DE3127637C2

DE3127637C2 - Anordnung zur Feststellung des Füllstands in einem Behälter

Info

Publication number: DE3127637C2
Application number: DE3127637A
Authority: DE
Inventors: Volker 7850 Lörrach Dreyer; Hans-Jürgen Ing.(grad.) 7860 Schopfheim Franz
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 1980-08-01
Filing date: 1981-07-13
Publication date: 1988-08-18
Also published as: SE447305B; FR2487976B1; NL8103569A; IT8123318A0; NL187994B; US4412450A; NL187994C; SE8104632L; GB2081452A; GB2081452B; IT1137773B; FR2487976A1; DE3127637A1; NL9200020A; CH652499A5

Abstract

Eine Anordnung zur kapazitiven Feststellung des Füllstands in einem Behälter (1) enthält eine im Behälter isoliert angeordnete kapazitive Sonde (2), deren Kapazität vom Füllstand abhängt. Am Ort des Behälters (1) ist ein Meßwandler (3) angeordnet, der über eine Zweidrahtleitung (5) mit einem vom Behälter (1) entfernt angeordneten Auswertegerät (4) verbunden ist. Der Meßwandler (3) erzeugt ein von der Sondenkapazität abhängiges Meßwertsignal. Die Zweidrahtleitung (5) dient gleichzeitig zur Übertragung der Meßwertsignale vom Meßwandler (3) zum Auswertegerät (4) und zur Stromversorgung des Meßwandlers (3). Eine im Meßwandler (3) angeordnete Schaltvorrichtung (30, 17Δ), die durch eine im Auswertegerät (3) angeordnete Steueranordnung (9, 29) periodisch betätigt wird, schaltet den Meßwandler von der kapazitiven Sonde (2) auf eine Testkapazität (42) um, die von jeder im normalen Betrieb vorkommenden Sondenkapazität verschieden ist. Der Meßwandler (3) liefert somit periodisch abwechselnd Meßwertsignale, die von der Sondenkapazität abhängig sind, und Testsignale, die das einwandfreie Arbeiten des Meßwandlers anzeigen. Eine im Auswertegerät (4) angeordnete Detektorschaltung (28) prüft, ob die Meßwertsignale und die Testsignale im richtige Takt abwechselnd aufeinanderfolgen, und sie zeigt eine Störung an, wenn dies nicht der Fall ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Feststellung des Füllstands in einem Behälter nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Anordnungen dieser Art ermöglichen es, durch Umschaltung auf die Testkapazität die Funktionsfähigkeit des Meßwandlers zu überprüfen und vorkommende Fehler und Störungen des Meßwandlers zu erkennen. Bei einer aus der DE-PS 22 59 849 bekannten Anordnung dieser Art ist die Schaltvorrichtung ein Relais, das durch eine getrennte Steuerleitung erregt wird. Wenn die Überprüfung von dem vom Behälter enifernt angeordneten Auswertegerät her ausgelöst werden soil, wird daher zusätzlich zu den Leitern, die die für den Betrieb des Meßwandlers erforderliche Gleichstromenergie und das Meßwertsigna! übertragen, wenigstens ein zusätzlicher Leiter für die Steuerung des Relais benötigt.

In vielen Anwendungsfällen bes.eht die Forderung, die Anzahl der Leiter zwischen dem Meßwandier und dem Auswertegerät möglichst klein zu halten. Es sind bereits verschiedene Anordnungen bekannt, bei denen das Auswertegerät mit dem Meßwandler durch eine Zweidrahtleitung verbunder, ist, über die einerseits die für den Betrieb des Meßwandlers erforderliche Gleichsromenergie vom Auswertegerät zum Meßwandler und andererseits das vom Meßwandler gelieferte Meßwertsignal zum Auswertegerät übertragen werden.

Aus der DE-OS 27 Ol 184 ist es bekannt, zum Zweck der Überlagerung der Meßwertsignale im Nebenschluß zu dem Meßwandler an die Zweidrahtleitung einen im Takt der Meßwertsignale gesteuerten Widerstandszweig anzuschließen. Die Meßwertsignale sind dann zusätzliche Stromimpulse, die dem über die Zweidrahtleitung übertragenen Versorgungsgleichstrom überlagert sind. Die Folgefrequenz der überlagerten Stromimpulse drückt dann den Füllstand im Behälter aus. Es ist auch möglich, die Frequenz des Oszillators in einen davon abhängigen Gleichstrom umzuwandeln und diesen Gleichstrom als Meßwertsignal dem Versorgungsgleichstrom auf der Zweidrahtleitung zu überlagern. Das Auswertegerät ist dann so ausgebildet, daß es auf die Änderungen des Gleichstroms anspricht.

In jedem dieser Fälle ist es unerwünscht, wenn zusätzlich zu der Zweidrahtleitung eine zusätzliche Leitung benötigt wird, um die Schaltvorrichtung zum Zweck eier Funktionsprüfung und Fehlererkennung zu betätigen.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Anordnung der eingangs angegebenen Art, welche die Überprüfung der Funktionsfäh'gkeit und das Erkennen von Fehlern und Störungen des Meßwandlers vom Auswertegerät her ermöglicht, ohne daß hierfür zusätzliche Leiter benötigt werden.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Bei der nach der Erfindung ausgebildeten Anordnung werden alle Funktionen der Stromversorgung, Meßwertsignal-Übertragung und Funktionsprüfung mit der geringstmöglichen A,nzahl von Leitern, nämlich einer einfachen Zweidrahtleitung erfüllt. Die Maßnahme, impulsförmige Änderungen der Stromversorgungs Gleichspannung als Steuersignale für die Funktionsprüfung zu verwenden, ergibt einen besonders.einfachen Aufbau, weil keine besondere Steuersignalquelle benötigt wird. Die impulsförmigen Änderungen der Stromversorgungs-Gleichspannung beeinträchtigen den Betrieb der Anordnung nicht, weil sie nur zur Auslösung

der Schaltvorgänge dienen, während in den durch die Schaltvorgänge bestimmten Meß- und Testzeitintervailen die volle Stromversorgungs-Gleichspannung vorhanden ist. Im übrigen kann gemäß einer Weiterbildung der Erfindung im Meßwandier ein Energiespeicher zur Überbrückung der periodischen impulsförmigen Änderungen der Stromversorgungs-Gleichspannung vorgesehen sein.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß die kapazitive Sonde eine vom Behälter isolierte Sondenelektrode aufweist, über die ein von der Schaltvorrichtung gesteuerter galvanischer Stromkreis verläuft, und daß eine Detektorschaltung vorgesehen ist, die auf die durch die periodische Betätigung der Schaltvorrichtung im galvanischen Stromkreis erzeugten periodischen Stromimpulse anspricht und beim Ausfall der periodischen Stromimpulse die Übertragung einer diesen Ausfall kennzeichnenden Information zum Auswertegerät bewirkt.

Durch diese Weiterbildung kann insbesondere festgestellt werden, ob im Sondenanschluß ein Kurzschluß oder eine Unterbrechung besteht. In beiden Fällen empfängt nämlich die Detektorschaltung keine Strom-, impulse mit der Folgefrequenz der Betätigung der Schaltvorrichtung, sondern ein konstantes Potential.

Weitere Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 das Blockschema einer Anordnung nach der Erfindung,

Fig.2 das Schaltbild des Meßwandlers der Anordnung von Fig. 1,

F i g. 3 das Blockschema einer anderen Ausführungsform der Anordnung nach der Erfindung und

F i g. 4 das Blockschaltbild einer Ausführungsform des Auswertegeräts.

Die in Fig. i gezeigte Anordnung dient zur Feststellung des Füllstands in einem Behälter 1, der eine Flüssigkeit oder ein Schüttgut enthält. Als Beispiel sei angenommen, daß es sich um die Feststellung eines vorbestimmten Minimal- oder Maximalgrenzstands handelt, so daß die Anordnung als Grenzschalter arbeitet. Im Behälter 1 ist eine kapazitive Sonde 2 angeordnet, deren Kapazität sich in Abhängigkeit vom Füllstand ändert. Ein am Ort des Behälters angeordneten elektrischer Meßwandler 3 stellt die Änderungen der Kapazität der Sonde 2 fest und wandelt sie in impulsförmige Meßwertsignale um, die zu einem an entfernter Stelle angeordneten Auswertegerät 4 übertragen werden. Der Meßwandler 3 ist mit dem Auswertegerät über eine Zweidrahtleitung 5 verbunden; über diese Zweidrahtleitung erfolgt einerseits die Stromversorgung des Meßwandlers 3 durch eine am Ort des Auswertegeräts 4 angeordnete Gleichspannungsquelle 6 und andererseits die Übertragung der Meßwertsignale vom Meßwandler 3 zum Auswertegerät 4. In der üblichen Weise können die Meßwertsignale im Auswertegerät 4 dazu benutzt werden, das Erreichen des zu erfassenden Minimal- oder Maximalfüllstands anzuzeigen, oder auch zur Auslösung von Schaltvorgängen, mit denen beispielsweise ein Füll- oder Entleerungsvorgang eingeleitet oder beendet wird.

