DE4102106C2 - Füllstandsensor - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Füllstandsensor wie er von der Anmelderin in Form der Baureihe LL . . . vertrieben wird. Er besteht aus einer lichtemittierenden Diode und einem Opto-Schmitt-Trigger, die an der Grundfläche einer klaren Kunststofflinse so eingegossen sind, daß das Licht normalerweise von der Außenfläche der Halbkugel nach innen auf den Opto-Schmitt-Trigger total reflektiert wird. Somit ist der Ausgang normalerweise gesperrt (H). Ist die Halbkugel mit Flüssigkeit bedeckt, so ändert sich der Brechungsindex an der Grenzfläche, und das Licht kann in die Flüssigkeit austreten. Dadurch gelangt weniger Licht auf den Opto-Schmitt-Trigger, dessen Ausgang somit durchschaltet (L). Das der Reduzierung bzw. dem Ausbleiben des Lichts auf dem Opto-Schmitt-Trigger entsprechende Ausgangssignal kann natürlich auch andere Ursachen als eine Benetzung haben. Beispielsweise kann ein Leitungsbruch auftreten, die Betriebsspannung ausfallen oder ein Element der Schaltung eine Fehlfunktion aufweisen.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen derartigen Füllstandsensor hinsichtlich seiner Funktion weitgehendst zu überwachen. Die Lösung dieser Aufgabe gelingt gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Füllstandsensors sind den abhängigen Ansprüchen entnehmbar.

Die Verwendung von Impulsen zur Beaufschlagung von Schaltungen zwecks Erzielung einer Fehlersicherheit ist prinzipiell im Stand der Technik bekannt. So zeigt beispielsweise die DE-PS 35 19 252 Logikschaltungen, die mit Optokopplern realisiert sind und die mit impulsförmigen Signalen beaufschlagt werden. Durch Gleichrichtung der durch die Schaltung hindurchgereichten impuls­ förmigen Signale und Erfassung des gleichgerichteten Signales läßt sich eine gewisse Fehlersicherheit erzielen.

Ferner ist aus der DE-OS 38 21 221 eine Füllstandsüberwachungs­ einrichtung bekannt, bei der ein Motor des überwachten Gerätes bei seiner Abschaltung während des Nachlaufs als Generator wirkt und die hierbei erzeugte Spannung nach Umformung in einen Impuls eine lichtemittierende Diode ansteuert und zugleich als Spannungsversorgung für einen Phototransistor dient. Bei einem noch nicht gefüllten Behälter, in welchem die lichtemittierende Diode und der Phototransistor gegenüberliegend angeordnet sind, erhält der Phototransistor Licht von der lichtemittierenden Diode zugeführt und schaltet durch. Das impulsförmige Spannungs­ signal am Kollektor des Phototransistors wird daher zu dessen Emitter durchgeschaltet. Kollektor und Emitter sind auf die beiden Eingänge eines Exclusiv-ODER-Gatters 10 geführt, das nur dann ein Signal an seinem Ausgang erzeugt, wenn die beiden Signale voneinander abweichen. Dies ist dann der Fall, wenn der Behälter gefüllt ist.

Die vorliegende Erfindung unterscheidet sich von diesem Stand der Technik dadurch, daß die lichtemittierende Diode und die Auswerteschaltung getrennt angesteuert bzw. mit Spannung versorgt werden und daß zur Überwachung die Ein- und Ausgangs­ signale logisch verknüpft werden. Darüber hinaus sind Maßnahmen vorgesehen, um über eine eingebaute Testlogik auch die ordnungs­ gemäße Spannungsversorgung des Füllstandssensors zu überprüfen.

Anhand der Figuren der beiliegenden Zeichnung sei im folgenden die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 den konstruktiven Aufbau eines bekannten Füllstandsensors;

Fig. 2 eine bekannte Schaltungsanordnung zum Betrieb dieses Füllstandsensors;

Fig. 3 ein Blockschaltbild eines Füllstandsensors mit erfindungsgemäßer Überwachungsschaltung; und

Fig. 4 ein detalliertes Schaltbild der Überwachungsschaltung.

Gemäß Fig. 1 ist auf dem Ende eines Gewindegehäuses 10 eine Infrarot-Licht emittierende Diode 12 und ein Opto-Schmitt-Trigger 14 angeordnet, wobei sich beide Elemente innerhalb einer angegossenen Linse 16 aus klarem Polysulfon befinden.

Gemäß Fig. 2 wird die lichtemittiernde Diode LED 12 über einen Vorwiderstand an Spannung gelegt. Der andere Anschluß der licht­ emittierenden Diode liegt an Masse. Der Opto-Schmitt-Trigger 14 umfaßt eine Photodiode, einen Verstärker, einen Schmitt-Trigger und einen Ausgangstransistor. Dieser Opto-Schmitt-Trigger wird zwischen einer geregelten Spannungsquelle und Masse betrieben. Da es sich bei dieser Schaltung um eine handelsübliche Schaltung handelt, kann auf eine nähere Beschreibung verzichtet werden. Wesentlich für die vorliegende Schaltung ist lediglich, daß bei nicht bedecktem Füllstandsensor die Photodiode das von der licht­ emittierenden Diode ausgesandte Licht empfängt und hierbei der Ausgangstransistor sperrt, so daß sich der Ausgang auf hohem Potential (H) befindet. Umgekehrt ist bei benetztem Füllstandsensor der Ausgangstransistor durchgeschaltet, so daß sich der Ausgang auf niedrigem Potential (L) befindet.

