DE4433677B4

DE4433677B4 - Verfahren zur Überwachung eines sich bewegenden Mediums unter Verwendung eines elektrischen Sensors und Vorrichtung hierzu

Info

Publication number: DE4433677B4
Application number: DE4433677A
Authority: DE
Inventors: Dieter Buser; Wolfgang Frank
Original assignee: SIE SENSORIK IND ELEKTRONIK GM; SIE SENSORIK INDUSTRIE-ELEKTRONIK GmbH
Current assignee: SIE SENSORIK IND ELEKTRONIK GM; SIE SENSORIK INDUSTRIE-ELEKTRONIK GmbH
Priority date: 1993-09-21
Filing date: 1994-09-21
Publication date: 2005-05-04
Anticipated expiration: 2014-09-22
Also published as: US5576619A; DE4433677A1

Abstract

Verfahren zur Überwachung eines sich bewegenden Mediums (1), unter Verwendung eines elektrischen Sensors (2), der an seinem Eingang mittels einer einstellbaren Versorgungseingangsspannungsquelle (U_bs) oder -stromquelle beaufschlagt wird, wobei das Ausgangssignal (U_as) des Sensors (2) zur Unterdrückung von sich relativ langsam ändernden Störgrößen, wie Temperaturänderungen, die kleiner als ±5°C/min sind und/oder wie Bestaubung und/oder Benetzung des Sensors (2) und die eine Änderung des Ausgangssignals von weniger als ±0,5V/min hervorrufen, in einer Rückkopplungsschleife (7, 14, 9, 10) auf den Eingang des Sensors (2) bzw. auf dessen Versorgungsspannung (U_bs) rückgekoppelt wird, und wobei die Rückkopplungsschleife derart ausgeführt ist, dass die zur Empfindlichkeitseinstellung veränderliche Versorgungsspannung (U_bs) des Sensors (2) sich in Abhängigkeit vom Ausgangssignal (U_as) des Sensors (2) derart ändert, dass immer eine möglichst konstante Empfindlichkeit gegeben ist, und dass beim Auftreten einer gegenüber dem Ruhe-Ausgangssignal (U_w) hinreichend schnellen bzw. sprunghaften Änderung größer 0,01V/s des Ausgangssignals (U_as) des Sensors (2) nach Abwesenheit bzw. mit...

Description

Technisches Gebiet:
sDie Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung eines sich bewegenden Mediums, insbesondere Messung des Füllstandes in einem Behälter oder Distanzmeldung eines zu detektierenden Objektes, unter Verwendung eines elektrischen Sensors, der an seinem Eingang mittels einer einstellbaren Versorgungsspannungsquelle oder -stromquelle beaufschlagt wird und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Es ist eine Reihe von auf kapazitiver oder induktiver Basis arbeitenden elektrischen Sensoren bekannt, die gewöhnlich einen kontakt- und berührungslos arbeitenden Initiator enthalten, der einen Hf-Oszillator in einer Sperrschwingerschaltung mit einem aktiven LC- oder RC-Schwingkreis aufweist. Handelt es sich um einen LC-Initiator, so ist die Induktivität des LC-Schwingkreises als Spule mit gerichtetem Hf-Feld ausgebildet. Wird in das Feld ein elektrisch leitendes Medium gebracht, tritt eine Dämpfung im Schwingkreis auf. Bei genügend großer Dämpfung gemäß dem Abstand des Mediums von der Spule des LC-Schwingkreises reißt die Schwingung des Oszillators ab, wobei diese Zustandsänderung innerhalb eines Auswerters in einen Schaltbefehl umgesetzt wird. Handelt es sich um einen RC-Initiator, so ist die Sensorelektrode Teil des Kondensators des RC-Schwingkreises, dessen Kapazität sich bei der Annäherung eines Objektes mit hinreichend großer Dielektrizitätszahl an die Sensorelektrode zu ändern imstande ist, wodurch der RC-Schwingkreis zu Schwingungen angeregt wird oder die Schwingungen abreißen und die Änderung der Schwingungsamplitude in einem nachgeschalteten Hüllkurvendemodulator ausgewertet werden können. Schalter mit derartigen Sensoren besitzen die Eigenschaft, dass der Schaltabstand von den Materialeigenschaften und der Beschaffenheit des zu detektierenden Körpers abhängt.