Der eine Leiter 5a der Zweidrahtleitung 5 verbindet eine Klemme 7 a des Meßwandlers 3 mit einer Klemme 8a des Auswertegeräts 4, an die auch der Pluspol der Gleichspannungsquelle 6 unmittelbar angeschlossen ist. Der andere Leiter 5b der Zweidrahtleitung 5 verbindet

eine Klemme Tb des Meßwandlers 3 mit einer Klemme Sb des Auswertegeräts 4, die über einen Schalter 9 mit dem Minuspol der Gleichspannungsquelle 6 in Verbindung steht.

Die kapazitive Sonde 2 weist eine stabförmige Sondenelektrode 10 auf, welche die eine Belegung der zu messenden Kapazität bildet, während die andere Belegung durch die Metallwand des Behälters 1 gebildet ist. Die Sondenelektrode 10 kann durch einen vertikal im Behälter angeordneten Metallstab mit einer Dicke von etwa 12 mm gebildet sein, der durch eine isolierende Umhüllung vom Behälter 1 und dem darin enthaltenen Füllgut isoliert ist.

Eine Anschlußklemme Ma am Behälter ί ist durch einen Leiter 12 direkt mit der Klemme 7 a verbunden. Der Behälter 1 liegt somit auf dem Potential des Pluspols der Spannungsquelle 6. Da der Behälter 1 im allgemeinen geerdet ist und das Erdpotential zweckmäßig als Massepotential der elektronischen Schaltungen gewählt wird, handelt es sich um eine Schaltung mit »Pluspol an Masse«.

Die Stromversorgung der im Meßwandler 3 enthaltenen elektronischen Schaltungen erfolgt zwischen zwei Leitern 13 und 14, von denen der-Leiter 13 das positive Massepotential führt, während der Leiter 14 das negative Potential führt. Der Leiter 13 ist aber nicht unmittelbar mit der Klemme 7a verbunden, sondern an eine zweite Anschlußklemme 11A> des Behälters 1 angeschlossen, die im Abstand von der Anschlußklemme 11a liegt. Durch diese Maßnahme wird überwacht, ob die vom Behälter 1 gebildete Belegung der Meßkapazität richtig angeschlossen ist. Wenn nämlich die Verbindung zwischen dem Behälter 1 und dem Pluspol der Spannungsquelle 6 an irgendeiner Stelle unterbrochen ist, ist auch die Stromversorgung des Meßwandlers 3 unterbrochen, so daß er keine Signale liefert. Das vollständige Ausbleiben von Signalen wird im Auswertegerät 4 als Anzeichen für das Bestehen eines Fehlers festgestellt.

Der Leiter t4 ist mit der Klemme Tb über eine Diode

15 verbunden, so daß der Versorgungsgleichstrom zum negativen Pol der Gleichspannungsquelle 6 zurückfließen kann, wenn der Schalter 9 geschlossen ist.

Zwischen den Leitern 13 und 14 ist ein Kondensator

16 angeschlossen, der im Betrieb im wesentlichen auf die Spannung der Gleichspannungsquelle 6 aufgeladen ist und als Energiespeicher wirkt.

Der Meßwandler 3 enthält einen HF-Oszillator 20, der über einen Schalter 17 mit einer Anschlußklemme ISa am einen Ende der stabförmigen Sondenelektrode 10 verbunden ist. Der Oszillator 20 ist so ausgebildet, daß er auf einer bestimmten Frequenz (beispielsweise etwa 400 kHz) schwingt, wenn der Schalter 17 geöffnet ist Beim Schließen des Schalters 17 wird die zwischen den Klemmen 116 und 18a vorhandene Sondenkapazität zur Schwingkreiskapazität des HF-Oszillators 20 hinzugeschaltet so daß die Schwingfrequenz des Oszillators 20 in Abhängigkeit vom Wert der Sondenkapazität mehr oder weniger stark verringert wird. Der Wert der Sondenkapazität hängt vom Füllstand und von der Dielektrizitätskonstante des Füllguts ab; sie ist am kleinsten, wenn der Füllstand tiefer als das untere Ende der Sondenelektrode 10 ist, so daß die Sonde vollkommen von Luft als Dielektrikum umgeben ist. Die Sondenkapazität wächst mit zunehmender Bedeckung der Sonde durch das Füllgut, und sie erreicht ihren Maximalwert, wenn die Sonde vollständig vom Füllgut bedeckt ist Bei diesem Maximalwert der Sondenkapazität hat die Schwingfrequenz des Oszillators 20 ihren kleinsten Wert. Bei dem zuvor angenommenen Zahlenwert der maximalen Schwingfrequenz (_m,_x — 400 kHz (bei offenem Schalter 17) kann die minimale Schwingfrequenz (bei geschlossenem Schalter 17 und vollständig bedeckter Sonde) beispielsweise f_mi„ = 138 kHz betragen.

Die Schwingfrequenz liegt zwischen diesen beiden Werten, wenn die Sonde nicht oder nur teilweise vom Füllgut bedeckt ist und der Schalter 17 geschlossen ist.

Wenn das Füllgut verlustbehaftet ist und die Sonde 2 ganz oder teilweise bedeckt ist, wird die Oszillatorschwingung gedämpft, was zur Folge haben kann, daß vor. tinem bestimmten Bedeckungsgrad an die Oszilla-

ij torschwingung aussetzt. Auch dieser Zustand kann zur Feststellung eines vorbestimmten Füllstandes verwendet werden.

An den Ausgang des Oszillators 20 ist eine Signalformerschaltung 21 angeschlossen, welche die vom Oszillator 20 gelieferten Schwingungen in Rechtecksignale gleicher Frequenz umwandelt. Die von der Signalformerschaltung 21 erzeugten Rechtecksignale werden dem Eingang eines Frequenzteilers 23 zugeführt, der Rechtecksignale verhältnismäßig niedriger Frequenz abgibt. Wenn der Frequenzteiler 23 den Teilerfaktor 2048 hat, liegt bei den zuvor angegebenen Zahlenwerten für die Schwingungsfrequenz / des Oszillators 20 die Frequenz F der Ausgangssignale des Frequenzteilers 23 zwischen den folgenden Werten:

Für f_ma,
für f„„„ =

= 400kHz:F_ma< = 195Hz;
138kHz:F„„„ = 67 Hz.

Die Ausgangssignale des Frequenzteilers 23 steuern einen Widerstandszweig 24, der zwischen dem Leiter 13 und der Klemme Tb angeschlossen ist und bei dem dargestellten Beispiel durch einen Schalter 25 in Reihe mit einem Festwiderstand 26 gebildet ist. Der Schalter 25, der in Wirklichkeit ein elektronischer Schalter ist, wird durch die vom Ausgang des Frequenzteilers 23 abgegebenen Rechtecksignale im Takt der Frequenz dieser Signale abwechselnd geöffnet und geschlossen. Wenn der Schalter 25 geschlossen ist, liegt der Festwiderstand 26 parallel zu den Stromverbrauchern des Meßwandlers 3 an den Klemmen. 7a, Tb der Zweidrahtleitung 5, so daß über den gesteuerten Widerstandszweig 24 ein Strom Im fließt. Die Diode 15 verhindert, daß dieser zusätzliche Strom Im aus dem Kondensator 16 entnommen wird. Der Strom Im muß daher von der Gleichspannungsquelle 6 über die Zweidrahtleitung 5 geliefert werden, so daß er sich auf der Zweidrahtleitung dem normalen Versorgungsgleichstrom überlagert, der allein fließt, wenn der Schalter 25 geöffnet ist. Da der Schalter 25 im Takt der Ausgangssignale des Frequenzteilers 23 betätigt wird, werden dem Versorgungsgleichstrom auf der Zweidrahtleitung 5 Stromimpulse Im überlagert, deren Folgefrequenz der Schwingfrequenz des Oszillators 20 proportional ist

