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Sondenkopfeinsatz zur kapazitiven Füllstandsmessung Die Erfindung
betrifft einen Sondenkopfeinsatz zur kapazitiven Füllstandsmessung mit einem zumindest
teilweise in eine zu überwachende dielektrische Flüssigkeit eintauchenden Meßkondensator
und einem auf konstanter Frequenz arbeitenden Wechselspannungserzeuger.
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Es sind bereits Geräte bekannt, bei denen der durch den Meßkondensator
fließende Wechselstrom auf einen konstanten Wert stabilisiert und der Spannungsabfall
am Meßkondensator an einem Ausschlaginstrument angezeigt wird. Der Nachteil dieser
Geräte liegt darin, daß eine lineare Anzeige des abzulesenden Meßwertes als Funktion
des jeweiligen Füllstandes nicht erreichbar ist. Beim Betrieb des Meßkondensators
mit konstantem Strom ist der abzulesende Spannungsabfall dem Flüssigkeitsstand umgekehrt
proportional, so daß eine Reziprokkennlinie entsteht, welche bei an sich erforderlicher
linearer Anzeige nur in einem kleinen Meßbereich auswertbar ist.
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Es sind ferner Geräte bekannt, bei denen der Meßkondensator in einem
Brückenkreis liegt. Durch einen Folgeregler wird ein in seiner Kapazität veränderbarer
Kompensationskondensator je nach dem herrschenden Flüssigkeitsstand bzw. der Kapazität
des Meßkondensators auf Brückennull nachgeregelt. Hier ergibt sich zwar eine lineare
Anzeige, aber hierfür ist ein beträchtlicher Aufwand erforderlich.
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Zweck der Erfindung ist die Schaffung eines Sondenkopfeinsatzes, welcher
unter Vermeidung der Nachteile bekannter Geräte bei einfachem und weitgehend raumsparendem
Aufbau eine lineare Anzeige des Füllstandes ermöglicht. Erreicht wird dies bei einer
Vorrichtung zur Füllstandsmessung, bei der die Kapazität eines wechselstromdurchflossenen
Meßkondensators durch den Füllstand verändert wird, erfindungsgemäß dadurch, daß
zur Aufrechterhaltung einer konstanten Wechselspannung am Meßkondensator und zur
Auswertung des ihn durchfließenden und seiner Kapazität direkt proportionalen Meßstromes
in Reihe mit dem Meßkondensator eine einen Anzeigekreis an den Meßkreis koppelnde
Einrichtung mit gegenüber der Impedanz des Meßkondensators erheblich geringerem
Eingangswiderstand geschaltet ist.
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Zwar ist bekannt, die Kapazität eines Kondensators durch Messung des
ihn durchfließenden Stromes bei einer angelegten Wechselspannung konstanter Amplitude
zu messen, jedoch konnte eine auf diesem Prinzip beruhende Meßanordnung bis jetzt
noch nicht in Sondenkopfeinsätzen zur Füllstandsmessung verwendet werden, da der
Meßverstärker, beispielsweise ein Röhrenvoltmeter, unmittelbar neben dem zu messenden
Kondensator bzw. zu einem mit diesem in Reihe geschalteten Widerstand aufgestellt
und mit diesen Elementen durch Zuleitungen verbunden war. Aus Platzgründen kann
jedoch in einen Sondenkopfeinsatz nicht ohne weiteres ein Meßverstärker eingebaut
werden. Andererseits ist ein Anschluß des Meßverstärkers an einen Meßkondensator
über längere Zuleitungen wegen einer damit verbundenen Kapazitätsverfälschung und
aus Abschirmgründen problematisch, insbesondere dann, wenn der Verstärker sehr empfindlich
sein muß, um ausgangsseitig den Einbau eines verhältnismäßig robusten Meßinstrumentes,
beispielsweise in handelsüblicher Form als Drehspulenanzeigegerät mit 1 mA Vollausschlag,
zu ermöglichen. Demnach ist die an sich bekannte Anordnung zur Messung von Kapazitäten,
welche eine lineare Anzeige liefert, nicht ohne weiteres auf Sondenkopfeinsätze
zur kapazitiven Füllstandsmessung übertragbar.
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In zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung kann der Eingangswiderstand
der den Anzeigekreis an den Meßkreis koppelnden Einrichtung durch die Basis-Emitter-Strecke
eines Transistors, zu der eine Diode antiparallel geschaltet ist, gebildet werden.
Der im Meßkreis fließende Strom kann dann während einer Halbperiode durch die Basis-Emitter-Strecke
des Transistors fließen und ihn durchlässig machen, während er in der anderen Halbperiode,
während der die Basis-Emitter-Strecke sperrt, durch die parallelgeschaltete Diode
fließen kann, so daß im Meßkreis ein Wechselstrom fließt und es nicht zu einer einseitigen
Ausladung des Meßkondensators kommt. Der Anzeigekreis ist an die Basis-Kollektor-Strecke
des Transistors angeschlossen, über die ihm ein der Kapazitätsänderung des Meßkondensators
proportionaler Strom eingeprägt wird. Auf diese
Weise besteht eine
Trennung zwischen dem Anzeigekreis und dem Meßkreis, so daß die an beide Kreise
zu stellenden Forderungen unabhängig voneinander realisiert werden können.
