DE4232659A1 - Vorrichtung zur Feststellung und/oder Überwachung eines vorbestimmten Füllstands in einem Behälter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Feststellung und/ oder Überwachung eines vorbestimmten Füllstands in einem Be­ hälter, mit einem Sensor, der auf der Höhe des zu überwachen­ den Füllstands so am Behälter angeordnet ist, daß er mit dem Füllgut in Berührung kommt, wenn dieses den vorbestimmten Füllstand erreicht, einer Erregungsanordnung, die den Sensor zu mechanischen Schwingungen bei seiner Eigenresonanzfrequenz anregt, und mit einer Auswerteschaltung zur Auslösung von Anzeige- und/oder Schaltvorgängen in Abhängigkeit davon, ob die Frequenz der mechanischen Schwingungen des Sensors eine Schaltfrequenz über- oder unterschreitet.

Eine Vorrichtung dieser Art ist beispielsweise aus der DE-PS 33 36 991 bekannt. Bei dieser bekannten Vorrichtung weist der Sensor zwei Schwingstäbe auf, die im Abstand nebeneinander an einer Membran befestigt sind und durch die Erregungsanordnung in gegensinnige Schwingungen quer zu ihrer Längsrichtung ver­ setzt werden. Es sind jedoch auch Vorrichturgen dieser Art bekannt, bei denen der Sensor nur einen einzigen Schwingstab aufweist oder in anderer Weise ganz ohne Schwingstäbe ausge­ bildet ist. In allen Fällen beruht die Funktionsweise der Vorrichtung darauf, daß sich die Eigenresonanzfrequenz des Sensors ändert, wenn der Sensor mit dem Füllgut in Berührung kommt. Wenn der Sensor von dem Füllgut bedeckt ist, ist seine Eigenresonanzfrequenz niedriger als wenn der Sensor von dem Füllgut frei ist. Die Schaltfrequenz wird so gewählt, daß sie zwischen der niedrigeren Eigenresonanzfrequenz bei bedecktem Sensor und der höheren Eigenresonanzfrequenz bei freiem Sen­ sor liegt. Wenn die Auswerteschaltung feststellt, daß die Schwingungsfrequenz des Sensors unter der Schaltfrequenz liegt, ist dies ein Anzeichen dafür, daß der Sensor von dem Füllgut bedeckt ist, also der Füllstand im Behälter über der zu überwachenden Höhe liegt. Stellt die Auswerteschaltung dagegen fest, daß die Schwingungsfrequenz des Sensors über der Schaltfrequenz liegt, ist dies ein Anzeichen dafür, daß der Sensor von dem Füllgut frei ist, also der Füllstand im Behälter unter der zu überwachenden Höhe liegt. Sensoren die­ ser Art eignen sich insbesondere für die Überwachung des Füllstands von Flüssigkeiten, da bei diesen die Änderung der Eigenresonanzfrequenz beim Wechsel vom freien zum bedeckten Zustand und umgekehrt stets deutlich feststellbar ist.

Fertigungsbedingt ist die Resonanzfrequenz der Sensoren un­ terschiedlich. Da andererseits insbesondere bei Flüssigkeiten geringer Dichte die Eigenresonanzfrequenzen des bedeckten und des freien Sensors verhältnismäßig nahe beieinanderliegen können, muß die Schaltfrequenz für jeden Sensor individuell eingestellt werden. Die Auswerteschaltung ist dann zwingend mit dem Sensor gepaart; wenn sie in Verbindung mit einem an­ deren Sensor verwendet werden soll, muß sie auf diesen ande­ ren Sensor neu abgestimmt werden, wozu die Eigenresonanzfre­ quenz des anderen Sensors bekannt sein muß. Diese Abstimmung kann gewöhnlich nicht ohne weiteres am Verwendungsort der Vorrichtung vorgenommen werden. Dies erschwert die Durchfüh­ rung von Reparatur- und Wartungsarbeiten an der Vorrichtung.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Vorrichtung der eingangs angegebenen Art, bei der jede Auswerteschaltung in Verbindung mit jedem beliebigen Sensor verwendet werden kann, ohne daß eine individuelle Abstimmung der Auswerteschaltung auf den jeweiligen Sensor erforderlich ist.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß dem Sensor ein elektrisches Schaltungselement zugeordnet ist, das eine Kenngröße hat, deren Wert in eindeutiger Beziehung zur Eigenresonanzfrequenz des Sensors steht, und daß in der Aus­ werteschaltung die Schaltfrequenz in Abhängigkeit vom Wert der Kenngröße des elektrischen Schaltungselements eingestellt wird.

Bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden alle Auswerteschaltungen gleich ausgebildet. Für jeden Sensor wird dessen Eigenresonanzfrequenz im freien Zustand gemessen und der Wert der Kenngröße des elektrischen Schaltungsele­ ments in Abhängigkeit von der gemessenen Eigenresonanzfre­ quenz eingestellt. Das Schaltungselement wird dem Sensor bleibend zugeordnet, beispielsweise in einem Einschraubstück des Sensors untergebracht. Das Schaltungselement ist mit der Auswerteschaltung so verbunden, daß zur Auswerteschaltung ein elektrisches Signal geliefert wird, das den Wert der Kenngrö­ ße des Schaltungselements angibt. Jede Auswerteschaltung ent­ hält eine Einrichtung, die die dem jeweiligen Sensor indivi­ duell zugeordnete Schaltfrequenz in Abhängigkeit von dem Wert der Kenngröße des Schaltungselements einstellt.

