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Kapazitiver Füllstandsmesser für Behälter Die Erfindung betrifft einen
Füllstandsmesser mit einer in einen Behälter eintauchbaren Meßsonde, deren Kapazität
gegenüber den Behälterwandungen durch das Füllgut veränderbar ist, und mit einer
von einer Wechselspannungsquelle gespeisten Vorrichtung zur Messung der Sondenkapazität,
deren Größe ein Maß für den jeweiligen Füllstand des Behälters ist.
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Derartige Füllstandsmesser sind in vielen Ausführungsformen bekannt.
Allen Ausführungsformen ist gemeinsam, daß die Sondenkapazität auf dem Zweig einer
Meßbrücke angeordnet ist, die von einer sinusförmigen Wechselspannung gespeist wird.
Die Diagonalspannung der Brücke ist dann ein Maß für die Sondenkapazität und damit
für den Füllzustand des Behälters.
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Wenn derartige Geräte eine zuverlässige Messung des Füllzustandes
eines Behälters ermöglichen sollen, muß dafür Sorge getragen werden, daß Schwankungen
des Meßwertes durch Betriebseinflüsse, insbesondere durch schwankende Temperaturen
faktisch ausgeschaltet sind. Dabei muß berücksichtigt werden, daß die Sonden im
allgemeinen in frei stehende Behälter eingebaut sind, so daß die Betriebstemperaturen
einen Bereich von etwa - 30 bis + 700 C und mehr durchlaufen können, wenn eine Erwärmung
durch direkte Sonneneinstrahlung berücksichtigt wird. Um Fehler durch Leitungskapazitäten
u. dgl. auszuschalten, wird in der Regel die Vorrichtung zur Messung der Sondenkapazität
unmittelbar mit der Meßsonde zusammengebaut, so daß diese Vorrichtung den gleichen
Temperaturschwankungen unterworfen ist wie die Sonde. Da die Charakteristik der
in der Vorrichtung zur Kapazitätsmessung vorhandenen Schaltelemente und insbesondere
von Transistoren stark temperaturabhängig ist, ist eine Temperaturkompensation erforderlich.
Von besonderem Nachteil ist dabei, daß nicht nur die zur Auswertung der Brückenspannung
dienenden Schaltungsteile temperaturabhängig sind, sondern daß auch die Amplitude
des vom Oszillator gelieferten Signals temperaturabhängig ist. Außerdem ist diese
Amplitude auch von den zur Speisung des Oszillators dienenden Spannungen abhängig,
so daß sorgfältig stabilisierte Speisespannungen vorgesehen werden müssen. Weiterhin
ist von Nachteil, daß die Amplitude des Ausgangssignals eines Oszillators stets
wesentlich geringer ist als die Höhe der angelegten Speisespannung, so daß insbesondere
bei einem mit Transistoren bestückten Gerät nur geringe Signalspannungen zur Verfügung
stehen. Endlich erfordert ein Oszillator auch noch einen erheblichen Aufwand, wobei
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besondere die bei Oszillatoren relativ geringer Frequenz benötigten Spulen relativ
kostspielig sind und einen erheblichen Platz beanspruchen.
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Alle diese Nachteile der bekannten Füllstandsmesser werden durch
die Erfindung in überraschend einfacher Weise vermieden, die darin besteht, daß
die Wechselspannungsquelle von einem Rechteckgenerator gebildet wird, so daß also
zur Bestimmung der Sondenkapazität ein mäanderförmiges Rechtecksignal Verwendung
findet. Als Rechteckgenerator ist besonders ein vorzugsweise transistorisierter,
astabiler Multivibrator geeignet.
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Die Verwendung eines derartigen Rechteckgenerators hat den Vorteil,
daß bei geeigneter Auslegung die mäanderförmige Ausgangsspannung annähernd so groß
ist wie die Speisespannung, so daß auch bei relativ niedrigen Speisespannungen Ausgangssignale
relativ hoher Spannung erzielt werden. Die Ausgangsspannung ist dabei der Speisespannung
des Generators im wesentlichen proportional, was insbesondere dann gilt, wenn zur
Erzeugung der Rechteckspannungen Schalitransistoren mit sehr hoher Stromverstärkung
Verwendung finden. Es ist daher möglich, durch Stabilisierung der Speisespannung
auch die Signalspannung zu stabilisieren. Temperaturschwankungen haben auf die Ausgangsspannung
praktisch keinen Einfluß. Andererseits ist es aber auch möglich, über die Speisespannung
einen gewünschten Einfluß auf die Signalamplitude zu nehmen, wie es bei einer bevorzugten
Ausführungsform der Erfindung der Fall ist. Ein weiterer Vorteil der Verwendung
eines Rechteckgenerators besteht darin, daß er sich durch einen extrem einfachen
Aufbau und einen sehr geringen Platzbedarf auszeichnet, weil er beispielsweise in
Form eines astabilen Multivibrators mit nur sehr wenigen Bauelementen erstellbar
ist und keinerlei Maßnahmen zur Temperaturkompensation nötig sind.