Durch die DE 39 26 083 A1 ist ein induktiver Näherungsschalter mit einem transistorisierten Schwingkreisoszillator und einer im Emitter-Kollektorkreis des Schwingkreistransistors liegenden Stromquelle bekannt geworden, die in Abhängigkeit von einem thermisch mit der einen ferritischen Kern aufweisenden Schwingkreisspule gekoppelten Temperaturfühler mit einer Steuereinrichtung gesteuert wird. Die Steuerung erfolgt dergestalt, dass mit ansteigender Temperatur der Schwingkreisspule die Stromquelle aufgesteuert wird und umgekehrt. Der Temperaturfühler wird von dem als ohmschen Widerstand wirkenden ferritischen Kern der Schwingkreisspule gebildet, für dessen einer e-Funktion folgenden Widerstandskennlinie die Steuereinrichtung eine Linearisierung umfasst. Dabei ist die Steuereinrichtung über zwei Messleitungen unmittelbar an beabstandeten Anschlusspunkten des Ferritkerns elektrisch angeschlossen.

Durch die DE 34 08 261 A1 ist ein Annäherungsschalter sowie eine Schaltungsanordnung hierfür bekannt geworden, bei der eine Langzeit-Mittelwertbildung des Empfängersignals stattfindet. Der Annäherungsschalter besitzt einen Sender und einen Empfänger zum Empfang der vom Sender ausgesandten und von einem Objekt reflektierten Strahlung. Ein Langzeit-Mittelwertbildner bildet einen Langzeit-Mittelwert des Empfangssignals, welches mit einem Komparatorsignal verglichen wird. Das Komparatorsignal ist ein Kurzzeitsignal, welches den momentanen Wert des Empfangssignals repräsentiert, mit dem Langzeit-Signal vergleicht, wobei dann ein Komparatorsignal abgegeben wird, wenn die Abweichung des Kurzzeit-Signals vom Langzeit-Signal einen bestimmten Betrag überschreitet. Innerhalb eines Sperrkreises wird die Neubildung eines Langzeit-Mittelwertes durch den Langzeit-Mittelwertbildner während derjenigen Zeit unterbunden, in der ein Ausgangssignal des Komparators vorliegt, welches zur Bildung des Ausgangssignals der Schaltanordnung verwendet wird.

Durch die DE 42 10 848 A1 ist eine Sicherheitseinrichtung mit Auswerteeinrichtung bekannt geworden, der eine Messstelle sowie ein Abschlusswiderstand elektrisch zugeordnet ist und eine der Auswerteeinrichtung zugeordnete Anzeigeeinrichtung in Abhängigkeit eines von der Messstelle abgegebenen Signals betätigen kann. Zwischen der Messstelle und der Anzeigeeinrichtung ist eine ein Vergleichssignal liefernde Vergleichseinrichtung vorgesehen, die die Anzeigeeinrichtung derart ansteuert, dass zumindest zwei Zustände des Vergleichssignals aktiv signalisiert werden.

Durch die DE 40 21 164 C1 ist ein induktiver Näherungsschalter mit einem Transistor-Oszillator und einem LC-Schwingkreis bekannt geworden, wobei der Kollektor des Oszillator-Transistors in Reihe mit einem aus einer Spule und einem Kondensator bestehenden zweiten LC-Schwingkreis verschaltet ist und an den einen Pol einer Spannungsquelle gelegt ist. Bei Anwesenheit in einem vorgegebenen Bereich eines zu detektierenden Körpers von der Spule des ersten LC-Schwingkreises wird der Oszillator beeinflusst, bei Abwesenheit eines Körpers der Oszillator nicht beeinflusst, wobei das Ausgangssignal mit einem Fremdsignal verglichen wird. Der Emitter und der Kollektor des Oszillator-Transistors sind mit einem Kondensator überbrückt.

Derartige Sensoren weisen generell den Nachteil auf, dass aufgrund der Temperaturabhängigkeit des Sensors keine gleichbleibende Empfindlichkeit gewährleistet ist. Dadurch kann bei einer einmal durchgeführten Justage des Sensors ein Verlassen des Schaltabstandes erfolgen oder es kann ein Anschwingen des Oszillators erfolgen, noch ehe ein Objekt oder Medium sich im Ansprechbereich befindet; dadurch ist der Schaltabstand über dem Temperaturbereich nicht konstant. Ebenso kann eine applikationsspezifische Justage des Sensors außerhalb der Spezifikationen des Sensors erforderlich sein, was äußerst schwierig zu bewerkstelligen sein kann.

