DE4104477A1 - Anordnung und schaltung zum erzeugen eines druckabhaengigen messwertes - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung und eine Schaltung zum Erzeugen eines von einem Druck auf eine auslenkbare Fläche abhängigen Meßwertes gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 7.

Derartige Anordnungen werden beispielsweise zum Feststellen der Füllhöhe des Wasserstandes in Waschbehältern von Waschmaschinen angewendet. Sie besteht z. B. aus einer Membrandruckdose, deren eine Innenseite mit dem Behälter verbunden ist und deren Außenseite auf den Betätigungshebel eines Mikroschalters einwirkt. Der Schalter spricht bei einem ganz bestimmten Druck, der einer definierten Füllhöhe entspricht, an. Hierdurch wird über ein Schaltwerk z. B. die Wasserzufuhr gesperrt.

Mit einer derartigen Anordnung ist daher nur ein einziger Füllstand meßbar. Zur Ermittlung von zwei Füllständen, z. B. bei Waschmaschinen mit Voll- und Sparprogramm, werden zwei derartige Anordnungen in verschiedenen Höhen am Waschbehälter angeschlossen.

Es sind auch Anordnungen zur kontinuierlichen Feststellung der Füllhöhe eines Behälters bekannt. So erfolgt beispielsweise die Messung der Tankfüllung von Kraftfahrzeugen über einen Schwimmer, der ein Potentiometer verstellt, dessen abgegriffene Spannung einem elektrischen Meßinstrument als Anzeigeinstrument zugeführt wird. Eine derartige Anordnung eignet sich jedoch nicht für Flüssigkeiten, bei denen eine turbulente Bewegung der Oberfläche vorhanden ist oder eintreten kann.

Weiterhin sind Anordnungen bekannt, bei denen die Auslenkung einer Membran oder einer Bourtonfeder als Maß für eine kontinuierliche Druck- bzw. Füllhöhenanzeige oder -Messung verwendet werden. Bei diesen Anordnungen besitzen die sich bewegenden Drucksensoren, also die Membran oder die Bourtonfeder, eigene Federcharakteristiken, die in die Meßgenauigkeit eingehen, die jedoch bei gleichen Typen in gewissen Grenzen variieren. Für genauere Messungen sind daher niedrige Herstellungstoleranzen gefordert und außerdem eine Justierung jeder einzelnen Anordnung notwendig.

Hinzu kommt, daß die Federcharakteristik der Sensoren solcher Anordnungen nicht linear ist sondern die Federkonstante mit zunehmender Auslenkung mehr als proportional zunimmt, was bei der Weiterverarbeitung des erhaltenen Auslenkungswertes berücksichtigt werden muß. Außerdem ist die Federcharakteristik temperaturabhängig.

Mit der vorliegenden Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, mit einfachen Mitteln unabhängig von Herstellungstoleranzen und der Federcharakteristik der verwendeten Sensoren eine genaue Druckmessung eines gasförmigen oder flüssigen Mediums bzw. eine daraus abgeleitete Füllstandsmessung der Füllhöhe eines Behälters in einem bestimmten Bereich kontinuierlich durchführen zu können.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale. Durch die mit der erfindungsgemäßen Anordnung durchgeführte Kompensation der möglichen Auslenkung z. B. einer Membran bleibt diese praktisch in ihrer Ruhelage, so daß unterschiedliche, durch die Herstellung bedingte Toleranzen praktisch ohne Einfluß auf das Meßergebnis bzw. den erhaltenen Meßwert sind und eine diesbezügliche Eichung der Anordnung entfallen kann.

Dadurch wird die Anordnung auch weniger abhängig von der Temperatur, da die dadurch bedingte Änderung der Federcharakteristik praktisch ohne Einluß auf das Endergebnis ist.

Weitere vorteilhafte Einzelheiten der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und nachfolgend anhand der in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispiele beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung einer Anordnung mit einem verschiebbaren Anker eines als Gegendruckerzeuger ausgebildeten Elektromagneten,

Fig. 2 eine detaillierte Darstellung einer Anordnung mit einem Elektromagneten mit festem magnetischem Kern und einer Lichtschranke als Erzeuger der Steuergröße,

Fig. 3 eine Regelschaltung zur Erzeugung des Spulenstromes für eine Anordnung gemäß Fig. 1 und 2.

Bei der in Fig. 1 als Prinzip dargestellten Anordnung ist eine durch einen Druck p eines gasförmigen oder flüssigen Mediums auslenkbare Fläche als Membran 1 ausgebildet, die eine Öffnung einer Druckdose 2 dicht abschließt. Die Druckzufuhr erfolgt über ein an der Druckdose 2 vorgesehenes Druckanschlußteil 3, das hier ale Schlauchanschlußstutzen ausgebildet ist.

