DE2602394A1

DE2602394A1 - Fluessigkeitsstand-anzeigesystem

Info

Publication number: DE2602394A1
Application number: DE19762602394
Authority: DE
Inventors: William Paul Waiwood
Original assignee: Deutsche ITT Industries GmbH
Current assignee: TDK Micronas GmbH
Priority date: 1975-01-30
Filing date: 1976-01-23
Publication date: 1976-08-05
Also published as: JPS51126176A; CA1055137A; US3955416A; FR2299630A1; GB1488104A; FR2299630B1; JPS5529370B2

Description

Deutsche. ITT Industries GmbH. W.P. Waiwood 1

78 Freiburg_t Hans-Bunte-Str. 19 Dr.Rl/sp

21. Januar 1976

DEUTSCHE ITT INDUSTRIES GESELLSCHAFT MIT BESCHRÄNKTER HAFTUNG

FREIBURG I. BR.

Flüssigkeitsstand-Anzeigesystem

Die Priorität der Anmeldung Nr. 545 503 vom 30. Januar 1975 in den Vereinigten Staaten von Amerika wird beansprucht.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Flüssigkeitsstand-Anzeige- oder -Meßsystem und insbesondere auf einen impulsgeheizten thermischen Detektor, bei dem die effektive Wärmekapazität eines Thermistorfühlers in Verbindung mit induzierten gepulsten Widerstandsabweichungen zur Bestimmung des Flüssigkeitsstandes verwendet wird.

Anzeigesysteme zur Bestimmung eines Flüssigkeitsstandes sind in der Technik bekannt und werden zur Anzeige des relativen oder absoluten Standes einer Flüssigkeit in einem Gefäß, wie z. B. dem Behälter eines Heißwasser-Boilersystems, verwendet. Bei derartigen Anwendungen wird insbesondere angestrebt, einen zu geringen Flüssigkeitsstand anzuzeigen, um Schaden an dem Boilerbehälter zu vermeiden. Eine weitverbreitete Technik, besteht darin, eine Elektrodensonde in den Behälter einzusenken, die mit einer Alarmschaltung

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in Serie geschaltet ist, wobei die Flüssigkeit selbst als elektrischer Leiter dient und den Schaltkreis schließt, wenn das Wasser über dem Sondenniveau liegt. Derartige Systeme sind nicht nur in der Installation teuer, sie sind auch der Verschmutzung der Sonde in der dieser schädlichen Umgebung des Behälters ausgesetzt«

In neuerer Zeit wurden bei Flüssigkeitsstand-Anzeigesystemen Sonden verwendet, die ein stark wärmeleitendes Teil enthalten, wie z. B. einen Metallstift, von dem ein Ende in den Behälter hineinragt, um mit der darin befindlichen Flüssigkeit Kontakt aufzunehmen. Das andere Ende des Stiftes ist mit einem Heizgerät, wie z. B. einer Widerstandsheizung, in Kontakt. Das andere Ende des Stiftes ist auch mit einem Edelmetallkontakt in Verbindung, wobei der thermische Ausdehnungskoeffizient der Kontaktanordnung in Verbindung mit dem Unterschied in der Wärmeleitfähigkeit an dem Sondenende bei Veränderungen des Flüssigkeitsstandes dazu benutzt wird, einen Kontaktschluß zu erzielen und damit ein Alarmzeichen auszulösen. Derartige Vorrichtungen erfordern jedoch einen Tempera turabgle ich bei Änderungen in der Temperatur der Umgebung und außerdem enthalten sie bewegliche Teile, die versagen können.

Anzeigesysteme nach dem Stand der Technik verwenden auch Thermistoren als wesentlichen Teil einer Sonde, die in einen Behälter mit Flüssigkeit hineinragt, wobei die Veränderung des Thefmistorwiderstandes als Funktion der Temperatur zur Anzeige des Flüssigkeitsstandes benutzt werden, d. h. die Ab- oder Anwesenheit der Flüssigkeit verändert den gesamten oder absoluten Widerstand des Thermistors. Auch, diese Vorrichtungen erfordern einen Temperaturabgleich, in Form eines zweiten Thermistors an einer abgelegenen Stelle_r wodurch. Veränderungen in der Umgebungstemperatur aufgehoben werden.

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Anzeigesystem zu schaffen, dem die Nachteile des Standes der Technik nicht anhaften. Die Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 genannte Erfindung gelöst.