Technische Aufgabe:

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Gattung zu schaffen, mit dem sich relativ langsam ändernden Störgrößen, wie zum Beispiel Änderungen der Temperatur, die Benetzung einer Wandung durch ein flüssiges Medium oder eine gegenüberliegende Behälterwandung oder des Sensors oder eine Bestaubung desselben, unterdrückt werden können, ohne dass dadurch eine Änderung des Schaltabstandes des Sensors mitverbunden ist.

Offenbarung der Erfindung und deren Vorteile:

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe nach dem Verfahren durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung ist durch die Merkmale des Anspruchs 4 gekennzeichnet; weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den übrigen Unteransprüchen gekennzeichnet.

Das Verfahren und die Vorrichtung besitzen den Vorteil, dass durch die Regelung des Sensors innerhalb eines Wirkungskreislaufes sich langsam ändernde Störgrößen, wie Temperaturänderungen, die kleiner als ±5°C/min sind und/oder wie Bestaubung und/oder Benetzung des Sensors (2) und die eine Änderung des Ausgangssignals von weniger als ±0,5V/min hervorrufen, wirksam unterdrückt und ausgeblendet werden können. Insbesondere kann dadurch erfindungsgemäß ein Temperaturgang des Sensors sowie des Nachschaltgerätes der Vorrichtung praktisch vollständig unterdrückt werden, so dass die Empfindlichkeit der Vorrichtung keine Abhängigkeit von der Temperatur mehr aufweist. Ebenso werden durch das Verfahren und die Vorrichtung negative Einflüsse bei der Herstellung der Vorrichtung ausgeschaltet, wie zum Beispiel unterschiedliche Aushärtevorgänge der Vergussmassen bei der Herstellung der Sensoren, wodurch sich eine nachträgliche Korrektur der Schaltpunkte weitestgehend erübrigt.

Ein weiterer Vorteil ist dadurch gegeben, dass bei einer derartigen Vorrichtung nunmehr die Empfindlichkeit über einen weiten Bereich nachgeführt werden kann, weil die Rückkopplungsschleife derart ausgeführt ist, dass die zur Empfindlichkeitseinstellung veränderliche Versorgungsspannung des Sensors (U_bs) sich in Abhängigkeit vom Ausgangssignal (U_as) des Sensors derart ändert, dass immer eine möglichst konstante Empfindlichkeit gegeben ist. Die Rückkopplungsschleife stellt im Prinzip, gesehen über den gesamten Wirkungskreislauf der Vorrichtung, eine Gegenkopplung dar.

Kurzbeschreibung der Zeichnung, in der zeigen:

1 ein elektrisches Blockschaltbild der Schaltung des Sensors und des Nachschaltgerätes

2 die Darstellung der Versorgungseingangsspannung des Sensors und

3 ein vollständiges Blockschaltbild einer Vorrichtung.

