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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur kapazitiven Bestimmung
und/oder Überwachung
des Füllstandes
eines Mediums in einem Behälter,
mit mindestens einer Füllstandssonde,
und mit mindestens einer Feldgeräteelektronik,
die mit der Füllstandssonde
verbunden ist, die ein Spannungsansteuersignal (sig1)
zur Ansteuerung der Füllstandssonde
erzeugt, und die einen Messstrom (I2) der
Füllstandssonde
empfängt
und auswertet.
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Kapazitive
Messgeräte
zur Füllstandsmessung
sind seit vielen Jahren bekannt. Dabei bilden eine in den Behälter ragende
Sonde und die Behälterwand
oder zwei in den Behälter
ragende Sonden einen Kondensator. Dessen Kapazität C1 ist
abhängig
vom Füllstand
und der Dielektrizitätskonstante des
zu messenden Mediums. Somit kann aus der Kapazität auf den Füllstand rückgeschlossen werden.
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Eine
Möglichkeit
zur Messung dieser Kapazität
C1 ist die sogenannte Scheinstrommessung.
Dabei wird z.B. mittels einer konventionellen Gleichrichterschaltung
der Betrag des Wechselstromes gemessen, der bei einer bestimmten
Frequenz und Spannung durch den aus Sonde, Medium und Behälterwand
gebildeten Kondensator der zu bestimmenden Kapazität C1 fließt.
Der Scheinstrom IS ist allerdings nicht
nur von der Kapazität
C1, sondern auch von der Leitfähigkeit
R1 des zu messenden Mediums abhängig. Da
die Leitfähigkeit
R1 vor allem bei Schüttgütern von unterschiedlichen
Faktoren wie z.B. Temperatur oder Luftfeuchtigkeit abhängt, ergeben
sich dadurch Ungenauigkeiten.
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Eine
Methode, den Einfluss dieser Parallelleitfähigkeit zu unterdrücken, ist
die Messung bei relativ hohen Frequenzen. Der durch die Kapazität C1 fließende
Anteil des Scheinstromes IS ist proportional zur
Frequenz, wohingegen der durch die Leitfähigkeit R1 verursachte
Anteil konstant bleibt. Somit überwiegt
bei hohen Frequenzen praktisch immer der kapazitive Anteil. Die
Messung bei hohen Frequenzen (>100
kHz) führt
allerdings erfahrungsgemäss
zu Schwierigkeiten bei langen Sonden mit großen parasitären Induktivitäten.
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Eine
andere Methode zur Messung der Kapazität C
1 besteht
darin, nicht den Scheinstrom I
S zu messen,
sondern den Blindstrom bei einem Phasenverschiebungswinkel von 90° zwischen
Strom und Spannung, was einer reinen Kapazitätsmessung entspricht. Dies
lässt sich
z.B. mit Hilfe einer Synchrongleichrichterschaltung realisieren
(siehe Patent
DE 42
44 739 C2 ). Dieses Verfahren ist bei einzelnen Medien mit
Nachteilen verbunden. Bei Medien mit kleiner Dielektrizitätskonstante
und großer
Leitfähigkeit,
die mit einer Scheinstrommessung gut messbar sind, ergeben sich
aufgrund des praktisch verschwindenden Blindstromes Schwierigkeiten.
Außerdem sind
derartige konventionelle Synchrongleichrichterschaltungen erfahrungsgemäss empfindlich
gegenüber
elektromagnetischen Störungen.
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Probleme
bei den Messungen ergeben sich z.B. durch Toleranzen der verwendeten
Bauteile und z.B. durch Ansatz, der an der Messsonde durch das zu
messende Medium auftreten kann. Dieser Ansatz beeinflusst teilweise
stark das Messsignal und somit auch den Messwert.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht also darin, kapazitiv den Füllstand
möglichst
genau zu messen.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass
mindestens ein Mikroprozessor in der Feldgeräteelektronik vorgesehen ist,
der mindestens das Spannungsansteuersignal (sig1)
erzeugt, und/oder der mindestens den Messstrom (I2) und/oder
eine dazu proportionale Messgröße auswertet.
