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Einrichtung zur Bestimmung des Flüssigkeitspegels in einem Gefäß Die
Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Bestimmung des Flüssigkeitspegels in einem
Gefäß, bei der in Höhe des zu bestimmenden Pegels im Gefäß ein als elektrisch fremd
geheizter Heißleiter ausgebildeter elektrischer Widerstandskörper angeordnet ist,
dessen Temperatur im Gasraum durch Zuführung elektrischer Energie über der Umgebungstemperatur
liegt und dessen elektrischer Widerstandswert sich beim Eintauchen in die Flüssigkeit
durch Temperaturänderung gegenüber dem im Gasraum vorhandenen elektrischen Widerstandswert
ändert Für die Kühlung, z. B. von Masern (»Molekularverstärker mittels induzierter
Emission von Strahlunge) werden cryogenische Flüssigkeiten wie flüssiger Stickstoff
oder flüssiges Helium verwendet, die sich in verspiegelten und dadurch undurchsichtigen
Gefäßen befinden. Da durch Verdampfen die Flüssigkeit ständig abnimmt, aber ein
minimaler Flüssigkeitspegel für den Betrieb erforderlich ist, muß bei Unterschreiten
des kritischen Pegels ein Signal ausgelöst werden. Entsprechendes gilt für Flüssigkeiten
höherer Temperaturen.
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Bekannt ist eine Einrichtung, bei der geheizte Kohlewiderstände in
das Gefäß eingebracht werden.
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Befindet sich ein solcher geheizter Widerstand innerhalb der Flüssigkeit,
so ist sein temperaturabhängiger Widerstandswert infolge der dort größeren Wärmeableitung
höher, als wenn der Widerstand durch das Absinken des Flüssigkeitspegels in das
Gas mit niedriger Wärmeableitung gelangt. Der Kohlewiderstand ist Element einer
elektrischen Brückenschaltung, deren Brückenspannung auf einen Wert verstärkt wird,
der zur Betätigung des Relais ausreicht. Nachteilig ist bei dieser Anordnung, daß
die Widerstandsänderung des Kohlewiderstandes nur einige Prozent beträgt.
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Bekannt ist weiter eine Einrichtung an Meßgebern für die elektrische
Standanzeige von Kraftfahrzeug-Brennstofftanks, bei der ein in einem Schutzrohr
untergebrachter, direkt geheizter Heißleiter vorgesehen ist. Diese Einrichtung ist
jedoch für die Standanzeige in cryogenischen Flüssigkeiten, deren Siedepunkt einige
Grad über dem absoluten Nullpunkt der Temperatur liegt, unbrauchbar, weil der Heißleiter
bei dieser Temperatur einen nahezu unendlichen Widerstandswert aufweist.
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Bekannt ist auch eine Einrichtung zur elektrischen Anzeige und/oder
Auswertung des Flüssigkeitsstandes in Behältern oder anderen Teilen des Leitungssystems
von Wärmekraftanlagen od. dgl. unter Ausnutzung des Prinzips des in einer Flüssigkeit
stattfindenden Wärmeentzuges erwärmter Widerstände mit temperaturabhängigem Widerstandswert.
Diese Einrichtung ist für die Pegelanzeige von Flüssigkeiten einer Temperatur zwischen
+ 20 und + 4500 C ausgelegt und für die Pegelanzeige cryogenischer Flüssigkeiten
ungeeignet, da der Widerstand des Heizelementes bei diesen Temperaturen annähernd
unendlich groß ist und für die Heizung durch Eigenleitung deswegen sehr hohe Betriebsspannungen
notwendig wären.
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Bekannt ist auch ein Flüssigkeitsstandwächter für Behälter in Heizungs-,
Kühlungs- und Speicheranlagen, bei dem zwei elektrisch geheizte temperaturabhängige
Widerstände räumlich übereinander angeordnet sind. Die direkt geheizten Heißleiter
sind auch hier für die Anzeige des Pegels cryogenischer Flüssigkeiten ungeeignet,
da ihre Widerstände bei cryogenischen Temperaturen praktisch unendlich groß sind.
Nachteilig ist bei diesem Flüssigkeitsstandwächter weiterhin, daß zur Bestimmung
eines Pegels zwei in einer Wheatstonebrücke angeordnete Heißleiter erforderlich
sind.
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Ebenfalls bekannt ist ein Flüssigkeitsstandanzeiger mit Abkühlsonde
als kalorimetrischer Flüssigkeitsstandanzeiger, bei dem eine geheizte Abkühlsonde
in die Flüssigkeit bzw. in den Gasraum eintaucht, während eine eigene Temperaturmeßvorrichtung
die Sondentemperatur mißt. Eine Verwendung dieser Einrichtung zur Messung des Pegels
cryogenischer Flüssigkeiten ist sehr unvorteilhaft, weil die ständige Heizung eine
starke Verdampfung der Flüssigkeit zur Folge hat.
