebungstemperatur nicht beeinflußt.

Da in dieser Vorrichtung des Standes der Technik wegen der höheren Empfindlichkeit ein verhältnismäßig hoher Strom Id durch den Pegelerfassungswiderstand Rd fließt, ist der am Widerstand auftretende Spannungsabfall verhältnismäßig hoch. Dies hat zur Folge, daß aufgrund der hohen Spannung über dem Pegelerfassungswiderstand Rd durch den Temperaturkompensationswiderstand Rc ein Strom fließt, der im Widerstand Rc Wärme erzeugt, die wiederum eine Veränderung des Widerstandswertes des Widerstandes Rc bewirkt. Die durch die selbsterzeugte Wärme verursachte Widerstandsänderung des Widerstandes Rc hat eine Abweichung von der vorgesehenen Temperatur/Widerstands- Kennlinie der Flüssigkeitspegelerfassungsvorrichtung zur Folge. Zur Vermeidung dieses Meßfehlers wird im allgemeinen für den Temperaturkompensationswiderstand Rc ein großer Wert gewählt, damit der durch den Widerstand Rc fließende Strom so klein wie möglich gehalten wird. Ein großer Wert des Widerstandes Rc erfordert mehrere Windungen der Wicklung und/oder einen kleineren Durchmesser der Wicklung, was einen komplizierten Herstellungsprozeß zur Folge hat. Wenn sich die Widerstände Rd und Rc hinsichtlich der Durchmesser ihrer Wicklungen unterscheiden, unterscheiden sie sich in ihrem Temperaturkoeffizienten α. Daraus ergibt sich bei der Temperaturkompensation des Pegelerfassungswiderstandes ein Problem. Übermäßig viele Wicklungswindungen, die um das Trägerelement gewickelt werden, führen zu einer Erhöhung der Wärmekapazität des Widerstandes Rc, was zu einer längeren Anpassungszeit des Widerstandes führt, wenn sich die Umgebungstemperatur ändert; hierdurch können bei der Temperaturkompensation Fehler entstehen. Außerdem kann die Vorrichtung zur Flüssig keitspegelerfassung schnellen Änderungen des Flüssigkeitspegels nicht folgen.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Flüssigkeitspegelerfassung zu schaffen, in der die über dem Flüssigkeitspegelerfassungswiderstand abfallende Spannung durch nachfolgende Schaltungen oder Schaltelemente nicht beeinflußt wird, so daß die Vorrichtung den richtigen Flüssigkeitspegel anzeigt.

Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Flüssigkeitspegelerfassung zu schaffen, mit der der richtige Flüssigkeitspegel ohne Beeinflussung durch die Umgebungstemperatur angezeigt wird.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der gattungsgemäßen Art durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 gelöst.

Der Pegelerfassungswiderstand der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Flüssigkeitspegelerfassung wird mit einem bestimmten Teil seiner Länge in eine Flüssigkeit eingetaucht. Dann wird der Pegelerfassungswiderstand mit einem von einer Konstantstromquelle gelieferten konstanten Strom versorgt. Der Spannungsabfall über dem Pegelerfassungswiderstand wird an eine nicht invertierende Differenzverstärkerschaltung geliefert. Die Ausgabe der nicht invertierenden Verstärkerschaltung wird dann durch eine Reihenschaltung eines Temperaturkompensationswiderstandes und eines weiteren Widerstandes geteilt. Die aufgeteilte Spannung wird über eine Spannungsfolgerschaltung an den nicht invertierenden Eingang der Differenzverstärkerschaltung rückgekoppelt. Die Ausgangsspannung der Spannungsfolgerschaltung ist frei von Änderungen der Umgebungstemperatur, wodurch die Vorrichtung temperaturkompensiert wird.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Flüssigkeitspegelerfassung;

Fig. 2 eine Vorrichtung zur Flüssigkeitspegelerfassung des Standes der Technik;

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht des Aufbaus eines erfindungsgemäßen Flüssigkeitspegelerfassungswiderstandes bzw. eines erfindungsgemäßen Temperaturkompensationswiderstandes; und

Fig. 4 den erfindungsgemäßen Flüssigkeitspegelerfassungswiderstand und den erfindungsgemäßen Temperaturkompensationswiderstand, wenn sie in eine Flüssigkeit eingetaucht sind.

