DE1094474B - Fuellstandregler - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung bezieht sich auf Füllstandregler mit einem Relais, das den Zufluß zu einem Behälter nach dem Absinken des Füllstandes auf einen Mindestwert veranlaßt und bei Erreichen eines Höchstwertes beendet, mit einem mit dem Füllstand sich ändernden elektrischen Widerstandsglied als Meßfühler, das das Relais steuert.

Es sind Einrichtungen zur Messung und Fernanzeige des Flüssigkeitsstandes bekanntgeworden, bei denen eine kapazitive Sonde auf zwei Punkte einer Brückenschaltung einwirkt. Der an den beiden gegenüberliegenden Punkten der Brückenschaltung auftretende Strom wird gleichgerichtet und zur Betätigung eines Fernanzeigegerätes benutzt. Eine derartige Einrichtung enthält jedoch keinerlei Hilfsmittel, durch die die Empfindlichkeit des Meßfühlers selbsttätig verändert werden kann.

Des weiteren sind kapazitive Sonden bekannt, durch die der Flüssigkeitsstand konstant gehalten wird, indem ein Relais, das einen Hahn bedient, abwechselnd geöffnet und geschlossen wird. Eine solche Anordnung hat den Nachteil, daß schon bei sehr kleinen Schwankungen des Flüssigkeitsstandes der Hahn geöffnet und nach kurzer Zuflußzeit wieder geschlossen wird, so daß diese Regeleinrichtung zum Pendeln neigt.

Die Erfindung löst die Aufgabe, diese Nachteile bekannter Füllstandregler zu vermeiden, dadurch, daß ein Relais in der den Zufluß unterbindenden Stellung gleichzeitig die Ansprechempfindlichkeit des Reglers herabsetzt, indem es einem Fühler einen Vorzugsweise einstellbaren Widerstand parallel schaltet, der nach dem Abschalten des Zuflusses einen höheren Füllstand vortäuscht, so daß erst nach dem Absinken auf einen durch die Größe des zugeschalteten Widerstandes vorherbestimmten niedrigeren Füllstand das Relais den Zufluß wieder freigibt und zugleich durch Abschalten des Widerstandes die ursprüngliche Ansprechempfindlichkeit des Reglers wiederherstellt. Als dem Fühler parallel zu schaltender Widerstand wird zweckmäßig ein Kondensator verwendet. Dann kann der Meßfühler Bestandteil eines Schwingkreises sein, der durch den als kapazitive Sonde ausgebildeten Fühler in Abhängigkeit vom Füllstand beeinflußt wird. Dabei kann der Arbeitskreis mit einem Relais an den Anodenkreis einer Elektronenröhre angeschlossen sein und dazu dienen, einen Pumpenschalter zu betätigen und einen einstellbaren Kondensator einzuschalten, wenn der Stand der Regelflüssigkeit den gewünschten oberen Pegel in dem Behälter erreicht hat. Wenn der Flüssigkeitsspiegel in dem Behälter auf einen Stand zurückkehrt, der diese Kapazitätszunahme kompensiert, schaltet das Relais die Zusatzkapazität ab und gestattet gleichzeitig wieder die Zufuhr von Flüssigkeit in den Behälter.

Füllstandregler

Anmelder:

Robertshaw-Fulton Controls Company,
Greensburg, Pa. (V. St. A.)

Vertreter: Dr.-Ing. W. Reiche!, Patentanwalt,
Frankfurt/M. I₁ Parkstr. 13

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 15. Oktober 1954

Ralph Veinon Coles, Frederick Lathrop Maltby
und Joseph William Philippi, Philadelphia, Pa.

(V. St. A.),
sind als Erfinder genannt worden

Die Erfindung wird in der folgenden Beschreibung, in der auf die Zeichnungen Bezug genommen ist, an Hand einfacher Ausführungsbeispiele erläutert.