Auf diese Weise kann jede Auswerteschaltung mit jedem Sensor kombiniert werden, ohne daß besondere Einstellungen zur An­ passung der Auswerteschaltung an den Sensor vorgenommen wer­ den müssen. Ferner kann eine Auswerteschaltung in Verbindung mit mehreren Sensoren verwendet werden, die der Reihe nach von der Auswerteschaltung abgefragt werden. Bei jeder Abfrage wird dann die Schaltfrequenz in der Auswerteschaltung automa­ tisch an den gerade abgefragten Sensor angepaßt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfin­ dung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels an Hand der Zeichnungen. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 das Schaltschema einer Vorrichtung nach der Erfindung,

Fig. 2, 3 und 4 verschiedene Beispiele des dem Sensor zu­ geordneten Schaltungselements und dessen Verbindung mit der Auswerteschaltung,

Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel der in der Auswerteschaltung von Fig. 1 enthaltenen Verzögerungsschaltung und

Fig. 6 Diagramme zur Erläuterung der Funktionsweise der Ver­ zögerungsschaltung von Fig. 5.

Die Zeichnung zeigt einem Sensor 10 mit zwei von einem Ein­ schraubstück 11 getragenen parallelen Schwingstäben 12 und 13. Das Einschraubstück 11 hat einen Gewindeabschnitt 14 und einen Sechskantkopf 15. Der Gewindeabschnitt 14 wird in eine mit einem Innengewinde versehene Öffnung in der Wand eines Behälters so eingeschraubt, daß die Schwingstäbe 12 und 13 in das Innere des Behälters ragen. Der Sechskantkopf 15 dient zum Ansetzen eines Schraubenschlüssels, mit dem das Ein­ schraubstück 11 gegen die Behälterwand festgezogen werden kann. Die Öffnung ist in der Behälterwand auf solcher Höhe angebracht, daß die Schwingstäbe 12, 13 von dem im Behälter befindlichen Füllgut bedeckt sind, wenn der Füllstand im Be­ hälter eine vorbestimmte Höhe übersteigt, während sie vom Füllgut frei sind, wenn der Füllstand unter der vorbestimmten Höhe liegt. Die Einbaulage der Vorrichtung ist beliebig; die Schwingstäbe können vertikal liegen, wenn die Öffnung in der oberen Behälterwand angebracht ist, oder sie können horizon­ tal liegen, wenn die Öffnung in einer Seitenwand des Behäl­ ters angebracht ist.

Das Einschraubstück 11 ist hohl und enthält im Innern eine Wandleranordnung, die bei Zuführung einer elektrischen Wech­ selspannung die Schwingstäbe 12, 13 in gegensinnige Schwin­ gungen quer zu ihrer Längsrichtung versetzt. Die Wechselspan­ nung wird von einer Erregungsschaltung 16 geliefert, die über eine Leitung 17 mit der Wandleranordnung verbunden und so ausgebildet ist, daß sie das aus den Schwingstäben 12, 13 und der Wandleranordnung gebildete mechanische Schwingungssystem zu Schwingungen bei seiner Eigenresonanzfrequenz anregt. Ein derart ausgebildeter Sensor, bei dem die Wandleranordnung durch piezoelektrische Elemente gebildet ist, ist beispiels­ weise aus der DE-PS 33 36 991 bekannt; die Wandleranordnung wird deshalb hier nicht in näheren Einzelheiten beschrieben.

Ein Ausgang der Erregungsschaltung 16 ist über eine Leitung 18 mit einem Eingang einer Auswerteschaltung 20 verbunden. An diesem Ausgang gibt die Erregungsschaltung ein Signal mit der Frequenz der Schwingungen des Sensors 10 ab. Diese Frequenz, die nachfolgend Sensorfrequenz genannt wird, liegt in der Größenordnung von 200 bis 500 Hz. Die Auswerteschaltung 20 prüft, ob die Sensorfrequenz über oder unter einer vorgegebe­ nen Schaltfrequenz liegt, um festzustellen, ob die Schwing­ stäbe 12, 13 des Sensors 10 von dem Füllgut bedeckt sind oder nicht. Die Eigenresonanzfrequenz, mit der die Schwingstäbe 12 und 13 schwingen, ist nämlich höher, wenn die Schwingstäbe in Luft schwingen, und niedriger, wenn die Schwingstäbe von dem Füllgut bedeckt sind.

Die Auswerteschaltung 20 enthält einen Zähler 21, der an einem Steuereingang das von der Erregungsschaltung 16 gelie­ ferte Signal mit der Sensorfrequenz empfängt. Ein Takteingang des Zählers 21 empfängt Taktimpulse, die von einem Taktgene­ rator 22 geliefert werden. Die Frequenz dieser Taktimpulse ist sehr groß gegen die Sensorfrequenz; sie liegt beispiels­ weise in der Größenordnung von 500 kHz. Der Zähler 21 wird durch das über die Leitung 18 an seinen Steuereingang ange­ legte Signal so gesteuert, daß er jeweils während einer Pe­ riode dieses Signals die vom Taktgenerator 22 gelieferten Taktimpulse zählt. Der am Ende einer Periode erreichte Zäh­ lerstand wird in einen Speicher 23 übertragen, worauf der Zähler 21 auf Null zurückgestellt wird und eine neue Zählung der Taktimpulse während einer Periode des Sensorsignals durchführt. Die im Speicher 23 stehende digitale Zahl ist somit stets der Periodendauer des Sensorsignals proportional und daher ein Maß für die Sensorfrequenz.

Die im Speicher 23 stehende digitale Zahl wird einem Eingang 24a eines Vergleichers 24 zugeführt, der an einem zweiten Eingang 24b eine digitale Zahl empfängt, die in gleicher Wei­ se die Periodendauer der Schaltfrequenz angibt. Der Verglei­ cher 24 gibt an seinem Ausgang ein binäres Signal ab, das den einen Signalwert (beispielsweise den Signalwert "H") hat, wenn die dem Eingang 24a zugeführte digitale Zahl kleiner als die dem Eingang 24b zugeführte digitale Zahl ist, und das den anderen Signalwert (beim angegebenen Beispiel den Signalwert "L") hat, wenn die dem Eingang 24a zugeführte digitale Zahl größer als die dem Eingang 24b zugeführte digitale Zahl ist.