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Weitere Vorteile der Verwendung einer Rechteckspannung ergeben sich
aus der Möglichkeit, diese
Rechteckspannungen mit sehr geringem
Aufwand weiterzuverarbeiten.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen,
daß die Sondenkapazität Teil eines kapazitiven Spannungsteilers ist, an den das
Ausgangssignal des Rechteckgenerators angelegt ist.
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Es steht außer Zweifel, daß ein einfacher Spannungsteiler mit sehr
viel weniger Aufwand erstellbar ist als eine Brücke, die nicht nur eine höhere Anzahl
von Bauelementen umfaßt, sondern deren Nullzustand sorgfältig nach Betrag und Phase
abgeglichen werden muß, während bei der erfindungsgemäßen Schaltung ein Phasenabgleich
überhaupt nicht stattzufinden braucht. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist
dann vorgesehen, daß die an der Sondenkapazität abfallende Rechteckspannung differenziert
und das differenzierte Signal derart an den Eingang eines Verstärkers, dessen Ausgangssignal
einem Anzeigeinstrument zugeführt wird, gelegt wird, daß seine zwischen den Spitzen
vorhandene volle Spannung zur Aussteuerung des Verstärkers dient. Ein besonderer
Vorteil des Rechtecksignals liegt darin, daß es durch eine Differentiation in ein
Signal verwandelt werden kann, bei dem die Spannung zwischen den Spitzen fast doppelt
so groß ist wie die Spannung zwischen den Impulsfächern des Rechtecksignals. Da
das Rechtecksignal, das an der Sondenkapazität abgegriffen wird, schon eine erhebliche
Spannung aufweist, ist die Spannung des differenzierten Signals groß genug, um ohne
Spannungsverstärkung weiterverarbeitet werden zu können. Dies gilt insbesondere
dann, wenn die Nullinie des differenzierten Signals beispielsweise mit Hilfe einer
Kondensator-Dioden-Anordnung so weit angehoben wird, daß die volle Spannung zwischen
den Spitzen dieses Signals ausgenutzt werden kann. Der erwähnte Verstärker dient
dann im wesentlichen zur Leistungsverstärkung und Glättung des Signals, bevor es
einer Anzeigevorrichtung zugeführt wird.
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Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß das von
der Sondenkapazität abgeleitete Signal mit dem Ausgangssignal eines Verstärkers
verglichen wird, der von einer festen, vorzugsweise einstellbaren Bezugsspannung
ausgesteuert wird. Das Ausgangssignal dieses Verstärkers kann so eingestellt werden,
daß es die gleiche Größe hat wie das von der Sondenkapazität abgeleitete Signal,
wenn beispielsweise der zu überwachende Behälter leer ist Das die beiden Signale
vergleichende Anzeigeinstrument würde dann den Wert Null annehmen. Von besonderem
Vorteil ist es, wenn zur Signalverstärkung ein Verstärker vorgesehen wird, der den
gleichen Aufbau hat wie der zur Bildung des Vergleichssignals dienende Verstärker.
Dies hat den besonderen Vorteil, daß die Temperaturabhängigkeit der beiden Verstärker
genau gleich ist, so daß sich die Einflüsse von Temperaturschwankungen automatisch
kompensieren. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die beiden
zur Signalverstärkung und zur Bildung eines Vergleichssignals dienenden Verstärker
von transistorisierten Emitterfolgestufen gebildet, bei denen die Emitter über getrennte
Widerstände und eine gemeinsame Zenerdiode an der Betriebsspannung anliegen.
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Wie bereits erwähnt, ermöglicht der im wesentlichen lineare Zusammenhang
zwischen der Ausgangsspannung eines Rechteckgenerators und der Speisespannung eine
gewollte Beeinflussung der
Signalamplitude, die dazu benutzt werden kann, um die
Unlinearität zwischen der Änderung der Sondenkapazität und der in einem kapazitiven
Spannungsteiler daran abfallenden Spannung zu kompensieren.