An der Außenseite 4 der Membran 1 liegt als von dieser betätigbares Stellglied 5 ein Stab an, der an einem magnetisierbaren Kern 6 befestigt ist. Der Kern 6 ist in einer Spule 7 verschiebbar angeordnet, welcher ein Strom J von einem Regler 8 einprägbar ist.

Der Regler 8 erhält ein Steuersignal S von einem Wegsensor 9, der die vom Druck p abhängige Auslenkung der Membran 1 detektiert und in ein vom Regler 8 verarbeitbares Steuersignal S umformt.

Die Wirkungsweise dieser Anordnung ist folgende: In der gezeichneten Ruhelage wird vom Wegsensor 9 kein Steuersignal 8 ausgegeben, das den Regler 8 veranlaßt, einen Strom J an die Spule 7 zu liefern. Erst beim Auftreten eines Druckes p wird die Membran 1 in der Zeichnung nach rechts angelenkt. Dadurch wird ein Steuersignal S erzeugt, das der Regler 8 in einen Strom J umsetzt, der so groß ist, daß die Spule 7 ein so großes Magnetfeld erzeugt, daß der Kern 6 und damit das Stellglied 5 in der Zeichnung nach links verschoben wird und eine Gegenkraft P erzeugt, die die Membran 1 in ihre Ruhelage bringt. Der Strom J ist jeweils ein Maß für den Druck p bzw. eine entsprechende Füllhöhe eines Behälters.

Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 ist die Membran 1 unmittelbar dicht an dem einen Flansch 10 des Spulenkörpers 11 der Spule 7 angeordnet. Im hohlen Spulenkern 12 des Spulenkörpers 11 ist der magnetisierbare Kern 6 fest angeordnet. Als Stellglied dient hier ein Anker 5.1, der sich im Wirkungsbereich des Elektromagneten 6, 7 auf der Membran 1 befindet. Im vorliegenden Fall ist er auf der Außenseite 4 der Membran 1 angeordnet.

Mit der Membran 1 ist - beim Beispiel mit dem Anker 5.1 verbunden - ein als Blende wirkender Stift 13 gekuppelt, der in den Strahlengang 14 einer Strahlenschranke, insbesondere einer Lichtschranke 15 hineinragt. Stift 13 und Strahlenschranke 15 bilden hier den Wegsensor 9.

Der Spulenkörper 11 ist mit einem Druckanschlußstück 3 versehen, der mit dem hohlen Spulenkern 12, der hier zugleich als Druckdose ausgebildet ist, in Verbindung ist.

Der magnetisierbare Kern 6 ist mit wenigstens einem Verbindungskanal 16 versehen, der die Druckseite am Druckanschlußstück 3 mit dem an die Innenseite 17 der Membran 1 angrenzenden Raum 18 des Spulenkerns 12 verbindet. Die Wirkungsweise dieser Anordnung ist im Prinzip die gleiche wie bei der Anordnung gemäß Fig. 1 und wird später anhand des in Fig. 3 dargestellten Schaltungsprinzips näher beschrieben.

Bei dem in Fig. 3 dargestellten Schaltungsbeispiel ist der Wegsensor 9 durch eine als Strahlenschranke verwendete Lichtschranke 15 mit einer Leuchtdiode 19 und einem Phototransistor 20 gebildet, in deren Strahlengang 14 als Blende 13.1 z. B. der in Fig. 2 dargestellte Stift 13 dient. Der Emitter des npn-Phototransistors 20 liegt an Masse. Anstelle der Leuchtdiode 19 kann auch eine andere Strahlenquelle und anstelle des Phototransistors 20 ein anderes, auf die ausgesendete Strahlung ansprechendes elektrisches Bauelement vorgesehen sein.

Der Kollektor 21 des Phototransistors 20 ist einerseits über einen Widerstand R mit einem gegenüber Masse positiven Potential und andererseits über einen Widerstand 22 mit dem negativen Eingang 23 eines Operationsverstärkers 24 verbunden. Der positive Eingang 25 liegt an einer Referenzspannungsquelle 26. Vom Ausgang 27 des Operationsverstärkers 24 erfolgt eine Gegenkopplung zum negativen Eingang 23 über einen Kondensator 28 und einen Widerstand 29, die zusammen ale Integrierglied dienen und eine schwingungsfreie Regelung erzwingen.

Der Ausgang 27 des Operationsverstärkers 24 liegt über einen Widerstand 30 an der Basis eines pnp-Transistors 31, in dessen Kollektorkreis über die Spule 7 und einen Widerstand 32 nach Masse geschaltet ist.