Das Auswertegerät 4 enthält Einrichtungen zur Erfassung der überlagerten Stromimpulse Im. Zu diesem Zweck kann beispielsweise in die Verbindung zwischen die Klemme Sb und dem negativen Pol der Gieichspannungsquelle 6 ein niederohmiger Widerstand 27

f>5 eingefügt sein. Eine mit den Klemmen des Widerstands 27 verbundene Detektorschaltung 28 stellt den zusätzlichen Spannungsabfall fest der durch jeden Stromimpuls Im am Widerstand 27 verursacht wird.

m
rn
ritt

Da jeder Stromimpuls Ut nicht nur im Widerstand 27, sondern auch auf der Zweidrahtleitung 5 einen zusätzlichen Spannungsabfall erzeugt, schwankt die Spannung an den Klemmen Ta. Tb im Takt der Stromimpulse Ui. Die Diode 15 bildet zusammen mit dem Kondensator 16 eine Trennschaltung, welche die schnellen Spannungsschwankungen vom Meßwandler 3 fernhält.

Der Schalter 17 wird periodisch betätigt, damit die Sondenkapazität abwechselnd vom Schwingkreis des Oszillators 20 abgetrennt und zum Schwingkreis hinzugeschaltet wird. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird die periodische Betätigung des Schalters 17 vom Auswertegerät 4 mit Hilfe des Schalters 9 gesteuert. Eine im Auswertegerät 4 vorhandene Zeitsteuerschaltung 29 öffnet den Schalter 9 periodisch jeweils für eine kurze Dauer, so daß die Versorgungsgleichspannung auf der Zweidrahtleitung 5 für die kurze Zeitdauer unterbrochen wird. Zur Vereinfachung ist angenommen, daß der Schalter 17 ein Arbeitskontakt eines Relais 30 ist, dessen Wicklung einerseits unmittelbar an die Klemme Tb (vor der Diode 15) angeschlossen ist und andererseits über einen normalerweise geschlossenen Schalter 31 mit dem Leiter 13 verbunden ist. Der Schalter 31 wird durch das Ausgangssignal einer monostabilen Kippschaltung 32 geöffnet, wenn diese im Arbeitszustand ist. Die Auslösung der monostabilen Kippschaltung 32 erfolgt durch das Ausgangssignal eines Sondenfehlerdetektors 33, dessen Eingang mit einer zweiten Anschlußklemme \%b der Sonde 2 verbunden ist. Die Anschlußklemme Mb ist, beispielsweise über einen innerhalb der Sondenisolation verlaufenden Draht 19, mit dem unteren Ende der stabförmigen Sondenelektrode 10 verbunden. Bei geschlossenem Schalter 17 besteht somit ein Gleichstromweg vom Leiter 13 über den Oszillator 20, den Schalter 17, die stabförmige Sondenelektrode 10 und den Detektor 31 zum Leiter 14.

Wenn die Schalter 9 und 31 geschlossen sind, ist das Relais 30 erregt, so daß auch der Schalter 17 geschlossen ist. Beim öffnen des Schalters 9 fällt das Relais 30 ab, so daß sich der Schalter 17 öffnet. Dadurch wird der Gleichstromweg über die Sondenelektrode 10 zum Detektor 33 unterbrochen. Diese Unterbrechung bewirkt, daß der Detektor 33 die monostabile Kippschaltung 32 auslöst. Die monostabile Kippschaltung 32 öffnet den Schalter 31 für die Dauer ihrer Haltezeit. Das Relais 30 bleibt daher abgefallen, wenn der Schalter 9 wieder geschlossen wird. Erst wenn sich der Schalter 31 am Ende der Haltezeit der monostabilden Kippschaltung 32 wieder schließt., wird das Relais 30 wieder erregt, so daß der Schalter 17 geschlossen wird. Dieser Vorgang wiederholt sich bei jedem kurzzeitigen öffnen des Schalters 9, wobei natürlich vorausgesetzt wird, daß die Haltezeit der monostabilen Kippschaltung kürzer ist als der Zeitabstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Betätigungen des Schalters 9.

Als Beispiel sei angenommen, daß die Zeitsteuerschaltung 29 den Schalter 9 in Zeitabständen von 1 s jeweils für die Dauer von etwa 10 ms öffnet, und daß die monostabile Kippschaltung eine Haltezeit von etwa 0,4 s hat In diesem Fall wird der Schalter 17 so betätigt, dad er während jeder Periode von 1 s für etwa 0,4 s geschlossen und für etwa 0,6 s offen ist Somit erzeugt der Oszillator 20 im Verlauf jeder Periode von 1 s während 0,4 s die durch die Sondenkapazität bedingte Meßfrequenz und während 0,6 s die höhere Eigenfrequenz (400 kHz bei dem zuvor angegebenen Zahlenbeispiel), die als Testfrequenz dient. Im Auswertegerät 4 wird geprüft, ob der periodische Wechsel von Testfrequenz und Meßfrequenz richtig stattfindet. Diese Maßnahme ermöglicht im Auswertegerät die Überwachung des richtigen Arbeitens des Meßwandlers und die Feststellung verschiedener Fehler. Insbesondere kann bei verlustbehaftetem Füllgut überprüft werden, ob ein Aussetzen der Oszillatorschwingung durch die Bedekkung der Sonde oder durch ein Versagen der Schaltung

te verursacht ist. Im ersten Fall muß nämlich die Oszillatorschwingung periodisch für jeweils 0,6 s wieder einsetzen; ein dauerndes Ausbleiben der Oszillatorschwingung zeigt den Ausfall eines Schaltungsteils an.
Die kurzzeitige periodische Unterbrechung der

!5 Versorgungsgleichspannung auf der Zweidrahtieitung 5 ist ohne Nachteil für die Energieversorgung der elektronischen Schaltungen des Meßwandlers 3, weil der als Energiespeicher wirkende Kondensator 16 die Energieversorgung während der Unterbrechungszeiten übernimmt.

Wenn an irgendeiner Stelle eine dauernde Unterbrechung in dem über die Sondenele4ctrode 10 verlaufenden Gleichstromweg besteht, beispielsweise bei einem Abriß der Sonde, löst der Sondenfehlerdetektor 33 die monostabile Kippschaltung nicht mehr periodisch aus, so daß der zuvor geschilderte Wechsel von Meßfrequenz und Testfrequenz nicht mehr stattfindet. Dadurch wird im Auswertegerät 4 das Bestehen eines Fehlers angezeigt.

Bei Vorhandensein eines Lecks in der Sondenisolation oder bei Kondenswasserbildung im Sondenkopf fließt von der Wand des Behälters 1 über die Sondenelektrode 10 ein Leckstrom zum Leiter 14, wenn der Schalter 17 geöffnet ist. Der Sondenfehlerdetektor 31 ist so ausgebildet, daß er die monostabile Kippschaltung nicht mehr auslöst, wenn dieser Leckstrom einen bestimmten Höchstwert übersteigt. Die gleiche Wirkung tritt natürlich ein, wenn ein Kurzschluß zwischen der Sondenelektrode 10 und der Behälterwand besteht. In allen diesen Störungsfällen wird der periodische Wechsel zwischen Meßfrequenz und Testfrequenz gestört, wodurch im Auswertegerät 4 der Fehler angezeigt wird.

In F i g. 1 ist noch ein weiterer Schalter 34 dargestellt,

•»5 der im geschlossenen Zustand eine Klemme 35 mit dem Leiter 13 verbindet. Der Schalter 34 wird im wesentlichen synchron mit dem Schalter 17 betätigt, was in F i g. 1 dadurch angedeutet ist, daß er gleichfalls durch einen Arbeitskontakt des Relais 30 gebildet ist. Der Zweck des Schalters 34 wird später im Zusammenhang mit F i g. 2 erläutert.

F i g. 2 zeigt das Schaltbild eines Ausführungsbeispiels des Meßwandlers 3. Zur Verdeutlichung ist auch der Behälter 1 mit der Sonde 2 dargestellt An die Klemmen 7a, Tb ist die nicht dargestellte Zweidrahtleitung 5 angeschlossen, die entsprechend der Darstellung von F i g. 1 zu dem Auswertegerät 4 führt.