Demzufolge zeigt bei dem gewählten Beispiel der Signalwert "H" des Ausgangssignals des Vergleichers 24 an, daß die Sensor­ frequenz höher als die Schaltfrequenz ist, und der Signalwert "L" zeigt an, daß die Sensorfrequenz niedriger als die Schalt­ frequenz ist. Wenn die Schaltfrequenz für den angeschlossenen Sensor 10 richtig eingestellt ist, zeigt somit der Signalwert "H" an, daß die Schwingstäbe des Sensors 10 in Luft schwingen, also der zu überwachende Füllstand nicht erreicht ist, und der Signalwert "L" zeigt an, daß die Schwingstäbe des Sensors von dem Füllgut bedeckt sind, also der zu überwachende Füll­ stand erreicht oder überschritten ist.

Wenn die Schaltfrequenz für einen bestimmten Sensor auf den richtigen Wert fest eingestellt wird, kann es sein, daß die Auswerteschaltung nicht mehr richtig funktioniert, wenn der Sensor gegen einen anderen Sensor ausgetauscht wird, der fer­ tigungsbedingt eine andere Eigenresonanzfrequenz hat. Wenn beispielsweise die Eigenresonanzfrequenz bei unbedeckten Schwingstäben so niedrig ist, daß sie unter der Schaltfre­ quenz liegt, würde das Ausgangssignal des Vergleichers immer den Zustand "bedeckt" anzeigen, und wenn die Eigenresonanz­ frequenz des Sensors so hoch ist, daß sie auch bei bedeckten Schwingstäben noch über der Schaltfrequenz liegt, würde das Ausgangssignal des Vergleichers immer den Zustand "frei" an­ zeigen.

Bei der in der Zeichnung dargestellten Vorrichtung erfolgt eine selbsttätige Anpassung der Schaltfrequenz an den jeweils angeschlossenen Sensor. Zu diesem Zweck ist dem Sensor 10 ein elektrisches Schaltungselement 25 zugeordnet, das eine Kenn­ größe hat, die in eindeutiger Beziehung zur Eigenresonanzfre­ quenz des Sensors 10 steht. Das Schaltungselement 25 ist, wie in der Zeichnung symbolisch angedeutet ist, vorzugsweise im Einschraubstück 11 des Sensors 10 untergebracht und über eine Leitung 26 mit einem zweiten Eingang der Auswerteschaltung 20 verbunden. Die Auswerteschaltung 20 empfängt über die Leitung 26 ein elektrisches Signal, das den Wert der Kenngröße des Schaltungselements 25 angibt. Wenn dieses elektrische Signal ein Analogsignal ist, wird es in der Auswerteschaltung 20 einem Analog-Digital-Wandler 27 zugeführt, der das Analogsi­ gnal in eine digitale Zahl umsetzt, beispielsweise in eine 8 Bit-Zahl. Diese digitale Zahl wird dem einen Eingang 28a eines Addierers 28 zugeführt, der an seinem zweiten Eingang 28b eine fest eingestellte digitale Grundzahl empfängt. Der Addierer 28 bildet die Summe der den beiden Eingängen zuge­ führten Zahlen und gibt an seinem Ausgang eine diese Summe darstellende digitale Zahl ab, die dem zweiten Eingang 24b des Vergleichers 24 zugeführt wird und die Schaltfrequenz angibt, mit der die vom Inhalt des Speicher 23 angegebene Sensorfrequenz verglichen wird.

Die dem Eingang 28b zugeführte digitale Grundzahl bestimmt den Abstand zwischen der Schaltfrequenz und der Eigenreso­ nanzfrequenz des Sensors und damit die Ansprechempfindlich­ keit der Vorrichtung. Sie wird beispielsweise für Wasser und Flüssigkeiten ähnlicher Dichte so eingestellt, daß die Schaltfrequenz 11% unter der Eigenresonanzfrequenz liegt, mit der der Sensor im freien Zustand schwingt. Durch Schließen eines Schalters 29 kann einem Steuereingang 28c des Addierers 28 ein Signal zugeführt werden, das die im Addierer 28 hinzu­ addierte Zahl verändert. Dadurch wird der Abstand zwischen der Eigenresonanzfrequenz des Sensors und der Schaltfrequenz verändert, um die Ansprechempfindlichkeit der Vorrichtung an Füllgüter anderer Dichte anzupassen. Wenn, wie oben angege­ ben, die dem Eingang 28b zugeführte digitale Grundzahl so bemessen ist, daß bei geöffnetem Schalter 29 die Schaltfre­ quenz 11% unter der Eigenresonanzfrequenz des unbedeckten Sensors liegt, kann es bei der Überwachung des Füllstands von Flüssigkeiten geringerer Dichte vorkommen, daß sich die Schwingungsfrequenz des bedeckten Sensors nicht um 11% gegen­ über der Schwingungsfrequenz des unbedeckten Sensors verrin­ gert. In diesem Fall würde der Vergleicher 24 kein Signal abgeben, das das Erreichen des zu überwachenden Füllstands anzeigt. Durch Schließen des Schalters 29 wird in diesem Fall beispielsweise bewirkt, daß die Schaltfrequenz nur 5% unter der Eigenresonanzfrequenz des unbedeckten Sensors liegt.

Für das elektrische Schaltungselement 25 wird vorzugsweise ein passives Schaltungselement verwendet, das keine eigene Stromversorgung im Sensor erfordert. In den Fig. 2, 3 und 4 sind einige Beispiele geeigneter Schaltungselemente darge­ stellt. Diese Figuren zeigen auch jeweils einen Teil der Aus­ werteschaltung 20 sowie die Verbindungsleitung 26 zwischen dem Schaltungselement 25 und der Auswerteschaltung 20.