Bevorzugte Ausführung der Erfindung:
Anhand der 1 ist das erfindungsgemäße Verfahren am Beispiel einer Vorrichtung mit kapazitivem Distanz- oder Füllstandssensor beschrieben. Das erfindungsgemäße Verfahren ist jedoch nicht auf kapazitive Sensoren beschränkt, sondern ebenso bei induktiven Sensoren oder optischen Sensoren anwendbar.
Ein kapazitiver Sensor 2, der aus einer Sensorelektrode besteht, ist einer Ladungspumpe C₁-R₁ nachgeschalteten. Die Kapazität des Kondensators C₁ beträgt zwischen 25 μF bis 45 μF, vorzugsweise 33 μF; der Widerstand R₁ beträgt vorzugsweise zwischen 1 KΩ-10KΩ. Bei räumlicher Annäherung oder Entfernung eines Objektes 1 an die bzw. weg von der Sensorelektrode des Sensors 2 kann die Ladungspumpe C₁-R₁ zu Schwingungen angeregt werden oder umgekehrt, können vorhandene Schwingungen abreißen. Innerhalb des Abstandes d des Objektes 1 vom Sensor 2 findet somit eine Beeinflussung des amplitudenveränderlichen Sensors statt. Vorzugsweise ist der Aufbau dergestalt, dass der Sensor 2 bzw. die Sensorelektrode von sämtlichen nachgeschalteten Bauteilen bzw. Bauelementen getrennt ist, die in einem Nachschaltgerät 12 zusammengefasst sind, das Nachschaltgerät 12 umfasst alles nach den Elementen 1, 2 und 3 der 1, wobei das Nachschaltgerät 12 auch Elemente umfassen kann, die an den Pfeil Ua in der rechten unteren Ecke in 1 angeschlossen werden können.
Am Sensor 2 liegt, von einer Spannungsquelle 4 herrührend, über den Ladewiderstand R1, ein Umschalter 9 mit den Schaltkontakten 9', 9'', 9''', ein Schalter 10 mit den Schaltkontakten 10', 10'' und über einen Impedanzwandler 11 eine Eingangs-Versorgungsspannung U_bs an. Die Ausgangsspannung U_as des Sensors 2, deren Frequenz im Bereich zwischen f = 0,1MHz – 5MHz liegt, wird über einen Gleichrichter, einen Tiefpass 5 und einen Impedanzwandler 6 zugeführt und steht nach demselben als gleichgerichtete Ausgangsspannung U_e, und zwar zwischen U_e = 0V bis 5V, zur Verfügung und wird nunmehr gleichzeitig einem Komparator 7 und einem Schmitt-Trigger 8 zugeführt. Der Schmitt-Trigger 8 liefert an seinem Ausgang ein invertiertes Ausgangs-Schaltsignal Ua. Gleichzeitig ist der Ausgang des Schmitt-Triggers 8 über eine Leitung 13 an die Schaltstrecke bzw. den Schließer des Schalters 10 zum Bewirken des Schaltvorganges gelegt, dergestalt, dass zwischen dem Schließer bzw. den Kontakten 10', 10'' keine galvanische Verbindung zur Leitung 13 besteht, sondern beispielsweise über ein Relais; dieser Eingang ist als spannungskontrollierter Eingang mit U_CTRL bezeichnet. Der Ausgang des Komparators 7 ist über eine Leitung 14 an den Eingang des Umschalters 9 zum Bewirken des Umschaltvorganges gelegt, ebenfalls dergestalt, dass zwischen dem Umschalter bzw. den Kontakten 9', 9'', 9''' keine galvanische Verbindung zur Leitung 14 besteht, sondern beispielsweise über ein Relais; auch dieser Eingang ist als spannungskontrollierter Eingang mit U_CTRL bezeichnet. An den einen Kontakt 9'' des Umschalters 9 ist über dem Ladewiderstand R1 die Spannungsquelle 4 angeschlossen, an den anderen Kontakt 9''' des Umschalters 9 ist ein Entladewiderstand R2 gegen Masse geschaltet; der gemeinsame Ausgang 9' des Umschalters 9 führt auf den einen Kontakt 10'' des Schalters 10. Der andere Kontakt 10' des Schalters 10 führt auf den Kondensator C1, von dem das Spannungssignal über den Impedanzwandler 11 und die Leitung 3 auf den Sensor 2 gelegt ist.
Das Wirkungsprinzip beruht auf einer trägen Regelung der Ausgangsspannung des Sensors 2 bis zu dem Zeitpunkt, bei dem das räumlich herangeführte oder weggeführte Objekt 1 erkannt wird. Es sei angenommen, dass im Ausgangszustand des Systems die Oszillatorschaltung ohne äußere Anregung durch das zu erfassende Objekt 1 oder Medium ist; der Kondensator C1 ist entladen, das System befindet sich im Einschaltzustand. Im Augenblick des Einschaltens beträgt die Empfindlichkeit Null.
