DE2120407B2

DE2120407B2 - Kapazitäts-Meßschaltung

Info

Publication number: DE2120407B2
Application number: DE2120407A
Authority: DE
Inventors: Frederick L Maltby
Original assignee: Drexelbrook Controls Inc
Current assignee: Drexelbrook Controls Inc
Priority date: 1970-04-27
Filing date: 1971-04-26
Publication date: 1978-10-26
Also published as: DE2120407C3; US3706980A; JPS466088A; JPS5926889B1; GB1343134A; CA947821A; US3879644A; DE2120407A1

Description

Bei der aus der DE-AS 1275 777 bekannten, im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beschriebenen Kapazitäts-Meßschaltung ist die Meßsonde in der be-

■?<· schriebenen Weise ausgebildet und angeschlossen, um möglichst weitgehend zu vermeiden, daß sich Ablagerungen auf derselben nachteilig auf die Genauigkeit der Messung auswirken. Da aber bei der bekannten Kapazitäts-Meßschaltung der Detektor direkt an die

y> Meßstrecke angeschlossen ist, machen sich trotzdem Verschmutzungen durch die hiermit verbundene Ohmsche Belastung bemerkbar, so daß der Verstärker eine außerordentlich hohe Verstärkung haben muß, wenn durch die bekannte Schaltung der erwünschte

jo Zweck tatsächlich erreicht werden soll (der Verstärkungsfaktor müßte bei etwa 2400 liegen). Die bekannte Schaltung kann daher ihren Zweck nicht unter allen Umgebungsbedingungen erfüllen, es sei denn, man nähme einen Verstärker mit außerordentlich ho-

i-5 hem Verstärkungsfaktor in Kauf, der entsprechend teuer ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Kapazitäts-Meßschaltung zu schaffen, die bei geringem Schaltungsaufwand auch bei starken Ver-

4» schmutzungen auf der Sonde stabil und genau arbeitet. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei der Kapazitäts-Meßschaltung der gattungsgemäßen Art durch die vom kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 erfaßten Maßnahmen gelöst.

Hierbei ist zwischen die Wechselspannungsquellc und den Detektor eine Brückenschaltung geschaltet, an die Innenleiter und Schutzschirm des Anschlußkabels und damit Meßelektrode und Schutzschirm so angeschlossen sind, daß zusätzlich eine Nullpunktver-Schiebung der Meßkennlinie vermieden wird. Es tritt lediglich eine Änderung der Steigung der Meßkennlinie ein, die aber durch geeignete Wahl der vierten Impedanz praktisch vernachlässigbar klein werden kann.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Kapazitäts-Meßschaltung sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 8.

Anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele wird die Erfindung näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 das Schnittbild einer Meßsonde mit schematischer Darstellung eines zu überwachenden Behälters,

Fig. 2 das Schaltbild einer Kapazitäts-Meßschal-

fa5 tung,

Fig. 2a das Ersatzschaltbild einer bekannten, der der DE-AS 1275777 in ihrem Verhalten ähnlichen Schaltung,

Fig. 2b die Ausgangsspannungs-Kennlinien der bekannten Schaltung,

Fig. 2c das Ersatzschaltbild der erfindungsgemäßen Schaltung,

Fig. 2d die Ausgangsspannungs-Kennlinien der erfindungsgemäßen Schaltung,

Fig. 3 eine abgewandelte Ausführungsform der Sonde und

Fig. 4 eine weitere modifizierte Ausführungsform der Sonde.

Gemäß Fig. 1 umfaßt die Sonde 10 eine Meßelektrode U und einen Schutzschirm 12. Zwischen der Elektrode 11 und dem Schirm 12 befindet sich eine Isolation 13. Eine weitere Isolation 14 ist zwischen dem Schutzschirm 12 und einer Halterung angeordnet, die mit einem leitenden Element 15 elektrisch verbunden ist. Das leitende Element 15 bildet den Behälter für das Material 16, dessen Niveau oder Pegelstand gemessen werden soll. Die Kapazität zwischen der Meßelektrode 11 und dem leitenden Element 15 ist ein Maß für das Niveau dieses Materials. Das leitende Element 15 ist Erde, wenn der Behälter aus Glas oder einem sonstigen nicht leitenden Material besteht.

