DE102006057819B4

DE102006057819B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Füllstandsmessung

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Publication number: DE102006057819B4
Application number: DE200610057819
Authority: DE
Inventors: Jürgen Hammerschmidt; Wilfried Dr. Harfst; Sacha Kaercher
Original assignee: Areva NP GmbH
Current assignee: Areva GmbH
Priority date: 2006-12-06
Filing date: 2006-12-06
Publication date: 2009-06-10
Anticipated expiration: 2026-12-07
Also published as: DE102006057819A1; WO2008067881A1

Abstract

Verfahren zur Ermittlung des Füllstandes einer Flüssigkeit (7) in einem Flüssigkeitsbehälter (1) durch den Vergleich einer mit einem unbeheizten Thermoelement (2) ermittelten Umgebungstemperatur T mit einer mit einem beheizten Thermoelement (3) ermittelten Temperatur T_HT, wobei das unbeheizte (2) und das beheizte Thermoelement (3) im Flüssigkeitsbehälter (1) angeordnet sind, und wobei das beheizte Thermoelement (3) durch ein Heizelement (4) beheizt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturabhängigkeit der Temperaturdifferenz zwischen den gemessenen Temperaturen am unbeheizten und beheizten Thermoelement (2, 3) auf Grundlage der Temperaturabhängigkeit des Wärmeübergangskoeffizienten (α(T)) der Flüssigkeit (7) und/oder eines über der Flüssigkeit befindlichen gasförmigen Mediums (6) durch regelbare Steuerung der Heizleistung des Heizelementes (4) kompensiert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung des Füllstandes einer Flüssigkeit in einem Flüssigkeitsbehälter durch den Vergleich einer mit einem unbeheizten Thermoelement ermittelten Temperatur mit einer mit einem beheizten Thermoelement ermittelten Temperatur, wobei das unbeheizte und das beheizte Thermoelement im Flüssigkeitsbehälter anordbar sind. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Ermittlung des Füllstandes einer Flüssigkeit in einem Flüssigkeitsbehälter mit Mitteln zum Vergleich einer mit einem unbeheizten Thermoelement ermittelten Temperatur mit einer mit einem beheizten Thermoelement ermittelten Temperatur, wobei das unbeheizte und das beheizte Thermoelement im Flüssigkeitsbehälter angeordnet sind.
In den Produktionsprozessen von Gütern oder von Energien ist eine häufig zu erfüllende Anforderung, dass der Flüssigkeitsstand bzw. der Verlauf der Oberfläche zwischen einem flüssigen und einem gasförmigen Medium innerhalb eines Flüssigkeitsbehälters berührungslos zu messen ist. Die hierzu häufig verwendeten Messvorrichtungen und Füllstandssensoren sind insbesondere in der Kernkraftwerkstechnik beheizbare Thermoelemente, bei denen aufgrund der erzeugten Thermospannungen auf die Temperaturen und damit auf die Füllstandshöhen in einem Flüssigkeitsbehälter geschlossen werden kann.
Diese Methode der Füllstandsmessung ist gegenüber anderen Messprinzipien vergleichsweise unempfindlich gegenüber radioaktiver Strahlung und garantiert selbst bei einem kurzfristigen starken Temperaturanstieg eine eindeutige Messung der Umgebungstemperatur. Derartige Messvorrichtungen finden insbesondere im Reaktordruckbehälter eines Druckwasserreaktors Anwendung, um dort die Pegelhöhe der durch den Primärkreislauf der Kraftwerksanlage strömenden Kühlflüssigkeit oberhalb der Brennelemente zu überwachen. Aufgrund ihrer zuverläs sigen und robusten Betriebsweise werden häufig Thermoelemente mit kombinierten Temperaturmessvorrichtungen und Heizelementen verwendet, die eine zur Temperatur proportionale Thermospannung liefern.
