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Gerät zur Überwachung des Füllzustandes eines Behälters Die Erfindung
betrifft ein Gerät zur Überwachung des Füllzustandes eines Behälters mit einer in
den Behälter eintauchenden Sonde, deren Kapazität gegenüber den Behälterwandungen
durch das Füllgut veränderbar ist, und mit einer auf die Kapazitätsänderungen ansprechenden
Einrichtung, bestehend aus einer die Sondenkapazität enthaltenden Wechselstrombrücke,
deren Elemente zugleich die Schwingkreise eines Oszillators bilden, wobei das Maß
der Rückkopplung von der Verstimmung der Brücke abhängig ist und die Schwingbedingungen
erst bei einer bestimmten Verstimmung der Brücke erfüllt sind.
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Die bisher bekannten Geräte dieser Art haben den Nachteil, daß die
Zuleitungen zu der Elektrode kurz gehalten werden müssen, weil die Kapazität der
Zuleitungen sonst störend in Erscheinung tritt. Einerseits wird durch die Kapazität
der Zuleitungen zur Elektrode die Empfindlichkeit des Gerätes stark herabgesetzt,
weil diese Kapazität sich zur Sondenkapazität addiert und die durch die Brückenschaltung
überwachte Gesamtkapazität sich bei Anderungen der Sondenkapazität prozentual um
so weniger ändert, je größer die Kapazität der Zuleitungen ist.
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Die Kapazität der Zuleitungen ist auch deshalb sehr beträchtlich,
weil abgeschirmte Leitungen verwendet werden müssen, um Einflüsse von dem Gerät
fernzuhalten, die durch Anderungen der Kapazität der Zuleitungen gegenüber ihrer
Umgebung bedingt sein könnten. Um diese Schwierigkeiten zu vermeiden, ist es bereits
bekannt, die Brückenschaltung oder sogar den gesamten Oszillator in die Meßsonde
selbst zu verlegen. Dies hat jedoch den Nachteil, daß die Meßsonden sehr empfindlich
sind und die abzugleichenden Elemente der Wechselstrombrücke nur schwer zugänglich
sind. Außerdem ist eine Nach-Justierung der Einrichtung nur sehr schwer möglich,
weil sich die justierenden Glieder relativ weit entfernt von dem Ort befinden, wo
das Anzeigegerät angebracht ist, an welchem die Wirkungen der Justiermaßnahmen beobachtet
werden können.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile der bekannten
Einrichtungen zu vermeiden. Die Erfindung besteht darin, daß der Oszillator zwei
hintereinandergeschaltete Transistoren aufweist, von denen der erste mit seiner
Basis an einen Diagonalpunkt der Brücke angeschaltet ist und der zweite im Kollektorzweig
eine Induktivität aufweist, die zur Herstellung eines Rückkopplungspfades mit einer
Induktivität der Brücke gekoppelt ist. Durch die Verwendung von zwei Transistoren
im Oszillator ist es möglich, die Empfindlichkeit des Oszillators gegenüber Gleichgewichtsstörungen
der Wechsel-
strombrücke, die durch eine Änderung der Sondenkapazität bedingt ist,
beträchtlich zu erhöhen. Die Erfindung macht es möglich, bei solchen Geräten zur
Überwachung des Füllzustandes von Behältern zwischen der Meßsonde und dem die Wechselstrombrücke
enthaltenden Gerätekasten ein Kabel von bis zu 100 m zu verwenden, ohne daß die
Ansprechempfindlichkeit des Gerätes ein zulässiges Maß unterschreitet.
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Die Verwendung sehr langer Zuleitungen zwischen Sonde und Wechselstrombrücke
bringt noch die Schwierigkeit mit sich, daß die Eigenkapazität dieser Zuleitungen,
die üblicherweise als Koaxialkabel ausgebildet sind, temperaturabhängig ist. Der
Temperaturgang solcher Koaxialkabel kann so groß sein, daß er die Funktionssicherheit
eines solchen Gerätes erheblich beeinträchtigt. Um dieser Erscheinung entgegenzuwirken,
muß die dem Kabel entsprechende Kapazität, die an einem anderen Zweig der Wechselstrombrücke
angeordnet ist, den gleichen Temperaturgang haben wie die Kapazität des Kabels.