Üblicherweise ist die Auswerteschaltung 20 zusammen mit der Erregungsschaltung 16 in einem Elektronikgehäuse unterge­ bracht, das unmittelbar auf das Einschraubstück 11 des Sen­ sors 10 aufgesetzt werden kann. Beim Aufsetzen wird einer­ seits die Verbindung zwischen der Erregungsschaltung 16 und der im Einschraubstück 11 angeordneten elektromechanischen Wandleranordnung und andererseits die Verbindung zwischen der Auswerteschaltung 20 und dem Schaltungselement 25 hergestellt. Dies geschieht vorzugsweise durch Steckverbindungsteile, die einerseits am Einschraubstück 11 und andererseits am Elektro­ nikgehäuse angebracht sind. Je nach den Einbau- oder Umge­ bungsbedingungen kann es jedoch auch erforderlich sein, die Elektronik in größerer Entfernung vom Sensor 11 anzuordnen; in diesem Fall haben die Leitungen 17 und 26 eine entspre­ chend größere Länge, doch sind auch in diesem Fall Steckver­ bindungsteile oder ähnliche Verbindungsmittel vorgesehen, die ein einfaches und schnelles Herstellen und Lösen der Verbin­ dungen ermöglichen. In beiden Fällen ergibt sich der Vorteil, daß die Elektronik, beispielsweise im Falle einer Störung, leicht und schnell ausgetauscht werden kann, ohne daß der Sensor hierzu ausgebaut wenden muß. Als Verbindungsmittel sind in den Fig. 2 bis 4 Steckverbindungen 30 angedeutet.

Fig. 2 zeigt die bevorzugte Ausführungsform, bei der das elektrische Schaltungselement 25 ein Festwiderstand 31 ist und die Kenngröße, die in eindeutiger Beziehung zur Eigen­ resonanzfrequenz des Sensors steht, der Widerstandswert des Festwiderstands 31 ist. Die Leitung 26 ist in diesem Fall eine Doppelleitung, von der ein Leiter an Masse liegt und der andere Leiter über einen Vorwiderstand 32 an eine Referenz­ spannung U_R gelegt ist. Das elektrische Signal, das den Wert der Kenngröße angibt, ist in diesem Fall eine Analogspannung U_K, nämlich der Spannungsabfall am Festwiderstand 31. Diese Analogspannung U_K wird in der Auswerteschaltung 20 dem Ana­ log-Digital-Wandler 27 zugeführt und von diesem in der zuvor beschriebenen Weise in eine digitale Zahl umgesetzt.

Bei der Herstellung jedes Sensors muß also dessen Eigenreso­ nanzfrequenz im freien Zustand gemessen und ein Festwider­ stand 31 mit einem solchen Widerstandswert ausgewählt werden, daß nach Umsetzung dieses Widerstandswerts in das über die Leitung 26 übertragene Analogsignal, Umwandlung des Analogsi­ gnals in eine digitale Zahl und Addition dieser digitalen Zahl zu der fest eingestellten Grundzahl eine digitale Zahl erhalten wird, die die Schaltfrequenz in der gleichen Weise ausdrückt, wie die im Speicher 23 gespeicherte Zahl die Sen­ sorfrequenz nach deren Erfassung im Zähler 21. Da alle diese Vorgänge genau festgelegt und bekannt sind, bietet die Aus­ wahl eines Festwiderstands mit dem richtigen Widerstandswert dem Fachmann keine Schwierigkeiten. Festwiderstände mit aus­ reichend feiner Abstufung der Widerstandswerte sind im Handel erhältlich. Vorzugsweise werden Metallschichtwiderstände ver­ wendet, die sich durch hohe Präzision und geringe Temperatur­ abhängigkeit auszeichnen.

In Fig. 2 ist angedeutet, daß anstelle eines Festwiderstands 31 auch ein einstellbarer Widerstand 33 verwendet werden kann. Der einstellbare Widerstand 33 kann ein Trimmwiderstand sein, dessen Widerstandswert durch Verdrehen eines Abgriffs einstellbar ist, oder auch ein Schichtwiderstand, dessen Wi­ derstandswert durch Bearbeiten der Widerstandsschicht ein­ stellbar ist. Diese Möglichkeiten sind dem Fachmann geläufig.

Fig. 3 zeigt als weiteres Beispiel für das elektrische Schal­ tungselement 25 die Verwendung einer Zener-Diode 34. In die­ sem Fall ist die Kenngröße, die in eindeutiger Beziehung zur Eigenresonanzfrequenz des Sensors steht, die Zener-Spannung der Zener-Diode. Auch Zener-Dioden sind mit ausreichend fei­ ner Abstufung der Zener-Spannung im Handel erhältlich. Die Leitung 26 ist bei Verwendung einer Zener-Diode wiederum eine Doppelleitung, von der ein Leiter an Masse liegt und der an­ dere Leiter über einen Vorwiderstand 35 an eine Referenzspan­ nung U_R gelegt ist. Parallel zur Zener-Diode 34 liegt ein Spannungsteiler aus zwei Widerständen 36 und 37. Das die Kenngröße repräsentierende elektrische Signal ist wieder eine Analogspannung U_K, die dem Eingang des Analog-Digital-Wand­ lers 27 zugeführt wird. Diese Analogspannung U_K entspricht der im Teilerverhältnis des Spannungsteilers 36-37 verringer­ ten Zener-Spannung der Zener-Diode 34. Die Verwendung einer Zener-Diode anstelle eines Festwiderstands ergibt den Vor­ teil, daß die Analogspannung U_K unabhängig von Schwankungen der Referenzspannung U_R ist.