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Zur Verstärkung des Meßstromes kann dem Transistor ein Anzeigeverstärker
nachgeschaltet sein, der ein den Meßkreisstrom proportional anzeigendes Meßinstrument
speist. Der Verstärker ist zweckmäßig so ausgelegt und einstellbar, daß der Meßbereich
von handelsüblichen Instrumenten überstrichen wird.
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Der Speisung des Meßkreises dient ein eine konstante Wechselspannung
abgebender Generator, dessen Amplitudenkonstanz bei Ausbildung des Generators mit
einem frequenzbestimmenden Schwingkreis erfindungsgemäß in äußerst einfacher Weise
dadurch erreicht werden kann, daß die Schwingkreisinduktivität durch eine bei Erreichen
einer vorbestimmten Schwingungsamplitude den Schwingkreis dämpfende, mit einer Diode
gegenseitig in Reihe geschaltete Zenerdiode mindestens teilweise überbrückt ist.
Bei Erreichen der Zenerspannung wird die Diodenanordnung durchlässig und wirkt als
niederohmiger Nebenanschluß des betreffenden Spulenabschnittes. Die Dämpfungsdioden
können auch an eine mit der Schwingkreisspule gekoppelte andere Spule der Schwingschaltung
angeschlossen sein.
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Die Erfindung wird in der folgenden Beschreibung im Zusammenhang mit
der Zeichnung, welche ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sondenkopfeinsatzes
mit einem zugehörigen Hilfsverstärker nebst Anzeigeinstrument, teilweise in Blockschaltbilddarstellung,
zeigt, erläutert.
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Der in der Zeichnung dargestellte erfindungsgemäße Sondenkopfeinsatz
1 umfaßt einen Schwingkreisoszillator, bestehend aus einem Oszillatortransistor
T1 (nicht mit Bezugszeichen versehenen) Widerständen und einem Übertrager mit Primärwicklungen
Ll, L2 sowie einer Sekundärwicklung L3, welche zusammen mit einem Kondensator Cl
einen Schwingkreis bildet. Zur Erreichung einer konstanten Amplitude der vom Schwingkreisoszillator
erzeugten Wechselspannung ist ein Teil der Primärwicklung L1 durch zwei gegensinnig
gepolte Dioden D1 und D2 überbrückt. Die Diode Dl ist eine Zenerdiode, deren Zenerspannung
die Höhe der abgegebenen Wechselspannungsamplitude bestimmt. Diese Maßnahme gestattet
auf einfachste Weise eine für den vorliegenden Zweck ausreichende Amplitudenstabilisierung.
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Der aus den Bauelementen L3, C1 gebildete Schwingkreis bzw. Ausgang
des Schwingkreisoszillators liegt in Serie mit einem Meßkondensator CM. Der Stromkreis
zwischen Meßkondensator CM und dem Schwingkreis L3, C1 wird durch die Basis-Emitter-Strecke
eines npn-Transistors TZ geschlossen, zu der eine Diode D3 gegenpolig parallel geschaltet
ist.
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In dem Basis-Emitter-Kreis des Transistors T2 fließt nur in der Halbwelle
Strom, in welcher die Basis positiv gegenüber dem Emitter ist. In dieser Halbwelle
überträgt sich der in der Basis-Emitter-Strecke fließende Strom auch auf den Kollektorkreis
des Transistors T2 und kann dort an einem Glättungskondensator C2 abgenommen und
einem Verstärker V zugeführt werden, der mit dem Sondenkopfeinsatz 1 über
Zuleitung Z verbunden ist. Der Verstärker V ist so ausgelegt, daß der Zeiger eines
nachgeschalteten Drehspulinstruments 1 mit 1 mA Vollausschlag sich zwischen die
Nullstellung und einem Maximalausschlag einstellt, wenn sich die Kapazität des Meßkondensators
CM zwischen seinem niedrigsten und seinem höchsten Wert verändert. Die Stromversorgung
des Oszillators erfolgt hierbei über die Zuleitung Y, während über die Leitung Z
der kapazitätsproportionale Meßstrom zum Verstärker V geleitet wird.
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Durch den erfindungsgemäßen Sondeneinsatz wird bei einfachstem Aufbau
und geringsten mechanischen Abmessungen eine völlig lineare Anzeige an dem Meßinstrument
1 erzielt. Durch die Ankopplung des Verstärkers V mittels des Transistors T2 an
den Meßkreis wird eine Verfälschung der Meßwerte durch die Zuleitungen Z vermieden.