Die Ausgangsspannung U_as des Sensors 2 steht nach dem Ausgang des Impedanzwandlers 6 als Spannung U_e zur Verfügung und gelangt auf den Eingang des Komparators 7 und den Eingang des Schmitt-Triggers 8. Ist dabei die untere Schwelle des Schmitt-Triggers 8 Usu = Uw + Ud unterschritten, dann ist der Schalter 10 geschlossen, was bedeutet, dass der Kondensator C1 über den Umschalter 9 und den Ladewiderstand R1 mit der Spannungsquelle 4 verbunden ist; die Eingangs-Versorgungsspannung U_bs des Sensors 2 steigt exponentiell an, bis die maximale Empfindlichkeit erreicht ist. Ist die Eingangs-Versorgungsspannung U_bs ausreichend groß, beginnt der Oszillator zu schwingen, die Ausgangsspannung U_as des Sensors 2 nimmt zu.
Wird von der Eingangs-Versorgungsspannung U_bs der Wert der Führungsgröße U_w überschritten, 2, dann wird über den Komparator 7 ein Schaltimpuls auf den Umschalter 9 gegeben, der bewirkt, dass der Umschalter 9 vom Ladewiderstand R1 auf den Entladewiderstand R2 umschaltet; der Schalter 10 ist weiterhin geschlossen. Da der Schalter 10 weiterhin geschlossen bleibt, wird der Kondensator C1 über die Kontakte 9', 9''' über den Entladewiderstand R2 entladen, der gegenüber dem Ladewiderstand R1 sehr hochohmig ist. Der Entladewiderstand R₂ des Umschalters 9 ist zwischen 100 bis 2000 mal größer als der Ladewiderstand R₁ (R₂ ≈ (100 ...... 2000) × R₁); ein typischer Wert des Entladewiderstandes R2 beträgt 1 MΩ. Dadurch nimmt die Eingangs-Versorgungsspannung U_bs des Sensors 2 ab, die Ausgangsspannung U_as bzw. U_e des Sensors 2 fällt, bis die Komparatorschwelle U_s des Komparators 7 unterschritten wird. In diesem Fall gibt der Komparator 7 einen Schaltimpuls auf den Umschalter 9, der diesen wieder auf "Laden" umschaltet, so dass wiederum die Spannung der Spannungsquelle 4 über den Ladewiderstand R1, die Kontakte 9', 9'' des Umschalters 9 und den Schalter 10 zum Kondensator C1 gelangen kann: Die Eingangs-Versorgungsspannung U_bs des Sensors 2 verläuft somit innerhalb einer Schwankungsbreite, die typischerweise zwischen 20 mV bis 40 mV liegt.
Nähert sich das zu erfassende Objekt 1 oder Medium hinreichend schnell dem Sensor 2 an, so steigt die Ausgangsspannung U_as des Sensors 2 an. Durch die hochohmige Dimensionierung des Entladewiderstandes R2, der zwischen 0,7 bis 2 MΩ, vorzugsweise 1 MΩ, beträgt, und die große Kapazität des Kondensators C1, die zwischen 25 μF und 45 μF, vorzugsweise 33 μF, beträgt, ist der Regelkreis jedoch relativ träge. Wird nun von der Ausgangsspannung U_as die obere Schwelle U_so des Schmitt-Triggers 8 überschritten, schaltet dessen Ausgang, wodurch der Schalter 10 aufreißt und den Kondensator C1 vom Umschalter 9 abtrennt: Dadurch ist die Regelung abgeschaltet, das zu erfassende Objekt 1 oder Medium ist erkannt.
Die Regelung wird erst wieder aktiviert, wenn sich das Objekt 1 oder Medium aus dem Erfassungsbereich d des Sensors herausbewegt und dadurch die untere Schwelle U_su des Schmitt-Triggers 8 unterschritten wird oder durch die Eigenentladung des Kondensators C1 die Eingangs-Versorgungsspannung U_bs des Sensors 2 soweit gefallen ist, dass dadurch die Ausgangsspannung U_as des Sensors 2 bzw. U_e unter den Wert U_su abgefallen ist. Der dadurch entstehende Schaltimpuls des Schmitt-Triggers 8 schließt wiederum den Schalter 10, so dass die Spannungsquelle 4 wieder über den Ladewiderstand R1 und den Umschalter 9 zum Kondensator C1 gelangen kann.
Eine hohe Empfindlichkeit, nämlich Δu ≈ 0,05V bis 0,1V, wird erreicht, in dem der Spannungsabstand zwischen der oberen Schwelle des Schmitt-Triggers 8 und die Ausgangsspannung des Sensors 2 kleingewählt wird. Das Nachschaltgerät 12 stellt in Verbindung mit dem Sensor 2 einen Regelkreis dar, wobei die Regelung nur dann einen Einfluß auf die Regelgröße, das ist die Ausgangsspannung U_as des Sensors 2, hat, wenn der Schalter 10 geschlossen ist. Die Führungsgröße der Regelung ist die Spannung U_w, die vorzugsweise sehr klein gewählt wird, nämlich im Bereich U_w ≈ 0,4V bis 0,6V, um, wenn ein Objekt 1 erfaßt wird, möglichst große Änderungen der Ausgangsspannung U_as zu erzielen, die bei maximal 5 V liegen, U_asmax ≈ 5V. Vorzugsweise ist die Führungsgröße U_w konstant; ein bevorzugter Wert liegt bei U_w ≈ 0,5V.