Während bei den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen das die Kenngröße repräsentierende elektrische Signal ein Analog­ signal ist, zeigt Fig. 4 ein Beispiel für den Fall, daß das die Eigenresonanzfrequenz repräsentierende elektrische Signal, das über die Leitung 26 zur Auswerteschaltung 20 übertragen wird, ein digitales Signal ist. Das Schaltungselement 25 ist bei diesem Beispiel ein Mehrfachschalter 38 mit einer der Bit-Zahl einer einzustellenden digitalen Zahl entsprechenden Anzahl von Schaltkontakten. In Fig. 8 ist angenommen, daß der Schalter 38 acht Schaltkontakte enthält, was die Einstellung einer achtstelligen Binärzahl ermöglicht. Solche Schalter sind in Miniaturausführung als sogenannte Dual-In-Line-Schalter im Handel erhältlich. Die Schaltung 26 enthält in diesem Fall für jeden Schaltkontakt das Schalters 38 einen eigenen Lei­ ter, bei dem angegebenen Beispiel also acht Leiter. Jeder Leiter ist über einen Widerstand 39 an eine Referenzspannung U_R gelegt; in Fig. 4 sind zur Vereinfachung nur die Wider­ stände 39 des ersten und des letzten Leiters dargestellt. Wenn der einem Leiter zugeordnete Schaltkontakt offen ist, führt der Leiter das Potential der Referenzspannung U_R; ist der Schaltkontakt geschlossen, führt der Leiter das Masse­ potential. Bei diesem Beispiel entfällt der Analog-Digital- Wandler 27 in der Auswerteschaltung 20, und die Leiter der Leitung 26 sind unmittelbar mit den Eingängen 28a des Addie­ rers 28 verbunden, an die bei den Ausführungsbeispielen von Fig. 2 und 3 die Ausgänge des Analog-Digital-Wandlers 27 an­ geschlossen sind. Die Schaltkontakte des Schalters 38 werden so eingestellt, daß sie die Eigenresonanzfrequenz des Sensors durch die gleiche digitale Zahl repräsentieren, wie sie bei den Ausführungsbeispielen von Fig. 2 und 3 infolge der Umset­ zung der Analogspannung U_K vom Analog-Digital-Wandler 27 ab­ gegeben wird. Die Kenngröße des Schaltungselements 25, die in eindeutiger Beziehung zur Eigenresonanzfrequenz des Sensors steht, ist in diesem Fall die Einstellung der Schaltkontakte des Schalters 38.

Jeder in der beschriebenen Weise mit einem Schaltungselement 25 ausgestattete Sensor 10 kann mit der gleichen Auswerte­ schaltung 20 kombiniert werden, wobei die sensorspezifische Schaltfrequenz automatisch eingestellt wird. Ein werkseitiger Abgleich der Elektronik zur Anpassung an einen bestimmten Sensor ist nicht erforderlich.

Das Ausgangssignal des Vergleichers 24 stellt ein unverzö­ gertes Sensorzustandssignal dar, das anzeigt, ob der Sensor "frei" oder "bedeckt" ist. Dieses Sensorzustandssignal wird dem Eingang 40a einer Verzögerungsschaltung 40 zugeführt, an deren Ausgang 40b eine Endstufen-Ansteuerschaltung 50 an­ geschlossen ist. Die Endstufen-Ansteuerschaltung 50 ermög­ licht es, verschiedene Endstufen durch das verzögerte Sensor­ zustandssignal anzusteuern. Beispielsweise kann ein Ausgang 50a der Endstufen-Ansteuerschaltung 50 eine Wechselspannungs- Endstufe ansteuern, die ein vom Sensorzustandssignal abhängi­ ges Wechselspannungssignal liefert, ein Ausgang 50b kann eine Gleichspannungs-Endstufe ansteuern, ein Ausgang 50c eine Pulsfrequenzmodulations-Endstufe und ein Ausgang 50d eine Relais-Endstufe, die in Abhängigkeit vom Sensorzustandssignal ein Relais betätigt. Durch ein Betriebsart-Steuersignal, das einem Steuereingang 50e der Endstufen-Ansteuerschaltung 50 zugeführt wird, wird bestimmt, welche der Endstufen angesteu­ ert wird.

Durch die Verzögerung des Sensorzustandssignals in der Verzö­ gerungsschaltung 40 wird erreicht, daß die Endstufen-Ansteu­ erschaltung 50 nicht sofort auf die Zustandsänderungen des Sensorzustandssignals anspricht, sondern erst dann, wenn das Sensorzustandssignal seinen Zustand für eine gewisse Zeit beibehalten hat. Dadurch wird verhindert, daß durch sporadi­ sche Störungen Schaltvorgänge oder Anzeigen ausgelöst werden.

Durch ein Steuersignal, das einem Steuereingang der Verzöge­ rungsschaltung 40 über einen Schalter 41 zugeführt wird, kann die Funktion der Vorrichtung von der Überwachung eines maxi­ malen Füllstands auf die Überwachung eines minimalen Füll­ stands umgeschaltet werden. Bei der Überwachung eines maxima­ len Füllstands muß eine Anzeige oder ein Schaltvorgang ausge­ löst werden, wenn der zuvor freie Sensor von dem Füllgut bed­ eckt wird, wenn also die Sensorfrequenz unter die Schalt­ frequenz fällt. Dagegen muß bei der Überwachung eines minima­ len Füllstands eine Anzeige oder ein Schaltvorgang ausgelöst werden, wenn der zuvor bedeckte Sensor von dem Füllgut nicht mehr bedeckt ist, wenn also die Sensorfrequenz über die Schaltfrequenz ansteigt.

Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Verzögerungsschal­ tung 40, bei der die Verzögerung durch einen Vorwärts-Rück­ wärts-Zähler 42 bestimmt wird. Diese Ausbildung ermöglicht es, die Verzögerungsschaltung vollständig aus digitalen Schaltungen aufzubauen, die mit den übrigen digitalen Schal­ tungen der Auswerteschaltung 20 kompatibel sind. Ferner kann mit dieser Ausführungsform auf einfache Weise eine asymmetri­ sche Verzögerung erzielt werden, die beispielsweise 1 s be­ trägt, wenn das Sensorzustandssignal den Wert annimmt, der dem Zustand "frei" entspricht, und 0,4 s, wenn das Sensorzu­ standssignal den Wert annimmt, der dem Zustand "bedeckt" ent­ spricht. Eine solche asymmetrische Verzögerung ist günstig, wenn das Füllgut eine Flüssigkeit ist, an deren Oberfläche Wellen entstehen können. Wenn solche Wellen eine Periode ha­ ben, die mit einer symmetrischen Verzögerungszeit zusammen­ fällt, kann ein instabiles Verhalten der Vorrichtung entste­ hen. Eine solche Instabilität wird durch eine asymmetrische Verzögerung vermieden.

