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Die Erfindung bezieht sich auf einen Fühlkörper zur Anzeige von Flüssigkeitspegeln,
welcher auf thermischem Wege feststellt, ob an dem Pegelanzeiger Flüssigkeit vorhanden
ist oder nicht. Der erwähnte Pegelanzeiger umfaßt dabei mindestens eine in einem
Gehäuse zusammen mit mindestens einem wärmeabgebenden Glied eingeschlossene Bimetallfeder,
das von der überwachten Flüssigkeit umspült wird, wobei die Bimetallfeder einen
Steuerkreis eines zu überwachenden Gerätes, z. B. eine Tauchpumpe, steuert.
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Solche Pegelanzeiger sind klein und preiswert, besitzen jedoch den
Nachteil, daß sie nur kleine Leistungen unterbrechen können und verhältnismäßig
schlag- und stoßempfindlich sind Wegen der kleinen Leistungen müssen Verstärker
angeordnet werden, wodurch sie groß und kostspieliger werden.
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Sie haben sich daher in der Praxis nicht bewährt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, die Nachteile der bekannten
Pegelanzeiger zu beseitigen, und zwar erfindungsgemäß dadurch, daß die Bimetallfeder
des Pegelanzeigers eine solche innere Spannung erhält, daß sie immer eine von zwei
definierten Stellungen einnimmt, von welchen die eine einer niedrigeren Temperatur
und die andere einer höheren Temperatur entspricht, und daß das wärmeabgebende Glied
so abgestimmt ist, daß der Pegelanzeiger so weit erwärmt wird, daß die Bimetallfeder,
wenn der Pegelanzeiger von Flüssigkeit umgeben ist, die der niedrigeren Temperatur
entsprechende, definierte Stellung einnehmen wird, während die erwähnte Feder, wenn
der Fühlkörper von Luft oder Gas umgeben ist, dazu gebracht wird, unter Schnappwirkung
in die der höheren Temperatur entsprechende, definierte Stellung überzugehen und
umgekehrt. Infolge der unter Schnappwirkung erfolgenden Umstellung von der der niedrigeren
Temperatur entsprechenden, definierten Stellung in die der höheren Temperatur entsprechende
Stellung und umgekehrt wird eine so schnelle Umschaltung der Kontakte der Bimetallfeder
in dem Steuer- oder Signalkreis erreicht, daß die Bimetallfeder dadurch erhebliche
Leistungen unterbrechen und wieder einschalten kann.
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Der Erfindungsgegenstand stellt somit einen einfachen, betriebssicheren,
schnellwirkenden und zur Steuerung hoher Leistungen verwendbaren Pegelanzeiger dar.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Bimetallfeder zwischen
zwei gegen ihre Enden drückenden Anschlägen eingespannt, so daß sie einen Bogen
bildet, und ist. so ausgeformt, daß sie bei der Erwärmung zwecks Umschaltung in
die der höheren Temperatur entsprechende Stellung unter Schnappwirkung eine labile
Zwischenlage passiert.
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Wesentlich für den Schnappvorgang bei der Feder aus der einen in
die andere Ruhelage ist eine Vorspannung in den Bimetallstreifen in Längsrichtung
zusammenziehendem Sinne. Diese Vorspannung kann ganz einfach dadurch herbeigeführt
werden daß ein Teil des Bimetallstreifens länger als der andere ausgeführt ist.
Die Verlängerung kann beispielsweise ganz einfach durch eine entsprechende Verformung,
beispielsweise durch Hämmern des längeren Streifenteils, erzeugt werden. Es ist
auch möglich, den einen Metallstreifen der Bimetallanordnung breiter als den anderen
auszuführen und ihn in der Längsmitte durch mechanische Bearbeitung - wie z B. Hämmern
oder Walzen - im Vergleich zu den Randbereichen
zu dehnen. Die so erzeugten inneren
Spannungen führen beispielsweise zu einer etwas sphärischen Wölbung des Streifens.