Danach wird also ein Flüssigkeitsstand-Anzeigesystem geschaffen, das insbesondere zur Verwendung als Flüssigkeitsstandanzeiger geeignet ist. Das System enthält eine Sonde, eingerichtet zum Anschließen an einen Behälter mit Flüssigkeit und einer gegebenen Außenflächer mit einem Wärmeübergang zur Flüssigkeit, wobei der Stand der Flüssigkeit bezüglich der gegebenen Außenfläche variieren kann und der Wärmeübergang zwischen der Flüssigkeit und der Außenfläche zwischen Minimal- und Maximalwerten schwankt. Innerhalb der Sonde befindet sich ein Thermistor, der thermisch mit der gegebenen Außenfläche der Sonde in Kontakt ist, wobei für einen geringen thermischen Widerstand und Übergang zwischen dem Thermistor und der gegebenen Außenfläche gesorgt ist und wobei die effektive Wärmekapazität des Thermistors in Bezug zur geringen Wärmekapazität wesentlich ansteigt, wenn der Wärmeübergang den Höchstwert erreicht hat. Thermisch mit dem Thermistor verbundene Vorrichtungen sind in Übereinstimmung mit einer vorgegebenen Serie von Impulsen zum Aufheizen des Thermistors vorgesehen, wobei der elektrische Widerstand des Thermistors entsprechend den durch die Impulse herbeigeführten Temperaturabweichungen sich ändert, und zwar wechselt er zwischen zwei Niveaus und wird durch die effektive Wärmekapazität des Thermistors festgelegt. Ferner ist eine Vorrichtung zur Bestimmung des elektrischen Widerstandes des Thermistors vorgesehen, um ein Ausgangssignal zu liefern, wenn die effektive Wärmekapazität des Thermistors sich merklich ändert.

Die Vorteile der Erfindung sind noch leichter einzuschätzen, wenn man sie aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung besser verstanden hat. Dabei stellen dar:

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Fig, 1 einen Querschnitt, der die allgemeine Anordnung einer geeigneten Sonde gemäß der Erfindung zeigt,

Fig. 2a bis 2c Wellenformen, die die Grundzüge der vorliegenden Erfindung verdeutlichen,

Fig. 3 einen Querschnitt durch die Sonde nach Fig. 1, geeignet zur Befestigung an der Außenfläche eines Flüssigkeit enthaltenden Behälters,und

Fig. 4 ein schematisches Diagramm einer geeigneten Schaltung, die in einem Flüssigkeitsstand-Anzeigesystem nach der Erfindung verwendet werden.

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch eine geeignete Sonde 10, die gemäß der Erfindung ausgebildet ist. Sie besteht aus dem Gehäuse 12, das aus Metall oder einem anderen geeigneten Material hergestellt ist. Die Sonde 10 enthält ferner das Isolierstück 14, das die Form eines Ringes oder irgendeine andere geeignete geometrische Ausbildung aufweisen kann. In der Zentralöffnung des Isolierteiles 14 sitzt das Teil 16, das die Form eines Steges, eines Nagels oder eines anderen geeigneten Teiles haben kann und einen geringen thermischen Widerstand und eine geringe Wärmekapazität besitzt. Innerhalb der Sonde befinden sich der Thermistor 18 und der'Widerstand 20. Der Thermistor 18 besitzt ebenfalls eine geringe Wärmekapazität und ist vorzugsweise in engem Kontakt mit dem innenliegenden Ende des Teiles 16, so daß ein geringer thermischer Widerstand und Kapazitätsübergang zwischen dem Thermistor 18 und dem Außenende des Teiles 16 gegeben ist. Der Widerstand 20 sitzt unmittelbar neben dem Thermistor 18, entweder in Kontakt mit ihm oder verbunden über einen übergang mit geringem thermischen Widerstand.

Beim Betrieb wird die Sonde gemäß den Grundzügen der Erfindung außer- oder innerhalb an einen Behälter mit Flüssigkeit ange-

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schlossen. Der Widerstand 20 wird an eine Quelle angeschlossen, die bestimmte elektrische Impulse liefert und die Energie im Widerstand 20 verteilt, wobei der Thermistor 18 entsprechend dem Impulsniveau aufgeheizt wird. Da der Widerstand 20 thermisch mit dem Thermistor über einen Übergang mit relativ geringem thermischen Widerstand in Kontakt ist, verändert sich der Widerstand des Thermistors 18 entsprechend den Temperaturabweichungen, die durch die Impulse hervorgerufen werden. Der Bereich der Temperaturabweichungen wird durch den Leistungseingang bestimmt, der an dem Widerstand 2O liegt, ferner durch die Wärmekapazität des Thermistors 18, die thermische Kapazität des Widerstandes und die thermische Kapazität des Obergangs zwischen dem Widerstand 20 und dem Ende des Teils 16. Der Thermistor 18 ist mit dem Behälter über das Teil 16 in Kontakt, das ebenfalls einen sehr geringen thermischen Widerstand und eine geringe Wärmekapazität besitzt. Wenn der Thermistor 18 an eine Flüssigkeit in dem Behälter angeschlossen ist, z. B. durchaus Teil 16, so fällt die effektive Wärmekapazität des Thermistors wesentlich ab. Dementsprechend fällt auch die Wärmemenge und deshalb die thermische Zeitkonstante des Thermistors ab.