Das vom Ausgang des Vergleichers 24 kommende unverzögerte Sensorzustandssignal wird einem Eingang 43a einer Zähleran­ steuerschaltung 43 zugeführt. Die Zähleransteuerschaltung 43 empfängt an zwei weiteren Eingängen 43b und 43c Taktimpulse mit zwei unterschiedlichen Taktfrequenzen von einem Taktgene­ rator 44. Beispielsweise kann die Frequenz F₁ der dem Eingang 43b zugeführten Taktimpulse 400 Hz und die Frequenz F₂ der dem Eingang 43c zugeführten Taktimpulse 1 kHz betragen, so daß sich die beiden Taktfrequenzen um den Faktor 2,5 unter­ scheiden. Die Zähleransteuerschaltung 43 überträgt in Abhän­ gigkeit von dem Signalwert des am Eingang 43a anliegenden Sensorzustandssignais entweder die Taktimpulse mit der Fre­ quenz F₁ oder die Taktimpulse mit der Frequenz F₂ zu einem Ausgang, der mit dem Takteingang 42a des Vorwärts-Rückwärts- Zählers 42 verbunden ist. An einem zweiten Ausgang, der mit dem Zählrichtungs-Steuereingang 42b des Vorwärts-Rückwärts- Zählers 42 verbunden ist, erscheint das unverzögerte Sensor­ zustandssignal. Wenn das Sensorzustandssignal den hohen Si­ gnalwert "H" hat, der dem Zustand "frei" des Sensors ent­ spricht, schaltet es den Vorwärts-Rückwärts-Zähler 42 auf Vorwärtszählung, und es ermöglicht die Übertragung der Takt­ impulse mit der niedrigen Taktfrequenz F₁ zum Takteingang 42a des Vorwärts-Rückwärts-Zählers 42. Wenn dagegen das Sensorzu­ standssignal den niedrigen Signalwert "L" hat, schaltet es den Vorwärts-Rückwärts-Zähler 42 auf Rückwärtszählung, und es ermöglicht die Übertragung der Taktimpulse mit der hohen Taktfrequenz F₂ zum Takteingang 42a des Vorwärts-Rückwärts- Zählers 42.

Der Vorwärts-Rückwärts-Zähler 42 hat zwei Ausgänge 42c und 42d, die mit zwei Eingängen eines Speichers 45 sowie mit zwei Steuereingängen 43d und 43e der Zähleransteuerschaltung 43 verbunden sind. Der Vorwärts-Rückwärts-Zähler 42 gibt am Aus­ gang 42c ein Signal ab, wenn er bei der Rückwärtszählung ei­ nen unteren Grenzzählerstand Z₁ erreicht, und er gibt am Aus­ gang 42d ein Signal ab, wenn er bei der Vorwärtszählung einen oberen Grenzzählerstand Z₂ erreicht. Vorzugsweise ist der untere Grenzzählerstand Z₁ der Zählerstand 0 und der obere Grenzzählerstand Z₂ der maximale Zählerstand, also beispiels­ weise der Zählerstand 4095 bei einem 12 Bit-Zähler.

Der Speicher 45 kann den einen oder den anderen von zwei Zu­ ständen annehmen. Das vom Ausgang 42c des Vorwärts-Rückwärts- Zählers 42 gelieferte Signal bringt den Speicher 45 in den einen Zustand, beispielsweise den Zustand "0"; das vom Aus­ gang 42d des Vorwärts-Rückwärts-Zählers 42 gelieferte Signal bringt den Speicher 45 in den anderen Zustand, bei dem ge­ wählten Beispiel also in den Zustand "1". Der Speicher 45 gibt an einem Ausgang 45a ein Signal ab, dessen Signalwert dem Zustand des Speichers entspricht, und an einem Ausgang 45b ein dazu komplementäres Signal. Der Speicher 45 kann also beispielsweise durch ein einfaches Flip-Flop gebildet sein.

Die beiden Ausgänge 45a und 45b des Speichers 45 sind mit zwei Eingängen eines Multiplexers 46 verbunden. Ein Steuer­ eingang des Multiplexers 46 ist mit dem Schalter 41 verbun­ den. Je nach der Stellung des Schalters 41 überträgt der Mul­ tiplexer 46 entweder das vom Ausgang 45a oder das vom Ausgang 45b gelieferte Signal zu der Endstufen-Ansteuerschaltung 50; er wirkt also als einfacher Umschalter. Der Schalter 41 ist außerdem mit einem Steuereingang 43f der Zähleransteuerschal­ tung 43 verbunden.

Die Funktionsweise der Verzögerungsschaltung 40 von Fig. 5 wird anhand der Diagramme von Fig. 6 erläutert, wobei zu­ nächst angenommen wird, daß der Schalter 41 offen ist und daß der Multiplexer 46 in diesem Fall das Signal vom Ausgang 45a zu der Endstufen-Ansteuerschaltung 50 überträgt. Das Diagramm A von Fig. 6 zeigt das vom Vergleicher 24 gelieferte Sensor­ zustandssignal, das Diagramm B zeigt die Änderung des Zähler­ stands im Vorwärts-Rückwärts-Zähler 42 zwischen den beiden Grenzzählerständen Z₁ und Z₂, und das Diagramm C zeigt das Ausgangssignal des Multiplexers 46, das der Endstufen-Ansteu­ erschaltung 50 zugeführt wird.

Im Diagramm A entspricht der hohe Signalwert "H" dem Zustand "frei" und der niedrige Signalwert "L" dem Zustand "bedeckt" des Sensors. Im Diagramm B ist angenommen, daß der Vorwärts- Rückwärts-Zähler 42 im Zeitpunkt t₀ gerade einen mittleren Zählerstand zwischen den beiden Grenzzählerständen Z₁ und Z₂ hat. Da das Sensorzustandssignal im Zeitpunkt t₀ den Signal­ wert "H" hat, ist der Vorwärts-Rückwärts-Zähler 42 auf Vor­ wärtszählung geschaltet, so daß sein Zählerstand mit der niedrigen Taktfrequenz F₁ ansteigt.