Das zugrunde liegende Messprinzip zur Ermittlung des Flüssigkeitsstandes mit Hilfe der gemessenen Temperatur nutzt die unterschiedlichen Wärmeübergangscharakteristiken, die beim Übergang der Wärme von einem Heizelement auf ein das Heizelement bzw. das beheizte Thermoelement umgebendes flüssiges Medium einerseits und auf ein gas- oder dampfförmiges Medium andererseits auftreten. Für den Fall, dass das Heizelement als Bestandteil eines Thermoelements von einem flüssigen Medium, wie beispielsweise einem fluiden Kühlmittel in einem Reaktordruckbehälter, umgeben ist, wird die vom Heizelement erzeugte Wärme rasch abgeführt, da ein fluides Kühlmedium einen relativ hohen Wärmeübergangskoeffizienten α besitzt. Die in der unmittelbaren Umgebung des Heizelements gemessene Temperatur ist aufgrund des raschen Wärmeübergangs zwischen dem Heizelement und dem umgebenden fluiden Kühlmedium nur unwesentlich höher als die Umgebungstemperatur T des fluiden Kühlmediums, die mit einem unbeheizten Thermoelement messbar ist.
Ist das Heizelement von einem gasförmigen Medium umgeben, wird die im Heizelement erzeugte Wärme im Vergleich zu einem flüssigen Medium nicht mehr effektiv abgeführt, da der Wärmeübergang zwischen dem Heizelement und dem umgebenden gasförmigen Medium durch einen relativ niedrigen Wärmeübergangskoeffizienten gekennzeichnet ist. Die gleichermaßen im Thermoelement integrierte Temperaturmessvorrichtung detektiert in diesem Falle eine wesentlich höhere Temperatur als ein in gleicher Höhe angebrachtes ungeheiztes Thermoelement. Die in unmittelbarer Nähe des beheizten Thermoelements gemessene Temperatur ist deutlich höher als die mit einem unbeheizten Thermoelement gemessene Umgebungstemperatur T des gasförmigen Mediums.
Die Detektion des Flüssigkeitsstands erfolgt dadurch, dass innerhalb des Flüssigkeitsbehälters ein beheiztes Thermoelement die Temperatur des unmittelbar das Thermoelement umgebenen Mediums misst und diese mit der mit einem referenzierten unbeheizten Thermoelement gemessenen Umgebungstemperatur T vergleicht. Im Falles einer großen Temperaturdifferenz ΔT zwischen der in unmittelbarer Nähe des beheizten Thermoelements gemessenen Temperatur und der Umgebungstemperatur T, ist auf einen relativ niedrigen Wärmeübergangskoeffizienten und damit auf ein gasförmiges Medium in der unmittelbaren Nähe des beheizten Thermoelements zu schließen. Aufgrund der bekannten Höhenpositionen der beheizten und unbeheizten Thermoelemente innerhalb des Flüssigkeitsbehälters kann somit aufgrund der höhenabhängig unterschiedlich detektierten Temperaturdifferenzen zwischen den beheizten und unbeheizten Thermoelementen auf den Flüssigkeitstand innerhalb des Flüssigkeitsbehälters geschlossen werden.
Ein Hauptanwendungsgebiet dieses Verfahrens zur Ermittlung des Flüssigkeitsstandes liegt auf dem Gebiet der Reaktortechnik. Fällt beispielsweise während des regulären Reaktorbetriebs oder auch bei einem Reaktorstörfall aufgrund eines Druckverlustes im Primärkreislauf der Flüssigkeitspegel im Reaktordruckbehälter unter die Höhe eines ausgewählten beheizten Thermoelements ist das betrachtete Thermoelement nunmehr von dem dampfförmigen Kühlmittel umgeben. Damit verändern sich die Wärmeübergangseigenschaften, und die im Heizelement erzeugte Wärme wird nicht mehr vollständig von dem Thermoelement durch das gasförmige Medium abgeführt. Hierdurch steigt die Temperatur in der unmittelbaren Umgebung des Heizelementes an, was mittels der Temperaturmesseinrichtung im beheizten Thermoelement ermittelt wird.