Die Rückkopplungsschleife, mittels der das Ausgangssignal U_as des Sensors 2 bzw. die gleichgerichtete Ausgangsspannung U_e zur Unterdrückung von sich relativ langsam ändernden Störgrößen auf den Eingang des Sensors 2 bzw. auf dessen Versorgungsspannung rückgekoppelt wird, ist derart ausgeführt bzw. das Signal derart rückgekoppelt, dass die zur Einstellung der Empfindlichkeit veränderliche Versorgungsspannung U_bs des Sensors 2 sich in Abhängigkeit vom Ausgangssignal U_as des Sensors 2, bzw. von der gleichgerichteten Ausgangsspannung U_e, derart ändert, dass immer eine möglichst konstante Empfindlichkeit des Sensors 2 gegeben ist. Die Empfindlichkeitseinstellung basiert auf der Änderung der Versorgungsspannung des Sensors derart, dass je höher die Versorgungsspannung ist, je größer die Empfindlichkeit wird. Im Prinzip stellt die Rückkopplung über den gesamten Wirkungskreislauf gesehen eine Gegenkopplung dar. Beim Auftreten einer gegenüber dem Ruhe-Ausgangssignal (U_w) hinreichend schnellen bzw. sprunghaften Änderung größer 0,01V/s des Ausgangssignals U_as des Sensors 2 bzw. der gleichgerichteten Ausgangsspannung U_e nach Abwesenheit bzw. mit Anwesenheit des Mediums 1 bei sich räumlich bewegendem Medium 1 wird die Rückkopplungsschleife aufgetrennt und die Unterbrechung der Rückkopplungsschleife als lokale Änderung des Mediums 1 größer 0,5mm interpretiert. Unter sich relativ langsam ändernden Störgrößen, wie Temperatur und/oder Bestaubung und/oder Benetzung, werden solche sich ändernden Störgrößen verstanden, die eine Änderung des Ausgangssignals U_as des Sensors 2 bzw. der gleichgerichteten Ausgangsspannung Ue hervorzurufen imstande sind, die geringer ist als ±0,5V/min bzw. bezogen auf die Temperatur geringer als ±5°C/min ist. Eine sprunghafte Änderung liegt beispielsweise bei einer Änderung größer 10mV/s vor. Eine langsame räumliche Bewegung des Mediums 1 wird vom Sensor 2 dann als Stillstand interpretiert bzw. nicht als Bewegung erkannt, wenn die Schwankung Δ der Ausgangsspannung ΔU_as des Sensors 2 bzw. der gleichgerichteten Ausgangsspannung ΔU_e kleiner oder gleich 40mV absolut ist.
Die Führungsgröße der Regelung, die auf die untere Schwelle U_s des Komparators 7 gelegt ist, ist das Ruhe-Ausgangssignal U_w des Sensors 2 bei Abwesenheit oder Stillstand des Mediums 1. Das Ruhe-Ausgangssignal U_w ist klein gewählt und liegt im Bereich von 10% der maximalen Gleichspannung U_emax der nach dem Impedanzwandler 6 zur Verfügung stehenden gleichgerichteten Ausgangsspannung U_e, somit U_w ≈ 1/10U_emax. Die Gleichspannung U_e nach dem Impedanzwandler 6 ist proportional dem Ausgangssignal U_as des Sensors 2 und beträgt bevorzugt zwischen Null bis 5V. Der Sensor kann auch ein induktiver oder auf Licht ansprechender Sensor sein.
Bei losen, abrasiven Schüttgütern kann beispielsweise als sich langsam ändernde Störgröße eine Bestaubung des Sensors auftreten, indem feinste Stäube sich auf dem Sensor ablagern. Bei Flüssigkeits-Niveaumessungen kann durch eine hohe Luftfeuchtigkeit innerhalb eines Behälters als sich langsam ändernde Störgröße eine Benetzung des Sensors auftreten, indem feinste Flüssigkeitströpfchen sich auf dem Sensor niederschlagen.
3 zeigt ein Blockschaltbild einer Vorrichtung entsprechend der 1 mit den Verläufen der Versorgungsleitungen einer Energiequelle 15, die den Schaltungspunkt 4 bzw. den Widerstand R1 mit Spannung versorgt. Die Leitungseingänge der Leitungen 13 und 14 zum Umschalter 9 bzw. zum Schalter 10 sind als spannungskontrollierte Eingänge U_CTRL dargestellt.
Gewerbliche Anwendbarkeit und Nützlichkeit:
Die Erfindung ist insbesondere im Bereich der Messung eines Füllstandes in einem Behälter oder als Distanzmelder eines sich räumlich bewegenden, zu detektierenden Objektes anwendbar. Die Nützlichkeit der Erfindung ist insbesondere dadurch gegeben, dass durch die Regelung des Sensors innerhalb eines Wirkungskreislaufes sich langsam ändernde Störgrößen, wie Temperatur und/oder Bestaubung, wirksam unterdrückt und ausgeblendet werden. Ein Temperaturgang des Sensors sowie des Nachschaltgerätes der Vorrichtung können praktisch vollständig unterdrückt werden, so dass die Empfindlichkeit der Vorrichtung keine Abhängigkeit von der Temperatur mehr aufweist; ebenso kann die Empfindlichkeit über einen weiten Bereich nachgeführt werden.