Ein solcher Temperaturgang kann zwar mit Hilfe elektronischer Schaltungen erreicht
werden, jedoch ist der hierzu erforderliche Aufwand außerordentlich hoch, zumal
die Länge des Kabels im allgemeinen erst bei der Montage eines solchen Gerätes genau
bestimmt werden kann und damit weder die Größe der Kabelkapazität noch der Betrag
der zu erwartenden Kapazitätsänderungen vorher bekannt sind. Diese Schwierigkeiten,
die sich ebenfalls der Anwendung langer Kabel entgegenstellen, werden nach einem
weiteren Merkmal der Erfindung dadurch vermieden, daß die der zu überwachenden Kapazität
entsprechende zweite Kapazität der Brükkenschaltung durch ein Kabel und einen variablen
Kondensator gebildet wird, von welchen das Kabel in Ausführung und Länge dem Verbindungskabel
zwischen
Sonde und Brückenschaltung gleich ist, während der Kondensator auf den Sollwert
der eigentlichen Sondenkapazität, also der Kapazität zwischen Sonde und Behälterwandungen
bei gefülltem bzw. ungefülltem Behälter, einstellbar ist.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist an eine Induktivität
der Brückenschaltung ein transistorisierter Schmitt-Trigger, gegebenenfalls unter
Zwischenschaltung einer transistorisierten Verstärkerstufe, angekoppelt, dessen
Betriebszustand von dem Schwingzustand des Oszillators abhängig ist und dessen Ausgangssignal
Schaltmittel zur Signalgabe, z. B. ein Relais, beeinflußt.
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Die Erfindung wird im folgenden an Hand des in der Zeichnung näher
dargestellten Ausführungsbeispieles näher beschrieben und erläutert. Die Zeichnung
zeigt das Schaltbild eines nach der Erfindung ausgebildeten Gerätes.
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Bei dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel besteht
die Brückenschaltung 1 aus den Induktivitäten 3 und 4 zwischen den EckpunktenA und
C bzw. A und D und den dazu in Serie geschalteten Kapazitäten in den Zweigen zwischen
den Eckpunkten C und B bzw. D und B. Die Kapazität zwischen den Eckpunkten D und
B ist die zu überwachende Kapazität, die sich aus der Kapazität Cx zwischen der
Sonde 51 und den Wandungen des Behälters 52 und der Kapazität des Zuleitungskabels
53, die der Kapazität Cx parallel liegt, zusammensetzt. Entsprechend setzt sich
auch die Vergleichskapazität zwischen den Punkten C und B aus der Kapazität eines
Koaxialkabels 54, welches die gleiche Ausbildung und die gleiche Länge wie das Kabel
53 hat, und einer dazu parallelgeschalteten, variablen Kapazität Ci zusammen, welche
auf die Kapazität Cx abstimmbar ist, derart, daß bei einem gewünschten Füllzustand
ein Signal ausgelöst wird.
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Die Induktivitäten 3 und 4 sind Teile der Induktivität 2, die im Punkt
A eine Anzapfung aufweist.
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Um stets gleiche Verhältnisse zu gewährleisten, sind die Kabel 53
und 54 miteinander verbunden.
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Das Kabel 54 ist parallel zum Kabel 53 bis zur Anschlußstelle 55 der
Sonde an den Behälter 52 geführt, an dieser Seite aber nicht abgeschlossen. Es ist
so auf sehr einfache Weise gewährleistet, daß die Kapazität des Kabels 54 genau
der Kapazität des Kabels 53 gleich ist, und zwar unabhängig von allen äußeren Einflüssen,
wie z.B. Temperaturschwankungen, weil das Kabel 54 genau den gleichen Betriebsbedingungen
unterliegt wie das Kabel 53. Die Kapazität Cl kann dann beispielsweise als Drehkondensator
mit Luft als Dielektrikum ausgebildet werden, so daß die Kapazität dieses Drehkondensators
ebensowenig Schwankungen unterliegt wie die Sondenkapazität Cx, deren Wert im wesentlichen
nur durch den Füllzustand des Behälters beeinflußt wird.