Die Genauigkeit des zu ermittelnden Flüssigkeitsstandes erhöht sich mit der Anzahl der innerhalb des Flüssigkeitsbehälters angeordneten beheizten und unbeheizten Thermoelementen, wobei vorteilhafterweise eine äquidistante Anordnung der Thermoelemente horizontal und vertikal innerhalb des Flüssigkeitsbehälters gewählt ist. Weiterhin werden die beheizten Thermoelemente in zumeist regelmäßigen Abständen voneinander an einem stab- oder röhrenförmigen Träger oder an einem länglichen Messrohr angeordnet, das in die Flüssigkeit eintaucht. Im Inneren des länglichen Messrohrs sind zumeist die zur Stromversorgung der Heizelemente und die zur Signalübermittlung der gemessenen Temperaturwerte notwendigen Versorgungs- und Signalleitungen angeordnet.
Eine Messvorrichtung der eingangs beschriebenen Art ist beispielsweise aus der WO 01/35421 A1 bekannt. Eine Anzahl von beheizten und unbeheizten Thermoelementen ist innerhalb eines Messrohres angeordnet, wobei die mit einem beheizten Thermoelement ermittelten Temperaturen mit den ermittelten Umgebungstemperaturen eines korrespondieren unbeheizten Thermoelements verglichen werden. Auf diese Weise lässt sich durch die Auswertung der Temperaturdifferenzen eine jeweilige Füllstandshöhe ableiten, deren Änderungen auch über die Zeit analysiert werden. Durch die Betrachtung der zeitlichen Variation der Temperaturverläufe, der Temperaturdifferenz und der hieraus abgeleiteten Füllstandshöhen wird ausgeschlossen, dass ein Anstieg oder eine Absenkung der Umgebungstemperatur T fälschlicherweise als Variation der Füllhöhe gedeutet wird.
Problematisch ist hierbei jedoch, dass bei allen im Stand der Technik bekannten Messanordnungen zwar die mögliche Abweichung von den idealerweise nur zwei möglichen Temperaturdifferenzen (Detektion flüssiges oder gasförmiges Medium) ermittelt wird, bisher jedoch keine Möglichkeit bereitgestellt wird, dass tatsächlich nur zwei unterschiedliche Temperaturdifferenzen – ΔT_FLUID und ΔT_GAS – auszuwerten sind.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zur berührungslosen Messung der Flüssigkeitshöhe in einem Flüssigkeitsbehälter mittels Thermoelemente bereitzustellen, die bei einfacher Bauart und bei hoher Ausfallsi cherheit eine zuverlässige und temperaturunabhängige Bestimmung der Füllstandshöhe ermöglicht.
Gelöst wird die Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass im Rahmen der Ermittlung der Temperatur mittels des beheizten Thermoelements eine in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur T thermische Kompensation vorgenommen wird. Hierdurch wird nicht nur wie bisher die mögliche temperaturabhängige Veränderung der Temperaturdifferenz ΔT zwischen den ermittelten Temperaturen T, T_HT am beheizten und zugeordnetem unbeheizten Thermoelement detektiert, sondern es wird die temperaturabhängige Variation des Wärmeübergangskoeffizienten α(T) direkt kompensiert und damit die Temperaturdifferenz ΔT auf nur zwei mögliche Werte begrenzt. Für die Detektion eines flüssigen und eines gasförmigen Mediums sind mit Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens nur noch zwei temperaturunabhängige Temperaturdifferenzwerte auszuwerten.
