DE1809820A1 - Anordnung zur Feststellung des Fluessigkeitsstands in einem Behaelter - Google Patents

Description

• Anordnung zur Feststellung des Flüssigkeitsstands in einem Behälter Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Feststellung und gegebenenfalls Messung und Anzeige des Flüssigkeitsstands in einem Behälter.
• Zur Feststellung des Stands einer Flüssigkeit, insbesondere einer Flüssigkeit sehr tiefer Temperatur (eines sog. Triryogens bzw. kryogenen Mediums) sind bereits Fdhlmittel bekannt, die unter Verwendung einer Kapazität, eines Widerstands, Thermistors, oder unter Verwendung mechanischer oder optischer Messvorrichtungen arbeiten. Diese haben jedoch eine grosse Reihe von Nachteilen und sind z. 3. unempfindlich, ungenau, unzuverlässig, unstabil, umständlich, schwer zu bedienen und teuer. Dies gilt ganz besonders bei der Überwachung des Spiegels kryogener Flüssigkeiten. Die mit einer Kapazität arbeitenden Geräte leiden an zu hohem Störniveau, mangelnder Empfindlichkeit und schwachen Ausgangssignalen. Widerstandspegelmesser kehren nach Kontakt mit einer kryogenen Flüssigkeit nicht zum Ausgangswert zurllck und liefern daherbei gleichen angelegten Spannungswerten und Temperaturen ungleichmässige Stromwerte und sind damit unzuverlässig. Thermistorfühlelemente sind grundsätzlich unstabil und aufwendig bzw. teuer.
• Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer empfindliche und genaue Anzeigewerte liefernden einfachen und wenig aufwendigen Anordnung zur Feststellung des Flüssigkeitsstandes, insbesondere kryogener Blüssigkeiten in einem Behälter.
• Gelöst wird dieee Aufgabe dadurch, dass über eine oder mehrere, an eine Spannungsquelle gelegte Dioden in Durchlassrichtung ein Stromfluss einer gegebenen Stärke in einer Diodenlage oberhalb des Flüssigkeitsspiegels und ein Stromfluss einer geringeren Stärke in einer Diodeiiiage in Berührung mit dem Flüssigkeitsspiegel erzeugt wird.
• Nach günstiger Ausgestaltung der Erfindung kann eine Feinanzeige dadurch erreicht werden, dass mehrere Dioden in aufeinanderfolgenden senkrechten Sbenen im Behälter hintereinandergeschaltet werden. Günstigerweise ist dabei jede Diode einer einzelnen Ebene zugeordnet. Eine noch feinere Anzeige wird durch eine gestufte Diodenanordnung in überlappenden senkrechten Ebenen erzielt.
• Besonders günstig ist die Erfindung für die Überwachung des Spiegels kryogener Flüsaigkeiten, d. h. Flüssigkeiten sehr tiefer Temperatur, beispielsweise im Bereich von einigen °K.
• Darüberhinaus ist sie aber auch zur Feststellung des Flüssigkeitsstandes in jedem Xemperyturbereich, z. B. zur Kontrolle von Wasserversorgungsbehältern verwendbar, sofern die geeigneten Dioden zum einsatz gelangen.
• Besonders günstig ist, dass auch bei langer und starker Beanspruchung insbesondere z. 3. auch nach wiederholtem Eintauchen in Flüssigkeiten sehr tiefer Temperatur die Messgenauigkeit nicht leidet, da die eintauchende Diode ihren elektrischen Leitfähigkeitskennwert für gegebene Spannungs- und Temperaturverhältnisse beibehält.
• Anhand der Zeichnungen sei die Erfindung am Beispiel der Überwachung einer kryogenen Flüssigkeit ohne Beschränkung hierauf näher erläutert. Es zeigen: Die Figur 1 das Schaltschema einer erfindungsgemässen Anordnung mit mehreren, aus hintereinandergeschalteten Flächendioden bestehenden Fühlelementen; die Figur 2 in graphischer Darstellung die Abhängigkeit des Sonden- bzw. Diodenstroms (y-Achse) von dem von "voll" bis Xleern sinkenden Flüssigkeitsspiegel eines kryogenen Mediums flüssiger Phase in einem Behälter (x-Achse); die Figur 3 in Vorderansicht eine Sonde mit in einer Reihe angeordneten Fühlelementen bzw. Dioden; die Figur 4 ebenfalls in Vorderansicht eine gestufte Anordnung der Dioden in überlappenden senkrechten Ebenen im Behälter.
• Die in der Figur 1 allgemein mit ii bezeichnete Anordnung enthält eine Sonde 13, die aus mehreren hintereinandergeschalteten, auf einer Unterlage 17 befestigten Suhlelementen in Form von Flachdioden 15 aufgebaut ist. Die Dioden sind in Serienschaltung mit einem Begrenzungswiderstand 19 und einem Eopplungswiderstand 21 an zinke elektrische Kraftquelle 23 gelegt.
• Eine parallel mit dem Kopplungswiderstand 21 verbundene Verbraucherschaltung 24 besteht aus einer Spannungsabfall-Diode 25 und einem mit seiner Basis über die Diode an einen gemeinsamen Anschluss von Sonde 13 und Widerstand 21 gelegten Transistor 27. Über den an seinen Emitter-gelegten Widerstand 29 ist der Transistor mit einer geeigneten Stromquelle verbunden. In Serienschaltung mit dem Widerstand 29 stehen ferner ein Potentiometer 31 und Milliamperemeter 33 zur Verfügung.
