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Füllstandanzeigevorrichtung zur Vermeidung der Überfüllung von Tanks
Die Erfindung betrifft eine Füllstandanzeigevorrichtung zur Vermeidung der Überfüllung
von Tanks, die aus einer Meldelampe und einem in Serie hierzu geschalteten, dauernd
an einer Spannungsquelle liegenden Kaltleiter besteht, der so bemessen ist, daß
die Meldelampe erloschen ist, wenn der Kaltleiter in Luft liegt, während die Meldelampe
aufleuchtet, wenn der Kaltleiter in das Tankfüllgut eintaucht.
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Bei Anzeigevorrichtungen dieser Art wird der unterschiedliche Wärmeübergang
vom Kaltleiter zur Luft bzw. zur Flüssigkeit ausgenutzt. Kaltleiter haben bekanntlich
bei höherer Temperatur einen größeren Widerstand als bei niedrigerer Temperatur.
Da durch den Anschluß an die Spannungsquelle über den Kaltleiter und die Meldelampe
dauernd ein Strom fließt, wird der Kaltleiter durch diesen Strom aufgeheizt.
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Solange er in Luft liegt nimmt er infolge der schlechten Ävärmeabftihr
zur Umgebungsluft eine höllere Tcmperatur an, wobei sein Widerstand so groß ist,
daß der über die Meldelampe fließende Strom nicht ausreicht. um diese zum Aufleuchten
zu bringen.
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Sobald jedoch der Kaltleiter in eine Flüssigkeit eintaucht, wird
er infolge des guten Wärmeübergangs schnell im wesentlichen auf die Temperatur der
Flüssigkeit abgekühlt. Dabei sinkt sein Widerstand so stark ab, daß der im Meldekreis
fließende Strom die Meldelampe aufleuchten läßt. Dadurch wird angezeigt, daß das
Fiillgut in dem Tank die Höhe erreicht hat, in welcher der Kaltleiter angebracht
ist.
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Diese bekannten Anzeigevorrichtungen weisen zwei schwerwiegende Fehlerquellen
auf. Wenn aus irgendeinem Grund der über den Kaltleiter und die Meldelampe verlaufende
Stromkreis vollkommen oder hochohmig unterbrochen ist, kann unabhängig vom Widerstandswert
des Kaltleiters kein ausreichender Strom fließen, so daß die Meldelampe selbst dann
nicht aufleuchtet, wenn der Kaltleiter in das Füllgut eintaucht. In diesem Fall
versagt die Anzeigevorrichtung.
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Andererseits besteht die Möglichkeit, daß der Kaltleiter kurzgeschlossen
oder niederohmig überbrückt ist. In diesem Fall fließt unabhängig vom Widerstandswert
des Kaltleiters ständig ein so großer Strom, daß die Meldelampe dauernd leuchtet.
Auch in diesem Fall kann die Anzeigevorrichtung ihrer Aufgabe nicht gerecht werden.
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Das Ziel der Erfindung ist daher die Schaffung einer Anzeigevorrichtung,
bei der jede dieser beiden Fehlerquellen sofort festgestellt und angezeigt wird,
so daß jederzeit erkennbar ist, ob die Vorrichtung richtig arbeitet. Dies wird nach
der Erfindung durch zwei Schalteinrichtungen erreicht, von denen die
erste auf den
Spannungsabfall an der Meldelampe und die zweite auf den Spannungsabfall an dem
Kaltleiter anspricht und von denen jede so bemessen ist, daß sie einen Schaltvorgang
auslöst, wenn der Spannungsabfall unter den kleinsten im normalen Betrieb vorkommenden
Wert fällt. und durch eine Überwadiungsvorrichtung. die von den beiden Schalteinrichtungen
gesteuert wird.
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Die erfindungsgemäße Ausbildung der Anzeigevorricltung geht davon
aus, daß sowohl der Kaltleiter als auch die Meldelampe im normalen Betrieb dauernd
an Spannung liegen, wobei sich lediglich die Spannung je nach dem herrschenden Betriebszustand
in unterschiedlicher Weise auf die SpannungsaXsfälle an diesen beiden Schaltungselementen
aufteilt. Solange der Kaltleiter in Luft liegt, ist sein Widerstand so groß, daß
an ihm der größte Teil der Betriebsspannung abfällt, während der Spannungsabfall
an der Meldelampe so klein ist, daß diese nicht leuchtet.
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Sobald der Kaltleiter in das Füllgut eintaucht, wird sein Widerstand
und damit der Spannungsabfall am Kaltleiter kleiner, und der Spannungsabfall an
der Meldelampe nimmt entsprechend zu. In allen Fällen liegt jedoch der kleinste
vorkommende Spannungsabfall über einem unteren Grenzwert.