Die Fig. 2a bis 2c zeigen Wellenformen, die die Grundzüge des Betriebsablaufes des Anzeigesystems nach der Erfindung erläutern. Die festgelegten elektrischen Impulse werden durch die Kurve 101 verkörpert. Man erkennt, daß jeder Impuls eine positiv verlaufende Vorderflanke 101a und eine negativ verlaufende Rückflanke 101b hat. Diese Impulse dienen zum Aufheizen des Widerstandes 20,- der wiederum den Widerstand des Thermistors 18 verändert. Die Widerstandsänderung des Thermistors 18 bei tiefem und hohem Flüssigkeitsstand wird jeweils durch, die Kurven 120 und 120* der Fig. 2b und 2c veranschaulicht. Man erkennt aus der Fig. 2b, daß nach der Vorder-

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flanke des Impulses, d. h.. während der Impuls~"ein"-Zeit, der

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Thermistor durch, die induzierten Heizimpulse aufgeheizt wird
und demgemäß der Widerstand des Thermistors während dieser
Periode abfällt. Nach, der Vorderflanke jedes Impulses in der
Serie 101 kann der Thermistor abkühlen,- worauf der Widerstand
wieder ansteigt- Somit sind Maximal- und Minimalwerte der Widerstandsabweichungen oder —änderungen eng verbunden mit den Vorder- und Rückflanken der Impulse 101·

Es ist nun zu bedenken, daß bei einem Flüssigkeitsstand in dem
Behälter unter dem Niveau der Sonde die effektive Wärmekapazität des Thermistors 18 so ist, daß dieser den Temperaturschwankungen folgt. Wenn jedoch die Flüssigkeit einen thermischen Kontakt zum Thermistor 18 Coder Teil 16} hat, steigt die effektive Wärmekapazität des Thermistors wesentlich an, so daß der Widerstand desselben den induzierten TemperatürSchwankungen nicht leicht folgt. Es ist somit zu bedenken, daß bei einer deutlichen Änderung der
Widerstandsabweichung des Thermistors 18 der Flüssigkeitsstand
bis zum Kontakt mit der Sonde 10 ansteigt oder darunter abfällt, und somit diese merkliche Änderung zur Anzeige des Flüssigkeitsstandes benutzt werden kann. Für den Fachmann ist erkennbar, daß Thermistoren mit positivem wie auch negativem Temperaturkoeffizienten benutzbar sind und daß jeder der beiden gleich gut in einem
Anzeigesystem nach der Lehr der Erfindung verwendet werden kann.

Fig. 3 zeigt eine häufig bevorzugte Methode zum Anschließen oder Anbringen der Sonde 10 an einen Behälter mit Flüssigkeit. Unter
der Bezugsziffer 22 wird die Wand des Behälters im Querschnitt
gezeigt und die darin befindliche Flüssigkeit wird durch 24 angedeutet. Man erkennt, daß die Sonde 10 außerhalb des Behälters
an der Außenfläche der Wand 22 angebracht ist. Diese Befestigungstechnik ist vorzuziehen, da die Sonde 10 auf geeignete Weise mit der Wand 22 verbunden, an diese angeschweißt oder auf irgendeine andere Weise angeschlossen werden kann, ohne daß es notwendig ist,

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ein Loch, oder eine öffnung in der Wand 22 zu schaffen. Selbstverständlich, kann die Sonde 10 auch an der Wand in einer geeigneten Aussparung angebracht werden, die sich teilweise durch die Wand 22 erstreckt und dabei die Empfindlichkeit der Sonde 10 auf ein Maximum erhöht. . .