Durch Temperaturänderungen schnappt dann die Wölbung einmal zur einen und einmal
zur anderen Seite, so daß entsprechend der gesamte Streifen eine andere Biegung
erhält.
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Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnung näher beschrieben
werden, in welcher die Figuren folgendes darstellen: F i g. 1 eine Ausführungsform
mit einer nur an ihrem einen Ende eingespannten Bimetallfeder, F i g. 2 eine schematisch
veranschaulichte Ausführungsform mit einer zwischen zwei Anschlägen eingespannten
Bimetallfeder, F i g. 3 ein Schaltbild eines Fühlkörpers mit einer Bimetallfeder
gemäß F i g. 2 und zwei Widerstandselementen zur Erwärmung des Bimetalls, welcher
Körper angeordnet ist, ein Gerät zu steuern, F i g. 4 ein Diagramm, welches eine
zweckmäßige Temperaturarbeitskurve des Fühlkörpers veranschaulicht, und F i g. 5
ein Schaltbild eines Fühlkörpers, der über ein elektromagnetisches Relais ein Gerät
steuert.
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Bei der in der F i g. 1 gezeigten Ausführungsform ist das Gehäuse
1 des Fühlkörpers als ein längliches Metallrohr ausgeformt, das an dem einen Ende
einen Boden aufweist und an seinem anderen Ende durch einen Deckel 2 abgeschlossen
ist. Die Bimetallfeder 3 ist mit ihrem einen Ende in dem Deckel 2 eingespannt und
ist mit einer Zuleitung sowie mit einem an ihrem anderen Ende angeordneten Kontakt
versehen, der mit einem gegenüberstehenden festen Kontakt 4 zusammenarbeiten kann,
welcher mit seiner Zuleitung ebenfalls in dem Deckel 2 des Rohres eingespannt ist.
In dem Deckel 2 ist außerdem ein wärmeabgebendes Glied 5 befestigt, welches mit
aus dem erwähnten Deckel hinausragenden elektrischen Anschlüssen versehen ist.
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In der F i g. 2 wird schematisch eine abgeänderte Ausführungsform
der in dem Fühlkörper gemäß F i g. 1 angeordneten Bimetallfeder gezeigt. Während
man bei der Bimetallfeder gemäß F i g. 1 zur Erreichung des gemäß der Erfindung
bezweckten Zieles mittels mechanischer Bearbeitung derselben innere Spannungen beibringt,
wird bei der Ausführungsform gemäß F i g. 2 angenommen, daß die erwähnten Spannungen
der Bimetallfeder 3 dadurch beigebracht worden sind, daß dieselbe zwischen zwei
gegen ihre Enden drückenden Anschlägen 6 und 7 eingespannt wird. Eventuell können
auch in diesem Falle der Bimetallfeder durch mechanische Bearbeitung innere Spannungen
beigebracht sein. Auch bei der Ausführungsform gemäß F i g. 2 weist die Bimetallfeder
einen festen Gegenkontakt 4 auf, während deren eines Ende, beispielsweise am Anschlag,
mit einer anderen Ausnehmung in dem Deckel 2 des Fühlkörpers verbunden ist (F i
g. 1). Da die Bimetallfeder mittels des wärmeabgebenden Gliedes 5 (F i g. 1) erwärmt
wird, werden derselben auch Wärmespannungen beigebracht, und da der feste Kontakt
4 die weitere Biegung des Bimetalls in diese Richtung verhindert, wird die Bimetallfeder
bei einer gegebenen Temperatur - in dem folgenden mit oh bezeichnet unter Schnappwirkung
in die der höheren Temperatur - im folgenden mit # bezeichnet - entsprechende, definierte
Stellung 8 übergehen.