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Füllstandreglers in einer das Leerlaufen des Behälters beim Ausfall des Reglers verhütenden Schaltung;

Fig. 2 ist eine schematische Darstellung eines Füllstandreglers ähnlich wie Fig. 1 mit abweichender Ausführungsform, und

Fig. 3 ist eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Füllstandreglers in einer das Überlaufen des Behälters beim Ausfall des Reglers verhütenden Schaltung.

Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung enthält einen Schwingkreis 10, der die Arbeitsweise eines Relais 12 beeinflußt, eine kapazitive Sonde 14, die senkrecht innerhalb eines Behälters 16 angeordnet ist, eine Pumpe 18, welche die Zuführung eines fließbaren Stoffes zu dem Behälter 16 steuert und einen einstellbaren Kondensator 20, der mit der kapazitiven Sonde 14 und dem Relais 12 verbunden ist und auf den weiter unten näher eingegangen wird.

Der Schwingkreis 10 enthält eine Elektronenentladungsröhre 22 mit einer Anode 24, einem Gitter 26, einer Kathode 28 und einem Kathodenheizfaden 30. Mit der Elektronenröhre 22 ist ein Schwingkreis gekoppelt, der aus einer Spule 29 mit einem oberen und

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unteren Windungsteil 32, 34 und einem einstellbaren Kondensator 38 in Reihe mit der Spule 29 und einem Kondensator 36 besteht sowie aus der kapazitiven Sonde 14, deren Abschirmung 40 bei 42 geerdet ist und die den Schwingkreis vervollständigt, der am unteren Ende 44 der Wicklung 34 geerdet ist.

Die Elektronenröhre 22 ist mit ihrem Gitter 26 mit der einen Seite des Schwingkreises zwischen den Kondensatoren 36 und 38 verbunden. Eine Leitung 27 verbindet die Anode 24 über den üblichen Rückkopplungskondensator 31 mit Erde. Die Kathode 28 ist mit der Mittelanzapfung 46 zwischen den Wicklungen 32 und 34 verbunden. Der Strom für die Anode 24 wird von einem Transformator 48 geliefert, dessen Sekundärwicklung 49 über eine Leitung 50 mit einem Kondensator 52 und dann mit der Anode 24 verbunden ist. Die Leitung 50 ist ferner über eine Leitung 54 mit dem Gitter 26 verbunden. Der Heizstrom für den Heizfaden 30 wird von dem Transformator 48 über eine Leitung 56 geliefert. Es sei bemerkt, daß der Transformator 48 den üblichen Aufbau hat, wobei die Anzapfung 58 bei 60 geerdet ist. Die Spannung wird dem beschriebenen Kreis von einem normalen Wechselstromnetz zugeführt, das in der Zeichnung durch Leitungen Ll, L2 dargestellt ist, an die die Primärwicklung 62 des Transformators 48 angeschlossen ist.

Das Relais 12 hat den üblichen Aufbau und enthält eine Erregerwicklung 64, die über Leitungen 66, 68 mit der Leitung 50 verbunden ist, welche den Anodenstrom von dem Transformator 48 zuführt. Mit dem Relais ist ein Kreis verbunden, der zwei Kontakte 70 aufweist. Der eine ist an die Spannungsquelle L2 angeschlossen und der andere über eine Leitung 72 mit der Pumpe 18 verbunden. Eine weitere Leitung 74 vervollständigt den Stromkreis, in dem sie die Pumpe 18 mit der LeitungLl der Spannungsquelle verbindet. Das Relais 12 beeinflußt auch einen weiteren Stromkreis, der zwei Kontakte 76 hat, von denen der eine bei 78 geerdet ist und der andere über eine Leitung 80 mit dem einstellbaren Kondensator 20 in Verbindung steht, der seinerseits an die Sondenleitung 84 angeschlossen ist. Es sei bemerkt, daß normalerweise die Kontakte 70 durch eine Feder 77 geschlossen gehalten werden und die Kontakte 76 offen sind, wenn das Relais 12 abgefallen ist; wenn das Relais anzieht, werden die Kontakte 76 geschlossen gehalten, während die Kontakte 70 gegen die Wirkung der Feder 77 geöffnet werden.