Man findet in F i g. 2 wieder die Leiter 12,13,14, die in der in F i g. 1 gezeigten Weise angeschlossen sind, sowie

die Diode 15 und den zwischen den Leitern 13 und 14 angeschlossenen Kondensator 16. Der Schalter 17 ist wieder als Arbeitskontakt des Relais 30 dargestellt Beispielsweise handelt es sich hierbei um ein Reed-Relais, so daß der Schalter 17 ein Reed-Kontakt ist. Diese Ausbildung ist im Hinblick auf die verhältnismäßig große Schaltperiode von 1 s ohne weiteres möglich. Der Schalter 17 kann jedoch auch als elektronischer Schalter ausgebildet sein, beispielsweise in Form eines Transi-

ίο

stors oder eines CMOS-Analo'gschalters.

Der HF-Oszillator 20 ist als Meißner-Oszillator mit induktiver Rückkopplung aufgebaut. Er enthält einen npn-Transistor 71, dessen Kollektor über einen Widerstand R\ und eine Induktivität Li an den das positive Potential führenden Leiter 13 abgeschlossen ist, während der Emitter über einen Widerstand R₂ mit den das negative Potential führenden Leiter 14 verbunden ist. Die Induktivität L\ bildet zusammen mit einem dazu parallelgeschalteten Kondensator G den frequenzbestimmenden Schwingkreis. Bei einer Induktivität Li = 720 μΗ und einer Kapazität G = 220 pF ergibt sich die zuvor erwähnte Schwingfrequenz des Oszillators von 400 kHz. Die Rückkopplung erfolgt durch eine im Basiskreis des Transistors Γι liegende Induktivität Li, die mit der induktivität Li induktiv gekoppelt isi. Die Induktivität L₂ ist über einen Widerstand Ri mit dem Abgriff eines die Basisvorspannung liefernden Spannungsteilers verbunden, der zwischen den Leitern 13 und 14 angeschlossen ist und aus der Serienschaltung eines Widerstands R_t, einer Diode D₁ und eines Widerstands Rs besteht. Ein zwischen dem Abgriff des Spannungsteilers und dem Leiter 14 angeschlossener Kondensator C₂ dient zur HF-Entkopplung. Die erzeugte Schwingung wird am Verbindungspunkt zwischen der Induktivität L₂ und dem Widerstand Ra abgegriffen und über einen Kondensator Ci zum Eingang der Impulsformerschaltung 21 übertragen.

Der im Kollektorkreis des Transistors T₁ liegende Widerstand R\ gewährleistet, daß auch bei durchgeschaltetem Transistor Γι nur die Schwingkreiskomponenten Li, G die Frequenz des Oszillators bestimmen.

Die eine Klemme des Schwingungskreiskondensators G ist mit dem Leiter 13 verbunden, an den auch der Behälter 1 angeschlossen ist. Der Schalter 17 ist mit der anderen Klemme des Schwingkreiskondensators G verbunden, so daß bei geschlossenem Schalter 17 die zwischen dem Behälter 1 und der Sondenelektrode 10 bestehende Sondenkapazität parallel zum Schwingkreiskondensator G liegt. Bei einer maximalen Sondenkapazität von 1,6 nF ergibt sich eine minimale Schwingfrequenz/■„„„ = 138 kHz.

Die Signalformerschaltung 21 besteht aus zwei in Kaskade geschalteten Verstärkerstufen, deren Gesamtverstärkung so groß ist, daß eine Begrenzerwirkung eintritt, so daß am Ausgang der zweiten Verstärkerstufe ein rechteckförmiges Signal erhalten wird. Als Grundschaltung für jede Verstärkerstufe dient ein integrierter Inverter /G, IC₂ mit einem Rückkopplungswiderstand Rt, bzw. R₇. Die n- und p-Kanal-MOS-Transistoren jeder Verstärkerstufe sind bei dtr Ansteuerung durch das

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leitend; um die dann fließenden Schaltströme der MOS-Transistoren und die daraus resultierende erhöhte Stromaufnahme des Verstärkers zu begrenzen, sind in die Verbindungen zwischen den Stromanschlußklemmen jedes Inverters und den Leitern 13 bzw. Widerstände A₈, R₉, A₁₀, R_u eingefügt Der Ausgang der ersten Verstärkerstufe ist mit dem Eingang der zweiten Varstärkerstufe über einen Kondensator C₁ gekoppelt Das Ausgangssignal der zweiten Verstärkerstufe wird an den Signaleingang des Frequenzteilers 23 angelegt, der beispielsweise durch einen integrierten 12-Bit-Binärzähler /C₃ des Typs 4040 gebildet ist Die Frequenz des von der Torschaltung 22 gelieferten Rechtecksignals wird somit durch 2048 geteilt, und am Ausgang des Frequenzteilers 23 erhält man ein Rechtecksignal mit einer Frequenz zwischen 195 Hz und 67 Hz.

Der Schalter 25 des gesteuerten Widerstandszweigs

24 ist durch einen Transistor Ti gebildet, dessen Kollektor über den Festwiderstand 26 mit dem Leiter 13 verbunden ist, während der Emitter direkt an die Klemme Tb angeschlossen ist.

Der Ausgang des Frequenzteilers 23 ist über einen Kondensator Q, in Reihe mit einem Widerstand R^ mit der Basis des Transistors T₂ verbunden, die andererseits mit der Klemme Tb über eine Parallelschaltung aus einem Widerstand Rm und einer Diode Di verbunden ist. Der Kondensator C5 bildet zusamTnen mit den Widerständen R\_b und R\i ein Differenzierglied, das bewirkt, daß der Transistor T₂ bei jeder ansteigenden Flanke des vom Ausgang des Frequenzteilers 23 gelieferten Rechtecksignals für eine kurze Zeitdauer von etwa 200 μ5 leitend wird. Während dieser Schaltphase des Transistors T₂ fließt über den gesteuerten Widerstandszweig 24 ein Stromimpuls Im, dessen Größe durch den Festwiderstand 26 bestimmt ist. Dieser Stromimpuls überlagert sich dem Grundstrom auf der Zweidrahtleitung 5.

Der Schalter 31 ist durch einen pnp-Transistor T3

gebildet, dessen Emitter an den positiven Leiter 13 angeschlossen ist und dessen Kollektor über die Wicklung des Relais 30 mit der Klemme Tb verbunden ist, wobei gegebenenfalls zur Strombegrenzung noch ein niederohmiger Widerstand R in Reihe geschaltet ist.

Eine Diode Di überbrückt die Relaiswicklung, um Schaltspitzen kurzzuschließen. Der Schalter 34 ist

jo ebenfalls durch einen pnp-Transistor T* gebildet, dessen Emitter-Basis-Strecke parallel zu einem Widerstand Λ19 in Reihe mit der Wicklung des Relais 30 im Kollektorkreis des Transistors T] liegt. Der Kollektor des Transistors Tt ist über eine Diode D₄ und einen Widerstand R20 mit der Klemme 35 verbunden.

Die monostabile Kippschaltung 32 enthält einen

integrierten Operationsverstärker /G, beispielsweise vom Typ 1458, dessen nicht invertierender Eingang an den Abgriff eines Spannungsteilers angeschlossen ist, der zwischen den Leitern 13 und 14 angeschlossen ist und durch zwei Widerstände R₂], R22 gebildet ist.

Zwischen dem Ausgang des Operationsverstärkers /G und dem positiven Leiter 13 ist ein Spannungsteiler Rn, Rn angeschlossen, dessen Abgriff mit der Basis des pnp-Transistors Ti verbunden ist.