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Zu diesem Zweck ist bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung vorgesehen, daß das Gerät von einer Energiequelle gespeist wird, die
im Gegensatz zu den sonst allgemein üblichen Netzgeräten nicht eine konstante Spannung,
sondern einen konstanten Strom liefert. Infolgedessen ist die an der Schaltung anliegende
Speisespannung von dem Innenwiderstand dieser Schaltung abhängig. Der Innenwiderstand
der Schaltung ist seinerseits eine Funktion der Kapazität der Meßsonde. Insbesondere
wirkt sich dabei der Widerstand der von der Signalspannung gesteuerten Verstärkerstufe
aus. Wie später noch im einzelnen erläutert wird, kann die Abhängigkeit der Speisespannung
vom Betriebszustand dazu benutzt werden, das nichtlineare Verhalten des kapazitiven
Spannungsteilers weitgehend zu kompensieren, so daß in einem gewünschten Meßbereich
ein praktisch linearer Zusammenhang zwischen der Sondenkapazität und der zur Anzeige
verwendeten Signalspannung vorhanden ist.
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Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen der Erfindung sind der folgenden
Beschreibung zu entnehmen, in der die Erfindung an Hand des in der Zeichnung dargestellten
Schaltbildes eines Füllstandsmeßgerätes nach der Erfindung näher beschrieben und
erläutert wird.
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Das in der Zeichnung dargestellte Füllstandsmeßgerät weist als Signalquelle
einen astabilen Multivibrator auf, der die Transistoren T1 und T2, die Widerstände
R 1, R 2, R 3 und R 4 und die Kondensatoren Cl und C2 umfaßt. Dieser einen üblichen
Aufbau aufweisende Multivibrator erzeugt am Kollektor des Transistors T2 eine mäanderförmige
Rechteckspannung, deren Frequenz in der Größenordnung von etwa 10 kHz liegt und
deren Spannung zwischen den Impulsdächern nur wenig geringer ist als die an den
Leitungen 1 und 2 anliegende Speisespannung. Das von dem Multivibrator erzeugte
Rechtecksignal ist in der Zeichnung durch den Kurvenzug a angedeutet.
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Zwischen den Kollektor des Transistors T2 und die Masseleitung 1
ist ein kapazitiver Spannungsteiler gelegt, der aus den Kondensatoren C3 und Cx
besteht. Der Kondensator Cx wird von der Meßsonde des Gerätes in Verbindung mit
den Wandungen des Behälters gebi]det, dessen Füllzustand überwacht werden soll.
Die Kapazität des Kondensators Cx ist also ein Maß für den Füllzustand des Behälters.
Die Anordnung dieses Kondensators in den Spannungsteiler bewirkt, daß an dem Kondensator
Cx eine Spannung ansteht, die von der Kapazität dieses Kondensators abhängig ist.
Dem Kondensator Cx ist ein Widerstand R 5 parallel geschaltet, der eine Differenzierung
des am Kondensator Cx anliegenden Signals bewirkt. Es entsteht somit das in der
Zeichnung durch den Kurvenzug b in bezug auf das Massepotential der Leitung 1 symmetrische
Signal b, dessen Amplitude gleich der zwischen den Impulsdächern gemessenen Spannung
des Rechtecksignals ist, das sich auf Grund des Teilungsverhältnisses am Kondensator
Cx ergeben würde.
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Das Signal b wird mit Hilfe eines weiteren Kondensators C 4, eines
Widerstandes R 6 und einer Diode D so weit angehoben, daß es im wesentlichen
über
der Nullinie liegt, wie es durch die Kurve c angedeutet ist.
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Das Signal c wird einem zweistufigen Gleichstromverstärker zugeführt,
der die Transistoren T3 und T4 umfaßt. Der Emitter des Transistors T3 ist mit der
Basis des Transistors T 4 verbunden, so daß die Basis-Emitter-Strecke des Transistors
T 4 den Emitterwiderstand des Transistors T3 bildet. Der Emitter des Transistors
T 4 liegt seinerseits über einem Emitterwiderstand R 7 und eine Zenerdiode Z1 an
der Masseleitung 1. Die Kollektoren der Transistoren T3 und T4 sind an die Leitung
2 angeschlossen und liegen daher unmittelbar an Speisespannung. Zur Glättung des
Signals ist zwischen den Emitter des Transistors T3 und die Masseleitung 1 ein Kondensator
C5 geschaltet. Durch diese -Schaltung wird erreicht, daß am Emitter des Transistors
T4 eine Ausgangsspannung d zur Verfügung steht, die fast der Spitzenspannung des
Signals c entspricht.