Wie oben erwähnt, vervollständigt die kapazitive Sonde 14 und die Erdleitung die Schaltung des Schwingkreises 10. Die kapazitive Sonde bildet die eine Belegung eines Kondensators und ist mit dem Gitter 26 der Elektronenröhre 22 verbunden. In dem Behälter 16, der bei 86 geerdet ist, befindet sich die Sonde 14 in senkrechter Lage als veränderliche Kapazität, deren Wert von dem Stand der Flüssigkeit in dem Behälter abhängt; sie dient dazu, die Kapazität des Schwingkreises 10 zu ändern, um eine Änderung der Schwingeigenschaften hervorzurufen.

Die Pumpe 18 ist über eine Rohrleitung 88 angeschlossen, um den fließbaren Stoff dem Behälter 16 von einer nicht dargestellten Quelle aus zuzuleiten. Ein weiteres Rohr 90 dient als Abfluß für den fließbaren Stoff aus dem Behälter und kann mit einem industriellen, nicht dargestellten Gerät verbunden sein.

Die Ausführung nach Fig. 2 enthält im wesentlichen die gleiche elektrische Schaltung wie Fig. 1. Die Abänderung besteht darin, daß an Stelle der einfachen vertikal angeordneten kapazitiven Sonde 14 zwei waagerecht angeordnete Kondensatorplatten 100, 102 in senkrechtem Abstand voneinander vorgesehen sind, die über einen Draht 104 verbunden und an das Gitter des Schwingkreises 10 a angeschlossen sind.

Wirkungsweise der Ausführung nach Fig. 1

Bei der praktischen Anwendung des Gerätes der Fig. 1 sei angenommen, daß die Leitungen Ll, L 2 Wechselstrom führen, daß die Anode 24 von dem Transformator 48 mit Strom gespeist wird und daß

ίο der Spiegel der Flüssigkeit sich zwischen den Pegelständen A und B des Behälters 16 befindet. Die Kondensatoren 36, 38 und die induktive Wicklung 32, 34 des Schwingkreises 10 haben solche Blindwiderstandswerte, daß die Oszillatorrückkopplung in der Phase gedreht wird, wenn die Kapazität zwischen der Sonde 14 und der Erde einen bestimmten Wert annimmt, der sich dann einstellt, wenn die Flüssigkeit den Stand B erreicht. Solange der Flüssigkeitsstand von dem Pegel A bis zum Pegel B zunimmt, ist die

ao zwischen der Sonde 14 und Erde herrschende Kapazität kleiner ist als der obenerwähnte Wert, dann ist die Rückkopplung am Gitter 26 infolge der elektrischen Eigenschaft des Schwingkreises noch groß genug, daß Schwingungen über die Röhre 22 aufrechterhalten werden, die zu dieser Zeit keinen maximalen oder nahezu maximalen Strom in dem Anodenkreis führt. Das Relais 12 wird daher nicht erregt, die Kontakte 70 bleiben geschlossen, und der Stromkreis für die Pumpe 18 ist ebenfalls geschlossen. Die Flüssigkeit wird weiter in den Behälter 16 hineingepumpt, bis der Stand der Flüssigkeit den Pegel B erreicht, wo sich eine Kapazität solcher Größe an der Sonde 14 ergibt, daß die Rückkopplung am Gitter 26 nicht genügt, um Schwingungen aufrechtzuerhalten, und die Röhre 22 mit ihrem maximalen oder nahezu maximalen Strom leitend wird, der ausreicht, das Relais 12 zum Anziehen zu bringen und durch öffnen der Kontakte 70 die Unterbrechung des Pumpenkreises zu bewirken, während die Kontakte 76 geschlossen werden. Das Schließen der Kontakte 76 schaltet den einstellbaren Kondensator 20 parallel zur kapazitiven Sonde 14, so daß seine Kapazität noch zu der an der Sonde 14 vorhandenen Kapazität hinzukommt.