Eine zum Messstrom (I2) proportionale Messgröße ist z.B.
eine zu diesem Strom I2 proportionale Spannung,
die sich z.B. durch einen ohmschen Widerstand erhalten lässt.
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Der
Grundgedanke ist also, dass ein Mikroprozessor das Spannungssteuersignal
(sig1) erzeugt und somit z.B. auch die Messfrequenz
vorgibt, und/oder dass durch den Mikroprozessor das Messsignal – Messstrom
(I2) – ausgewertet
wird. Weiterhin kann der Mikroprozessor auch selbständig die
Mess- und Anregungsmethode einstellen, indem er z.B. ausgehend von
den Ergebnissen unterschiedlicher Probemessungen die optimale Methode
auswählt und
ggf. auch während
des Betriebes, z.B. bei sich ändernden
Feldbedingungen jeweils die optimale Messmethode einstellt. Dies
kann z.B. bei einem Medium interessant sein, dessen Dielektritzitätskonstante
oder dessen Leitwert sich mit der Zeit ändert. Der Mikroprozessor führt somit
eine Scheinstrommessung und/oder eine Blindstrommessung und/oder
eine Wirkstrommessung durch, je nach den Erfordernissen. Dies ist
u.a. möglich,
da der Phasenwinkel, bei dem der Strom durch die Sonde ausgewertet
wird, in weiten Grenzen beliebig per Software wählbar ist. Eine Leitfähigkeitsmessung
ist somit auch möglich.
Diese unterschiedlichen Messmethoden lassen sich damit auch miteinander
kombinieren und lassen so mehr Auswertemöglichkeiten und auch Informationsgewinn
zu. Der Mikroprozessor übernimmt
zudem zusätzliche
Funktionen wie Linearisierung und Skalierung der Signale. Zudem
ist es durch die Verwendung des Mikroprozessors möglich, unterschiedliche
Ausgangssignale, welche von der weiteren Verwendung des Ausgangssignals
bzw. vom verwendeten Übertragungsprotokoll
abhängig sind,
zu erzeugen. So kann beispielsweise ein 4...20 mA-Signal, ein 0...10V-Signal,
ein PFM-Signal (Pulsfrequenzmodulations-Signal) oder ein binäres Schaltsignal
erzeugt werden. Es ist aber auch vorstellbar, das mehrere Ausgangssignale
(4...20 mA, 0...10V, PFM Signal, binäres Schaltsignal usw.) für verschiedene Übertragungsprotokolle
bzw. Verwendungszwecke erzeugt und ausgegeben werden. Fügt man zwischen
den einzelnen Messzyklen Pausen ein, in denen der Mikroprozessor
in einen Energiespar-Mode umgeschaltet wird und in denen kein Strom
durch die Sonde fließt,
so lässt
sich der Stromverbrauch auf einen Bruchteil des bei kapazitiven Sensoren üblichen
Wertes senken. Dies ist besonders für NAMUR-Anwendungen vorteilhaft.
Der Mikroprozessor bringt also sowohl im Bereich der Messmethode,
als auch im Bereich der Weiterverarbeitung eine große Flexibilität mit sich.
Da ein Grossteil der Funktionen, die in bisheriger Technik mittels Analogschaltungen
realisiert waren, in den Mikroprozessor bzw. dessen Software verlagert
werden, ist es wesentlich einfacher, kostengünstig einzelne, auf einer Plattform
basierende Varianten herzustellen.
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Eine
Ausgestaltung sieht vor, dass die Messfrequenz und/oder die Form
des Spannungsansteuersignals (sig1) durch
den Mikroprozessor einstellbar ist. Somit kann z.B. eine höhere Frequenz
eingestellt werden, wenn z.B. eine Blindstrommessung aufgrund der
gegebenen Bedingungen weniger sinnvoll und eine Scheinstrommessung
bei hohen Frequenzen effektiver ist. Durch den Mikroprozessor ist
es leicht, fast jede Frequenz unterhalb der Taktfrequenz zu erzeugen.
Der Vorteil ist also, dass durch den Mikroprozessor die Frequenz
optimal auf die Messbedingungen eingestellt wird.