1: Medium oder Objekt
2: Sensor
3: Zuleitung
4: Spannungsquelle
5: Tiefpass
6, 11: Impedanzwandler
7: Komparator
8: Schmitt-Trigger
9: Umschalter
9', 9'', 9''': Kontakte des Umschalters
10: Schalter
10', 10'': Kontakte des Schalters
12: Nachschaltegerät
13, 14: Leitungen
15: Energiequelle
C₁: Kondensator
R₁: Ladewiderstand
R₂: Entladewiderstand
U_bs: Eingangs-Versorgungsspannung des Sensors
U_as: Ausgangsspannung des Sensors
U_e: gleichgerichtete Ausgangsspannung des Sensors nach dem
: Impedanzwandler
U_w: Ruhe-Ausgangssignal
U_a: Ausgangsspannung des Nachschaltegerätes
U_su, U_so: Schwellen des Schmitt-Triggers
U_s: Schwelle des Komparators

Claims

Verfahren zur Überwachung eines sich bewegenden Mediums (1), unter Verwendung eines elektrischen Sensors (2), der an seinem Eingang mittels einer einstellbaren Versorgungseingangsspannungsquelle (U_bs) oder -stromquelle beaufschlagt wird, wobei das Ausgangssignal (U_as) des Sensors (2) zur Unterdrückung von sich relativ langsam ändernden Störgrößen, wie Temperaturänderungen, die kleiner als ±5°C/min sind und/oder wie Bestaubung und/oder Benetzung des Sensors (2) und die eine Änderung des Ausgangssignals von weniger als ±0,5V/min hervorrufen, in einer Rückkopplungsschleife (7, 14, 9, 10) auf den Eingang des Sensors (2) bzw. auf dessen Versorgungsspannung (U_bs) rückgekoppelt wird, und wobei die Rückkopplungsschleife derart ausgeführt ist, dass die zur Empfindlichkeitseinstellung veränderliche Versorgungsspannung (U_bs) des Sensors (2) sich in Abhängigkeit vom Ausgangssignal (U_as) des Sensors (2) derart ändert, dass immer eine möglichst konstante Empfindlichkeit gegeben ist, und dass beim Auftreten einer gegenüber dem Ruhe-Ausgangssignal (U_w) hinreichend schnellen bzw. sprunghaften Änderung größer 0,01V/s des Ausgangssignals (U_as) des Sensors (2) nach Abwesenheit bzw. mit Anwesenheit des Mediums (1) bei sich räumlich bewegendem Medium (1) die Änderung des Ausgangssignals (U_as) des Sensors (2) einer Schwellwertmessung unterworfen wird und bei Erreichen eines vorgegebenen Schwellwertes die Rückkopplungsschleife aufgetrennt und die Unterbrechung der Rückkopplungsschleife als lokale Änderung des Mediums (1) größer 0,5 mm interpretiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückkopplungsschleife nach der Versorgungsspannungsquelle (U_bs) oder -stromquelle aufgetrennt wird zum Abtrennen derselben vom Sensor (2).
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass dann eine räumliche Bewegung des Mediums (1) als Stillstand interpretiert wird, wenn die Schwankung der Ausgangsspannung (ΔU_as) des Sensors kleiner oder gleich 40mV absolut ist.
Vorrichtung zur Überwachung eines sich bewegenden Mediums (1) mit einem elektrischen Sensor (2), dessen Eingang mit einer einstellbaren Versorgungseingangsspannungsquelle (U_bs) oder -stromquelle beaufschlagt ist, wobei das Ausgangssignal (U_as) des Sensors (2) zur Unterdrückung von sich relativ langsam ändernden Störgrößen in einer Rückkopplungsschleife auf den Eingang des Sensors (2) rückgekoppelt ist und eine gegenüber dem Ruhe-Ausgangssignal (U_w) bei Abwesenheit oder Stillstand des Mediums (1) hinreichend schnelle bzw. sprunghafte Änderung des Ausgangssignals (U_as) des Sensors (2) einer Schwellwertmessung unterworfen wird und bei Erreichen eines