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Wenn dagegen der Stromkreis vollständig unterbrochen ist oder in
der Zuleitung zum Kaltleiter eine sehr hochohmige Brücke liegt, fällt der Spannungsabfall
an der Meldelampe praktisch auf den Wert Null. In diesem Fall spricht die erste
Schalteinrichtung an, welche die Überwachungsvorrichtung auslöst, die ihrerseits
den Fehler anzeigt.
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Ist dagegen der Kaltleiter oder die zu ihm führende Leitung kurzgeschlossen,
so sinkt der Spannungsabfall an dem Kaltleiter auf einen sehr kleinen Wert, so daß
die zweite Schalteinrichtung anspricht und gleichfalls die Überwachungsvorrichtung
auslöst.
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Vorzugsweise ist die Anordnung so ausgebildet, daß jede Schalteinrichtung
bei Auslösung des Schaltvorgangs einen normalerweise geschlossenen Steuerstromkreis
öffnet und daß die tSberwachungsvorrichtung in Serie mit den beiden Steuerstromkreisen
an der Spannungsquelle liegt.
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Diese Ausführungsform entspricht einer Ruhestromschaltung; sobald
wenigstens eine der beiden Schalteinrichtungen den Schaltvorgang auslöst, wird der
Stromkreis der Überwachungsvorrichtung unterbrochen, so daß diese stromlos wird.
Diese Ausbildung ergibt eine zusätzliche Fehlersicherheit, weil auch die Fehler
in der Überwachungsvorrichtung angezeigt werden.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, daß
jede Schalteinrichtung aus einem Transistor besteht, dessen Emitter-Basis-Kreis
der Meldelampe bzw. dem Kaltleiter parallel geschaltet ist, und daß die Überwachungsvorrichtung
eine Relaiswicklung enthält, über welche die in Serie geschalteten Kollektorkreise
der beiden Transistoren verlaufen.
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Diese Ausbildung ergibt den Vorteil eines sehr geringen Energieverbrauchs
der Schalteinrichtungen und der Überwachungsvorrichtung sowie eine große Empfindlichkeit
und Betriebssicherheit.
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In den Zeichnungen sind außer dem Stand der Technik zwei Ausführungsbeispiele
der Erfindung dargestellt. Es zeigt Fig. 1 das Prinzipschema einer bekannten, mit
einem Kaltleiter arbeitenden Füllstandanzeigevorrichtung, von der die Erfindung
ausgeht, F i g. 2 die Widerstands - Temperatur- Kennlinie eines Kaltleiters, Fig.
3 das Prinzipschema einer nach der Erfindung ausgebildeten Anzeigevorrichtung und
Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Verwendung von Transistoren.
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In F i g. 1 ist ein Kaltleiter 1 dargestellt, der in Serie mit einer
Meldelampe 2 an den Klemmen 3, 4 einer Gleichspannungsquelle 5 liegt. Der Kaltleiter
1 ist im Tank in derjenigen Höhe eingebaut, die das Füllgut höchstens erreichen
soll. Er kann über eine beliebig lange Zuleitung 6 mit der an der Anzeigestelle
angebrachten Meldelampe 2 verbunden sein.
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F i g. 2 zeigt den Verlauf des Widerstandes R des Kaltleiters 1 als
Funktion der Temperatur T. Wenn für den Kaltleiter ein sogenannter PTC-Widerstand
verwendet wird, liegt sein Widerstandswert bei niedrigen Temperaturen (um den Gefrierpunkt)
in der Größenordnung zwischen 20 und 100 Ohm. Im Bereich von 20 bis 1000 C erhöht
sich der Widerstand um einige Zehnerpotenzen bis auf einige Kiloohm.
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Bei der Anordnung gemäß F i g. 1 fließt dauernd ein Strom über den
Kaltleiter 1 und die Meldelampe 2. Wenn sich der Kaltleiter 1 in Luft oder einem
gasförmigen Medium befindet, wird er durch den hindurchfließenden Strom auf eine
höhere Temperatur erwärmt, da die Wärmeabfuhr zu dem umgebenden Gas gering ist.
Der Widerstand des Kaltleiters 1 steigt daher entsprechend an, so daß der fließende
Strom abnimmt. Schließlich stellt sich ein Gleichgewichtszustand ein, bei welchem
der durch das System hindurchfließende Strom gerade die an das umgebende Gas ständig
abgeführte Wärmemenge erzeugt. Bei geeigneter Bemessung der Schaltungselemente ist
dieser Strom so gering, daß die Meldelampe 2 nicht aufleuchtet. Praktisch bedeutet
dies,
daß der größere Teil der Betriebsspannung am Kaltleiter 1 abfällt, während
der Spannungsabfall an der Meldelampe 2 gering ist.