Vorteilhafterweise wird in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur T die thermische Kompensation auf der Grundlage der Temperaturabhängigkeit des Wärmeübergangskoeffizienten α(T) der Flüssigkeit ermittelt. Durch die Berücksichtigung der Temperatureigenschaften des Wärmeübergangskoeffizienten α(T) der Flüssigkeit, der als ursächlich für die Temperaturabhängigkeit der Temperaturdifferenz ΔT zwischen der ermittelten Temperatur T, T_HT am beheizten und zugeordnetem unbeheizten Thermoelement erkannt wurde, kann durch eine geeignete Kompensation dieser thermische Effekt aufgehoben werden. Die Temperaturabhängigkeit des Wärmeübergangskoeffizienten für das gasförmige Medium α_GAS(T) braucht in diesem Falle nicht betrachtet werden, wenn eine konstante, bezüglich des temperaturabhängigen Wärmeübergangs zur Flüssigkeit kompensierte Temperaturdifferenz ΔT_FLUID ermittelt wird. In Verbindung mit einem vorgegebenen Schwellwert für die Temperaturdifferenz ΔT_GAS ist nach dem erfindungsgemäßen Verfahren nur noch das Erreichen des vorgegebenen Schwellwerts für die Temperaturdifferenz ΔT_GAS zu überwachen. Die Ermittlung der Tem peraturdifferenz ΔT zwischen den Temperaturen T, T_HT am beheizten und am zugeordneten unbeheizten Thermoelement und des daraus abgeleiteten Flüssigkeitsstandes ist damit temperaturunabhängig möglich, was die Zuverlässigkeit der Flüssigkeitsstandmessung erhöht.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die thermische Kompensation des beheizten Thermoelements durch eine in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur T regelbaren Steuerung der Heizleistung P des beheizten Thermoelements vorgenommen wird. Insbesondere der mit höherer Umgebungstemperatur T auch zunehmende Wärmeübergangskoeffizient α(T) der Flüssigkeit bedingt eine im Vergleich zu einem theoretisch temperaturunabhängigen Übergangskoeffizienten α_CONST geringere Temperatur T_HT in der unmittelbaren Umgebung des beheizten Thermoelements. Die hieraus ermittelte Temperaturdifferenz ΔT zwischen den gemessenen Temperaturen T, T_HT am beheizten und zugeordneten unbeheizten Thermoelement nimmt daher mit zunehmender Umgebungstemperatur T ab. Durch eine entsprechende abgestimmte Steuerung der Heizleistung P wird vorteilhafterweise die Temperaturabhängigkeit der Temperaturdifferenz durch eine abgestimmte Erhöhung der Heizleistung P kompensiert. Vorteilhafterweise wird die thermische Kompensation im beheizten Thermoelement durch die Steuerung der elektrischen Heizleistung P im Heizelement des beheizten Thermoelements vorgenommen. Durch die direkte Abhängigkeit der im Heizelement des beheizten Thermoelements erzeugten Temperatur von der Heizleistung P ist die Möglichkeit gegeben, eine gezielte Steuerung der Heizleistung P für die thermische Kompensation der temperaturabhängige Änderung des Wärmeübergangskoeffizienten α(T) bereitzustellen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird die thermische Kompensation aufgrund der vorgebaren elektrischen Heizleistung P, des vorliegenden Widerstandes R und des unkompensierten Stromes I₀ im kalten Heizelement des beheizten Thermoelements durch die Bestimmung eines elektrischen Leitwertes x(α(T)) mittels folgender Zuordnung
ermittelt. Der Gesamtwiderstand des Heizelements setzt sich aus dem inneren Widerstand R des Heizelements und einem veränderbaren Leitwert x(α(T)) zur Erhöhung der Heizleistung P zusammen, wobei der Leitwert x(α(T)) im Rahmen der vorliegenden Erfindung temperaturabhängig gewählt ist. Dadurch ergibt sich eine direkte Zuordnung zwischen dem vom Wärmeübergangskoeffizienten abhängig gewählte Leitwert x(α(T)) und damit der Heizleistung P, so dass für jede Umgebungstemperatur T die Temperaturabhängigkeit des Wärmeübergangskoeffizienten α(T) genau bestimmt und kompensiert wird.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird die thermische Kompensation des beheizten Thermoelements durch eine in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur T regelbare Kompensation bei der Temperaturmessung des Thermoelements erzielt. Hierdurch wird die Möglichkeit geschaffen, die thermische Kompensation nicht nur durch Erhöhung der Heizleistung P im Heizelement des beheizten Thermoelements zu erreichen, sondern alternativ oder gleichzeitig die Temperaturabhängigkeit des Wärmeübergangskoeffizienten α(T) bei der Temperaturmessung im beheizten Thermoelement zu berücksichtigen. Auch eine Kombination der geregelten Heizleistung P bei gleichzeitiger Korrektur der gemessenen Temperatur in Abhängigkeit der Temperaturabhängigkeit des Wärmeübergangskoeffizienten α(T) dient zu einer koordinierten thermischen Kompensation im Sinne der vorliegenden Erfindung.