Der Sondenfehlerdetektor 33 . enthält einen als Komparator geschalteten integrierten Operationsverstärker /C₅. Der invertierende Eingang dieses Operationsverstärkers ist an den Abgriff eines Spannungsteilers angeschlossen, der durch zwei zwischen dem positiven Leiter ΐ3 und dem negativen Leiter 14 in Reihe geschaltete Widerstände R_2b, R₂i gebildet ist. Der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers ICs ist über einen Widerstand /?28 mit der Anschlußklemme 18Z? der Sonde 2 und über einen Widerstand /?29 mit dem negativen Leiter 14 verbunden. Ein Kondensator Ce ist dem Widerstand R_x parallelgeschaltet

Bei geschlossenem Schalter 17 besteht ein Gleichstromweg vom Leiter 13 über die Induktivität Li, den ω Schalter 17, die Klemme 18a, die Sondenelektrode 10, die Anschlußklemme 18f>, den Widerstand Rn und den Widerstand Ä» zum Leiter 14. Über diesen Gleichstromweg fließt ein Gleichstrom, dem ein bestimmter HF-Strom überlagert ist Da die Induktivität Li und die Sondenelektrode 10 für den Gleichstrom als Kurzschluß angesehen werden können, bilden die Widerstände R₂₈ und Am für den Gleichstrom einen Spannungsteiler, an dessen Abgriff der nichtinvertierende Eingang des

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Operationsverstärkers /Cs angeschlossen ist, während die an diesem Abgriff bestehende VlF-Spannung vom Kondensator C ausgesiebt wird. Die Widerstände R}n und /?29 sind gleich groß, so daß am nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers /C₅ bei geschlossenem Schalter 17 eine Spannung besteht, die gleich der Hälfte der zwischen den Leitern 13 und t4 bestehenden Versorgungsspannung ist. Wenn dagegen der Schalter 17 geöffnet ist, liegt am nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers /C₅ das Potential des negativen Leiters 14 an.

Dagegen ist der Widerstand R₂b größer als der Widerstand R27; diese Widerstände sind so bemessen, daß das am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers /C₅ anliegende Poiential etwa in der Mitte zwischen den beiden Potentialen liegt die am nichtinvertierenden Eingang beim öffnen und Schließen des Schalters 17 periodisch abwechselnd auftreten. Der Operationsverstärker /C₅ ist nicht rückgekoppelt, so daß er als Schwellenwert-Komparator arbeitet, dessen Ausgang entweder das positive oder das negative Versorgungspotential führt, je nachdem, ob das am nichtinvertierenden Eingang anliegende Potential über oder unter dem am invertierenden Eingang anliegenden Potential liegt.

Zwischen dem Ausgang des Operationsverstärkers /C₅ und dem positiven Leiter 13 ist ein Kondensator G in Reihe mit einem Widerstand Rx angeschlossen. Parallel zum Widersland Rx liegt eine Diode D₅. Der invertierende Eingang des Operationsverstärkers /Ci ist an den Verbindungspunkt zwischen dem Kondensator Cj und dem Widerstand Rx angeschlossen.

Diese Schaltung arbeitet in der folgenden Weise: Wenn der Schalter 9 im Auswertegerät 4 geschlossen ist und somit die volle Betriebsspannung an den Klemmen Ta, Tb anliegt, ist der Transistor Ti stromführend (Schalter 31 geschlossen), so daß das Relais 30 erregt ist. Der Schalter 17 ist geschlossen, so daß der Oszillator 20 auf der durch die Sondenkapazität bestimmten Meßfrequenz schwingt. Der über den Schalter 17 und die Sondenelektrode 10 verlaufende Gleichstromweg ist geschlossen, so daß am nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers /C₅ ein Potential anliegt das höher ist als das am invertierenden Eingang anliegende Potential. Der Ausgang des Operationsverstärkers IG, führt das positive Potential des Leiters 13. Der Kondensator G ist entladen, und am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers IG liegt das positive Potential des Leiters 13 an, das höher als das am nichtinvertierenden Eingang anliegende Potential ist, das durch den Spannungsteiler Ä21, R22 bestimmt ist. Der Ausgang des Operationsverstärkers /G führt demzufolge ein niedriges Potential, das über den Spannungsteiler R21, R24 den Transistor T3 stromführend macht.

Wenn die Verbindung zwischen der Klemme Tb und dem negativen Pol der Gleichspannungsquelle 6 durch öffnen des Schalters 9 kurzzeitig für etwa 10 ms unterbrochen wird, hält der als Energiespeicher wirkende Kondensator 16 die Spannung zwischen den Leitern 13 und 14 aufrecht wodurch die Stromversorgung der elektronischen Schaltungen des Meßwandlers 3 einschließlich der Operationsverstärker IG und /C₅ während der Dauer dieser Unterbrechung gewährleistet ist Die Diode 15 sperrt jedoch die Übertragung der Spannung des Kondensators 16 zur Klemme Tb. Die Wicklung des Relais 30 wird daher stromlos, so daß das Relais abfällt und den Schalter 17 öffnet Der Oszillator

10

15

20

25

30

35

50

55

60 20 schwingt nun auf der Testfrequenz. Gleichzeitig wird der Gleichstromweg zum Sondenfehlerdetektor 33 unterbrochen, so daß der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers /C₅ das negative Potential des Leiters 14 annimmt. Dementsprechend geht auch der Ausgang des Operationsverstärkers /C₅ auf das negative Potential. Da der Kondensator Cy zunächst entladen ist, führt nunmehr auch der invertierende Eingang des Operationsverstärkers /C₄ ein Potential, das niedriger als das am nichtinvertierenden Eingang anliegende Potential ist. Demzufolge besteht am Ausgang des Operationsverstärkers das positive Potential, und der Transistor Ti wird gesperrt (Schalter 31 offen).

Wenn somit der Schalter 9 nach der kurzen Dauer von 10 ms wieder geschlossen wird, bleibt das Relais 30 stromlos, weil der Transistor 31 gesperrt ist. Am Zustand der Schaltung ändert sich nichts, abgesehen davon, daß die Stromversorgung wieder über die Zweidrahtleitung 5 erfolgt und die verbrauchte Ladung des Kondensators 16 wieder ergänzt wird. Der Oszillator 20 schwingt weiterhin auf der Testfrequenz, und die daraus durch Frequenzteilung-erhaltenen ■ Impulse werden dem Versorgungsstrom überlagert.

Der Kondensator G wird über den Widerstand Λ30. aufgeladen. Sobald das Potential am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers IG das am Abgriff des Spannungsteilers /?2i, R22 bestehende Potential übersteigt, nimmt der Ausgang dieses Operationsverstärkers wieder das negative Potential an, so daß der Transistor T3 wieder stromführend wird. Das Relais 30 wird erregt und der Schalter 17 schließt sich. Die Zeitkonstante des vom Widerstand Rx und vom Kondensator Cy gebildeten /?C-Glieds ist so bemessen, daß diese Umschaltung nach 0,6 s erfolgt. Der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers /C₅ erhält wieder das durch den Spannungsteiler /?2s, /?29 bestimmte höhere Potential, und der Ausgang dieses Operationsverstärkers /C₅ nimmt das positive Potential an. Der Kondensator G entlädt sich über die Diode D₅. Nunmehr ist wieder der Ausgangszustand erreicht.

Im normalen Betrieb wiederholen sich die gleichen Vorgänge bei jedem öffnen des Schalters 9.

Wenn der über die Sondenelektrode 10 führende Gleichstromweg an irgendeiner Stelle ble.ibend unterbrochen ist, beispielsweise infolge eines Sondenabrisses, bleibt der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers /C₅ dauernd auf dem Potential des Leiters 14, und demzufolge behält der Ausgang des Operationsverstärkers dauernd das niedrige Potential.

Bei einem Kurzschluß zwischen der Sondenelektrode 10 und der Behälterwand besteht dagegen am nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers /C5 dauernd das durch den Spannungsteiler Λ28, Λ29 bestimmte höhere Potential, so daß der Ausgang des Operationsverstärkers /C₅ ständig.auf dem positiven Potential bleibt Wenn schließlich ein Kriechstrom zwischen der Sondenelektrode 10 und der Wand des Behälters 1 besteht beispielsweise infolge eines Lecks in der Sondenisolation oder infolge von Kondenswasserbildung, fällt das Potential am Abgriff des Spannungsteilers R₂₆, R₂₉ bei geöffnetem Schalter 17 nicht vollständig auf das negative Potential des Leiters 14 ab, sondern nur auf einen Zwischenwert der dem vom Kriechstrom am Widerstand R₂₉ verursachten Spannungsabfall entspricht Wenn dieser untere Spannungswert das am Abgriff des Spannungsteilers Rx* K27 anliegende Potential nicht unterschreitet, bleibt das Auseangssignal

des Operationsverstärkers /C₅ ebenfalls dauernd auf dem hohen Potential. Durch entsprechend große Bemessung d?r Spannungsteilerwiderstände R_2t. Ry> kann erreicht werden, daß diese Wirkung schon bei einem verhältnismäßig geringen Kriechstromwert von beispielsweise etwa 18 μ Α eintritt.