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Steigt nun die Flüssigkeit im Tank so weit an, daß der Kaltleiter
1 eintaucht, so wird er plötzlich im wesentlichen auf die Temperatur des Füllguts
abgekühlt. Sein Widerstand sinkt dann beträchtlich ab, und der über die Meldelampe
2 fließende Strom reicht aus, um diese aufleuchten zu lassen. Dadurch wird angezeigt,
daß das Füllgut im Tank die zulässige obere Grenze erreicht hat.
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Wenn die Verbindungsleitung 6 zwischen dem Kaltleiter 1 und der Meldelampe
2 an irgendeiner Stelle unterbrochen ist oder aus irgendeinem anderen Grunde ein
hochohmiger Widerstand entsteht, kann die Meldelampe 2 nicht aufleuchten.
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Wenn dagegen der Kaltleiter 1 oder die zu ihm führende Leitung 6
durch einen Kurzschluß überbrückt ist, leuchtet die Meldelampe 2 dauernd, selbst
wenn der Kaltleiter 1 einen hohen Widerstandswert hat. Das gleiche gilt, wenn statt
des vollständigen Kurzschlusses (Widerstandswert Null) eine niederohmige Überbrückung
besteht.
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In F i g. 3 ist nun die nach der Erfindung ausgeführte Schaltung
dargestellt, bei der alle diese Fehlerquellen angezeigt werden. Sie enthält wieder
den Kaltleiter 1, die Meldelampe 2 und die Klemmen 3 und 4 der Spannungsquelle.
Der Kaltleiter 1 ist über eine längere Zweidrahtleitung 6 mit der Meldestelle verbunden.
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Dieser Anordnung sind zwei Schalteinrichtungen 7 und 8 hinzugefügt,
die Schalterkontakte 9 bzw. 10 steuern. Diese Schalterkontakte liegen in Serie mit
einer Anzeigevorrichtung an den Klemmen 3 und 4 der Spannungsquelle 5. Bei dem dargestellten
Beispiel ist angenommen, daß die Anzeigevorrichtung ein Relais ist, dessen Wicklung
11 einen Kontaktl2 steuert. Der Wicklung 11 ist ein Kondensator 13 parallel geschaltet,
der ein kurzzeitiges Ansprechen des Relais beim Einschalten verhindert, bis die
Schaltung ihren Gleichgewichtszustand angenommen hat.
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Die Schalteinrichtung 7 spricht auf den Spannungsabfall an der Meldelampe
2 an. Sie ist so ausgeführt, daß sie noch erregt ist, wenn der kleinste im normalen
Betrieb vorkommende Spannungsabfall an der Meldelampe 2 besteht, also dann, wenn
der Kaltleiter 1 in Luft liegt. Solange die Schalteinrichtung 7 erregt ist, hält
sie ihren Kontakt 9 geschlossen. Die Schalteinrichtung 8 spricht in entsprechender
Weise auf den Spannungsabfall am Kaltleiter 1 und an der zu diesem führenden Zweidrahtleitung
6 an. Auch diese Schalteinrichtung 8 ist so bemessen, daß sie beim kleinsten im
normalen Betrieb vorkommenden Spannungsabfall am Kaltleiter 1 noch erregt ist und
ihren Kontakt 10 geschlossen hält. Dieser kleinste Spannungsabfall besteht dann,
wenn der Kaltleiter 1 in das Füllgut eingetaucht ist.
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Wenn die Spannungsabfälle steigen, bleiben natürlich die Schalteinrichtungen
7 und 8 erregt. Im normalen Betrieb sind daher die Kontakte 9 und 10 dauernd geschlossen,
so daß die Relaiswicklung 11 erregt ist.
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Wenn dagegen in der Zuleitung zum Kaltleiterl eine vollständige oder
hochohmige Unterbrechung entsteht, sinkt der Spannungsabfall an der Meldelampe 2
auf den Wert Null oder einen sehr kleinen Wert ab. Dann fällt die Schalteinrichtung
7 ab, so daß sie ihren Kontakt 9 öffnet. Dadurch wird der
Stromkreis
der Relaiswicklung 11 unterbrochen, und das Relais fällt ab. Durch den Kontakt 12
kann dann eine Alarmeinrichtung ausgelöst werden.
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Bei einer vollständigen Unterbrechung würde auch die Schalteinrichtung
8 abfallen und den Kontakt 10 öffnen. Dagegen würde bei einer hochohmigen Unterbrechung
praktisch der ganze Spannungsabfall am Kaltleiter 1 bestehen, so daß die Schaltvorrichtung
8 erregt bliebe.