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Diese Spannung ist daher von der Größe des Kondensators Cx, also
von der Größe der Sondenkapazität, abhängig.
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Zur Bestimmung des Füllzustandes des Behälters wird die Spannung
d mit einer Normalspannung e verglichen, die mit Hilfe eines Gleichstromverstärkers
erzeugt wird, der die Transistoren T5 und T 6 umfaßt und dessen Aufbau dem Verstärker
mit den Transistoren T3 und T4 gleich ist. Der Basis des Transistors T5 wird eine
Bezugsspannung zugeführt, die von einem Spannungsteiler mit den Widerständen R 8,
R 9 und R 10 abgeleitet wird. Der mittlere Widerstand R 9 ist als Potentiometer
ausgebildet, dessen Abgriff mit der Basis des Transistors T5 verbunden ist. Der
Emitter des Transistors T5 ist wieder mit der Basis des Transistors T6 verbunden,
dessen Emitter über einen Widerstand R 11 an die gleiche Zenerdiode 71 angelegt
ist wie der Emitter des Transistors T 4. Mit Hilfe des Potentiometers R 9 wird die
an der Basis des Transistors T5 anliegende Bezugsspannung so eingestellt, daß die
Spannung e am Emitter des Transistors T6 den gleichen Wert hat wie die Spannung
d bei leerem Behälter. Wird der Behälter gefüllt, so nimmt die Sondenkapazität Cx
zu, der Widerstand dieses Kondensators nimmt ab und infolgedessen auch die an ihm
anliegende Spannung. Infolgedessen sinkt auch die Spannung d ab, so daß die Differenz
zwischen den Spannungen e und d ein Maß für den Füllzustand des Behälters ist.
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Infolgedessen wird diese Spannung mit Hilfe eines Meßinstrumentes
3 angezeigt, das unmittelbar in Größen geeicht sein kann, die den Füllzustand des
Behälters angeben. Dem Anzeigeinstrument 3 ist ein Regelwiderstand R 12 vorgeschaltet,
der es ermöglicht, das Instrument bei vollem Behälter auf Vollausschlag zu bringen.
Die Zenerdiode 71 ist so gewählt, daß ihre Durchbruchsspannung nur wenig unterhalb
der Spannung d liegt, die am Emitter des Transistors T4 bei vollem Behälter auftritt.
Auf diese Weise wird erreicht, daß der Aussteuerbereich des Transistors T4 praktisch
vollständig zur Verfügung steht, wodurch die Empfindlichkeit der Vorrichtung erheblich
gesteigert wird.
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Bei einer praktischen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gerätes
ist die bisher beschriebene Schaltung, abgesehen von dem Spannungsteiler R 8, R
9, R 10, der dem Leerabgleich der Vorrichtung dient, und dem Anzeigeinstrument 3
mit dem Vorwiderstand R 12, der zum Vollabgleich dient, mit
der Meßsonde zusammengebaut
und wird daher mit der Meßsonde in den zu überwachenden Behälter eingebaut. Dies
hat den besonderen Vorteil, daß nur Gleichspannungen übertragen zu werden brauchen,
deren Übertragung völlig unkritisch ist. Insbesondere werden störende Kapazitäten
vermieden, die durch Verbindungskabel zwischen Sonde und Meßgerät bedingt sein könnten.
Dies ist besonders deshalb von Vorteil, weil die Kapazität solcher Kabel häufig
sehr temperaturabhängig ist. Dagegen ist die beschriebene Schaltung selbst weitgehend
temperaturunabhängig, weil die Amplitude der Meßspannung im wesentlichen nur von
der Höhe der zugeführten Speisespannung und dem Wert des Kondensators Cx abhängt.
Die Temperaturabhängigkeit des Verstärkers mit den Transistoren T3 und T4 wird auf
sehr einfache Weise dadurch kompensiert, daß die Bezugsspannung mit der das Ausgangssignal
dieses Verstärkers verglichen wird; von einem gleichartigen Verstärker erzeugt wird.