Fig. 3 ist eine perspektivische Ansicht des erfindungsgemäßen Aufbaus 3 eines Pegelerfassungswiderstandes Rd bzw. des erfindungsgemäßen Aufbaus 8 eines Temperaturkompensationswiderstandes Rc. In Fig. 4 sind diese erfindungsgemäßen Widerstände in einem Zustand gezeigt, in dem sie in die in einem Behälter 2 enthaltene Flüssigkeit 5 eingetaucht sind, um so den Flüssigkeitspegel H zu messen. In Fig. 1 ist das Schaltbild einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Flüssigkeitspegelerfassung gezeigt. Eine Konstantstromquelle 1 liefert an den Pegelerfassungswiderstand Rd einen konstanten Strom Id. Der Strom Id bewirkt über den Widerstand Rd einen Spannungsabfall Vd. Die Spannung Vd wird über einen Widerstand R3 an den nicht invertierenden Eingang (+) eines Operationsverstärkers OP1 gegeben. Zwischen dem invertierenden Eingang (-) des Operationsverstärkers OP1 und dessen Ausgang ist ein Rückkopplungswiderstand R2 geschaltet. Der invertierende Eingang (-) ist über einen Widerstand R1 geerdet. Die Ausgangsspannung V_o des Operationsverstärkers OP1 wird mittels einer Reihenschaltung aus einem Widerstand R5 und einem Temperaturkompensationswiderstand Rc geteilt. Der Spannungsabfall Va über dem Widerstand R5 wird an den nicht invertierenden Eingang (+) eines Operationsverstärkers OP2 geliefert. Der Operationsverstärker OP2 ist ein Spannungsfolger, dessen Signal vom Ausgang direkt mit dem Eingang rückgekoppelt wird und dessen Ausgangsspannung die gleiche Amplitude wie die Eingangsspannung besitzt. Die Ausgabe des Spannungsfolgers wird über einen Widerstand R4 an den nicht invertierenden Eingang (+) des Operationsverstärkers OP1 geliefert. Die Ausgangsspannung des Spannungsfolgers oder Operationsverstärkers OP2 stellt den Pegel der Flüssigkeit 5 dar. Es wird festgestellt, daß die Widerstände R1 bis R4 und der Operationsverstärker OP1 einen Differenz- Eingangsverstärker bilden, der als nicht invertierender Verstärker dient.

Wenn der konstante Strom Id durch den Pegelerfassungswiderstand Rd fließt, ändert sich der Wert des Widerstandes Rd aufgrund der durch den Strom Id erzeugten Wärme. Die Wärme wird an die Flüssigkeit abgegeben, so daß der Widerstandswert etwas abnimmt. Daher verändert sich der Wert des Widerstandes Rd in Abhängigkeit von der Länge des Widerstandselementes, die in die Flüssigkeit eingetaucht ist; der Pegelerfassungswiderstand Rd und der Temperatur kompensationswiderstand Rc besitzen den gleichen Temperaturkoeffizienten. Die Werte der verschiedenen Widerstände der in Fig. 1 gezeigten Schaltung werden so ausgewählt, daß die folgenden Beziehungen erfüllt sind:

R1=R3 (8a)

R2=R4 (8b)

R1 : R2=R1 : Rc

Daher folgt:

R2 R5=R1 Rc

R4 R5=R1 Rc (8c)

Die Ausgangsspannung V_o des Operationsverstärkers OP1 ist durch die folgende Gleichung gegeben:

V_o=[(R1+R2)/R1][R4/(R1+R4)]Vd+[(R1+R2)/R1][R3/(R3+R4)]Va (9)

Einsetzen der Gleichungen (8a) und (8b) in Gleichung (9) ergibt:

V_o=(R4/R1) Vd+Va (10)

Somit ist die Spannung über dem Temperaturkompensationswiderstand Rc durch

V_c=V_o-V_a=(R4/R1) Vd+Va-Va,

d. h. durch

V_c=(R4/R1) Vd (11)

gegeben, woraus sich für den Strom Ic durch den Widerstand Rc folgende Gleichung ergibt:

Ic=V_c/Rc=R4/(R1 Rc) Vd. (12)

Die Ausgangsspannung V_aus des Operationsverstärkers OP2 ist

V_aus=Ic R5= (13a)

=(R4 R5)/(R1 Rc) Vd (13b)

Mittels der Gleichungen (2) und (5) kann die Gleichung (12) folgendermaßen umgeschrieben werden:

Ic=(R4 Id Rdt)([1+αΔT][X/(1-aK)+(L-X)/(1-K)])/ [R1 Rct(1+αΔT)L)
=[(R4 Rdt)/(R1 Rc)]Id[(X/(1-aK)+(L-X)/(1-K)] (14)

Falls gilt, daß R1»R2 (=R4) und daß Rdt ungefähr gleich Rct ist, ist Ic«Id. Beispielsweise kann R1 fünfzigmal größer als R2 sein. Das zeigt, daß der Widerstand Rc eine viel geringere Wärmemenge als der Widerstand Rd erzeugt.

Die Widerstände R1, R4 und R5 werden so gewählt, daß ihre Temperaturkoeffizienten viel kleiner, z. B. ungefähr 100mal kleiner als die Temperaturkoeffizienten des Pegelerfassungswiderstandes Rd und des Temperaturkompensationswiderstandes Rc sind. Es sei festgestellt, daß RctL der Gesamtwiderstand des Temperaturkompensationswiderstandes Rc bei einer bestimmten Umgebungstemperatur t, z. B. t=20°C, ist. Daher ist RctL ein bekannter fester Wert. Einsetzen von Gleichung (14) in Gleichung (13a) liefert:

V_aus=Ic R5=[(R4 R5 Rdt)/(R1 RctL)] Id [X/(1-aK)+(L-X)/(1-K)] (14′)

Aus Gleichung (8), das heißt aus R4 R5=R1 Rc, folgt

(R4 R5)/(R1 Rc)=1.

Damit ergibt sich aus Gleichung (14′)

V_aus=Rdt Id[X/(1-aK)+(L-X)/(1-K)] (15)

Es wird festgestellt, daß die Spannung V_aus eine Funktion der Länge X des in die Flüssigkeit eingetauchten Teils des Pegelerfassungswiderstandes Rd ist, wobei diese Spannung von der Änderung T der Umgebungstemperatur nicht beeinflußt wird.

Da es erfindungsgemäß möglich ist, zu verhindern, daß der Strom von der Konstantstromquelle 1 durch andere nachfolgende Schaltungen oder Schaltelemente fließt, kann eine genaue Messung des Flüssigkeitspegels ausgeführt werden.

Der Temperaturkompensationswiderstand Rc liefert keinen fehlerhaften Beitrag bei der Messung des Flüssigkeitspegels. Dies hat den Vorteil, daß der Temperaturkompensationswiderstand Rc den gleichen Aufbau wie der Pegelerfassungswiderstand Rd haben kann, was sich sowohl für die Produktion als auch für die Lagerhaltung günstig auswirkt. Die Widerstände Rd und Rc mit gleichem Aufbau gestatten die Verwendung eines Widerstandsdrahtes aus dem gleichen Los einer Drahtproduktionslinie, so daß wiederum die Temperaturkoeffizienten α_d und α_c der Widerstände sehr nahe beieinanderliegen. Da es nicht notwendig ist, den Widerstandswert des Temperaturkompensationswiderstandes zu erhöhen, kann der Temperaturkompensationswiderstand Rc eine kleine Wärmekapazität aufweisen, was den Vorteil besitzt, daß er unmittelbar auf schnelle Änderungen der Umgebungstemperatur ansprechen kann.