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Bekannt ist schließlich noch eine Sonde für Füllgradanzeige mit temperaturabhängigen,
in eine Schutzhülle eingebetteten Widerständen mit negativem Temperaturkoeffizient,
die aus einer Hintereinanderschaltung mehrerer temperaturabhängiger Widerstände
und Isolation der Verbindungsleitung
durch einen auf die Schutzhülle
der temperaturabhängigen Widerstände aufgeschrumpften Schlauch aus thermisch schrumpfbarem
Polyvenyl besteht.
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Auch diese Widerstände sind für die Pegelanzeige cryogenischer Flüssigkeiten
wegen ihrer dort auftretenden sehr hohen Widerstandswerte ungeeignet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zu realisieren,
bei der ein so großer Meßeffekt erzielt wird, daß ohne zusätzliche Verstärkung des
Meßstnals direkt insbesondere ein Relais zuverlässig geschaltet werden kann, und
die wenig zur Verdampfung der cryogenischen Flüssigkeit beiträgt.
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Diese Aufgabe wird bei einer Einrichtung zur Bestimmung des Flüssigkeitspegels
in einem Gefäß, bei der in Höhe des zu bestimmenden Pegels im Gefäß ein als elektrisch
freiildgeheizter Heißleiter ausgebildeter elektrischer Widerstandskörper angeordnet
ist, dessen Temperatur im Gasraum durch Zuführung elektrischer Energie über der
Umgebungstemperatur liegt und dessen elektrischer Widerstandswert sich beim Eintauchen
in die Flüssigkeit durch Temperaturänderung gegenüber dem im Gasraum vorhandenen
elektriscken: Widerstandswert ändert, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei einer
Einrichtung zur Bestimmung des Pegelstandes einer cryogenischen Flüssigkeit im Heizstromkreis
des elektrisch fremdgeheizten Heißleiters eine Tastung vorgesehen ist, die den Heizstrom
des Heißleiters vorzugsweise im Verhältnis 1:100 tastet.
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Durch die Tastung des Heizstromes für den Heißleiter wird erreicht,
daß- die Fremdheizung des Heißleiters nur mit dem aus dem Tastverhältnis sich ergebenden
Wert zur Verdampfung der Flüssigkeit beiträgt.
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Während direkt-geheizte Heißleiter bei der Temperatur cryogenischer
Flüssigkeiten praktisch den Widerstandswert Unendlich haben, läßt sich bei fremdgeheizten
Heißleitern durch die Heizung der Widerstandswert in der Gasumgebung auf etwa 100
Ohm und niedriger senken. Beim Eintauchen in die Flüssigkeit sinkt- die Temperatur
des fremdgeheizten Heißleiters infolge der besseren Wärmeleitung, und sein Widerstand
steigt auf einen Wert von >100 kOhm an. Während für eine Heizung durch Eigenleitung
sehr hohe Betriebsspannungen nötig wären, entfällt diese Schwierigkeit bei einer
Fremdheizung.
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Das große bei fremdgeheizten Heißleitern auftretende Widerstandsverhältnis
ermöglicht, daß im Heizkreis des Heißleiters der Strom im Wert einstellbar ist und
daß im Heißleiterkreis ein eine Anzeigevorrichtung für den Pegelstand betätigendes
Relais angeordnet ist.
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Bei einer vorteilhaften- Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
daß der Heißleiter als kleine Perle ausgebildet ist, die vorzugsweise von dem umgebenden
Medium unmittelbar umspült ist, was eine besonders exakte Anzeige ermöglicht.
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In Weiterbildung der Erfindung sind mehrere elektrisch getrennte
Meßkreise vorgesehen, deren jedem ein von den anderen Meßkreisen unabhängiger Heißleiter
zugeordnet ist, wobei die einzelnen Heißleiter übereinander angeordnet sind.
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Vorteilhaft ist die Verwendung von Heißleitern, deren Widerstandswerte
mit dem umgebenden Gas und in umgebender Flüssigkeit sich mindestens wie 1: 100
verhalten.
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Nachstehend wird die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen
näher erläutert.
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Die Fig. 1 zeigt ein Gefäß 1, das mit einer Flüssigkeit 2 gefüllt
ist. Ein Heißleiter 3 ist im Gefäß in definierter Höhe befestigt.
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Der Heißleiter befindet sich z. B. in siedendem Wasser und wird,
von der SpannungsquelleE gespeist, von einem Strom durchflossen. Durch die Stromwärme
und die Temperatur der Flüssigkeit stellt sich eine Heißleitertemperatur ein, bei
der der Heißleiterwiderstandswert z. B. 1 kOhm beträgt.
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Sinkt jetzt infolge Verdampfens der Flüssigkeitspegel und der Heißleiter
gelangt in den Wasserdampf, so erhöht sich durch die schlechtere Wärmeableitung
des Gases gegenüber der Flüssigkeit die Heißleitertemperatur, wodurch der Widerstandswert
sinkt, sich ein Strom, einstellt, der größer -als Jl ist, und eine weitere Temperaturerhöhung
auftritt.