Gemäß Fig. 3 ist ein Oszillator 18 vorgesehen, der die lichtemittierende Diode LED in dem Sensor 20 an dessen Eingang (schwarz) mit Impulsen vorbestimmter Frequenz und Impulsbreite beaufschlagt. Das am Ausgang (grün) des Sensors 20 auftretende Ausgangssignal wird zusammen mit dem Signal des Oszillators 18, sowie aus dem Oszillatorsignal abgeleiteten Taktimpulsen einer Schaltlogik 22 zur Signalverknüpfung und einer Testlogik 24 zugeführt. Das Ausgangssignal der Testlogik 24 wirkt hierbei zusätzlich auf die Schaltlogik 22 ein.

Anhand von Fig. 4 sei nunmehr Aufbau und Funktion der Überwachungsschaltung in näheren Einzelheiten beschrieben.

Der Oszillator 18 ist herkömmlicher Bauart und umfaßt zwei in Reihe geschaltete Inverter IC1-1 und IC1-2, die über einen Kondensator C1 rückgekoppelt sind und wobei der Ausgang des ersten Inverters IC1-1 über eine Schaltung aus zwei Widerständen R1, R2 und einer Diode D1 auf seinen Eingang rückgeführt ist. Ein Differenzierglied R3, C2 und ein nachgeschalteter Inverter IC1-4 dienen der Erzeugung von kurzen Taktimpulsen synchron zu den breiteren Oszillatorimpulsen.

Die Oszillatorimpulse beaufschlagen über einen Inverter IC1-3 und einen Widerstand R4 die Basis eines pnp-Transistors T1, der mit seinem Emitter an die Betriebsspannung (rot) und mit seinem Kollektor über einen Widerstand R5 an den Steuereingang (schwarz) für die lichtemittierende Diode LED 12 angeschlossen ist. Aufgrund der niederohmigen LED 12 wird die Amplitude des Oszillatorimpulses reduziert.

Bei nicht-benetztem Sensor wird aufgrund der Ansteuerung der LED 12 mit dem Oszillatorsignal am Ausgang (grün) des Sensors 20 ein gleichphasiges Impulssignal erhalten. Dieses wird über einen Widerstand R7 dem einen Eingang eines UND-Gatters IC2-3 zuge­ führt. Da der andere Eingang dieses Gatters von dem Oszillator 18 ein gleichphasiges Signal zugeführt erhält, erscheint am Aus­ gang des Gatters IC2-3 ebenfalls das Oszillatorsignal, welches über die Parallelschaltung einer Diode D2 und eines Widerstandes R6 den Dateneingang D eines RS-Flip-Flops IC3-1 ansteuert. Da am Takteingang des Flip-Flops IC3-1 ein Taktsignal anliegt, gibt der negative Ausgang A2 des Flip-Flops ein H-Signal aus, mit dem über einen Widerstand R8 die Basis eines npn-Transistors T3 ange­ steuert wird. Der Transistor T3 liegt mit seinem Emitter an negativer Spannung und mit seinem Kollektor, z. B. über ein Relais an positiver Spannung +U_B, so daß bei der vorliegenden Beaufschlagung das Relais anzieht. Das angezogene Relais signalisiert entsprechend dem H-Signal, daß der Sensor nicht benetzt ist. Dieser Zustand wird in dem Flip-Flop IC3-1 nicht verriegelt, da der Setzeingang S mit einem L-Signal beaufschlagt wird. Wenn daher der Sensor benetzt wird und dementsprechend das Signal am Ausgang (grün) reduziert wird bzw. ausbleibt, so ist die UND-Bedingung für das Gatter IC2-3 nicht mehr erfüllt und das Flip-Flop IC3-1 schaltet um, so daß das Relais abfällt. Dieser L-Zustand signalisiert, daß der Sensor nicht benetzt ist.