Claims

1. Vorrichtung zur Flüssigkeitspegelerfassung, mit einer Konstantstromquelle (1) mit einem ersten Anschluß (7) und einem zweiten Anschluß (6); und
einem Pegelerfassungswiderstand (Rd), der in eine Flüssigkeit eingesetzt wird und einen mit dem ersten Anschluß (7) der Konstantstromquelle (1) verbundenen ersten Anschluß und einen mit dem zweiten Anschluß (6) der Konstantstromquelle (1) verbundenen zweiten Anschluß umfaßt, um mit einem konstanten Strom (Id) versorgt zu werden, wobei der Pegelerfassungswiderstand (Rd) einen ersten Temperaturkoeffizienten (α_d), eine in die Flüssigkeit eingetauchte Länge X und einen entsprechend der in die Flüssigkeit eingetauchten Länge (X) veränderlichen Widerstand aufweist,
gekennzeichnet durch
einen ersten Verstärker (OP1) mit einem invertierenden Eingang (-), einem nicht invertierenden Eingang (+) und einem Ausgang;
einen zweiten Verstärker (OP2), der Eingänge und Ausgänge besitzt und als Spannungsfolger arbeitet;
einen ersten Widerstand (R1), der zwischen den invertierenden Eingang (-) des ersten Verstärkers (OP1) und den zweiten Anschluß (6) der Konstantstromquelle (1) geschaltet ist und einen ersten Widerstandswert besitzt;
einen zweiten Widerstand (R2), der zwischen den invertierenden Eingang (-) und den Ausgang des ersten Verstärkers (OP1) geschaltet ist und einen zweiten Widerstandswert besitzt;
einen dritten Widerstand (R3), der zwischen den nicht invertierenden Eingang (+) des ersten Verstärkers (OP1) und den ersten Anschluß des Pegelerfassungswiderstandes (Rd) geschaltet ist und einen dritten Widerstandswert besitzt, der im wesentlichen gleich dem ersten Widerstandswert des ersten Widerstandes (R1) ist;
einen Temperaturkompensationswiderstand (Rc), der zwischen den Ausgang des ersten Verstärkers (OP1) und den Eingang des zweiten Verstärkers (OP2) geschaltet ist und bei einer vorgegebenen Raumtemperatur (t) einen Widerstandswert (Rc) und einen zweiten Temperaturkoeffizienten (α_c), der im wesentlichen gleich dem ersten Temperaturkoeffizienten (α_d) des Pegelerfassungswiderstandes (Rd) ist, besitzt;
einen vierten Widerstand (R4), der zwischen den nicht invertierenden Eingang des ersten Verstärkers (OP1) und den Ausgang des zweiten Verstärkers (OP2) geschaltet ist und einen vierten Widerstandswert besitzt, der im wesentlichen gleich dem zweiten Widerstandswert des zweiten Widerstandes (R2) ist; und
einen fünften Widerstand (R5), der zwischen den Eingang des zweiten Verstärkers (OP2) und den zweiten Anschluß (6) der Konstantstromquelle (1) geschaltet ist und einen fünften Widerstandswert besitzt,
wobei das Verhältnis (R1/R2) des ersten Widerstandswertes (R1) zum zweiten Widerstandswert (R2) gleich dem Verhältnis (R5/Rc) des fünften Widerstandswertes (R5) zum Widerstandswert des Temperaturkompensationswiderstandes (Rc) ist und wobei die Spannung am Ausgang des zweiten Verstärkers (OP2) den Flüssigkeitsstand anzeigt.

2. Vorrichtung zur Flüssigkeitspegelerfassung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste (OP1) und der zweite (OP2) Verstärker jeweils Operationsverstärker umfassen.

3. Vorrichtung zur Flüssigkeitspegelerfassung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Pegelerfassungswiderstand (Rd) und der Temperaturkompensationswiderstand (Rc) als Wickelwiderstände hergestellt werden.