Bei bekannten Vorrichtungen dieser Art wird durch das Abfallen eines Relais lediglich eine Pumpe betätigt, so daß, wenn der Flüssigkeitsstand in dem Behälter bis etwa zu einem Stand zurückgeht, der in Fig. 1 bei C angedeutet ist, die Kapazität der Sonde bis auf einen Wert vermindert würde, bei dem die Schwingung wieder einsetzt, so daß das Relais abfällt und die Pumpe wieder neue Flüssigkeit in den Behälter hineinführt. Die Differenz zwischen diesen beiden Flüssigkeitsständen ist so klein, daß der elektronische Kreis ständig zwischen dem schwingenden und dem nichtschwingenden Zustand hin- und herpendelt; die Pumpe und das Relais werden unaufhörlich ein- und ausgeschaltet, so daß die Teile der Einrichtung einer außerordentlich starken Abnutzung unterworfen sind. Bei industriellen Vorgängen, bei denen ein konstanter Flüssigkeitsstrom benötigt wird, kann dieser dem Vorratsbehälter 16 der Fig. 1 entnommen werden, der stets eine gewisse Menge der Flüssigkeit enthält; die einzige erforderliche Vorsichtsmaßnahme besteht darin, zu verhindern, daß der Behälter vollständig entleert wird.

Die Hinzuschaltung der Kapazität des veränderlichen Kondensators 20 zur Kapazität der kapazitiven Sonde 14 bringt den Schwingkreis 10 soweit außer Gleichgewicht, daß der Stand der Flüssigkeit sich viel weiter, z. B. bis zu einem Punkte, zurückziehen muß,

damit die Abnahme der Kapazität der kapazitiven Sonde 14 zwischen den Pegeln A und B gleich der Kapazität des einstellbaren Kondensators 20 ist. An diesem Punkt, d. h. am Pegel A, wird an dem Gitter 26 eine ausreichende Rückkopplung hervorgerufen, um Schwingungen zu erzeugen, so daß das Relais abfällt und die Pumpe 18 einschaltet und die Wirkung des einstellbaren Kondensators 20 in dem Schwingkreis 10 beseitigt. Erneut wird Flüssigkeit in den Behälter 16 hineingepumpt und der bereits beschriebene Vorgang wiederholt sich.

Bei der Ausführungsform der Fig. 2 ist die Arbeitsweise ganz ähnlich. Der untere Flüssigkeitsstand ist bei D angedeutet, während der obere Flüssigkeitsstand bei E liegt; die beiden Flüssigkeitspegel stimmen mit den kapazitiven Sonden 102 und 100 überein. Wenn die Flüssigkeit den oberen Stand E erreicht, erzeugt sie einen bestimmten Kapazitätswert in der Sonde 100, und dieser Wert verstimmt den Schwingkreis derart, daß die Elektronenröhre 22a soviel Strom führt, daß das Relais 12 a erregt wird. Hierdurch wird der Pumpenkreis geöffnet und der Kreis für den einstellbaren Kondensator 20a geschlossen. Wenn der Stand der Flüssigkeit infolge des Abflusses durch die Leitung 90 a abnimmt, muß die Abnahme der Kapazität an den Sonden 100 und 102 beim Absinken des Flüssigkeitsspiegels gleich dem Wert der Kapazität des einstellbaren Kondensators 20a sein, bevor die Schwingungen in dem Schwingkreis 10a wieder einsetzen und die Flüssigkeit wieder in den Behälter hineingepumpt wird. Es sei bemerkt, daß durch Änderung der Kapazität des einstellbaren Kondensators 20 bzw. 20 a der untere Flüssigkeitspegel verändert werden kann. Dabei ist die Differenz zwischen dem oberen und unteren Flüssigkeitspegel proportional dem Betrag der Kapazität des einstellbaren Kondensators. Wenn daher die Differenz am kleinsten sein soll, werden die veränderlichen Kondensatoren auf die Kapazität Null eingestellt und das Regelgerät arbeitet so, als ob es diese Schaltelemente nicht aufweist. Wenn der Kondensator dagegen auf einen höheren Wert eingestellt wird, nimmt der Abstand zwischen den Flüssigkeitspegeln zu, und es kann je nach Größe und Art des Behälters ein beliebiger Abstand eingestellt werden.