In allen geschilderten Störungsfällen findet der zuvor geschilderte periodische Wechsel zwischen Meßfrequenz und Testfrequenz nicht mehr statt. Wenn der Ausgang des Operationsverstärkers /C₅ dauernd das hohe Potential führt, bleibt der Ausgang des Operationsverstärkers /C₄ dauernd auf dem negativen Potential; wenn der Ausgang des Operationsverstärkers Id dauernd das negative Potential führt, nimmt der Ausgang des Operationsverstärkers ICt nach der Aufladung des Kondensators G das niedrige Potential an, das er dann beibehält. In beiden Fällen bleibt der Transistor Ti dauernd geöffnet, so daß das Relais 30 beim Schließen des Schalters 9 nach der kurzen Zeit von 10 ms wieder Strom erhält. Der Schalter 17 wird also ebenfalls für die kurze Zeit von 10 ms geöffnet, so daß das Tastverhältnis der Frequenzumtastung sehr stark geändert ist. Es wäre jedoch auch möglich, die Schaltung so auszulegen, daß der Schalter 17 während der kurzen Dauer von 10 ms geschlossen bleibt. Im Auswertegerät wird somit die Testfrequenz in der vorgesehenen Teilperiode von 0,6 s entweder überhaupt nicht oder nur sehr kurzzeitig festgestellt.

Im normalen Betrieb der Sonde und des Meßwandlers empfängt somit das Auswertegerät dem Grundstrom überlagerte Stromimpulse Im von etwa 200 μ5 Dauer, die periodisch abwechselnd für jeweils 0,6 s eine Folgefre-· quenz von 195 Hz und für 0,4 s eine dem Füllstand entsprechend niedrigere Folgefrequenz haben, die (bei verlustbehaftetem Füllgut) auch Null sein kann. Bei der Inbetriebnahme des Geräts erfolgt ein Abgleich auf den zu erfassenden Grenzstand, indem jeweils die Folgefrequenz der übertragenen Stromimpulse Im bei offenem und bei geschlossenem Schalter 17 im Auswertegerät 4 gespeichert wird. Im Betrieb wird die Folgefrequenz der übertragenen Stromimpulse Im mit den gespeicherten Werten verglichen. Wenn innerhalb der Teilperiode von 0,4 s eine Impulsfolgefrequenz festgestellt wird, die dem gespeicherten Wert entspricht, ist dies ein Anzeichen dafür, daß der zu erfassende Grenzstand erreicht ist; im Auswertegerät kann dann ein Relais betätigt werden, das über seine Kontakte das Erreichen des Füllgrenzstandes nach außen signalisiert oder entsprechende Schaltvorgänge einleitet.

Wenn innerhalb der anderen Teilperiode von 0,6 s die Folgefrequenz der übertragenen Stromimpulse Im von dem entsprechenden gespeicherten Wert um mehr als einen vorbestimmten Toleranzbereich abweicht, ist dies ein Anzeichen dafür, daß der Oszillator 20 im Meßwandler 3 nicht einwandfrei arbeitet, beispielsweise infolge des Defekts eines Bauteils. In diesem Fall wird im Auswertegerät 4 ein Alarmrelais betätigt, das eine Störung anzeigt. Dieses Alarmrelais wird auch dann betätigt, wenn die Testfrequenz nicht innerhalb eines bestimmten Zeitintervalls in jeder Teilperiode von 0,6 s auftritt, oder wenn die Testfrequenz in der für die Übertragung der Meßfrequenz vorgesehenen Teilperiode erscheint.

Bei der vorstehend beschriebenen Anordnung war vorausgesetzt worden, daß die Sondenelektrode 10 mit zwei Anschlußklemmen 18a, 186 ausgestattet ist, so daß über die Sondenelektrode ein galvanischer Stromkreis verläuft, dessen bleibende Unterbrechung einen Sondenabriß anzeigt. Die Anordnung kann jedoch auch in Verbindung mit Stabsonden verwendet werden, die nur eine Anschlußklemme aufweisen. Zwar ist dann die Feststellung eines Sondenabrisses in der geschilderten Weise nicht mehr möglich, die übrigen Funktionen d^r Schaltung bleiben aber unverändert

Falls es sich um eine vollisolierte Sondenelektrode handelt, die nicht in leitende Berührung mit dem Füllgut kommen kann, genügt es, die Sondenelektrode an der ίο Klemme 18a anzuschließen und die Klemmen 18a und 186 durch einen Kurzschluß zu verbinden. Der Spannungsteiler R_2S, R_x empfängt dann die gleichen Stromimpulse wie zuvor über den Schalter 17. so daß der Wechsel zwischen Testfrequenz und Meßfrequenz in der geschilderten Weise abläuft. Der Detektor 33 spricht in diesem Fall sogar auf das Auftreten eines Lecks in der Sondenisolation oder eines Sondenkurzschlusses an.

Bei Verwendung einer ;eilisolierten Sondenelektrode ist diese Maßnahme nicht möglich, weil die Berührung der Sondenelektrode mit dem Füllgut ein Leck (bzw. einen Kurzschluß) vortäuschen würde. Der periodische Wechsel zwischen Testfrequenz und Meßfrequenz kann aber aui-h in diesem Fall erhalten werden, indem die Klemme 18t mit der Klemme 35 verbunden wird. Der Spannungsteiler R₂^, Rk ist dann über den Widerstand R20, die Diode Dt, den vom Transistor T* gebildeten Schalter 34 und den vom Transistor 7"3 gebildeten Schalter 31 mit dem positiven Leiter 13 verbunden. Der Transistor T_t wird durch den Spannungsabfall am Widerstand R^ immer dann geöffnet, wenn das Relais 30 erregt ist; der Schalter 34 wird also synchron mit dem Schalter 17 betätigt. Somit empfängt der Detektor 33 auch in diesem Fall die gleichen Stromimpulse wie zuvor, so daß der periodische Wechsel zwischen Testfrequenz und Meßfrequenz in der geschilderten Weise stattfindet.

Die beschriebene Test- und Detektoranordnung ist unabhängig von der Art der Erzeugung der Meßwertsignale, die über die Zweidrahtleitung übertragen werden. Sie ist insbesondere nicht auf den zuvor als Beispiel beschriebenen Fall beschränkt, daß die Oszillatorfrequenz von der Sondenkapazität abhängt.

In Fig.3 ist eine andere Ausführungsform einer Füllstandsmeßanordnung dargestellt, die sich hinsichtlich der Art der Erzeugung der Meßwertsignale von der in Fig. 1 und 2 dargestellten Anordnung unterscheidet. Die gleichen Bestandteile wie in Fig. 1 sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Bei der Anordung von F i g. 3 erzeugt der HF-Oszillator 40 dauernd eine feste Frequenz, die unabhängig von der Kapazität der Sonde 2 ist. An den Ausgang des Oszillators 40 ist die Primärwicklung eines Transformators 41 angeschlossen, dessen Sekundärwicklung über den Schalter 17' mit der Sondenelektrode 10 verbunden ist. Der Schalter 17' tntspricht dem Schalter 17 von Fig. 1 und 2; er ist aber als Umschaltkontakt ausgebildet, der im Ruhezustand (bei abgefallenem Relais 30) die Sekundärwicklung des Transformators 41 mit einer festen Testkapazität 42 verbindet. An die Sekundärwicklung des Transformators 41 ist eine Kapazitätsmeßschaltung 43 angeschlossen, die eine Ausgangsspannung liefert, die eine Funktion der mit der Sekundärwicklung verbundenen Kapazität ist. Ein Spannungs/Frequenzwandler 44 empfängt die Ausgangsspannung der Kapazitätsmeßschaltung 43 und erzeugt Ausgangsimpulse, deren Folgefrequenz von dieser Spannung abhängt. Durch diese Impulse wird der

Schalter 25 betätigt.