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Eine
Ausgestaltung beinhaltet, dass es sich bei dem Spannungsansteuersignal
(sig1) um ein Bitmuster handelt. Typischerweise
wird dieses Bitmuster mit einer Auflösung von 2 oder 3 bit ausgegeben Eine
Ausgestaltung sieht vor, dass mindestens ein Digital/Analog-Wandler
vorgesehen ist, der ein digitales Spannungsansteuersignal (sig1) in ein analoges Spannungsansteuersignal
(sig1 a) umwandelt.
Der Mikroprozessor erzeugt ein digitales Signal, welches für die weitere
Verarbeitung in analoger Form vorliegen muss. Diese Konvertierung
kann z.B. durch ein einfaches Widerstandsnetzwerk realisiert werden.
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Eine
Ausgestaltung beinhaltet, dass mindestens ein Filter vorgesehen
ist, der das analoge Spannungsansteuersignal (sig1 a) in eine Sinusansteuerspannung (U1) umwandelt. Bei dem Filter handelt es sich
beispielsweise um einen Tiefpass- oder um einen Bandpassfilter.
Es ist allerdings auch möglich, zur
Messung beliebige andere Signalformen mit definiertem Oberwellengehalt
zu verwenden. Von daher soll Sinussignal auch nur als ein Beispiel
betrachtet werden. Weitere Realisierungen liegen der fachlich qualifizierten
Person nahe. Bei dem Filter zeigt sich auch ein Vorteil, wenn es
sich bei dem Spannungsansteuersignal (sig1)
um ein Bitmuster handelt. Werden die Grenzfrequenz des Filters und
die Abstufung des Widerstandsnetzwerkes geschickt gewählt, so
ist es möglich,
ohne Umschaltung der Grenzfrequenz des Filters annähernd aus
jedem Spannungsansteuersignal (sig1) mit
beliebiger Messfrequenz sinusförmige Signale
zu erzeugen, da immer nur die einzelnen Stufen geglättet werden
müssen.
Somit ist eine Frequenzumschaltung problemlos per Software im Mikroprozessor
realisierbar und ein Umschalten im analogen Filter entfällt.
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Eine
Ausgestaltung sieht vor, dass mindestens ein Strom/Spannungswandler
vorgesehen ist, der den Messstrom (I2) in
ein zum Messstrom (I2) proportionales Spannungssignal
(U2) umwandelt. Ein solches Spannungssignal
ist dann z.B. einer digitalen Abtastung im Gegensatz zu einem Stromsignal
zugänglich.
In der einfachsten Ausgestaltung handelt es sich bei dem Strom/Spannungswandler
um einen ohmschen Widerstand.
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Eine
Ausgestaltung beinhaltet, dass mindestens ein Analog/Digital-Wandler
vorgesehen ist, das zum Messstrom (I2) proportionale
Spannungssignal (U2) digitalisiert. In der
digitalen Form kann der Mikroprozessor den Messstrom (I2)
oder das dazu proportionale Spannungssignal (U2)
auswerten.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass der Mikroprozessor in
der Feldgerätelektronik den
Messstrom (I2) und/oder das zum Messstrom
(I2) proportionale Spannungssignal (U2) direkt abtastet. Es ist somit kein Synchrongleichrichter
oder eine sonstige Auswertung erforderlich. Der Mikroprozessor tastet
das gemessene Signal und/oder ein dazu proportionales Signal – hier die
Spannung – direkt
ab. Dies spart Kosten und verhindert z.B. auch, dass durch die zwischengeschaltete
Elektronik Fehler oder Ungenauigkeiten auftreten können. Besonders werden
auch keine Einstrahlungen von außen durch eine konventionelle
Gleichrichterschaltung gleichgerichtet, die sonst störend auf
die Messung einwirken können.
Deshalb ist diese Auswertemethode grundsätzlich wesentlich unempfindlicher
gegenüber
Störeinstrahlung
und -kopplung.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass mindestens ein Analog/Digitalwandler
vorgesehen ist, der die Sinusansteuerspannung (U1)
in eine digitalisierte Sinusansteuerspannung (U1 d) umwandelt. Dies ist für die Auswertung im Mikroprozessor wichtig.