In der Testlogik 24 ist zwischen die Bezugsspannung (blau) und die Betriebsspannung (rot) die Reihenschaltung aus einem npn-Transistor T2 und einem Widerstand R14 geschaltet. Der Transistor T2 wird an seiner Basis über einen Widerstand R9 an den Eingang (schwarz), d. h. an die Oszillatorimpulse ange­ schlossen, so daß am Ausgang die Polarität dieser Impulse durch den Transistor T2 umgekehrt und über einen Widerstand R13 an den einen Eingang eines weiteren UND-Gatters IC2-4 geführt wird. Der Ausgang (grün) ist über einen Widerstand R10 an die Betriebs­ spannung (rot) angeschlossen. Der Eingang (schwarz) liegt über einen Widerstand R11 ebenfalls an der Betriebsspannung (rot) und ferner über einen Widerstand R12 und einen Inverter IC1-6 an dem zweiten Eingang des UND-Gatters IC2-4. Der in seiner Amplitude reduzierte Impuls am Eingang (schwarz) wird über den Inverter IC1-6 als L-Signal interpretiert und demgemäß in ein H-Signal umgesetzt. Somit ist die UND-Bedingung des UND-Gatters IC2-4 nicht erfüllt, und es wird L-Signal über die Parallelschaltung aus einer Diode D3 und eines Widerstandes R15 an den Dateneingang D eines weiteren RS-Flip-Flops IC3-2 angelegt. Da gleichzeitig der Taktimpuls vorliegt, wird der nicht-negierende Ausgang A1 auf H gesetzt, und der negierte Ausgang A2 weist dementsprechend ein L-Signal auf. Das H-Signal am Ausgang A1 wird über einen Widerstand R16 auf die Basis eines npn-Transistors D4 gegeben, der zwischen negativer und positiver Betriebsspannung betrieben wird und in seinem Kollektorkreis beispielsweise ein Relais aufweist, das im vorliegenden Fall stromdurchflossen ist und anzieht. Das angezogene Relais signalisiert einen H-Zustand entsprechend einer ungestörten Funktion.

Im Falle eines Leitungsbruches kehrt der Transistor T2 nicht mehr die Polarität der Oszillatorimpulse um, so daß dem UND-Gatter IC2-4 an beiden Eingängen ein H-Signal zugeführt wird. Das am Dateneingang D des Flip-Flops IC3-2 anstehende H-Signal setzt den Ausgang A1 auf L und den Ausgang A2 auf H. Da der Ausgang A2 auf den Eingang S des Flip-Flops IC3-1 geschaltet ist, wird bei einer solchen Störung der Ausgang A2 des Flip-Flops IC3-1 auf dem Zustand H verriegelt.

Im nicht-bedeckten Zustand des Sensors und bei ordnungsgemäßer Funktion ziehen beide Transistoren T3 und T4 Strom und die in ihren Kollektorkreisen angeordneten Relais sind angezogen. Bei bedecktem Sensor führt der Transistor T3 keinen Strom, während­ dem bei ordnungsgemäßer Funktion der Transistor T4 Strom zieht. Bei einer Störung zieht der Transistor T4 keinen Strom, und der Transistor T3 führt Strom.

Claims (4)

1. Füllstandsensor mit einer lichtemittierenden Diode und einer Photodiode sowie einer von der Photodiode gesteuerten Trigger­ schaltung, wobei der Lichtübergang zwischen lichtemittierender Diode und Photodiode bei Benetzung des Sensors reduziert oder verhindert wird und wobei die Ansteuerung der licht­ emittierenden Diode unabhängig von der Betriebsspannung der Triggerschaltung erfolgt, mit einem Überwachungsschaltkreis (18, 22, 24), der die lichtemittierende Diode (12) durch Ansteuerimpulse vorgegebener Frequenz und Dauer ansteuert und der die Ansteuerimpulse mit dem Ausgangssignal der Photodiode logisch verknüpft, wobei der Überwachungsschaltkreis aufweist:
einen Oszillator (18) zur Ansteuerung des Sensors (20) mit den Ansteuerimpulsen;
eine Schaltlogik (22) zur Verknüpfung der von dem Oszillator (18) erzeugten Ansteuerimpulse und der Ausgangssignale der Photodiode; und
eine Testlogik (24) zur Verknüpfung des Ausgangssignales des Oszillators (18) mit einem durch Zerhacken der Betriebs­ spannung der Triggerschaltung mit dem Oszillatorsignal gewonnenen Signal.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Schaltlogik (22) aufweist:
ein UND-Gatter (IC2-3), dem die Oszillatorimpulse und die Ausgangssignale der Photodiode zugeführt werden und dessen Ausgang auf den Dateneingang (D) eines ersten Flip-Flops (IC3-1) geführt ist, welches mit einem Ausgang (A2) ein Schaltsignal liefert.

3. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Testlogik (24) aufweist:
ein UND-Gatter (IC2-4), dem die Oszillatorimpulse sowie Impulse zugeführt werden, die aus der Betriebsspannung durch Zerhacken mit den Oszillatorimpulsen gewonnen werden, und dessen Ausgang auf den Dateneingang (D) eines zweiten Flip-Flops (IC3-2) geführt ist, welches mit einem ersten Ausgang (A1) ein Testsignal und mit einem zweiten Ausgang (A2) ein Setzsignal für den Setzeingang (S) des ersten Flip-Flops (IC3-1) liefert.

4. Sensor nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Taktimpulse den beiden Flip-Flops (IC3-1, IC3-2) aus den Oszillatorimpulsen abgeleitete Impulse zugeführt werden.