Die Betätigung des Schalters 17' erfolgt durch das Relais 30, den SorKknfehlerdetektor 33 und die monostabile Kippschaltung 32 bei jedem kurzzeitigen öffnen des Schalters 9 in der zuvor beschriebenen Weise. Im normalen Betrieb werden somit während jeder Periode von 1 s über die Zweidrahtleitung 5 Impulse übertragen, die für die Dauer von 0,6 s eine durch die Testkapazität 42 bestimmte Testfrequenz und für die Dauer von 0,4 s die durch die Sondenkapazität bestimmte Meßfrequenz haben. Bei Versagen eines Schaltungsteils, einem Sondenabriß, einem Sondenkurzschluß oder einem Leck in der Sondenisolation wird dieser regelmäßige Wechsel von Testfrequenz und Meßfrequenz gestört, was im Auswertegerät 4 als Anzeichen für das Vorliegen eines Fehlers erkannt wird. Auch bei dieser Ausführungsform ist die Testkapazität 42 so bemessen, daß sie von jeder im Betrieb vorkommenden Sondenkapazität verschieden ist. Ferner ist die Sondenkapazität während der Test-Teilperioden vollkommen abgeschaltet, so daß die Testfrequenz konstant und unabhängig vom Füllstand ist.

Es sind natürlich verschiedene Abänderungen der beschriebenen Schaltung möglich. So ist es bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen nicht unbedingt notwendig, daß die Stromversorgungsspannung auf der Zweidrahtleitung 5 zur Erregung eines Relais vollkommen unterbrochen wird. Die Betätigung des Schalters 17 bzw. 17' könnte auch durch eine Triggerschaltung erfolgen, die beispielsweise durch ein kurzzeitiges impulsförmiges Absenken der Spannung auf einen niedrigeren jedoch von Null verschiedenen Wert ausgelöst wird, oder die Auslösung könnte durch Überlagerung von Signalen anderer Art erfolgen, beispielsweise von Tonfrequenzsignalen.

Der zuvor beschriebene periodische Wechsel zwischen Meßwertsignalen und Testsignalen, die von der Sondenkapazität unabhängig sind, erlaubt zusätzlich eine selbsttätige Kompensation von Umwelteinflüssen, die das Meßergebnis beeinflussen können, insbesondere der Temperatur.

Wenn sich beispielsweise bei den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen die Frequenz des HF-Oszillators 20 (in F i g. 1 und 2) oder des HF-Oszillators 40 (in F i g. 3) infolge von Temperatureinflüssen ändert, ändert sich auch die Frequenz der über die Zweidrahtleitung 5 übertragenen Meßwertsignale. Wenn keine besonderen Vorkehrungen getroffen werden, wird diese temperaturbedingte Frequenzänderung vom Auswertegerät als Änderung der Sondenkapazität interpretiert, so daß das Meßergebnis verfälscht wird. Eine ähnliche Verfälschung der Meßergebnisse tritt ein, wenn die Oszillatorfrequenz durch andere Einflüsse verändert wird, beispielsweise durch eine Alterung der Bauelemente, oder wenn die Änderung des die Sondenkapazität darstellenden Parameters der Meßwertsignale nicht vom HF-Oszillator, sondern von einem oder mehreren anderen Bestandteilen des Meßwandlers verursacht wird.

Alle diese nachteiligen Erscheinungen können bei der beschriebenen Anordnung aufgrund der Tatsache beseitigt werden, daß in jeder Meßperiode außer dem Meßwertsignal auch ein Testsignal vorhanden ist, das unabhängig von der Sondenkapazität ist, wobei sich die zuvor erwähnten Einflüsse, wie Temperaturänderungen, in gleicher Weise auf die Meßsignale und auf die Testsignale auswirken.

Die Detektoranordnung 28 (Fig. 1 und 3) ist so ausgebildet, daß sie in jeder Meßperiode den die Kapazität darstellenden Wert des Testsignals, bei den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen also die Folgefrequenz der über die Zweidrahtleitung 5 übertragenen Stromimpulse, speichert und zur Korrektur bei der Auswertung des anschließend übertragenen Meßwertsignals verwendet. Diese Korrektur kann beispielsweise durch eine der nachstehenden Maßnahmen erfolgen:

1. Im einfachsten Fall wird der gespeicherte Wert des Testsignals als Bezugsgröße bei der Auswertung des Meßwertsignals verwendet.

2. Der gespeicherte Wert des Testsignals wird mit dem bei der Inbetriebnahme der Schaltung festgelegten Anfangswert verglichen, und die Abweichung wird als Korrekturgröße verwendet.

Fig.4 zeigt als Beispiel ein vereinfachtes Blockschaltbild des Auswertegeräts 4, das die erste der oben angeführten Maßnahmen bei den beschriebenen Aüsführungsbeispielen von F i g. 1,2 und 3 durchführt.

Man erkennt in F i g. 4 wieder die Spannungsquelle 6, den Widerstand 27, den Schalter 9 und die Zeitsteuerschaltung 29.

Die Detektorschaltung 28 enthält einen Impulsfrequenzdetektor 50, der am Ausgang ein (vorzugsweise digitales) Signal abgibt, das die Folgefrequenz der über den Widerstand 27 gehenden Stromimpulse darstellt.

Bei dem zuvor angegebenen Zahlenbeispiel stellt das Ausgangssignal des Impulsfrequenzdetektors 50 während jeder Meßperiode von 1 s für die Dauer des Meßzeitintervalls von 0,4 s die Meßfrequenz und für die Dauer des Testzeitintervalls von 0,6 s die Testfrequenz dar, wenn keine Störung vorliegt.

An den Ausgang des Impulsfrequenzdetektors 50 sind parallel die Eingänge eines Füllstandsrechners 51 und einer Kontrollschaltung 52 angeschlossen. Der Füllstandsrechner 51 ermittelt aus der während des Meßzeitintervalls anliegenden Meßfrequenz die Sondenkapazität und daraus den Füllstand; er gibt im Fall einer kontinuierlichen Füllstandsmessung am Ausgang ein Signal ab, das den Füllstand anzeigt, während er bei einer Verwendung als Füllstandsgrenzschalter am Ausgang ein Signal liefert, wenn der ermittelte Füllstand einen vorgegebenen Wert über- oder unterschreitet.

'Die Kontrollschaltung 52 prüft, ob die Meß- und Testfrequenzen im richtigen Takt aufeinanderfolgen, und sie liefert an einem oder an mehreren Ausgängen

so Signale, die das Vorliegen einer Störung und gegebenenfalls deren Ursache anzeigen. Die Synchronisierung der Schaltungen 50, 51 und 52 erfolgt durch die Zeitsteuerschaliung 29, die durch die Betätigung des Schalters 9 den Beginn jeder Meßperiode festlegt.

Zum Zweck der zuvor erläuterten Fehlerkorrektur ist ein Speicher 53 vorgesehen, der gleichfalls an den Ausgang des Impulsfrequenzdetektors 50 angeschlossen ist und durch die Zeitsteuerschaltung 29 gesteuert wird. Der Speicher 53 speichert in jeder Meßperiode die während des Testzeitintervalls festgestellte Testtrequenz, und er liefert am Ausgang den gespeicherten Wert während des anschließenden Meßzeitintervalls. Dieser gespeicherte Wert wird einem zweiten Eingang des Füllstandsrechners 51 zugeführt.

Im Füllstandsrechner 51 wird der vom Speicher 53 gelieferte Wert der Testfrequenz als Bezugsgröße bei der Auswertung der Meßfrequenz verwendet. Dei Wert der Testfrequenz steht zu dem Wert der konstanten

iestkapazität (C, in Fig.2; 42 in Fig.3) im gleichen Verhältnis wie der Wert der Meßfrequenz zu dem Wert der zu messenden Sondenkapazität. Temperaturänderungen oder andere Einflüsse, die sich in gleicher Weise auf die Testfrequenz und die Meßfrequenz auswirken, bleiben daher ohne Auswirkung auf das Meßergeunis, wenn die zu messende Sondenkapazität aufgrund des Verhältnisses von Testfrequenz zu Meßfrequenz ermittelt wird.

In F i g. 4 ist gestrichelt angedeutet, wie die Schaltung abgeändert werden kann, damit sie nach der zweiten oben angegebenen Maßnahme arbeitet. Die Verbindung zwischen dem Ausgang des Speichers 53 und dem zweiten Eingang des Füllstandsrechners 52 wird zwischen den Punkten A und B aufgetrennt. An den Punkt A ist ein Eingang 55 einer Vergleichschaltung 54 angeschlossen, die an einem zweiten Eingang 56 ein Signal empfängt, das den bei der Inbetriebnahme der Schaltung festgelegten Anfangswert der Testfrequenz darstellt. Die Vergleichsschaltung 54 gibt an dem mit dem Punkt B verbundenen Ausgang ein Signal ab, das die Abweichung der gespeicherten Testfrequenz vom Anfangswert darstellt. Dieses Signal wird dem Füllstandsrechner 51 als Korrektursignal zugeführt, wo es zur Korrektur der von Temperaturänderungen oder anderen Einflüssen bedingten Abweichungen bei der Auswertung des Meßwertsignals verwendet wird.