Auf diese Weise wird das Signal, mit dem die Messsonde beaufschlagt
wird, auch dem Mikroprozessor zugeführt. Es können durch den analogen Elektronikteil Änderungen
am Ansteuersignal auftreten, die durch diese Rückführung in die Auswertung des
Messsignals einbezogen werden. Durch die Einbeziehung des Ansteuersignals
in die Auswertung lassen sich z.B. auch Störungen, Fehler etc. erkennen,
melden oder herausrechnen. Es ist auch ein Vergleich zwischen dem
Spannungsansteuersignal (sig1) und der Sinusansteuerspannung
(U1) möglich. Werden
das Ansteuersignal und das Messsignal beide durch Analog/Digital-Wandler
verarbeitet, die sich auf die gleiche Referenzspannung (z.B. Versorgungsspannung
des Prozessors) beziehen, so ist eine Regelung der Anregungsspannung/Betriebsspannung
nicht nötig,
was wesentlich weniger Aufwand in der Analogschaltung bedeutet.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung beinhaltet, dass der Mikroprozessor in
der Feldgerätelektronik die
Sinusansteuerspannung (U1) direkt abtastet.
Somit werden beide Signale direkt abgetastet und es können auch
direkt z.B. über die
Phasendifferenz zwischen den beiden Signalen die entsprechenden Messgrößen (Blindstrom,
Scheinstrom und Wirkstrom) bestimmt werden. Diese Ausgestaltung
und die vorherige Ausgestaltung mit der Auswertung des anregenden
Signals ergeben somit auch einen Referenzwert für die Auswertung des Messsignals.
Das vorgestellte Konzept dieser und der vorhergehenden Ausgestaltung
ist grundsätzlich
unempfindlich gegenüber
Temperatureinflüssen
und Bauteiltoleranzen der Bauteilkomponenten im Analogteil der Messvorrichtung,
da das Messergebnis aus Verhältnisbildung der
Spannungen U1 und U2 gewonnen
wird und Phasen- sowie Amplitudenabweichungen sich gleichermaßen auf
U1 und U2 auswirken.
Es wird also durch die Auswertung des anregenden Signals ständig eine Referenzmessung
vorgenommen. Dies vereinfacht die Auswertung.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung beinhaltet, dass der Mikroprozessor in
der Feldgerätelektronik die
Sinusansteuerspannung (U1) bei der Auswertung des
Messstroms (I2) und/oder einer dazu proportionalen
Messgröße zur Referenzierung
nutzt. Somit kann z.B. die Phase genauer ausgewertet werden, wodurch
sich mehr Messgrößen (Blindstrom,
Scheinstrom und Wirkstrom) aus einer Messung gewinnen lassen, woraus
sich wieder mehr Information – z.B. Ansatzerkennung – ergibt.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass der Mikroprozessor in
der Feldgeräteelektronik derartig
ausgestaltet ist, dass eine Ansatzerkennung durchgeführt wird.
Durch die Auswertung von der Phase zwischen der Ansteuerspannung
und dem zum Messstrom proportionalen Spannungssignal und des Scheinstroms
lässt sich
beispielsweise erkennen, ob sich Ansatz an der Messsonde gebildet hat
oder ob z.B. der Ansatz zunimmt. Dies wird durch die digitale Abtastung
des gesamten Messsignals, bzw. auch über die Referenzierung durch
das Ansteuersignals ermöglicht. Ändert sich
z.B. über
die Zeit der Wirkstrom IW, so können daraus
Aussagen über
einen Ansatz getätigt
werden.
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In
der Erfindung werden also die Ansteuerspannung und das Messsignal,
bzw. die dazu proportionale Spannung direkt abgetastet. Durch diese
vollständige
Abtastung beider Signalverläufe
können z.B.
mit einer Messung die Phase und der Scheinstrom bestimmt werden.
Dies wiederum erlaubt es, dass nicht nur die Kapazität und damit
der Füllstand bestimmt
wird, sondern dass z.B. auch Ansatz am Messsensor erkannt werden
kann und dass somit z.B. in Hinsicht auf predictive maintenance
auch gesonderte Alarme ausgegeben werden können, um auf den Ansatz aufmerksam
zu machen und um somit früh
genug darauf reagieren zu können.