Vorteilhafterweise erfolgt die thermische Kompensation auf der Grundlage der ermittelten Temperaturen T, T_HT zumindest zweier beheizter Thermoelemente und zumindest eines unbeheizten Thermoelements, wobei insbesondere die beheizten Thermoelemente auf unterschiedlichen Höhen innerhalb des Flüssigkeitsbehälters angeordnet sind.
Die Aufgabe wird ebenfalls durch die Merkmale des Anspruchs 4 gelöst. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass eine Schaltungsanordnung im Rahmen der Ermittlung der Temperatur mittels des beheizten Thermoelements eine in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur T thermische Kompensation, insbesondere durch eine entsprechende Steuerung der Heizleistung P des beheizten Thermoelements, vornimmt.
Schaltungsanordnung im Sinne der vorliegenden Erfindung ist jede zur Regelung und/oder Steuerung nutzbare Vorrichtung zur Ermittlung der Temperaturen und/oder der Steuerung der Heizleistung P und/oder der Korrektur der Temperaturmessung mittels einer Software und/oder Hardware, wie beispielsweise mittels frei programmierbarer Logik-Bausteine mit einer entsprechend implementierten Steuerung.
Es wird als Vorteil angesehen, dass zumindest zwei beheizte Thermoelemente und/oder zumindest ein unbeheiztes Thermoelement zur Ermittlung der thermischen Kompensation dienen, wobei die beheizten Thermoelemente insbesondere bezüglich unterschiedlicher Höhenniveaus von möglichen Flüssigkeitsstände innerhalb des Flüssigkeitsbehälters angeordnet sind.
Die Erfindung findet zweckmäßigerweise Anwendung in einer kerntechnischen Anlage.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei zeigt beispielhaft die
1 eine graphische Darstellung der Temperaturabhängigkeit des Wärmeübergangs-koeffizienten α(T) für die durch ein beheiztes und unbeheiztes Thermoelement ermittelten Temperaturen T, T_HT und deren Temperaturdifferenz ΔT;
2 eine schematische Seitenansicht eines Flüssigkeitsbehälters mit Thermoelementen;
3 eine Schaltungsanordnung zur thermischen Kompensation der Temperaturabhängigkeit des Wärmeübergangskoeffizienten α(T).
Die 1 zeigt eine graphische Darstellung der Temperaturabhängigkeit des Wärmeübergangskoeffizienten α(T) für die durch ein beheiztes 3 und unbeheiztes 2 Thermoelement (nicht dargestellt) ermittelten Temperaturen T, T_HT und deren Temperaturdifferenz ΔT. Das beheizte Thermoelement 3 wird gemäß dem Stand der Technik mit einer konstanten Heizleistung P_const des Heizelements 4 (nicht dargestellt) betrieben. Ein in gleicher Höhe innerhalb des Flüssigkeitsbehälters 1 (nicht dargestellt) angeordnetes unbeheiztes 2 und beheiztes 3 Thermoelement liefern die Temperaturen T bzw. T_HT für eine detektierte Flüssigkeit 7. Die Temperaturdifferenz ΔT ist bei einer gleich bleibenden Umgebungstemperatur T und einem unveränderten Flüssigkeitsstand konstant. Im Zeitpunkt t₀ soll erstmalig eine Temperaturmessung erfolgen, wobei im gezeigten Beispiel gleich bleibende Temperaturen T und T_HT ermittelt werden. Zum Zeitpunkt t₁ steigen die mit dem unbeheizten 2 und beheizten 3 Thermoelement gemessenen Temperaturen T, T_HT aufgrund eines Temperaturanstieges der Flüssigkeit an.
Wegen der Temperaturabhängigkeit des Wärmeübergangskoeffizienten α(T) für die Flüssigkeit 7 im Flüssigkeitsbehälter 1 nimmt die Temperaturdifferenz ΔT ab, was zu messtechnischen und damit sicherheitstechnischen Problemen bei der Ermittlung des Flüssigkeitsstandes im Flüssigkeitsbehälter 1 führen kann. Die Temperaturdifferenz ΔT verringert sich zwischen den Zeitpunkten t₁ und t₂, da bis zu diesem Zeitpunkt zwar ein Temperaturanstieg aber keine Variationen des Flüssigkeitsstandes bezogen auf das betrachtete beheizte Thermoelement 3 aufgetreten sind. Zum Zeitpunkt t₂ setzt eine Absenkung des Flüssigkeitsstandes ein, die durch den sprunghaften Anstieg der mit dem beheizten Thermoelement 3 ermittelten Temperatur T_HT detektiert wird.
Bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens treten keine Variationen der Temperaturdifferenzen auf, da durch die thermische Kompensation nur noch zwei mögliche Temperaturdifferenzwerte (ΔT_FLUID/ΔT_GAS) auszuwerten sind. Eine Betrachtung von geringfügigen Abweichungen von diesen Temperaturdifferenzwerten (ΔT_FLUID/ΔT_GAS) ist mit der vorliegenden Erfindung nicht mehr notwendig, sondern es ist nur noch die ausschließliche Überwachung von ΔT_GAS zu gewährleisten.
In der Figur 2 ist eine schematische Seitenansicht eines Flüssigkeitsbehälters 1 mit jeweils unbeheizten 2a, 2b und zwei beheizten 3a, 3b Thermoelementen gezeigt, wobei die beheizten Thermoelemente 3a, 3b jeweils ein eigenständig steuerbares Heizelement 4a, 4b aufweisen. Die Thermoelemente 2a, 2b, 3a, 3b und die in den beheizten Thermoelementen 3a, 3b angeordneten Heizelemente 4a, 4b sind mit einer Schaltungsanordnung 5 verbunden, die auf der Grundlage der mit den unbeheizten Thermoelementen 2a, 2b gemessenen Umgebungstemperaturen T eine thermische Kompensation der Temperaturabhängigkeit des Wärmeübergangskoeffizienten α(T) der gemessenen Temperaturen T_HT der beheizten Thermoelemente 3a, 3b vornimmt. Jeweils ein beheiztes Thermoelement 3a, 3b ist auf einem gleichen Höhenniveau wie das korrespondierende unbeheizte Thermoelement 2a, 2b angeordnet, wobei das jeweils unbeheizte Thermoelement 2a, 2b die jeweilige Umgebungstemperatur T für das jeweilige Höhenniveau ermittelt. Idealerweise werden die durch die unbeheizten Thermoelemente 2a, 2b ermittelten Umgebungstemperaturen T durch die Schaltungsanordnung 5 abhängig vom Höhenniveau für die jeweils ermittelte Temperaturdifferenz ΔT (ΔT = T_HT – T) genutzt und damit eine entsprechende thermische Kompensation ermittelt.
Im gezeigten Beispiel ist ein beheiztes 3b und ein korrespondierendes unbeheiztes Thermoelement 2b von der Flüssigkeit 7 umgeben. In diesem Falle ist nur eine sehr geringe Temperaturdifferenz ΔT aufgrund der hohen Wärmeübergangskoeffizienten α(T) der Flüssigkeit 7 zwischen dem beheizten 3b und dem korrespondierenden unbeheizten Thermoelement 2b messbar. Mit zunehmender Umgebungstemperatur T der Flüssigkeit 7 wird die jeweils gemessene Temperaturdifferenz ΔT jedoch immer kleiner, wenn nicht das erfindungsgemäße Verfahren angewendet wird. Das zweite beheizte 3a und das korrespondierende unbeheizte Thermoelement 2a befinden sich oberhalb des Flüssigkeitsstandes der Flüssigkeit 7 im gasförmigen Medium 6. Aufgrund des geringeren Wärmeübergangskoeffizienten α(T) eines gasförmigen Mediums 6 im Vergleich zu einer Flüssigkeit 7 ist die im beheizten Thermoelement 3a ermittelte Temperatur T_HT im gasförmigen Medium 6 wesentlich höher, so dass die in der Schaltungsanordnung 5 ermittelte Temperaturdifferenz ΔT für das gasförmige Medium 6 ebenfalls größer ist.