Zum Beseitigen schädlicher Überspannungen ist parallel zur Spule 7 eine in Sperrichtung betriebene Diode 33 angeschlossen.

Der Verbindungspunkt 34 zwischen Spule 7 und Widerstand 32 liegt am positiven Eingang 35 eines als nicht invertierender Verstärker geschalteten zweiten Operationsverstärkers 36 angeschlossen, dessen negativer Eingang 37 am Verbindungspunkt 38 eines vom Ausgang 39 des Operationsverstärkers 36 nach Masse geschalteten, aus den Widerständen 40 und 41 bestehenden Spannungsteilers 42 angeschlossen ist.

Am Ausgang 39 des zweiten Operationsverstärkers 36 liegt eine dem Druck p entsprechende Spannung, die für Anzeige- oder auch für weitere Schaltzwecke verwendet werden kann.

Die Wirkungsweise der Anordnung gemäß Fig. 2 mit der Schaltung gemäß Fig. 3 ist folgende:

Im Ruhezustand liegt die Blende 13.1 derart im Strahlengang 14, daß dieser nur teilweise abgedeckt wird. Das auf den Phototransistor 20 auftreffende Restlicht bewirkt eine teilweise Aussteuerung desselben, so daß am Kollektor 21 und damit am negativen Eingang 23 des Operaationsverstärkers 24 ein bestimmtes Potential ansteht.

Die am positiven Eingang 25 des Operationsverstärkers 24 angelegte Referenzspannung wird so eingestellt, daß der Ausgang 27 des Operationsverstärkers 24 auf High-Pegel liegt. Dadurch ist der Transistor 31 gesperrt und es fließt kein Strom J durch die Spule 7.

Tritt nun an der Innenseite 17 der Membran 1 ein Druck p auf, so wird diese in der Zeichnung nach oben bewegt, wobei die Blende 13.1 weiter in den Strahlengang 14 hineinbewegt wird und die Strahlung zum Phototransistor 20 vermindert. Dadurch kommt dieser weiter in den Sperrzustand, so daß das Potential am Kollektor 21 ansteigt. Damit wird der negative Eingang 23 höher gelegt als der positive Eingang 25, so daß der Ausgang 27 des Operationsverstärkers 24, verzögert durch das RC-Glied aus Widerstand 29 und Kondensator 28, in Richtung Low-Pegel abgesenkt wird. Dadurch fließt jetzt ein Basisstrom durch den Transistor 31, wodurch dieser in den leitenden Zustand gesteuert wird. Entsprechend beginnt ein Strom J durch die Spule 7 und den Widerstand 32 zu fließen. Der Strom J steigt so lange an, bis die Kraft P des Magnetfeldes der Spule auf den Anker 5.1, und damit auch auf die Membran, nahezu so groß ist, wie die vom Druck p auf die Membran ausgeübte Kraft P′. Demzufolge wird die Membran, und mit ihr gekoppelt die Blende 13.1, bis auf eine kleine Restabweichung wieder in ihre ursprüngliche Lage zurückgedrückt.

Durch diese Regelung stellt sich immer ein Strom J ein, der vom jeweiligen Druck p abhängt.

Entsprechend dem Strom J entsteht am Widerstand 32 ein Meßwert in Form des Spannungsabfalls, der, durch den Operationsverstärker 36 verstärkt, an dessen Ausgang 39 abgegriffen werden kann.

Claims (10)

1. Anordnung zum Erzeugen eines vom Druck eines gasförmigen oder flüssigen Mediums auf eine durch den Druck auslenkbare Fläche abhängigen Meßwertes, insbesondere zum Messen und/oder zur Anzeige der Füllhöhe eines mit einem flüssigen Medium füllbaren Behälters durch Messen des vom Medium erzeugbaren statischen Druckes, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