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Das die Erfindung Kennzeichnende ist demnach, daß die Bimetallfeder
immer eine von zwei definierten
Stellungen einnimmt, welche verschiedenen
Temperaturen der Bimetallfeder entsprechen, und daß die Umstellung zwischen diesen
Stellungen in Abhängigkeit der resultierenden Spannung des Bimetalls erfolgt, welche
eine Funktion der Temperatur des Bimetalls ist. Dabei erfolgt die Umstellung unter
Schnappwirkung, was zur Folge hat, daß eine verhältnismäßig kleine Bimetallfeder,
die in einen elektrischen Stromkreis eingeschaltet worden ist, einen großen Strom
unterbrechen kann. Dadurch, daß man somit in der beschriebenen Weise eine solche
Bimetallfeder mit einem wärmeabgebenden Glied in der Form eines Widerstandes kombiniert,
erhält man einen sehr gedrängten und effektiven Pegelanzeiger, der trotz seiner
kleinen Abmessungen verhältnismäßig große Ströme zu unterbrechen vermag.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist für die Funktion des Fühlkörpers
des Pegelanzeigers die Kohärenz zwischen der Ubertemperatur des erwähnten Körpers
über der Umgebung -- in dem Folgenden mit 0 bezeichnet - und der Wärmezu-und -ableitung
sowie die Konstanten des Körpers und des umgebenden Mediums von Bedeutung.
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Wird angenommen, daß die Wärmezufuhr zum Fühlkörper Q ist und daß
die gesamte Wärmeabfuhr vom Körper durch Konvektion und Strahlung an das umgebende
Medium erfolgt, erhält man den folgenden Ausdruck für die Ubertemperatur:
wo t die Zeit ist, Q = dQ a die Wärmeübergangszahl, A die äußere Fläche des Körpers,
c der spezifische Wärmeinhalt des Körpers, m dessen Masse und c m somit der kalorimetrische
Wasserwert des Körpers ist.
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Q.
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In Flüssigkeit ist der Wert von (Q4 < A < Ob - 0rng' .Q. uiid
in Luit oder Gas ist aA > 0/mgX worin » um « die Temperatur des umgebenden Mediums
ist.
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Die Bedeutung des oben angegebenen Ausdrucks geht am besten durch
eine Erläuterung im Anschluß an das in der F i g. 4 gezeigte. Diagramm hervor, welches
eine Darstellung der Funktion der in der F i g. 3 gezeigten Ausführungsform gemäß
der vorliegenden Erfindung darstellt.
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Gemäß dieser Ausführungsform ist die Bimetallfeder 3 in der in F
i g. 2 gezeigten Weise ausgeführt und in ihrer einen Stellung über einen Kontakt
4 mit dem einen Pol N, des Netzes verbunden. Der eine Einspannungspunkt 7 der Bimetallfeder
ist über das zu steuernde Gerät 9 an den anderen Pol N2 des Netzes angeschlossen.
Das Gehäuse 1 des Fühlkörpers ist durch ein gestricheltes Rechteck angedeutet. Innerhalb
desselben sind bei der gezeigten Ausführungsform zwei Widerstände Rl und RII angeordnet,
von welchen der letzterwähnte zu dem gesteuerten Gerät parallel geschaltet ist,
während der ersterwähnte zu den hintereinandergeschalteten Widerständen der Bimetallfeder
und des Gerätes parallel geschaltet ist.
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Der Zweck der doppelten Widerstände sei jetzt an Hand des Diagramms
gemäß F i g. 4 näher erläutert. In diesem Diagramm wird in einem Koordinatensystem
mit der Temperatur Q des Fühlkörpers
als Ordinate und der Zeit t als Abszisse der
Verlauf der Ubertemperatur 8 als Funktion der Zeit wiedergegeben. Die Kurve 1 +
II, welche aus einem ausgezogenen und einem gestrichelten Teil besteht, stellt somit
den graphischen Ausdruck der obigen Formel (1) dar, wobei die Wärmezufuhr Q von
den Widerständen R, und R11 besorgt wird.