Im Zeitpunkt t₁ geht das Sensorzustandssignal vom Signalwert "H" auf den Signalwert "L", was zur Folge hat, daß die Zäh­ leransteuerschaltung 43 den Vorwärts-Rückwärts-Zähler 42 auf Rückwärtszählung umschaltet und gleichzeitig dem Takteingang 42a die Taktimpulse mit der hohen Taktfrequenz F₂ zuführt.

Demzufolge verringert sich der Zählerstand des Vorwärts-Rück­ wärts-Zählers 42 mit größerer Geschwindigkeit als bei der Vorwärtszählung. Bevor der Zählerstand den unteren Grenzwert Z₁ erreicht, nimmt das Sensorzustandssignal im Zeitpunkt t₂ wieder den Signalwert "H" an, so daß zwischen den Zeitpunkten t₂ und t₃ wieder eine Vorwärtszählung mit der niedrigen Takt­ frequenz F₁ erfolgt. Im Zeitpunkt t₃ beginnt wieder eine Rückwärtszählung mit der Taktfrequenz F₂, in deren Verlauf der untere Grenzzählerstand Z₁ im Zeitpunkt t₄ erreicht wird.

Beim Erreichen des unteren Grenzzählerstands Z₁ im Zeitpunkt t₄ gibt der Vorwärts-Rückwärts-Zähler 42 am Ausgang 42c ein Signal ab, das dem Speicher 45 zugeführt wird. Wenn der Spei­ cher 45 vor dem Zeitpunkt t₄ bereits den Zustand "0" hatte, wie im Diagramm C von Fig. 6 in voller Linie dargestellt ist, bleibt dieser Zustand bestehen. Wenn dagegen der Speicher 45 vor dem Zeitpunkt t₄ den Zustand "1" hatte, wie im Diagramm C gestrichelt angedeutet ist, geht der Speicher 45 vom Zustand "1" in den Zustand "0", und dementsprechend ändert sich auch das Signal am Ausgang 45a, das vom Multiplexer 46 zur Endstu­ fen-Ansteuerschaltung 50 übertragen wird. Dadurch wird ange­ zeigt, daß der Sensor nunmehr von dem Füllgut bedeckt ist.

Das vom Vorwärts-Rückwärts-Zähler 42 am Ausgang 42c abgegebe­ ne Signal wird auch dem Steuereingang 43d der Zähleransteuer­ schaltung 43 zugeführt. Es bewirkt, daß die Zähleransteuer­ schaltung 43 dem Vorwärts-Rückwärts-Zähler 42 keine Zählim­ pulse zuführt, die eine weitere Rückwärtszählung verursachen würden. Der Vorwärts-Rückwärts-Zähler 42 bleibt also stehen, bis im Zeitpunkt t₅ wieder eine Vorwärtszählung eingeleitet wird. Wenn nach dieser Vorwärtszählung und anschließender Rückwärtszählung im Zeitpunkt t₆ wieder der untere Grenzzäh­ lerstand erreicht wird, gibt der Vorwärts-Rückwärts-Zähler 42 erneut ein Signal am Ausgang 42c ab, das jedoch keine Auswir­ kung auf den Zustand des Speichers 45 hat, da dieser bereits vorher im Zustand "0" war. Dagegen verhindert dieses Signal über die Zähleransteuerschaltung 43 wieder eine weitere Rück­ wärtszählung im Vorwärts-Rückwärts-Zähler 42, bis im Zeitpunkt t₇ wieder eine Vorwärtszählung eingeleitet wird.

Im Diagramm B von Fig. 6 ist dargestellt, daß durch die im Zeitpunkt t₇ eingeleitete Vorwärtszählung, mit kurzer Unter­ brechung durch eine Rückwärtszählung, schließlich im Zeit­ punkt t₈ der obere Grenzzählerstand Z₂ erreicht wird. Im Zeitpunkt t₈ gibt daher der Vorwärts-Rückwärts-Zähler 42 am Ausgang 42d ein Signal ab, das den Speicher 45 in den Zustand "l" umschaltet. Dementsprechend ändert sich auch das Aus­ gangssignal am Ausgang 45a, das vom Multiplexer 56 zur End­ stufenansteuerschaltung 50 übertragen wird, um anzuzeigen, daß der Sensor wieder frei schwingt, also nicht mehr vom Füllgut bedeckt ist. Dieses Signal wird auch dem Steuerein­ gang 43e der Zähleransteuerschaltung 43 zugeführt, um eine weitere Vorwärtszählung im Vorwärts-Rückwärts-Zähler 42 zu verhindern, bis wieder eine Rückwärtszählung eingeleitet wor­ den ist.

Wenn der Schalter 41 geschlossen wird, bewirkt das dem Steu­ ereingang 43f der Zähleransteuerschaltung zugeführte Signal eine Umkehrung der Einwirkung des Sensorzustandssignals auf die Zählrichtung des Vorwärts-Rückwärts-Zählers 42: der Vor­ wärts-Rückwärts-Zähler 42 zählt dann vorwärts, wenn das Sen­ sorzustandssignal den Signalwert "L" hat, und er zählt rück­ wärts, wenn das Sensorzustandssignal den Signalwert "H" hat. Im Multiplexer 46 bewirkt das Schließen des Schalters 41, daß anstelle des am Ausgang 45a des Speichers 45 bestehenden Sig­ nals das am Ausgang 45b bestehende komplementäre Signal zur Endstufen-Ansteuerschaltung 50 übertragen wird.

Die Diagramme von Fig. 6 lassen erkennen, daß eine Änderung des Sensorzustandssignals nicht sofort zur Endstufenansteuer­ schaltung 50 übertragen wird, sondern mit einer Verzögerung, die mindestens gleich der Dauer des Durchlaufens des Zählbe­ reichs zwischen den beiden Grenzzählerständen Z₁ und Z₂ bei der in der betreffenden Zählrichtung wirksamen Taktfrequenz ist, gegebenenfalls verlängert durch zwischenzeitliche Ände­ rungen der Zählrichtung. Auf diese Weise werden sporadische Änderungen des Sensorzustandssignals unterdrückt, und blei­ bende Änderungen werden erst angezeigt, wenn sie für eine gewisse Zeitdauer bestätigt worden sind.