Gemäß Fig. 2 umfaßt eine Kapazitätsbrücke einen ersten Kondensator 17 und einen zweiten Kondensator 18, die in zwei festen nebeneinanderliegenden Zweigen der Brücke eingeschaltet sind. Durch die Kondensatoren 17 und 18 wird eine feste Bezugsspannung erzeugt, die kleiner ist als die von einem HF-Oszillator 23 erzeugte Wechselspannung mit konstanter Amplitude. Die entgegengesetzten nebeneinanderliegenden Zweige der Brücke enthalten einen manuell einstellbaren Kondensator 19 und die variable Kapazität 20 zwischen der Meßelektrode 11 und dem leitenden Element 15. Ein Koaxialkabel von der Sonde verbindet die Meßelektrode 11 mit dem Verbindungspunkt 21 zwischen den entgegengesetzten nebeneinanderliegenden Brückenzweigen, während das leitende Element 15 an das Bezugspotential (Erde) angeschlossen ist. Ein dritter Kondensator 22 liegt zwischen dem Verbindungspunkt des ersten Kondensators 17 mit dem zweiten Kondensator 18 einerseits und dem Verbindungspunkt 21 andererseits. Der Außenleiter des Koaxialkabels ist an den Schutzschirm 12 angeschlossen. Dies wird Teil des Kondensators 22. Daher kann die Länge des Kabels verändert werden, ohne den Arbeitspunkt zu verlagern.

An den Verbindungspunkt 21a zwischen den beiden Kondensatoren 17 und 18 ist der Eingang eines ersten Funktionsverstärkers 24 angeschlossen, dessen Ausgang mit dem Schutzschirm 12 verbunden ist. Der Funktionsverstärker 24 weist im wesentlichen 100%ige Rückkopplung auf, was den Schutzschirm 12 bei Abgleich der Brücke auf dem gleichen Potential hält wie die Meßelektrode 11. Der Ausgang des Funktionsverstärkers 24 ist ferner mit dem Eingang 25 b eines Ausgangsverstärkers 25 verbunden, dessen anderer Eingang 25ö an der Meßelektrode 11 liegt.

Das Ausgangssignal des Ausgangsverstärkers 25 repräsentiert das zu messende Materialniveau. Wie in Fig. 2 gezeigt, wird das Instrument zur Erzeugung eines Ein/Aus-Relaisbetriebs verwendet, wobei die Umschaltung dann erfolgt, wenn das Material einen bestimmten Punkt in dem Gefäß erreicht. Wie leicht einzusehen, läßt sich das Erfindungsprinzip jedoch auch in einem System mit kontinuierlicher Messung einsetzen, bei dem ein Ausgangssignal zur Anzeige des Materialniveaus erzeugt wird.

Das Ausgangssignal des Verstärkers 25 liegt am Eingang 26e, 26b eines einen phasenempfindlichen > Gleichrichter darstellenden Detektors 26. Für die eine Phase bilden ein Kondensator 27, eine Diode 28, ein Kondensator 29 und eine Diode 30 einen den Spitzenwert haltenden Gleichrichter, dessen Ausgangssignal gleich der Spitze-Spitze-Schwingung aus der Summe

ι» der Schutzschirmspannung und der Ausgangsspannung ist. Für die gleiche Phase bilden ein Kondensator 31, eine Diode 32, ein Kondensator 33 und eine Diode 34 einen weiteren, den Spitzenwert haltenden Gleichrichter, dessen Ausgangssignal gleich der Spitze-

r> Spitze-Schwingung der Differenz zwischen der Schutzschirmspannung und der Ausgangsspannung ist. In der entgegengesetzten Phase kehren sich die Funktionen dieser beiden Kreise um. Beim Abgleich sind die Spannungen an den Kondensatoren 29 und