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Wenn am Kaltleiter 1 oder auf der zu diesem führenden Leitung 6 ein
Kurzschluß oder eine niederohmige Überbrückung entsteht, sinkt der von der Schalteinrichtung
8 überprüfte Spannungsabfall auf den Wert Null oder einen sehr kleinen Wert ab.
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Dann fällt die Schalteinrichtung 8 ab, wobei sie ihren Kontakt 10
öffnet. Auch in diesem Fall wird die Relaiswicklung 11 entregt, so daß die Uberwachungsvorrichtung
den Fehler anzeigt.
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F i g. 4 zeigt ein praktisches Ausführungsbeispiel der Schalteinrichtungen
7, 9 bzw. 8, 10 in Form von Transistoren. Dabei ist angenommen, daß die Klemme 3
am positiven Pol und die Klemme 4 am negativen Pol der Spannungsquelle angeschlossen
sind.
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Die Schalteinrichtung 7, 9 wird durch einen pnp-Transistor 14 gebildet,
dessen Emitter über einen Widerstand 15 mit der Klemme 3 verbunden ist, während
die Basis über einen Widerstand 16 an die von der Meldelampe 2 zum Kaltleiter 1
führende Leitung angeschlossen ist. Der Emitter-Basis-Kreis des Transistors 14 liegt
also parallel zu der Meldelampe 2.
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Der Kollektor ist mit der einen Klemme der Relaiswicklung 11 verbunden.
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Die Schalteinrichtung 8, 10 wird durch einen npn-Transistor 17 gebildet
dessen Emitter über eine Zenerdiode 18 mit der Klemme 4 verbunden ist und dessen
Basis über einen Widerstand 19 ebenfalls an die von der Meldelampe 2 zum Kaltleiter
1 führende Leitung angeschlossen ist. Der Emitter-Basis-Kreis des Transistors 17
liegt also parallel zu dem Kaltleiter 1 und zu der zu diesem führenden Leitung 6.
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Der Kollektor des Transistors 17 ist mit der zweiten Klemme der Relaiswicklung
11 verbunden. Ein Widerstand 20 verbindet den Verbindungspunkt zwischen der Zenerdiode
18 und dem Emitter des Transistors 17 mit der Klemme 3. Dadurch wird dauernd ein
Vorstrom über die Zenerdiode 18 aufrechterhalten. so daß an dieser Diode dauernd
eine gewisse Gleichspannung zur Verfügung steht, selbst wenn der Transistor 17 gesperrt
ist.
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Diese Schaltung arbeitet in folgender Weise: Im normalen Betriebszustand
besteht zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors 14 stets ein Spannungsabfall,
der mindestens gleich dem kleinsten vorkommenden Spannungsabfall an der Meldelampe
2 ist. Dieser Spannungsabfall hält den Transistor 14 geöffnet, so daß im Kollektorkreis
ein Strom fließen kann.
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Ebenso besteht zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors
17 ständig ein Mindestspannungsabfall, der den Transistor 17 geöffnet hält. Über
die in Serie geschalteten Kollektorkreise der beiden Transistoren kann daher dauernd
ein Strom fließen, der die Wicklung des Relais 11 erregt hält, so daß der Kontakt
12 die Arbeitstellung einnimmt. Wenn nun in der Verbindung zum Kaltleiter 1 eine
vollkommene oder hochohmige Unterbrechung eintritt, sinkt der Spannungsabfall an
der Meldelampe 2 auf
einen so kleinen Wert ab, daß der Transistor 14 gesperrt wird.
Dadurch wird der Stromfluß über die Relaiswicklung 11 unterbrochen, so daß der Kontakt
12 in die Ruhestellung geht. Er kann dadurch eine Alarmvorrichtung od. dgl. auslösen.
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Wenn dagegen in der Leitung 6 ein Kurzschluß oder eine niederohmige
Überbrückung eintritt, sinkt das Basispotential des Transistors 17 auf einen Wert,
der mindestens gleich, infolge der Vorschaltung der Zenerdiode 18 jedoch sogar noch
niedriger als das Emitterpotential ist. Dadurch wird der Transistor 17 gesperrt,
so daß wieder der Stromfluß über die Relaiswicklung 11 unterbrochen wird.
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Es ist zu erkennen, daß die dargestellte Schaltung alle Fehlermöglichkeiten
mit Sicherheit anzeigt. Selbst ein Ausfall der Schalteinrichtungen, beispielsweise
durch Versagen eines Transistors od. dgl., wird angezeigt, weil dann die Relaiswicklung
11 entregt wird.