Wenn der Sensor 10 teilweise von dem Füllgut bedeckt ist, kann seine Eigenresonanzfrequenz einen Wert annehmen, der sehr nahe bei der Schaltfrequenz liegt, was zur Folge haben kann, daß die Schaltfrequenz bei im wesentlichen gleichblei­ bendem Füllstand häufig abwechselnd über- und unterschritten wird. Um in diesem Fall eine eindeutige Füllstandsanzeige zu erzielen, wird das von der Verzögerungsschaltung 40 geliefer­ te verzögerte Sensorzustandssignal auch einem Steuereingang 28d des Addierers 28 zugeführt. Es bewirkt, abhängig von sei­ nem Signalwert, die Addition bzw. die Subtraktion einer zu­ sätzlichen digitalen Zahl, wodurch die die Schaltfrequenz darstellende digitale Zahl zur Erzielung einer Schalthystere­ se verändert wird.

Schließlich enthält die Auswerteschaltung 20 noch eine Sen­ sorparameter-Überwachungsschaltung 51, die einerseits die vom Speicher 23 gelieferte digitale Zahl, die die Sensorfrequenz anzeigt, und andererseits die vom Analog-Digital-Wandler 27 gelieferte digitale Zahl empfängt. Aufgrund dieser Zahl über­ wacht die Sensorparameter-Überwachungsschaltung 51 den Sen­ sorschwingbereich und den Kenngrößenbereich sowie die Leitun­ gen zwischen dem Sensor und der Auswerteschaltung. Wenn eine der digitalen Zahlen außerhalb eines vorgegebenen Bereichs liegt oder wenn das Fehlen einer dieser Zahlen eine Leitungs­ unterbrechung anzeigt, schickt die Sensorparameter-Überwa­ chungsschaltung ein Alarmsignal zu der Endstufen-Ansteuer­ schaltung, das von dieser zu der ausgewählten Endstufe wei­ tergeleitet wird und dort anzeigt, daß ein Fehler vorliegt.

Ein wesentlicher Vorteil der Auswerteschaltung 20 besteht darin, daß sie ausschließlich aus digitalen Schaltungen be­ steht. Sie kann daher als integrierter Baustein hergestellt werden.

Claims (11)

1. Vorrichtung zur Feststellung und/oder Überwachung eines vorbestimmten Füllstands in einem Behälter, mit einem Sensor, der auf der Höhe des zu überwachenden Füllstands so am Behäl­ ter angeordnet ist, daß er mit dem Füllgut in Berührung kommt, wenn dieses den vorbestimmten Füllstand erreicht, einer Erregungsanordnung, die den Sensor zu mechanischen Schwingungen bei seiner Eigenresonanzfrequenz anregt, und mit einer Auswerteschaltung zur Auslösung von Anzeige- und/oder Schaltvorgängen in Abhängigkeit davon, ob die Frequenz der mechanischen Schwingungen des Sensors eine Schaltfrequenz über- oder unterschreitet, dadurch gekennzeichnet, daß dem Sensor ein elektrisches Schaltungselement zugeordnet ist, das eine Kenngröße hat, deren Wert in eindeutiger Beziehung zur Eigenresonanzfrequenz des Sensors steht, und daß in der Auswerteschaltung die Schaltfrequenz in Abhängigkeit vom Wert der Kenngröße des elektrischen Schaltungselements eingestellt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltungselement ein Widerstand ist und daß die Kenngrö­ ße der Widerstandswert des Widerstands ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltungselement eine Zener-Diode ist und daß die Kenn­ größe die Zener-Spannung der Zenerdiode ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltungselement ein Schalter mit mehreren Schaltkontak­ ten für die Einstellung einer digitalen Zahl ist und daß die Kenngröße die Einstellung der Schaltkontakte des Schalters ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß das Schaltungselement am Sensor angeordnet ist und daß vom Sensor zur Auswerteschaltung ein elektrisches Signal übertragen wird, das den Wert der Kenn­ größe des Schaltungselements angibt.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung eine Anord­ nung zur Umsetzung der Frequenz der mechanischen Schwingungen des Sensors in eine erste digitale Zahl, eine Anordnung zur Umsetzung des Wertes der Kenngröße des Schaltungselements in eine zweite digitale Zahl sowie eine Addierschaltung enthält, die durch Addition einer festen Grundzahl zu der zweiten di­ gitalen Zahl eine Summenzahl bildet, die die Schaltfrequenz angibt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung einen Vergleicher enthält, der an einem ersten Eingang die erste digitale Zahl und an einem zweiten Eingang die zweite digitale Zahl empfängt und an seinem Aus­ gang ein unverzögertes Sensorzustandssignal liefert, das in Abhängigkeit vom Ergebnis des Vergleichs der beiden digitalen Zahlen den einen oder den anderen von zwei Signalwerten an­ nimmt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß dem Vergleicher eine Verzögerungsschaltung nachgeschaltet ist, die dem vom Vergleicher gelieferten unverzögerten Sen­ sorzustandssignal eine vorgegebene Verzögerung erteilt und am Ausgang ein verzögertes Sensorzustandssignal liefert, das zur Auslösung der Anzeige- und/oder Schaltvorgänge verwendet wird.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Verzögerungsschaltung erteilte Verzögerung in Abhängigkeit davon, ob das unverzögerte Sensorzustandssignal den einen oder den anderen Signalwert hat, unterschiedlich groß ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungsschaltung durch einen Vorwärts-Rückwärts- Zähler gebildet ist, dessen Zählrichtung durch das unverzö­ gerte Sensorsignal gesteuert wird und der in Abhängigkeit von der Zählrichtung mit unterschiedlichen Taktfrequenzen betrie­ ben wird.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung eine Sensorparaine­ ter-Überwachungsschaltung enthält, die die erste und die zweite digitale Zahl empfängt und ein Alarmsignal liefert, wenn eine der digitalen Zahlen außerhalb eines vorbestimmten Bereichs liegt.