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Um das Bimetall vor einer zu hohen Temperatur zu schützen, soll der
Wert B, = QA (d. h. die Temperatur des Körpers im Beharrungszustand) den Wert von
ob nicht zu sehr übersteigen. Dies hat jedoch zur Folge - wie in der F i g. 4 aus
dem Zeitunterschied T2 - T1 zwischen dem Zeitpunkt T2, wo gemäß der KurveI die Temperatur
Bb erreicht wird, bei der Verwendung nur eines Widerstandes R, in dem Fühlkörper
und der Zeit T1, nach welcher die erwähnte Temperatur ob gemäß der Kurve I + II
erreicht wird, die der Verwendung beider Widerstände R, und R11 entspricht, hervorgeht
-, daß ein erheblicher - Zeitraum vergeht, ehe die Anordnung anspricht, was oft
ein wesentlicher Nachteil ist. Der erste Kurventeil 1 + II, der der Verwendung beider
Widerstände R, und R11 entspricht, gibt eine Art an, B durch Änderung der Wärmezufuhr
Q gleichzeitig mit dem Ansprechen des Bimetalls zu beeinflussen.
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Diese Beeinflussung ist somit der Zweck der in der Ausführungsform
gemäß F i g. 3 verwendeten doppelten Widerstände.
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Um die Ansprechzeit der Anordnung herunterzubringen, kann man eventuell
in Kombination mit der obengenannten Maßnahme irgendeine der folgenden Maßnahmen
ergreifen. Entweder kann man den Quotienten aA so groß wie möglich machen, beispielsweise
durch das Anbringen von Kühlflanschen am Fühlkörper, oder man kann die Fläche des
erwähnten Körpers ändern, so daß der a-Wert erhöht wird, beispielsweise durch Farbenauftrag.
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Durch die erwähnten Maßnahmen erhält man einen Wert von Ooo, der
den Wert 9qZ, nicht zu sehr übersteigt, wie aus dem sich an den ersten ausgezogenen
Kurventeil 1 + II anschließenden zweiten ausgezogenen Kurventeil I in der F i g.
4 hervorgeht.
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Der Grund dazu, daß man die Wärmezufuhr sich ändern lassen kann,
gleichzeitig damit, daß das Bimetall anspricht, ist, daß die Wärmeübergangszahl
sich so stark mit dem umgebenden Medium ändert, daß man eine verhältnismäßig hohe
Leistung bei vorhandener Flüssigkeit zulassen kann, ohne daß sich die Temperatur
des Bimetalls der Umsteilungstemperatur ob nähert.
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Eine Anderung der Wärmezufuhr Q kann auch bei einer Ausführungsform
der Erfindung der in der F i g. 5 gezeigten Art erfolgen. In diesem Falle ist der
Fühlkörper 1 in derselben Weise wie bei der Ausführungsform gemäß F i g. 3 ausgeformt,
aber mit dem Unterschied, daß man in demselben nur einen einzigen Widerstand Ri
hat, während der andere Widerstand R2 außerhalb des Fühlkörpers liegt und zwischen
diesem und dem einen Pol N2 des Netzes geschaltet ist. Der zweite Pol N1 des Netzes
ist mit dem festen Kontakt 4 des Bimetalls 3 verbunden. Der eine Befestigungspunkt
7 des Bimetalls ist über die Arbeitswicklung eines Relais RA an den Pol N2 des Netzes
angeschlossen. Ein Arbeitskontakt K1 des Relais RA schließt den Widerstand R2 kurz,
wenn das Relais RA erregt ist, und ein anderer
Arbeitskontakt K2
des erwähnten Relais schließt bei erregtem Relais das durch den Fühlkörper gesteuerte
Gerät 9 an das Netz an.
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Auch bei dieser Anordnung gewinnt man eine änderung der Wärmezufuhr
Q dadurch, daß der Widerstand R2 weggeschaltet wird, wenn die Bimetallfeder 3 in
ihre andere Stellung 8 hinüberschnappt, wie aus einem Vergleich der entwickelten
Leistungen bei Einschaltung eines Widerstandes bzw. zweier Widerstände in den Widerstandskreis.
Die in dem v2 Widerstand R1 entwickelte Leistung wird P1 = R1 während die bei Reihenschaltung
der beiden Widerstände entwickelte Leistung P2 = V2 Rl + 2R2 + R R1 wird. Wie daraus
hervorgeht, ist dann P2 < P1.