Fig. 4 zeigt ein schematiseh.es Diagramm einer Form der elektronischen Schaltung 30 zum Messen der Spannungsänderungen des Thermistors 18 des Flüssigkeitsstandsdetektors nach der Erfindung. Die Schaltung 30 enthält den Oszillator 32, der eine vorausbestimmte Serie von Impulsen erzeugt, die an den Widerstand 20' der Sonde 10* gelangen. Diese Impulse sind auch über den Kondensator 34a an die Differenzierschaltung 34 angelegt. Der Kondensator 34a wirkt SOr daß er die Vorderflanke und die Rückflanke jedes Impulses differenziert Und ein entsprechendes Impulspaar liefert. Die differenzierte Vorderflanke ergibt eine Vorspannung der Diode 34b. Das differenzierte Impulspaar gelangt auch in den Inverter 34c, der eine invertierte Version desselben ergibt. Entsprechend gibt die Rückflanke eines jeden Impulses an dem Ausgang von 34c eine Vorspannung an der Diode 34d. Das Ausgangssignal der Diode 34b liegt an der ersten Torschaltung 36 und das Ausgangssignal der Diode 34d an der zweiten Torschaltung 38.

Der Widerstand 20' und der Thermistor 18' sind jeweils an dem einen Ende an ein Bezugspotential angeschlossen, z. B. geerdet. Das andere Ende des Thermistors 18" liegt über einen Widerstand an einem bestimmten Bezugspotential (+V). Der Verbindungspunkt des Widerstandes 40 und des Thermistors 18' ist mit dem Eingang der Torschaltung 36 und Torschaltung 38 in Verbindung. Das Ausgangssignal der 5*a^sch.altiungen 36 und 38 führen jeweils zu den Minus-(V) und pIus^I¹¹+")Eingängen der Vergleichsschaltung 42. Der Pluseingang der- Vergleichsschaltung 42 ist über den integrierenden ·

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Kondensator 44 geerdet_r der Minuseingang der Vergleichsschaltung 42 ist ähnlich, über einen zweiten integrierenden Kondensator 46 geerdet. Das ausgangssignal der Vergleichsschaltung gelangt in die Anzeige-oder Auswertvorrichtung 48. Die Vergleichsschaltung 42 kann eine herkömmliche Vergleichsschaltung sein, ein Schmitt-Trigger oder ein anderes geeignetes Schwellspannungsgerät.

Die Schaltung 30 arbeitet wie folgt: Die Ausgangsimpulse des Oszillators 32 verteilen Energie im Widerstand 20' und die dadurch erzeugte Hitze gelangt zum Thermistor 18". Mit den Abweichungen des Widerstandes des Thermistors 18" ändert sich entsprechend die Spannung an den Verbindungspunkten des Widerstandes und des Thermistors 18¹. Das'so gebildete Spannungssignal ist während der Rückflanke jeden Impulses des Oszillators 32 an den "+"-Eingang der Vergleichsschaltung 42 angeschlossen. Ähnlich wird während der Vorderflanke eines jeden Eingangsimpulses des Oszillators 32 das Spannungssignal dem "-"-Eingang der Vergleichsschaltung 42 eingegeben. Diese Signale werden durch die Kondensatoren 44 und 46 gefiltert und integriert. Wenn die durch die Kondensatoren 44 und 46 jeweils gespeicherten Spannungsunterschiede einen vorbestimmten Wert überschreiten, tritt an den Ausgang der Vergleichsschaltung 42 ein Ausgangssignal· auf und die Anzeigevorrichtung 48 liefert ein Signal, das einen hohen oder tiefen Flüssigkeitsstand anzeigt.

Es darf jedoch nicht außer acht gelassen werden, daß die Schaltung 30 nach Fig. 4 nur eine Möglichkeit zur Nutzung der induzierten Widerstandsänderungen des Thermistors 18¹ (18) zur Anzeige eines Flüssigkeitsstandes darstellt, d. h. die Lehr nach der Erfindung kann ohne weiteres im Rahmen der.Technik erweitert werden, um geeignete Schaltungen zu schaffen, die sich von der in Fig. aufgezeigten unterscheiden.

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Da es die Änderungsrate oder die Wechselstromkomponente der Widerstandsänderung ist, die gemessen wird,- um ein dem Flüssigkeitsstand entsprechendes Signal zu erzeugen, so weiß der Fachmann zu schätzen, daß das Anzeigeverfahren im wesentlichen unabhängig ist vom absoluten Widerstand des Thermistors und somit unabhängig von der Umgebungstemperatur. Demzufolge ist ein Temperaturabgleich für den Thermistor nicht erforderlich.

Es muß noch erwähnt werden, daß die Sonde verschiedene Formen und Befestigungen aufweisen kann. Ferner kann die Sonde aus einer geeigneten Menge thermisch leitenden Leimes bestehen, der auf eine gegebene Oberfläche des Behälters angeklebt ist, wodurch der Thermistor und die Impulsheizvorrichtung oder der Widerstand lediglich an dem Behälter angeklebt sind. Selbstverständlich kann die Sonde auch die Form eines druckfesten Gehäuses besitzen, das in dem Deckel oder in einer Seitenwand des Behälters eingebaut ist.