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Der Widerstandswert beträgt jetzt z. B. 10 kOhm.
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Die Strom- bzw. Widerstandsänderung löst ein Signal aus, das den Pegelstand
anzeigt.
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Die Fig. 2 zeigt ein Dewar-Gefäß 4, in dem z. B. ein Molekularverstärker
5 in einer cryogenischen Flüssigkeit 6 gekühlt ist. Das Gefäß ist mit einem Stöpsel
7 verschlossen, durch den die als Zuleitungen dienenden Hohlleiter 8- für den Molekularverstärker
und die Zuleitungen 9 für den Heißleiter 10 geführt sind. Die Höhenlage des Heißleiters
ist identisch mit dem geforderten Pegelwert 11, dessen Vorhandensein überprüft werden
soll.
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Befindet sich der fremdgeheizte Heißleiter, wie in der F i g. 2 angedeutet
ist, in der Flüssigkeit, so beträgt sein Widerstandswert 100 kOhm und mehr.
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Sinkt der Flüssigkeitspegel so ab, daß der Heißleiter in den Gasraum
12 gelangt, vermindert sich der Widerstandswert auf 100 Ohm und niedriger, da infolge
der schlechten Wärmeableitung im Gas durch die Fremdheizung der Heißleiter eine
höhere Temperatur erreicht. In dem Meßkreis 13 wird z. B. die Stromänderung im Heißleiterkreis
angezeigt.
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Die Fig. 3 zeigt ein Dewar-Gefäß 14, in dem an die Zuleitungen 15
mehrere Heißleiter 16 bis 18 übereinander angeordnet sind, deren jeweilige Höhenlage
einem Meßpegel entspricht, der getrennt anzeigbar ist.
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Sinkt der Flüssigkeitspegel ab, so gelangen nacheinander die fremdgeheizten
Heißleiter 16, 17 und 18 in den Gasraum. Jeder Heißleiter, der aus der Flüssigkeit
heraustritt, löst unabhängig von den anderen ein Signal in der an Hand von Fig.
1 beschriebenen Weise aus, so daß stets ersichtlich ist, ob sich der Flüssigkeitspegel
oberhalb des Heißleiters 16 zwischen den Heißleitern 16 bis 17 bzw. 17 bis 18 oder
unterhalb des Heißleiters 18 befindet.
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Die F i g. 4 zeigt eine Schaltung mit einem fremdgeheizten Heißleiterl9,
dessen Heißleiterwiderstand RH in Reihe mit dem Relais A und der Spannungsquelle
E1 geschaltet ist und für den eine Anordnung in einem Gefäß entsprechend der F i
g. 2 oder 3 angenommen ist. Der Heizstrom J durch den Heißleiter ist so mittels
des Potentiometers Pot eingestellt, daß der Heißleiter in der Gasumgebung einen
Widerstand von etwa 100 Ohm hat. Dies führt dazu, daß das Relais A im Widerstandsstromkreis
seinen Kontakt a schließt und die Lampe L aufleuchtet. Taucht der Heißleiter in
die Flüssigkeit ein, so erhöht sich sein Widerstand auf etwa 10 kOhm, und das Relais
A öffnet den Kontakt a, wodurch die Lampe L verlöscht.
Als Energiequellen
für den Heißwiderstandskreis und den Stromkreis von Relais, Lampe und Heißleiterwiderstand
können die Gleichspannungsquellen E1 und E2 dienen. An Stelle einer ständigen Beaufschlagung
des Heizkreises mit Heizstrom kann dieser auch in Form kurzer Stromimpulse zugeführt
werden. Die Messung erfolgt dann nur während der Impulse nach Art eines getasteten
Betriebs. Beispielsweise kann die Impulslänge etwa 5 Sekunden und die Impulspause
etwa 100 Sekunden betragen.
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Die Fig. 5 erläutert das Verhalten der Schaltung im getasteten Betrieb.
Bei sinkendem Flüssigkeitspegel gelangt der Heißleiter zur Zeit t1 aus der Flüssigkeit
in den Gasraum (F i g. 5 a). Davon unabhängig wird der Heizstrom 1R getastet (Fig.Sb).
Zur Zeit t < t1 sinkt der Heißleiterwiderstand Rn beim Aufenthalt in der Flüssigkeit
während der Stromimpuls 1R nur geringfügig, z. B. auf Werte von etwa 100kOhm, während
im Zeitabschnitt t>tl beim Aufenthalt im Gasraum der Heißleiterwiderstand sehr
stark absinkt, z. B. auf etwa 100 Ohm (F i g. 5 c).
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Da das Relais A nur bei Strömen anspricht, die bei einem Heißleiterwiderstand
RH von etwa 100 Ohm auftreten, beginnt die Lampe L im Zeitabschnitt t> t1 während
der Stromimpulse zu blinken (Fig. 5d).