-'Ii 33 gleich. Besteht eine Auslenkung gegenüber dem Abgleich in dereinen Richtung, so wird die Spannung am Kondensator 29 stärker und die Spannung am Kondensator 33 schwächer positiv. Liegt eine Abweichung vom Abgleich in entgegengesetzter Richtung

-'"> vor, so sind die Spannungsänderungen an den Kondensatoren 29 und 33 entgegengesetzt. Die Ausgangssignale des phasenempfindlichen Gleichrichters 26 liegen über Emitterfolger 35 und 36 an einem Wählschalter 37.

in Ein Transistor 38 steuert ein Relais 39, wenn die gemessene Kapazität einen vorher eingestellten Grenzwert überschreitet. Die Relaiskontakte können zur Betätigung von Alarmeinrichtungen, Elektromagnetventilen oder sonstigen Geräten verwendet wer-

n den. Über den Schalter 37 ist jeweils einer von zwei Betriebsmodi wählbar. Am oberen Sicherungswert fällt das Relais 39 ab, wenn das Materialniveau eine vorher eingestellte Höhe überschreitet, d. h. wenn die Kapazität einen gewissen Wert überschreitet. An der

in unteren Sicherungsgrenze fällt das Relais dann ab, wenn das Materialniveau eine gegebene Höhe unterschreitet, d. h. wenn die Kapazität unter einen gegebenen Wert abfällt.

Für einen ordnungsgemäßen Betrieb des Systems

π ist es wichtig, daß der Funktionsverstärker 24 den Schutzschirm 12 im normalen Zustand des Brückenabgleichs auf dem gleichen Potential hält wie die Meßelektrode 11. Wird Fremdmaterial, beispielsweise Schmutz, zwischen den Schutzschirm 12 und die Meß-

)0 elektrode 11 verspritzt, so hat dies keine Auswirkung, da die beiden Elektroden auf gleichem Potential liegen. Spritzt Schmutz zwischen den Schutzschirm und Erde, d. h. die Behälterwand, so hat der Verstärker 24 genügend Leistung, um das Potential am Schutz-

■-,-, schirm 12 konstant zu halten.

Unter gewissen Umständen kann die Ablagerung von Fremdmaterial so stark werden, daß der Verstärker 24 das Potential am Schutzschirm 12 nicht mehr aufrechterhalten kann. Um diesen Zustand festzustel-

bii len, ist ein Schutzschirm-Monitor 40 vorgesehen, der in diesem Fall das Relais 39 abwirft. Die Spannungsdifferenz zwischen Eingang und Ausgang des Verstärkers 24 wird dabei über einen Verstärker 41 gemessen. Überschreitet die genannte Differenz einige

h', Millivolt, so bewirkt der Verstärker 41 über einen Wählschalter 42 das Abschalten des Relais 39. Je nachdem, ob das System in dem Modus der oberen oder in dem der unteren Sicherungsgrenze arbeitet,

wird der Wählschalter 42 in eine seiner beiden Stellungen gelegt.

Die verbesserten Betriebseigenschaften der erfindungsgemäßen Kapazitäts-Meßschaltung lassen sich am besten anhand von Fig. 2 a bis 2d demonstrieren. Fig. 2a zeigt das Ersatzschaltbild einer Kapazitätsbrücke, die die unbekannte Kapazität C_x sowie den Ausgangsverstärker 43 enthält. Gemäß dem Stand der Technik sind die Ausgangsverstärker direkt zu der unbekannten Kapazität parallel geschaltet. Eine Änderung der Eingangsimpedanz des Verstärkers 43 bewirkt eine Verschiebung des Nullpunktes der Ausgangsspannung. Fig. 2b zeigt die Ausgangsspannung als Funktion der Kapazität eine Meßschaltung nach dem Stand der Technik. Die beiden Kurven geben die Arbeitskennlinien für zwei verschiedene Werte der Eingangsimpedanz des Verstärkers 43 wieder. Wie ersichtlich, bewirkt eine Änderung der Impedanzeine signifikante Änderung der zum Ausgleich erforderlichen Kapazität C_x.