• Um als Fthlmittel für den Flüssigkeitsstand in einem Behälter wirken zu können, ist die Sonde senkrecht zum Flüssigkeit 5-spiegel im Behälter angebracht. Die Wirkungsweise der Anordnung beruht hier auf der Feststellung, dass sich die elektrischen Eigenschaften einer Diode 15 gegenüber dem Zustand bei Zimmertemperatur nicht wesentlich ändern, solange sie sich in dem bei kryogenen Medium meist mit Dampf gefüllten Raum über dem Flüssigkeitsspiegel befindet. Sobald die Diode aber auch nur teilweise in Berührung mit der kryogenen Flüssigkeit tritt, steigt ihre Wärmeleitfähigkeit scharf an und gleichzeitig tritt eine überraschende Änderung ihrer elektrischen Eigenschaften ein. Bei Berührung mit einer Flüssigkeit einer Tieftemperatur von beispielsweise 20°K ist zur Einleitung des Stromdurchgangs eine beträchtlich erhöhte Schwellenspannung erforderlich. Zur Aufrechterhaltung der Stromführung genügt dann ein in der Rezum die Hälfte geliniedrigerer Spannungswert, der aber immer noch erheblich über der Spannung ohne Berührung mit der Xieftemperaturflüssigkeit liegt. Je nachdem ob eine bestimmte Diode mit der Flüssigkeit in Berührung gelangt oder in den freien Raum oberhalb des Spiegels tritt, ist somit ein Stromabfall oder -anstieg mit deutlich abgesetzten Widerstands- und Stromstärkestufen die Folge.
• Die Stromquelle 23 muss stark genug sein, um auch im Falle eines Kontakts aller Dioden 15 mit der Flüssigkeit die zur Überwindung des in diesem Grenzfall erheblichen Widerstands erforderliche Schwellenspannung zu liefern. Zum Schutz der Dioden bei maximalem Stromdurchgang dient der Begrenzungswiderstand 19.
• Infolge der abgesetzten Widerstands stufen der Dioden ist der gesamte Stromdurchfluss aller hinterieinandergeschalteten Dioden in stationärem Zustand der Anzahl der die Flüssigkeit berührenden Dioden proportional. Das entsprechende, den Stand des Flüssigkeitsspiegels anzeigende Gleichstromsignal wird vom Widerstand 21 abgegriffen, iiber die Diode 25 auf die Transistorbasis gegeben und erscheint nach Yerstärkung durch den Transistor 27 über'den Widerstand 29 als Anzeige auf dem Milliamperemesser 53, dessen Ablesewerte mit zunehmender in die Flüssigkeit eintauchender Diodenzahl abnehmen und umgekehrt zunehmen, wenn eine oder mehrere Dioden in den freien Raum oberhalb des Flüssigkeitsspiegels gelangen und ein Kontakt mit der Flüssigkeit nicht meh4testeht. Auf Grund der eine Funktion des Diodenstroms in Abhangigkeit vom Flüssigkeitsstand darstellenden Werte (vgl. das Diagramm der Figur 2) kann der Milliamperemesser geeicht werden und damit unmittelbar den Flüssigkeitsstand in einem Behälter anzeigen. Die funktionelle Darstellung der Figur 2 wurde als Beispiel mit einer aus 15 im Abstand voneinander entsprechend der Figur 3 auf einer Unterlage 17 angeordneten Diodn bestehenden Sonde mit abgestuften ç ungswerten erha:t;en Die waagerechte Lange jeder Stufe entspricht dabei dem gegenseitigen Abstand benachbarter Dioden zuzüglich der Diodenlänge. Der Flüssigkeitssenregel muss also um diese Entfernung fallen oder steigen, bevor mit der benachbarten Diode ein Kontakt hergestellt wird bzw. y aufhört Eine grössere Genauigkeit der Anzeigewerte kann aber durch Terkleinerung des Diodenabstands erreicht werden. Eine noch grössere Genauigkeit erhält man durch die in der Figur 4 dargestellte abgestufte Anordnung der Dioden in überlappender Folge, gegebenenfalls zwecks Erzielung feinster Anzeige in mehreren versetzt angeordneten Reihen.
• Durch Verwendung geeigneter Dioden ist auch die Feststellung und Anzeige nicht-kryogener Flüssigkeiten, z. B. von Wasser in Wasserversorgengabehältern und dergl. möglich. Lediglich als nicht beschränkendes Beispiel ist daher die folgende Anordnung zur Feststellung des Standes einer kryogenen Flüssigkeit in Form von verflüssigtem Wasserstoff aufzufassen.
• In einsr Dewar Gefäiss mit 100 1 Inhalt wurde eine der Figur 3 entsprechend angeordnete Sonde von 32 Dioden auf einer Paserplatte vorgesehen und mit einer Spannungsquelle mit einem Nennwert von 300 V, einem Begrenzungswidertand 19 von 15 Kiloohm und einem Kopplungswiderstand von 1 Kiloohm versehen. Die Zünd-bzw. Schwellenspannung einer in Beruhrung mit der Flüssigkeit stehenden Diode betrug 10 V und die zur Aufrrechterhaltung sß Stromflusses in dieser Diode erforderlogen Spannung etwa d V.
• Demgegenüber reichte eine Spannung von 1 V für den Stromdurchgang in einer oberhalb des Flüssigkeitsspiegels befindlichen Diode aus. Die Verbraucherschaltung bestand aus der Siliziumdiode 25, einem Transistor 27 und einem Widerstand 29 mit einem Nennwert von 2 Kiloohm, dem Potentiometer 31 mit dem Nennbereich von 0 - 5 Kiloohm und dem Milliamperemesser des Bereichs von 0 - 1 Milliampere.