Natürlich wäre es auch möglich, den ersten Eingang 55 der Vergleichsschaltung 54 unmittelbar mit dem Ausgang des Impulsfrequenzdetektors 50 zu verbinden und den Speicher 53 an den Ausgang der Vergleichsschaltung 54 anzuschließen. In diesem Fall würde die Vergleichsschaltung 54 den Vergleich zwischen der Testfrequenz und dem Anfangswert in jedem Testzeitintervall durchführen, und der Speicher 53 würde nicht den Wert der Testfrequenz, sondern die festgestel'te Abweichung speichern.

Die Anordnung arbeitet in entsprechender Weise, wenn der die Kapazität darstellende Parameter des Meßwertsignals und des Testsignals nicht dje Folgefrequenz von Impulsen, sondern ein anderer Parameter ist, beispielsweise die Impulsbreite bei einer Pulsbreitenmodulation oder auch die Codierung bei einer Pulscodemodulation.

Von besonderer Bedeutung ist die Tatsache, daß die beschriebene Korrekturanordnung automatisch alle Einflüsse kompensiert, die sich in gleicher Weise auf die Testfrequenz und auf die Meßfrequenz auswirken, unabhängig von der Art dieser Einflüsse (Temperaturabhängigkeit, Alterung von Bauelementen usw.) und von dem die Änderung verursachenden Schaltungsteil.

Ein wesentlicher Vorteil besteht ferner darin, daß die Korrektur der Umwelteinflüsse nicht in dem am. Ort der Sonde befindlichen Meßwandler, sondern in dem davon entfernten Auswertegerät erfolgt, ohne daß es erforderlieh ist, zusätzliche Steuersignale über die Zweidrahtleitung zu übertragen.

Die beschriebene Lösung eignet sich auch besonders gut für den Fall, daß die Detektorschaltung 28 des Auswertegeräts durch einen entsprechend programmierten Mikrocomputer gebildet ist.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

ι · Patentansprüche:

1. Anordnung zur Feststellung des Füllstands in einem Behälter, mit einer im Behälter isoliert angeordneten kapazitiven Sonde, deren Kapazität vom Füllstand abhängt, einem am Ort des Behälters angeordneten Meßwandler, der ein von der Sondenkapazität abhängiges Meßwertsignal erzeugt, einem vom Behälter entfernt angeordneten Auswertegerät, das mit dem Meßwandler verbunden ist, einer Schaltvorrichtung zur Umschaltung von der kapazitiven Sonde auf eine Testkapazität, die von jeder im normalen Betrieb vorkommenden Sondenkapazität verschieden ist, und mit einer Steueranordnung zur periodischen Betätigung der Schaltvorrichtung, dadurch ge ken uze ich η et, daß

das Auswertegerät (4) mit dem Meßwandler (3) durch eine Zweidrahtleitung (5) verbunden ist, über die einerseits die für den Betrieb des Meßwandlers (3) erforderliche Gleichstromenergie vom Auswertegerät (4) zum Mcßwandler (3) und andererseits das vom Meßwandler (3) gelieferte Meßwertsignal zum Auswertegerät (4) übertragen werden, daß
im Auswertegerät (4) eine zeitgesteuerte Einrichtung (9, 29) vorgesehen ist, welche die Stromversorgungs-Gleichspannung auf der Zweidrahtleitung (5) periodisch impulsförmig verändert, und daß
im Meßwandler (3) eine Steuerschaltung (30, 32) angeordnet ist, die auf jede impu'sförmige Änderung der Stromversorgungs-Gleichspannung anspricht und die Schaltvorrichtung (17) betätigt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwandler (3) einen Oszillator (20) enthält, dessen Frequenz von der Sondenkapazität bzw. von der Testkapazität abhängt.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung (30, 32) eine monostabile Kippschaltung (32) enthält, deren Haltezeit kleiner als die Periode und größer als die Dauer der impulsförmigen Änderungen der Stromversorgungs-Gleichspannung ist.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die impulsförmige Änderung der Stromversorgungs-Gleichspannung in einer kurzzeitigen Unterbrechung besteht.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Meßwandler (3) ein Energiespeicher (16) zur Überbrückung der periodischen impulsförmigen Änderungen der Stromversorgungs-Gleichspannung vorgesehen ist.

6. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die kapazitive Sonde (2) eine vom Behälter isolierte Sondenelektrode (10) aufweist, über die ein von der Schaltvorrichtung (17) gesteuerter galvanischer Stromkreis verläuft, und daß eine Detektorschaltung (33) vorgesehen ist, die auf die durch die periodische Betätigung der Schaltvorrichtung (17) im galvanischen Stromkreis erzeugten periodischen Stromimpulse anspricht und beim Ausfall der periodischen M Stromimpulse die Übertragung einer diesen Ausfall kennzeichnenden Information zum Auswertegerät (4) bewirkt.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektorschaltung (33) beim &5 Ausfall der periodischen Stromimpulse die periodische Betätigung der Schaltvorrichtung (17) sperrt oder deren Tastverhältnis ändert.

8. Anordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektorschaltung (33) einen Schwellenwert-Komparator (ICs) enthält, von dem ein Eingang an den Abgriff eines in Reihe mit der Sondenelektrode (10) geschalteten Spannungsteilers (R 28, R 29) angeschlossen ist und der andere Eingang an einer festen Gleichspannung liegt.

9. Anordnung nach den Ansprüchen 3 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Schwellenwert-Komparators (Id) mit dem Auslöseeingang der monostabilen Kippschaltung (32) verbunden ist.

10. Anordnung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung einer Sondenelektrode (10) mit nur einer Anschlußklemme der Spannungsteiler (R 28, R 29) an diese Anschlußklem-'The angeschlossewisi.

11. Anordnung nach Ansprüche oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung einer Sondenelektrode (10) mit nur einer Anschlußklemme der Spannungsteiler (R 28, R 29) über eine synchron mit der ersten Schaltvorrichtung (17) betätigte zweite Schaltvorrichtung (34) an Spannung gelegt ist. "*

12. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sondtnkapazität durch die leitende Behälterwand (1) und durch eine von der Behälterwand isolierte Sondenelektrode (10) gebildet ist, daß der eine Leiter (5ajder Zweidrahtleitung (5) mit einer ersten Stelle der Behälterwand (1) verbunden ist, daß der eine Stromversorgungsanschluß (13) des Meßwandlers (3) mit einer zweiten Stelle der Behälterwand (1) verbunden ist, die im Abstand von der ersten Stelle liegt, und daß der andere Stromversorgungsanschluß (14) des Meßwandlers (3) mit dem anderen Leiter (5ö)der Zweidrahtleitung (5) verbunden ist.

13. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Auswertegerät (4) das während jedes Testzeitintervalls übertragene Testsignal zui Korrektur des während jedes Meßzeitintervalls übertragenen Meßwertsignals verwendet wird.

14. Anordnung nach Anspruch 13, gekennzeichnet, durch einen im Auswertegerät (4) vorgesehenen Speicher (53) zur Speicherung des die Testkapazität darstellenden Wertes des in jedem Testzeitintervall übertragenen Testsignals.

15. Anordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der im Speicher (53) gespeicherte Wert des Testsignals im nächsten Meßzeitintervall als Bezugsgröße bei der Auswertung des Meßwertsignals verwendet wird.

16. Anordnung nach Anspruch 13 oder 14, gekennzeichnet durch eine Vergleichsschaltung (54), die an einem ersten Eingang den die Kapazität darstellenden Wert des Testsignals und an einem zweiten Eingang einen festen Anfangswert empfängt und die ein die Abweichung zwischen den Eingangswerten darstellendes Ausgangssignals als Korrekturgröße für die Auswertung des Meßwertsignals liefert.

17. Anordnung nach den Ansprüchen 14 und 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichsschaltung (54) am ersten Eingang das Ausgangssignal des Speichers (53) empfängt.