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Die
Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es
zeigt:
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1: ein Blockschaltbild der
Vorrichtung, und
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2a und 2b: zwei zeitliche Verläufe der auftretenden
Signale unter zwei unterschiedlichen Feldbedingungen.
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1 zeigt ein Blockschaltbild
einer möglichen
Ausführung.
Zentrales Element in der Schaltung ist ein Mikroprozessor 15,
der innerhalb der Feldgerätelektronik 10 mittels
einiger exemplarischer Funktionsblöcke 15.1 bis 15.6 folgende
Funktionen übernimmt:
Die
Einheit für
die Ausgabe des Messsignale 15.1 gibt ein Bitmuster zur
Erzeugung eines Rechteck- oder Treppensignals mit der vom Mikroprozessor passend
eingestellten Messfrequenz aus. Typischerweise wird dieses Bitmuster
mit einer Auflösung
von 2 oder 3 bit ausgegeben und kann über ein einfaches Widerstandsnetzwerk 20 in
eine analoge Treppenspannung sig1 a gewandelt werden (einfachste Digital/Analog-Wandlung).
Diese Treppenspannung sig1 a wird
durch eine anschließende
Filterung 21 – z.B. durch
einen Tiefpass- oder durch einen Bandpassfilter – zu einer sinusförmigen Messspannung
U1 umgeformt. In der Einheit 15.2 werden
die Signalerzeugung (Wahl der Messfrequenz) und der gewünschte Abtastzeitpunkt
der Analog/Digital-Wandler 22 gesteuert. In einem weiteren
Funktionsblock 15.3 wird die Anregungsspannung U1 nach dem Analog/Digital-Wandler 22 gemessen.
Gleiches geschieht mit der Messsignalspannung U2 nach
der Analog-Digital-Wandlung 22 der zum durch die Sonde
fließenden Strom
I2 direkt proportionalen Messspannung U2, die mittels des Strom-Spannungswandlers 23 generiert wird.
Anschließend
Verhältnisbildung,
Skalierung und Linearisierung der gemessenen Spannungen U1 und U2 im Funktionsblock 15.5,
also die eigentliche Auswertung. Die Phasenwinkeldifferenz, zu der
das Messsignal ausgewertet wird, lässt sich einfach und praktisch
durch den Mikroprozessor einstellen. Der Mikroprozessor erlaubt
jedoch auch eine vollständige Abtastung
des Messsignals, so dass nicht nur ein Wert des Messsignals zur
Auswertung herangezogen wird, sondern dass der gesamte Verlauf des Messsignals
ausgewertet wird. Dadurch lässt
sich die Phase zwischen der Messspannung U1 und
der Messsignalspannung U2 und der Blindstrom
bestimmen. Dies ermöglicht
dann die Bestimmung der Kapazität
und z.B. auch den Rückschluss
auf einen Ansatz z.B. am Messsensor 5. Durch die Erhöhung der Anzahl
der Datenpunkte der Messung erhöht
sich auch die Information. Bei der Auswertung kann dann auch eine
Verbindung zum Funktionsblock 15.2 vorgesehen sein, so
dass aufgrund des erhaltenen Ergebnisses, z.B. auch in Verbindung
mit vorgegeben Grenzwerten o.ä.
die optimale Mess- und Auswertemethode vorgenommen wird. Weiterhin
wird ein entsprechendes Ausgangssignal erzeugt, welches ggf. auch über einen
Digital/Analog-Wandler laufen kann. Aufgrund der erhaltenen Werte
wird dann vom Funktionsblock 15.6 das gewünschte Ausgangssignal
erzeugt und z.B. über
einen Digital/Analog-Wandler oder über einen digitalen Port ausgegeben.
Im Ausführungsbeispiel
ist ein Mikroprozessor dargestellt, der mehrer Funktionsblöcke aufweist.
Es kann sich natürlich
auch um mehrere, miteinander verbundene Mikroprozessoren handeln,
die die einzelnen Aufgaben ausführen.