• - mit der Fläche (Membran 1) ist ein Wegsensor (9) gekuppelt, der bei Auslenkung der Fläche (1) infolge eines vorhandenen Druckes (p) ein Steuersignal (S) abgibt;
• - mit der Fläche (1) ist ein der Auslenkung der Fläche (1) durch den vorhandenen Druck (p) entgegenwirkendes Stellglied (5) eines steuerbaren Gegendruckerzeugers (6, 7) gekuppelt;
• - es ist ein Regler (8) vorgesehen, an dessen Eingang (23) das Steuersignal (S) des Wegsensors (9) anliegt und der bei vorhandenem Steuersignal (S) an den steuerbaren Gegendruckerzeuger (6, 7) eine derartige Stellgröße (J) ausgeben kann, daß das Stellglied (5) des Gegendruckerzeugers (6, 7) die Auslenkung der Fläche (1) kompensiert oder nahezu kompensiert;
• - die Stellgröße (J) oder eine Ableitung derselben dient als Meßwert des vom Medium auf die Fläche (1) ausgeübten Druckes.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche (1) als Membran ausgebildet ist, deren eine Seite (17) vom Medium beaufschlagt ist und deren andere Seite (4) mit dem Wegsensor (9) und dem Stellglied (5) gekoppelt ist, daß der Gegendruckerzeuger (6, 7) aus einem im Spulenkern (12) einer Spule (7) vorgesehenen magnetisierbaren Kern (6) gebildeten Elektromagnet (6, 7) besteht, dessen Kern (6) mit dem Stellglied (5) gekoppelt ist und dessen Spule (7) von einem vom Regler (8) ausgegebenen variablen Strom als Stellgröße ( ) durchflossen ist.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetisierbare Kern (6) im hohlen Spulenkern (12) des Spulenkörpers (11) verschiebbar ist und mit dem Stellglied (5) mechanisch verbunden ist.

4. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetisierbare Kern (6) im hohlen Spulenkern (12) des Spulenkörpers (11) fest angeordnet ist, daß an einem Flansch (1) des Spulenkörpers (11) die Membran (1) dicht angebracht ist und deren Innenseite (17) mit dem hohlen Spulenkern (12) und dem anderen Flansch ( ) des Spulenkörpers (11) einen Druckraum (2; 18) bildet, der mit einem Druckanschlußteil (3) versehen ist, daß das Stellglied (5) als Anker (5.1) des Elektromagneten ausgebildet und an der Membran (1) befestigt ist, und daß auf der Außenseite (4) der Membran (1) ein Stift (13) angeordnet ist, der den Fühler (13.1) des Wegsensors (9) bildet.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wegsensor (9) als Lichtschranke (15) ausgebildet ist, wobei der Stift (13.1) in den Strahlengang (14) der Lichtschranke (15) derart hineinragt, daß in Ruhestellung der Membran (1) der Lichtstrahl (14) noch nicht unterbrochen ist.

6. Anordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwecks Verbindung der Innenseite (17) der Membran (1) mit dem Druckanschlußteil (3) der magnetisierbare Kern (6) wenigstens einen Verbindungskanal (16) aufweist.

7. Schaltung zum Erzeugen eines vom Druck eines gasförmigen oder flüssigen Mediums auf eine auslenkbare Fläche abhängigen Meßwertes unter Verwendung einer Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Operationsverstärker (24) vorgesehen ist, an dessen negativem Eingang (23) ein vom Wegsensor (9) ausgegebenes, vom Weg der ausgelenkten Fläche (1) abhängiges elektrisches Steuersignal (S) anliegt, dessen Ausgang (27) über eine Reihenschaltung aus einem ohmschen Widerstand (29) und einem Kondensator (28) mit dem negativen Eingang (23) verbunden ist und dessen positiver Eingang (25) eine Referenzspannung zugeführt wird, die bezüglich dem der Ruhelage der Fläche (1) entsprechenden Steuersignal (S) derart gewählt ist, daß der positive Eingang (25) auf einem geringfügig höheren Potential liegt als der negative Eingang (23), und daß der Ausgang (27) einen Stromkreis (31, 7, 32) mit einem Gegendruckerzeuger (6, 7) ansteuert, der den auf die auslenkbare Fläche (1) wirkenden Druck (p) und damit die Auslenkung der Fläche (1) kompensieren kann, und daß der in dem Stromkreis (31, 7, 32) fließende Strom (J) oder ein von diesem abgeleitetes Potential als Meßwert für den Druck (p) dient.

8. Schaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Gegendruckerzeugung im Stromkreis (31, 7, 32) die Spule (7) eines Elektromagneten (6, 7) liegt, dessen Anker (5; 5.1) mit dem Stellglied (13.1) des Wegsensors (9) gekuppelt ist.

9. Schaltung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Wegsensor (9) eine aus einer Strahlenquelle (19) und einem in deren Strahlengang (14) befindlichen, für deren Strahlung empfindlichen elektrischen Bauelement (20) bestehende Strahlenschranke (15) vorgesehen ist und in deren Strahlengang (14) als Blende (13.1) das mit dem Anker (5.1) gekoppelte Stellglied (Stift 13) hineinragt.

10. Schaltung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das strahlungsempfindliche Bauelement ein npn-Phototransistor (20) ist, dessen Emitter nach Masse verbunden ist und dessen Kollektor (21) einerseits über einen Widerstand (R) auf gegenüber Masse positivem Potential und andererseits über einen Widerstand (22) am negativen Eingang (23) des Operationsverstärkers (24) liegt.