Demgegenüber ist in Fig. 2c das Ersatzschaltbild einer erfindungsgemäßen Meßschaltung gezeigt. Eine Änderung der Eingangsimpedanz des Verstärkers 25 ändert nur die Steigung der Ausgangsspannungs-Kurve, wie dies in Fig. 2d gezeigt ist. Bei gleicher Änderung der Eingangsimpedanz des Verstärkers tritt keine Änderung der zum Abgleich erforderlichen Kapazität auf. Hat der Kondensator 22 einen hohen Wert, was erwünscht ist, so ist die Änderung der Steigung vernachlässigbar.

Fig. 3 zeigt eine modifizierte Ausführungsform der Erfindung, bei der die Sonde die Form eines bündig eingebauten Fühlers hat. Derartige Fühler sind normalerweise an der Seite eines mit Material zu füllenden Behälters 44 angeordnet. Ein flaches Stück 45 aus leitendem Material bildet die Meßelektrode. Sie ist auf einer Isolation 46 angeordnet, die sie gegen die Behälterwand isoliert. Den Schutzschirm bildet ein hohles Viereck 47 aus leitendem Material. Der Schutzschirm umgibt die Meßelektrode 45 vollständig, ist jedoch gegenüber dieser isoliert. Nicht gezeigt ist der Teil des Schutzschirms hinter der Platte 45, der diese gegenüber dem geerdeten Halteelement hinter der Platte 45 isoliert.

Eine weitere modifizierte Ausführungsform der Sonde ist in Fig. 4 dargestellt. Die Meßelektrode 48 bildet eine ebene Fläche aus leitendem Material, die der Materialoberflächc 49, dessen Annäherung gemessen werden soll, gegenübersteht. Der Schutzschirm 50 ist von der Meßelektrode durch eine Isolation 51 getrennt. Der Schutzschirm 50 verläuft '' bezüglich der Meßelektrode 48 über den größten Teil der Fläche der Meßelektrode horizontal sowie zur Halterung der Meßelektrode senkrecht zur Fläche dieser Elektrode. Der Schutzschirm 50 bildet die einzige freiliegende Fläche der Elektrodenhalterung.

Spritzt Fremdmaterial, etwa Schmutz 52, an die Sonde, so wird die Kapazitätsmessung zwischen der Meßelektrode und der Materialoberfläche nicht beeinflußt. Zu beachten ist, daß bei Abwesenheit des Schutzschirms 50 Schmutz, der zwischen die Meß-

i' elektrode 48 und die mit der Oberfläche 49 elektrisch verbundene Halterung 53 spritzt, die Kapazitätsmessung beeinflussen würde.

Sämtliche Modifikationen der erfindungsgemäßen Sonde weisen ein gemeinsames Erfindungsmerkmal

-'» auf. Bei allen Sonden verläuft der Schutzschirm über den gesamten Körper der Sonde. Dies steht im Gegensatz zu der Konstruktion, wie sie beispielsweise in der US-PS 3 119266 gezeigt ist, wo die Schutzelektrode zwar an der Oberfläche der Sonde vorgesehen

-'"> ist, sich jedoch nicht über den ganzen Körper der Sonde erstreckt.

Das beschriebene System spricht nur auf kapazitiven Fehlabgleich, nicht dagegen auf Widerstands-Fehlabgleich an. In der Praxis liegt in dem Verstärker

i» 25 eine kleine Phasenverschiebung vor, so daß das System auf kleinen Widerstands-Fehlabgleich anspricht.