Außerdem kann die Sonde dafür vorgesehen sein, zwei getrennte Thermistoren aufzunehmen,, z. B. durch eine gabelförmige Sonde, wobei zwei Flüssigkeitsstände bestimmt werden. Bei einer gegebenen Anwendung der Erfindung können auch eine Vielzahl von getrennten Sonden eingesetzt werden, so daß sich eine Vielzahl von Flüssigkeitsmeßpunkten ergibt. Zusätzlich kann die Meßschaltung einen entsprechenden Zeitverschiebekreis enthalten, um ein vorzeitiges Ausgangssignal auszuschließen, das gegebenenfalls durch das Hochschwappen der Flüssigkeit ausgelöst werden könnte.

Obgleich, die obige Beschreibung sich, auf die Anzeige eines Flüssigkeitsstandes bezieht, muß letztlich berücksichtigt werden, daß die vorliegende Erfindung entsprechend zufriedenstellende Ergebnisse mit verschiedenen Feststoffen, wie z. B. teilchenförmigen Substanzen, ergibt. Es läßt sich voraussagen, daß entsprechende zufriedenstellende Ergebnisse bei den Anwendungen zu erzielen sindf vorausgesetzt, daß die thermischen Kennlinien der Stoffe ausreichen, einen meßbaren Unterschied in der effektiven Wärme-

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kapazität des Thermistors nach, der Erfindung zu bewirken.

Die vorliegende Erfindung vermittelt die Lehre, daß ein impulsgeheizter Plussigkeitsdetektor die Bestimmung des Flüssigkeitsstandes in einem Behälter oder Gefäß eines Heißwasserheizsystems erleichtert. Die beschriebene Ausbildungsform der Erfindung stellt jedoch lediglich eine bevorzugte Ausbildungsform der Lehre zum technischen Handeln dar.

8 Patentansprüche

2 Blatt Zeichnung

mit 4 Figuren

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Claims

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1.) Flüssigkeitsstand-Anzeigesystem, gekennzeichnet durch

eine Sonde, die an einen Behälter angeschlossen werden kann und die eine Außenfläche besitzt, die für einen Wärmeübergang zur Substanz im Behälter geeignet ist_f wobei der Stand der Substanz sich bezüglich der gegebenen Außenfläche verändern kann und der Wärmeübergang zwischen der Substanz und der Außenfläche zwischen einem Minimal- und Maximalwert schwanken kann,

einen Thermistor innerhalb der Sonde, der thermisch mit der gegebenen Außenfläche der Sonde in Verbindung steht, wobei ein übergang mit geringem thermischen Widerstand und geringer Wärmekapazität zwischen dem Thermistor und der Außenfläche besteht und die effektive Wärmekapazität des Thermistors im Hinblick auf die geringe Wärmekapazität wesentlich ansteigt, wenn der Wärmeübergang auf dem Höchstwert ist,

eine an den Thermistor angeschlossene Vorrichtung zum Aufheizen desselben in Übereinstimmung mit einer bestimmten Reihe von Impulsen, wobei der elektrische Widerstand des Thermistors entsprechend den durch die Impulse induzierten Temperaturabweichungen zwischen zwei Niveaus, bestimmt durch seine effektive Wärmekapazität, schwankt,

und ferner eine Vorrichtung zur Anzeige des elektrischen Widerstandes des Thermistors zur Erzeugung eines Ausgangssignals, wenn die effektive Wärmekapazität des Thermistors sich, deutlich, verändert.

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2. Meßsystem nach. Anspruch. 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Substanz eine Flüssigkeit ist.

3. Meßsystem nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zum Aufheizen des Thermistors einen ohmschen Widerstand einschließt, der in der Sonde angebracht , und mit einer elektrische Impulse abgebenden Quelle verbunden ist.

4. Meßsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der ohmsche Widerstand ein Widerstandselement ist.

5. Meßsystem nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde fest auf der Außenfläche des Behälters montiert ist.

6. Meßsystem nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde in den Behälter hineinragt und ihre Außenfläche direkten Kontakt mit der Flüssigkeit aufnehmen kann.

7. Meßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung vorhanden ist, die den Meßvorgang hinauszögert, bis zu einer bestimmten Zeit ein neuer Stand durch die Flüssigkeit erreicht ist.

8. Meßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter ein Gefäß eines Dampfboilers ist und die Sonde an einer bestimmten Fläche des Behälters fixiert ist.

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