Dargestellt sind weiterhin der Behälter 2 mit dem Medium 1,
in welches der Messsensor 5 eintaucht. Dargestellt sind
auch der Kondensator 3, der sich durch den Sensor 5 und
die Wand des Behälters 2 ergibt.
Zudem bilden der Sensor 5, das Medium 1 und die
Wand des Behälters 2 jedoch
auch einen Widerstand 4, über den ebenfalls ein Strom fließt.
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In 2a und 2b finden sich die Signale sig1, U1 und U2 in Abhängigkeit
von der Zeit. Die Anregungsspannung U1 folgt
mit einer gewissen, durch die Filterung verursachten, Phasenverzögerung dem vom
Mikroprozessor erzeugten Signal sig1. Diese Phasenverzögerung lässt sich
in die Auswertung einbeziehen, indem die im Mikroprozessor 15 abgetastete
Anregungsspannung U1 der Referenzierung dient.
Nimmt man ein rein kapazitives Verhalten der Anordnung Sonde/Medium/Behälter mit
der Kapazität
C1 an (2a),
dann ist die Spannung U2, die proportional
zum durch die Sonde fließenden
Strom ist, um 90° zur
Spannung U1 phasenverschoben. Wird nun die
Spannung U2 jeweils bei exakt 180° Phasenverschiebung
gegenüber
der Anregungsspannung U1 gemessen, erhält man im
Fall rein kapazitiver Belastung der Sonde immer die maximale Amplitude von
U2 (hier mit UC bezeichnet).
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Nimmt
man nun zusätzlich
zur Kapazität
C1 einen Parallelwiderstand des Mediums
R1 an (2b;
vgl. 1), erhöht sich
der Betrag des Stromes durch die Sonde und somit der Spannung U2. Gleichzeitig wird der Phasenwinkel zwischen
U1 und U2 kleiner
als 90°.
Wird allerdings die Spannung U2 auch in
diesem Fall bei einem Phasenwinkel von 180° gegenüber der Anregungsspannung U1 gemessen, ändert sich die Amplitude von
UC gegenüber dem
in 2a dargestellten
Fall nicht. Auf diese Weise ist es möglich, die Kapazität C1 unabhängig
vom Parallelwiderstand R1 zu messen. Da
viele Probleme bei kapazitiven Messungen durch leitfähigen Ansatz und
durch Feuchtigkeitsschwankungen, welche die Leitfähigkeit
des zu messenden Mediums verändern, verursacht
werden, bringt dies deutliche Vorteile für den Anwender. Dieser Ansatz
lässt sich
umgekehrt erkennen durch die Auswertung des Scheinstromes IS. Die Auswertung von Blind- und Scheinstrom
wird durch die Abtastung des ganzen Messsignals möglich. In 2b ist die Phase/der Phasenwinkel φ zwischen
U1 und U2 eingezeichnet. Über diese
Phase lässt
sich dann der Wirkanteil UW der Messspannung U2 wie folgt berechnen: UW =
U2·cos(φ). Mit diesem Wert
ist eine Ansatzerkennung möglich,
da eine Zunahme des Ansatzes üblicherweise
mit einer Zunahme des Wirkanteils verbunden ist. Der Blindanteil
UB der Messspannung U2 errechnet
sich über:
UB = U2·sin(φ). Dieser
Wert ermöglicht
die Bestimmung der Kapazität
und somit den Füllstand
des Mediums.
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- 1
- Medium
- 2
- Behälter
- 3
- Kapazität
- 4
- Widerstand
- 5
- Füllstandssonde
- 10
- Feldgeräteelektronik
- 15
- Mikroprozessor
- 15.1
- Erzeugung
Messspannung
- 15.2
- Steuerung
Signalerzeugung + Abtastung
- 15.3
- Messung
Anregungsspannung
- 15.4
- Messsignal-Abtastung
- 15.5
- Referenzierung,
Skalierung und Linearisierung
- 15.6
- Erzeugung
Ausgangssignal
- 20
- Digital/Analog-Wandler
- 21
- Filter
- 22
- Analog/Digital-Wandler
- 23
- Strom/Spannungswandler