Im vorstehenden ist die Verbindung des Ausgangsverstärkers in bezug auf eine Kapazitätsbrücke be-

J) schrieben worden; wie ersichtlich, ist diese Art der Einschaltung des Ausgangsverstärkers jedoch auch bei anderen Meß-Systemen anwendbar. Die beiden festen nebeneinanderliegenden Brückenzweige dienen nur dazu, einen Teil der Oszillatorspannung zu

4(i erzeugen. Der Funktionsverstärker 24 bildet die Einrichtung, die diesen Teil der Oszillatorspannung an einer niedrigen Impedanz zur Verfügung stellt. Es können auch andere Techniken verwendet werden, um einen Teil der Oszillatorspannung bei niedriger

-π Impedanz zu erzeugen. Beispielsweise würde ein Widerstandsteiler in Verbindung mit einem Hochleistungs-Oszillator diese Funktion erfüllen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Kapazitäts-Meßschaltung mit einer Sonde, bestehend aus einem von der Meßelektrode isolierten Schutzschirm und einem vom Schutzschirm isolierten, geerdeten Element, mit einer Wechselspannungsquelle und einem Detektor, wobei die Meßelektrode der Sonde zur Anzeige des Füllstandes an einen Eingang des Detektors angeschlossen ist, gekennzeichnet durch die Vereinigung folgender Merkmale:

a) an die Wechselspannungsquelle (23) sind eine erste (17) und eine zweite Impedanz (18) angeschlossen, die miteinander in Reihe geschaltet sind und deren erster Impedanz (17) eine Reihenschaltung aus einer dritten einsteilbaren (19) und einer vierten Impedanz (22) parallel geschaltet ist,

b) an den Verbindungspunkt (21) der Reihenschaltung aus der dritten und der vierten Impedanz sind die Meßelektrode (11) und ein Eingang (26a) des Detektors (26) angeschlossen,

c) der Verbindungspunkt (21a) zwischen erster und zweiter Impedanz ist mit dem Schutzschirm (12) und einem zweiten Eingang (266) des Detektors (26) verbunden.

2. Kapazitäts-Meßschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungspunkt (21a) zwischen erster und zweiter Impedanz (17,18) über einen Verstärker (24), dessen Ausgang auf seinen zweiten Eingang rückgekoppelt ist, mit dem Schutzschirm (12) und dem zweiten Eingang (26 b) des Detektors (26) verbunden ist.

3. Kapazitäts-Meßschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an den Verbindungspunkt (21a) zwischen erster (17) und zweiter Impedanz (18) und an den Schutzleiter (12) ein Monitor (40) angeschlossen ist, der bei Überoder Unterschreiten einer Sicherheitsgrenze anspricht.

4. Kapazitäts-Meßschaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (26) mit einer durch das Ausgangssignal des Detektors einschaltbaren Alarmeinrichtung (Relais 39) verbunden ist.

5. Kapazitäts-Meßschaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Verstärker (25) an den Ausgang des ersten Verstärkers (24) und den Verbindungspunkt (21) der Reihenschaltung aus der dritten (19) und der vierten Impedanz (22) angeschlossen und dem Detektor (26, 26a, 26b) vorgeschaltet ist.

6. Kapazitäts-Meßschaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schutzschirm (12) sich über eine beträchtliche Länge des Sondenkörpers erstreckt und freiliegt.

7. Kapazitäts-Meßschaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde ein bündig an der Wand eines Behälters angeordneter Fühler ist, daß der Behälter ein leitendes Element (15, 44, 49) bildet, daß die Elektrode ein gegenüber dem Behälter isolierte»· flacher Leiter (45) ist, und daß der Schutzschirm (47) aus leitendem Material ausgebildet ist, die Elektrode mit Ausnahme der Fühlerfläche vollständig umgibt und gegenüber der Meßelektrode (11) isoliert ist.

8. Kapazitäts-Meßschaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode eine ebene Fläche (48) aufweist, die der Oberfläche aes Materials, dessen Annäherung gemessen werden soll, gegenübersteht, daß der Schutzschirm (50) von der Elektrode durch eine Isolation (51) getrennt ist und als einzige freiliegende Halterung die Elektrode hält.