vorgegebenen Schwellenwertes die Rückkopplungsschleife aufzutrennen imstande ist und die Unterbrechung der Rückkopplungsschleife als lokale Änderung des Mediums (1) interpretiert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangssignal (U_as) des Sensors (2), welches im Bereich U_as = 0V bis 5V liegt, bei einer Spannungsänderung absolut Δu größer 40mV/s, über ein Schaltelement (7, 8) auf den Eingang des Sensors (2) rückgekoppelt ist, welches als Antwort auf eine hinreichend schnelle Änderung größer 0,01V/s bzw. sprunghafte Änderung größer 10mV/s des Ausgangssignals (U_as) des Sensors (2) die Rückkopplungsschleife nach der Versorgungsspannungsquelle (U_bs) oder -stromquelle aufzutrennen imstande ist zum Abtrennen derselben vom Sensor (2).
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement einen Schmitt-Trigger (8) und einen Komparator (7) umfasst, auf deren einen Eingang jeweils das Ausgangssignal (U_as) des Sensors (2) gelegt ist, der Ausgang des Komparators (7) die Rückkopplungsschleife bildet, in die nach der Versorgungsspannungsquelle (U_bs) oder -stromquelle die Schaltstrecke eines Schalters (10) gelegt ist, der vom Ausgang des Schmitt-Triggers (8) angesteuert wird, wobei das Ausgangssignal (U_a) ebenfalls am Ausgang des Schmitt-Triggers (8) abgenommen wird.
Vorrichtung nach Anspruch 6, mit einem kapazitiven Sensor (2), der auf eine Ladungspumpe (C₁; R₁) folgt, der ein Hüllkurvendemodulator nachgeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang des Komparators (7) auf einen Umschalter (9) gelegt ist, an dessen einen Kontakt (9'') über einen Ladewiderstand (R₁) die Ladespannung für den Kondensator (C₁) der Ladungspumpe (C₁; R₁) und an dessen anderen Kontakt (9''') ein Entladewiderstand (R₂) angeschlossen sind und der gemeinsame Ausgang (9') des Umschalters (9) auf den Schalter (10) gelegt ist, auf den der Kondensator (C₁) der Ladungspumpe (C₁; R₁) folgt, wobei die Versorgungsspannung (U_bs) des Sensors (2) innerhalb einer Schwankungsbreite liegt.
Vorrichtung nach einem oder beiden der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangssignal (U_as) des Sensors (2) auf einen Gleichrichter und einen Tiefpass (5) gelegt ist, welche aus der hochfrequenten Ausgangs-Wechselspannung (U_as) des Sensors, deren Frequenz im Bereich f = 0,1MHz – 5MHz liegt, eine Gleichspannung erzeugen, die anschließend über einen Impedanzwandler (6) geführt ist und als gleichgerichtetes Ausgangssignal (U_e) zur Verfügung steht, welches im Bereich von 0V bis 5 V liegt.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsgröße der Regelung, die auf die untere Schwelle (U_s) des Komparators (7) gelegt ist, das Ruhe-Ausgangssignal (U_w) des Sensors (2) bei Abwesenheit oder Stillstand des Mediums (1) ist, wobei das Ruhe-Ausgangssignal (U_w) klein gewählt ist und im Bereich von 10% der maximalen Gleichspannung (U_emax) liegt, und die Gleichspannung (U_e) nach dem Impedanzwandler (6) proportional dem Ausgangssignal (U_as) des Sensors (2) ist sowie bevorzugt im Bereich von 0V bis 5V liegt.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Entladewiderstand (R₂) des Umschalters (9) im Bereich von 100 bis 1000 mal größer als der Ladewiderstand (R₁) liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor ein induktiver oder auf Licht ansprechender Sensor ist.