Claims (8)

Patentanspruche

1. Anordnung zur Feststellung und gegebenenfalls Messung und Anzeige des Flüssigkeitsstands in einem Behälter, dadurch gekennzeichnet, dass über eine oder mehrere an eine Spannungsquelle (23) gelegte Dioden (15) in Durchlassrichtung ein Stromfluss einer gegebenen Stärke in einer Diodenlage oberhalb des Flüssigkeitsspiegels und ein Stromiluss einer geringeren Stärke in einer Diodenlage in Berührung mit dem Flüssigkeitsspiegel erzeugt wird.

2. Anordnung gemäss Aspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Diode und Sparaungsquelle ein Begrenzungswiderstand (19) gelegt ist.

3. Anordnung gemäss Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine mit der Diode verbundene, den Stromdurchgang durch diese messende bzw. anzeigende Schaltung (24).

4. Anordnung gemäss Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung einen hinter die Diode und parallel zur Spannungsquelle sowie zu der Schaltung (24) geschalteten Kopplungswiderstand (21) aufweist.

5. Anordnung gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Dioden (15) in aufeinanderfolgenden senkrechten Ebenen im Behälter hintereinander geschaltet sind.

6. Anordnung gemäss Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass jede Diode einer einzelnen Ebene zugeordnet ist.

7. Anordnung gemäss Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine gestufte Diodenanordnung in überlappenden, senkrechten Ebenen.

8. Anordnung gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung zur Messung des Bldssigkeitsstandes eines Kryogene.

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