Die Figur 3 zeigt eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung 5. Die an den Thermoelementen 2a, 2b, 3a, 3b (nicht dargestellt) proportional zur umgebenden Temperatur T bzw. T_HT jeweils gemessene Thermospannung wird als Eingangsspannung einem Entstörfilter 8 und einem anschließenden Gleichrichter 9 in einer Brückenschaltung dem primären Schaltsystem der Schaltungsanordnung 5 zugeführt. Das Entstörfilter 8 reduziert die Störspannung. Der Wandler arbeitet als Gegentaktwandler in der Halbbrückenschaltung. Die Schalttransistoren 11 werden von der Ansteuerschaltung 13 mit veränderlicher Impulsbreite abwechselnd ein- und ausgeschaltet. Dabei erscheint die gleichgerichtete Eingangsspannung mit wechselnder Polarität an der Primärwicklung des Transformators 12. Ein erster Nebenschlusswiderstand 10 liefert ein Signal für die elektronische Strombegrenzung zum Schutz der Halbleiterbauteile gegen Überlastung.
Die Spannung der Primärwicklung des Transformators 12 wird im Windungsverhältnis auf die Sekundärwicklung übertragen und mittels der Dioden 14 gleichgerichtet. Die Drossel 16 glättet anschließend im Zusammenwirken mit Kondensator 17 die Spannungsimpulse, so dass am Kondensator 17 eine veränderliche Gleichspannung entsteht, deren Mittelwert von der Eingangsspannung und vom Ein-/Ausschaltverhältnis der Schalttransistoren 11 abhängt. Sie wird unter Zwischenschaltung des Filters 18 an die Ausgangsklemmen 21a, 21b geführt.
Über eine Fühlerleitung 22 wird die Ausgangsspannung an die sekundäre Schaltungssteuerung 20 geleitet und dort mit einem Sollwert verglichen. Das Fehlersignal steuert über einen Optokoppler 23a das Ein-/Ausschaltverhältnis der Schalttransistoren 11 auf der Primärseite des Transformators 12.
Zur Vermeidung von Überspannungen an den Ausgangsklemmen 21a, 21b überwacht eine primäre Schaltungssteuerung 19 intern die Ausgangsspannung und sperrt bei Erreichen eines eingestellten Maximalwertes über einen zweiten Optokoppler 23b die Schalttransistoren 11. Mit einer Verzögerung von etwa 0,5 s kehrt die Schaltungsanordnung 5 selbsttätig in den Normalbetrieb zurück, um bei erneutem Auftreten von Überspannung die Transistoren 12 wieder zu sperren. Ein zweiter Nebenschlusswiderstand 16 liefert ein Signal für die elektronische Strombegrenzung. Die Strombegrenzung spricht an, wenn der Strom einen gewissen Wert (ca. den 1,1-fachen Nennstrom) erreicht. Zwecks dynamischer Stabilität reagiert diese Schaltungsanordung 5 mit einer kleinen Verzögerung, während die primäre Strombegrenzung zum Schutz der Halbleiterbauteile sehr schnell anspricht.
Um den Verbraucher und die internen Schaltungen gegen zu hohe Ausgangsspannung zu schützen, schaltet die primäre Schaltungssteuerung 13 die primären Schaltimpulse wenn ein einstellbarer Ausgangsspannungswert überschritten wird. Damit ist gewährleistet, dass keine elektrische Energie auf die sekundäre Seite des Transformators 12 übertragen wird. Die Schaltungsanordnung 5 kehrt automatisch mit einer Verzögerung von ca. 2 Sekunden in den Normalbetrieb zurück und schaltet wiederholt ab, falls die Überspannung weiterhin anliegt.
Um eine konstante Ausgangsspannung, die gegen Schwankungen der Eingangsspannung und der Ausgangslast stabilisiert ist, an den Ausgangsklemmen 21a, 21b zu gewährleisten, wird die Ausgangsspannung mit einer einstellbaren Führungsspannung verglichen. Das so gewonnene Fehlersignal steuert das Taktverhältnis der Schalttransistoren 11.
Idealerweise ist die Heizleistung P des Heizelements 4 (nicht dargestellt) des beheizten Thermoelements 3 bei wechselnden Umgebungstemperaturen T mit folgender Kennlinie des Ausgangsstroms verknüpft: I = I0 + x(α(T))·U,wobei I dem Ausgangsstrom für die Heizleistung P, I₀ dem Anfangsstrom bei kalter Heizung und x(α(T)) dem Leitwert in Abhängigkeit von der Temperaturabhängigkeit des Wärmeübergangskoeffizienten α(T) der Flüssigkeit 7 entspricht.