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Sind die Kapazitäten in den Zweigen BC und BD ebenso wie die Induktivitäten
in den Zweigen AC und AD gleich, so ist die Brücke 1 im Gleichgewicht, und es kann
zwischen den Punkten A und B kein Spannungsgefälle auftreten. Der Punkt A der Brücke
ist über den Kondensator 7 an die Basis des Transistors 10 angekoppelt, während
der Punkt B am +-Pol einer Batteriespannung liegt, an den auch der Emitler des Transistors
10 über den Widerstand 14 angeschlossen ist. Da zwischen den Punkten A und B eine
Wechselspannung nicht auftreten kann, liegt auch am Transistor 10 kein Signal. Ist
dagegen
die Brückel verstimmt, so wird von der zwischen den Punkten A und B auftretenden
Diagonalspannung der Brücke der Transistor 10 ausgesteuert, der die zwischen den
Punkten A und B herrschende Spannung verstärkt und die am Emitterwiderstand 14 auftretende
Schwingung über den Koppelkondensator 13 an die Basis seines zweiten Transistors
17 führt, in dessen Kollektorkreis eine Induktivität 6 liegt, die mit der Induktivität
2 der Brücke 1 gekow pelt ist und infolgedessen die verstärkte Schwingung auf die
Brücke rückkoppelt. Welcher Anteil der rückgekoppelten Schwingung auf die Basis
des Transistors 10 gelangt, hängt von der Verstimmung der Brücke ab. Ist ein gewisses
Maß an Verstimmung erreicht, ist die auf diese Weise erzielte Rückkopp lung stark
genug, um Eigenschwingungen des Systems anzuregen, das die beiden Transistoren 10
und 17 enthält und zusammen mit den durch die Brücke 1 gebildeten Schwingkreis einen
Oszillator bildet. Durch die Verwendung von zwei Transistoren im Oszillator des
Gerätes war es möglich, die Ansprechempfindlichkeit des Gerätes so weit zu steigern,
daß bei der Verwendung eines Kabels von 100 m Länge Kapazitätsänderungen von 0,5
pF eine sichere Umschaltung des Gerätes von einem Betriebszustand in den anderen
bewirkten. Bei dem erfindungsgemäßen Gerät ist nicht zuletzt von Vorteil, daß die
Phasenlage der auf die Basis des Transistors 10 rückgekoppelten Schwingung von der
Richtung der Verstimmung der Brücke 1 abhängt, der mit den Transistoren 10 und 17
gebildete Oszillator aber nur dann in Schwingungen geraten kann, wenn die Rückkopplung
in einer bestimmten Phasenlage erfolgt. Es treten infolgedessen nur dann Schwingungen
auf, wenn die Brücke 1 in einer bestimmten Richtung verstimmt ist. Hierdurch sind
stets eindeutige Betriebsverhältnisse gewährleistet.
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Um festzustellen, ob der Oszillator schwingt oder nicht, ist an die
Induktivität 2 der Brücke 1 eine weitere Induktivität 5 angekoppelt, die im Basiskreis
eines weiteren Transistors 23 liegt, der als Vorverstärker geschaltet ist. Die am
Kollektorwiderstand 24 dieses Transistors auftretende Schwingung wird über den Koppelkondensator
26 und die beiden Dioden 28 und 29 einer die Transistoren 33 und 38 aufweisenden
Schmitt-Triggerschaltung zugeführt.
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Durch die Dioden 28 und 29 werden die positiven Halbwellen der am
Ausgang des Transistors 23 vorhandenen Schwingungen abgeschnitten, so daß der Schmitt-Trigger
nur mit den negativen Halbwellen ausgesteuert wird. Der Kondensator 30 dient zur
Glättung des an die Basis des Transistors 33 gelangenden Signals.
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Der Schmitt-Trigger ist so ausgelegt, daß der Transistor 33 gesperrt
und der Transistor 38 leitend ist, wenn an der Basis des Transistors 33 ein Signal
nicht anliegt. Das Relais 40 im Kollektorkreis des Transistors 38 hat dann angezogen.
Kommt dagegen durch Schwingen des Oszillators ein Signal an die Basis des Transistors
33, ändert der Schmitt-Trigger seinen Betriebszustand. Der Transistor 33 wird dann
leitend, während der Transistor 38 nicht leitend wird, so daß auch durch das Relais
40 kein Strom mehr fließen kanri und dieses abfällt. Das Relais 40 kann zur Steuerung
von akustischen und/oder optischen Signal einrichtungen sowie zur Steuerung von
automatischen Einrichtungen zum Füllen und/oder Entleeren des Behälters dienen.
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Es versteht sich, daß das erfindungsgemäße Gerät durch entsprechende
Abstimmung des Kondensators C, so eingestellt werden kann, daß es bei einer beliebigen
Füllzustand des Behälters anspricht. Ob der Oszillator bei größerer oder geringerer
Füllung schwingt, hängt von der Polung der Rückkopplungsinduktivität 6 ab. Im übrigen
kommt es an sich nur darauf an, daß der Wechsel des Betriebszustandes des Oszillators
dazu benutzt wird, bei Erreichen des gewünschten Füllzustandes des Behälters Maßnahmen
einzuleiten, wobei durch die Ausbildung der dazu bestimmten Organe dafür Sorge getragen
werden kann, ob die Maßnahmen bei Abnahme oder bei Zunahme der Behälterfüllung eingeleitet
werden.