Die oben angegebenen Schaltungen werden vorzugsweise für die Regelung des Füllstandes in Behältern angewendet, die aus Sicherheitsgründen nicht leerlaufen sollen, d. h. bei denen bei einem Versagen der Röhre 22, der Netzspannung oder des Relais 12, der Pumpenkreis geschlossen wird, so daß die Zufuhr der Flüssigkeit in den Behälter 16 aufrechterhalten bleibt. Ein Warnsignal (nicht dargestellt) könnte leicht in der üblichen Weise eingebaut werden, um das Versagen des Gerätes anzuzeigen und die ganze Anordnung vollständig abzuschalten. Der dem niedrigen Flüssigkeitsstand entsprechende stromlose Schaltzustand des Relais wird gewöhnlich bei solchen Regelgeräten verwendet, bei denen das betreffende Verfahren stets die Anwesenheit der Flüssigkeit in dem Behalter fordert, und wenn das Überfließen der Flüssigkeit keine wesentliche Nachteile bringt. Bei Arbeitsverfahren jedoch, bei denen ein Überfließen verhindert werden muß und die vollständige Erschöpfung der Flüssigkeit in dem Behälter keine größeren Nachteile hat und kein Versagen von irgendwelchen Bestandteilen des Regelgerätes nach sich zieht, kann eine Schaltanordnung verwendet werden, deren stromloser Zustand aus Sicherheitsgründen dem hohen Flüssigkeitsstand entspricht.

In Fig. 3 ist eine solche Einrichtung, die gegen Überfließen gesichert ist, gemäß der Erfindung dargestellt. Die Schaltung ist im Grunde genommen derjenigen der Fig. 1 ähnlich, und es sind auch gleiche Bezugszeichen an entsprechenden Stellen verwendet worden. Die Schaltung unterscheidet sich von derjenigen der Fig. 1 dadurch, daß der Rückkopplungskondensator 31 mit der oberen induktiven Wicklung 32 verbunden ist, daß ferner eine Hochfrequenzdrossel 33 in dem Anodenkreis liegt und daß die Funktionen des Relais 12 umgekehrt sind, da es durch eine Feder 79 so vorgespannt ist, daß der Pumpenkreis bei stromlosem Relais offen ist.

Der Kondensator 31 wird dazu benutzt, einen Teil der Hochfrequenzenergie in dem Anodenkreis abweichend von der Schaltung der Fig. 1 dem entgegengesetzten Ende der Schwingkreisinduktivität 29 zuzuführen. Auf diese Weise ist die Wirkungsweise der beiden induktiven Wicklungen 32, 34 der Oszillatorspule 29 und damit auch die Wirkung der kapazitiven Änderung der Sonde 14 umgekehrt. Die Röhre 22 schwingt nun, wenn die Sondenkapazität zunimmt, und hört auf zu schwingen, wenn die Kapazität der Sonde 14 vermindert wird. Der Anodenschwingstrom wird dann dazu benutzt, um das Relais 12 zum Ansprechen oder Abfallen zu bringen, wie dies oben für das Gerät der Fig. 1 beschrieben wurde. Bei der Schaltung der Fig. 1 diente das Relais 12 beim Abfallen dazu, den Pumpenkreis zu schließen, so daß die Flüssigkeit in den Behälter 16 eintreten konnte. Bei der Schaltung der Fig. 3 dagegen gestattet das Relais 12 beim Abschalten des Stromes ein Schließen der Kontakte 76 und ein öffnen des Pumpenkreises unter der Wirkung der Feder 79.