Diese Kennlinie ist in der Schaltungsanordnung 5 implementiert und gewährleistet eine gezielte Steuerung der Heizleistung P des Heizelements 4 zur Kompensation der Temperaturabhängigkeit des Wärmeübergangskoeffizienten α(T) bei allen Betriebsbedingungen.

1: Flüssigkeitsbehälter
2: unbeheiztes Thermoelement
3: beheiztes Thermoelement
4: Heizelement des beheizten Thermoelements
5: Schaltungsanordnung
6: gasförmiges Medium
7: Flüssigkeit
8: Entstörfilter
9: Gleichrichter
10: erster Nebenschlusswiderstand
11: Schalttransistor
12: Transformator
13: primäre Schaltungssteuerung
14: Diode
15: Drossel
16: zweiter Nebenschlusswiderstand
17: Kondensator
18: Filter
19: primäre Schaltungssteuerung
20: sekundäre Schaltungssteuerung
21a, 21b: Ausgangsklemmen
22: Fühlerleitung
23a, 23b: Optokoppler

Claims

Verfahren zur Ermittlung des Füllstandes einer Flüssigkeit (7) in einem Flüssigkeitsbehälter (1) durch den Vergleich einer mit einem unbeheizten Thermoelement (2) ermittelten Umgebungstemperatur T mit einer mit einem beheizten Thermoelement (3) ermittelten Temperatur T_HT, wobei das unbeheizte (2) und das beheizte Thermoelement (3) im Flüssigkeitsbehälter (1) angeordnet sind, und wobei das beheizte Thermoelement (3) durch ein Heizelement (4) beheizt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturabhängigkeit der Temperaturdifferenz zwischen den gemessenen Temperaturen am unbeheizten und beheizten Thermoelement (2, 3) auf Grundlage der Temperaturabhängigkeit des Wärmeübergangskoeffizienten (α(T)) der Flüssigkeit (7) und/oder eines über der Flüssigkeit befindlichen gasförmigen Mediums (6) durch regelbare Steuerung der Heizleistung des Heizelementes (4) kompensiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine thermische Kompensation aufgrund der vorgebbaren elektrischen Heizleistung P, des vorliegenden Widerstandes R und des unkompensierten Stromes I₀ im Heizelement (4) des beheizten Thermoelements (3) durch die Bestimmung des Leitwertes x(α(T)) mittels folgender Zuordnung
ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine thermische Kompensation auf der Grundlage der ermittelten Temperaturen T, T_HT zumindest zweier beheizter Thermoelemente (3) und zumindest eines unbeheizten Thermoelements (2) vorgenommen wird.
Vorrichtung zur Ermittlung des Füllstandes einer Flüssigkeit (7) in einem Flüssigkeitsbehälter (1) mittels des Vergleichs einer mit einem unbeheizten Thermoelement (3) ermittelten Umgebungstemperatur T mit einer mit einem beheizten Thermoelement (3) ermittelten Temperatur T_HT, wobei das unbeheizte (2) und das beheizte Thermoelement (3) im Flüssigkeitsbehälter (1) angeordnet sind, und wobei ein Heizelement (4) zur Beheizung des beheizten Thermoelementes (3) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schaltungsanordnung (5) vorgesehen ist, die die Temperaturabhängigkeit der Temperaturdifferenz zwischen den gemessenen Temperaturen am unbeheizten und beheizten Thermoelement (2, 3) auf Grundlage der Temperaturabhängigkeit des Wärmeübergangskoeffizienten (α(T)) der Flüssigkeit (7) und/oder eines über der Flüssigkeit befindlichen gasförmigen Mediums (6) durch regelbare Steuerung der Heizleistung des Heizelementes (4) kompensiert.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei beheizte Thermoelemente (3) und zumindest ein unbeheiztes Thermoelement (2) zur Ermittlung einer thermischen Kompensation dienen, wobei die beheizten Thermoelemente (3) insbesondere bezüglich unterschiedlicher Höhenniveaus von möglichen Flüssigkeitsständen innerhalb des Flüssigkeitsbehälters (1) angeordnet sind.