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Das erfindungsgemäße Meßgerät wird von einem Netzgerät gespeist,
das zusammen mit dem Spannungsteiler zum Leerabgleich und dem Anzeigegerät 3 in
einem besonderen Gehäuse untergebracht ist. Die Verbindung erfolgt mit Hilfe von
Kabeln an den Stellen 4 bis 8.
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Das Netzgerät weist einen üblichen Netztransformator 9 auf, an den
sich ein Brückengleichrichter 10 anschließt, dessen Ausgangsspannung mit Hilfe eines
Kondensators C6 geglättet wird. Das Netzgerät weist weiterhin einen Transistor T7
auf, der so geschaltet ist, daß das Netzgerät entgegen der allgemeinen Übung einen
konstanten Strom statt einer konstanten Spannung abgibt. Zu diesem Zweck ist die
Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors in die Leitung 11 eingeschaltet, die von
dem negativen Ausgang des Gleichrichters 10 zu der Masseleitung 1 des Gerätes führt.
Die Basis des Transistors T7 wird mit Hilfe einer Zenerdiode 72 und dem in Serie
zu ihr geschalteten Widerstand R 13 auf einem gegenüber der Leitung 11 positiven
Potential gehalten. Das Potential am Emitter des Transistors T7 wird im wesentlichen
durch den Spannungsabfall an dem Emitterwiderstand R 14 bestimmt, der von dem Gesamtstrom
durchflossen wird, der an das Meßgerät abgegeben wird. Sinkt der Strom durch den
Widerstand R 14 ab, so sinkt auch die Emitterspannung des Transistors T7 ab und
die Basisspannung wird gegenüber dem Emitter stärker positiv, so daß der Innenwiderstand
des Transistors T 7 ebenfalls abnimmt und dadurch wieder einen größeren Strom zuläßt.
Bei einer Zunahme des Stromes reagiert der Transistor umgekehrt.
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Da das erfindungsgemäße Meßgerät mit einem konstanten Strom versorgt
wird, hängt die Spannung zwischen den Leitungen 1 und 2 von dem Widerstand der Schaltung
zwischen diesen beiden Leitungen ab. Dieser Widerstand ist seinerseits eine Funktion
der Sondenkapazität, denn der Widerstand des den Transistor T4 enthaltenden Zweiges
ist eine Funktion seiner Aussteuerung. Der Transistor T 4 hat einen niedrigen Widerstand,
wenn die Sondenkapazität klein ist, und einen großen Widerstand, wenn die Sondenkapazität
groß ist. Dies hat zur Folge, daß bei großer Sondenkapazität die Spannung zwischen
den Leitungen 1 und 2 geringer ist als bei geringer Sondenkapazität. Infolgedessen
hat auch das vom Multivibrator erzeugte Signal eine
geringere Spannung,
und die durch eine Kapazitätsänderung erzeugte Spannungsänderung ist geringer als
in dem Bereich, in dem die Sondenkapazität groß und daher die Spannung zwischen
den Leitungen 1 und 2 geringer ist.
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Auf diese Weise ist es möglich, die Unlinearität eines kapazitiven
Spannungsteilers zu kompensieren, bei dem bei kleiner Kapazität eine bestimmte Kapazitätsänderung
eine größere Spannungsänderung zur Folge hat als bei großer Kapazität.
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Ein weiterer Vorteil der Spannungsänderung, die durch die Anwendung
einer Quelle konstanten Stromes erzielt wird, besteht darin, daß die Spannungserhöhung,
die mit einer kleineren Aussteuerung des Transistors T4 und mit einem Absinken seiner
Emitterspannung d verbunden ist, zugleich eine Erhöhung der Emitterspannung am Transistor
T6 zur Folge hat. Hierdurch wird die Differenzspannung Um, die von dem Meßinstrument3
gemessen wird, erhöht, und es wird dementsprechend die Empfindlichkeit des Gerätes
gesteigert.
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Aus den vorstehenden Ausführungen ist ersichtlich, daß durch die
Erfindung ein Gerät geschaffen wird, das sich durch einen sehr einfachen Aufbau
auszeichnet und trotzdem in dem benötigten Bereich eine gute Linearität und eine
geringe Temperaturabhängigkeit aufweist. Insbesondere ist ersichtlich, daß das erfindungsgemäße
Meßgerät nicht nur zur Messung der Sondenkapazität bei Tankinhaltsmeßgeräten Anwendung
finden kann, sondern daß auf die beschriebene Weise auch von anderen Organen gebildete
Kapazitäten gemessen und/oder überwacht werden können.