Arbeitsweise der Ausführung nach Fig. 3

Angenommen, der Flüssigkeitsstand befinde sich unterhalb des Pegels B, dann genügt die an der Sonde 14 vorhandene Kapazität, die in den Schwingkreis 10 eingekoppelt ist, nicht, um am Gitter 26 eine ausreichende Rückkopplung zu erzeugen und Schwingungen in der Röhre 22 aufrechtzuerhalten. Es fließt daher ein maximaler oder nahezu maximaler Strom in dem Anodenkreis, der eine Erregung des Relais 12 und ein Schließen des Pumpenkreises 18 bewirkt. Die Flüssigkeit wird weiter in den Behälter 16 hineingepumpt, bis sie den Stand B erreicht; hier ist der Wert der Kapazität der Sonde 14 genügend groß, um Schwingungen in der Röhre 22 aufrechtzuerhalten und ein Leitendwerden zu verhindern. Wenn die Röhre 22 sich in diesem Zustand befindet, fällt das Relais 12 ab, so daß die Kontakte 70 geöffnet und die Kontakte 76 geschlossen werden und der einstellbare Kondensator 20 parallel zur Sonde 14 liegt. Nachdem diese Kapazität zu der Kapazität der Sonde 14 hinzugeschaltet ist, muß der Stand der Flüssigkeit bis zum Pegel A sinken, damit die Kapazität der Sonde soweit abnimmt, daß die Röhre 22 wieder leitend, das Relais 12 erregt und die Pumpe 18 betätigt wird.

Bei einem Versagen der Röhre 22, der Netzspannung oder des Relais 12 wird das Relais 12 stromlos, so daß der Zufluß der Flüssigkeit in den Behälter 16 unterbunden wird. In einem solchen Fall kann die Flüssigkeit durch die Abflußröhre 90 abfließen und ein Überfließen des Behälters 16 wird verhindert.

Claims (3)

PATENTANSPBÜCHE:

1. Füllstandregler mit einem Relais, das den Zufluß zu einem Behälter bei Absinken des Füll-

Standes auf einen Mindestwert veranlaßt und bei Erreichen eines Höchstwertes beendet, mit einem mit dem Füllstand sich ändernden elektrischen Widerstandsglied als Meßfühler, das das Relais steuert, dadurch gekennzeichnet, daß das Relais (12) in der den Zufluß unterbindenden Stellung gleichzeitig die Ansprechempfindlichkeit des Reglers herabsetzt, indem es dem Fühler (14) einen vorzugsweise einstellbaren Widerstand (20) parallel schaltet, der nach dem Abschalten des Zuflusses einen höheren Füllstand vortäuscht, so daß erst nach dem Absinken auf einen durch die Größe des zugeschalteten Widerstandes vorherbestimmten niedrigeren Füllstand das Relais den Zufluß wieder freigibt und zugleich durch Abschalten des Wider-Standes die ursprüngliche Ansprechempfindlichkeit des Reglers wiederherstellt.

2. Füllstandregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der dem Fühler (14) parallel zu schaltende Widerstand ein Kondensator (20) ist, dessen Kapazitätswert ein Maß für die Höhe des möglichen untersten Füllstandes ist.

3. Füllstandregler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßfühler Bestandteil eines Schwingkreises (10) ist, der durch den Fühler (14) in Abhängigkeit vom Füllstand beeinflußt wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 907 469, 898 565, 705;

britische Patentschrift Nr. 670 100;
Oppelt, Kleines Handbuch technischer Regelvorgänge, Weinheim, 1954, S. 372.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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