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THERMISTOR-SONDE UND-SCHALTUNG Die Erfindung betrifft eine Anordnung
zum Nachweisen einer speziellen Flüssigkeit an einer bestimmten Stelle innerhalb
einer Begrenzung und insbesondere eine derartige Vorrichtung, die als Fühlelement
einen Thermistor verwendet.
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Anordnungen dieser Art sind auf verschiedenen Anwendungsgebieten brauchbar,
wie beispielsweise in Einrichtungen zur Steuerung eines Flüssigkeitsspiegels, In
derartigen Anordnungen ist das Fühlelement der Vorrichtung in einem eine Flüssigkeit
enthaltenden Tank od. dgl.
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Einfassung angeordnet. Dabei kann das Fühlelement sowohl liber als
auch unter der Flüssigkeitsoberfläehe angebracht sein, wobei die Anordnung betätigt
wird, wenn die e Oberfläche der FlUssigkeit die Höhe des
Fühlelements
erreicht. In einer bestimmten Anlage kann die Anordnung beispielsweise einen Alarm
auslösen, wenn die Flüssigkeit dabei ist, überzulaufen oder wenn sie einen unerwtlnscht
niedrigen Stand erreicht hat. Ferner Wnnen der Anordnung geeignete Einrichtungen
zugeordnet werden, die aus dem Tank automatisch Flüssigkeit ablassen, wenn ein Überlaufen
droht, oder Flüssigkeit in den Tank einlassen, wenn der Flüssigkeitsspiegel zu tief
sinkt.
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Es ist bereits vorgeschlagen worden, in Anordnungen zur Steuerung
eines Flüssigkeitsspiegels einen Thermistor zu verwenden, doch ist bisher noch keine
wirklich praktische Anordnung mit einem Thermistor bekannt geworden. In vorbekannten
Anordnungen wurden zwei Thermistoren in Brückenschaltung verwendet, wobei der eine
Thermistor als Fühlelement und der andere Thermistor als Bezugsgröße diente. Diese
Anordnungen waren jedoch nicht gänzlich zufriedenstellend, weil der Wert des Bezugsthermistors
dazu neigt, sich zu verändern und damit die Genauigkeit der Anordnung ernstlich
zu beeinträchtigen.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung eine Anordnung z : um Nachweisen
des Vorhandenseins einer speziellen Flüssigkeit an einer bestimmten Stelle innerhalb
einer Begrenzung zu schaffen, die nur einen Thermistor verwendet und ber lange Zeitspannen
mit großer Genauigkeit arbeitet.
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Eine solche Anordnung soll sowohl eine Flüsaigkeite-Gas-Grenzfläche,
wie sie an der Oberfläche einer Flüssigkeit in einem Tank vorhanden ist, als auch
eine Fwlüssigkeits-Flüssigkeits-GrenzflSlche, wie sie beispielsweise zwischen
C)
l und Wasser in dem gleichen Tank existiert, nachweisen können.
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Ferner ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung zu schaffen,
die durch Betätigung eines Alarms oder Ausführung einer anderen gewünschten Funktion
sehr schnell auf den Nachweis einer Grenzschicht durch das Fühlelement anspricht.
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Eine andere Aufgabe der Erfindung besteht noch darin, eine als Halterung
fUr das Fühlelement innerhalb einer Einfassung dienende Sonde zu schaffen, die hohen
Drücken und extremen Temperaturschwankungen widersteht.
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Eine Anordnung zum Nachweisen des Vorhandenseins eines Stoffes, beispielsweise
eines Fluds, an einer bestimmten Stelle einer Begrenzung bestehend aus einem Fühlkreis,
einem Bezugskreis, einer zwischen diese Kreise geschalteten Transistor-Verstärkerschaltung,
einer an den Transistor angeschlossenen Schalteinrichtung und einer Steuereinrichtung,
kennzeichnet sich gemäß der Erfindung dadurch, dal3 der Fühlkreis einen Thermistor
mit Mitteln zu dessen Anbringung an der bestimmten Stelle aufweist und die Stromkreise
so angeordnet sind, daß der Transistor nur solange in einem leitenden Zustand gehalten
wird, wie der Stoff in der Begrenzung mit dem Thermistor in Berührung steht, die
Schalteinrichtung betätigt wird, wenn der Transistor aus einem nichtleitenden Zustand
in einen leitenden Zustand
übergeht, und die Steuereinrichtung auf
die Betätigung der Schalteinrichtung anspricht.
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Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen
dargestellt und werden im folgenden näher erläutert.
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Es zeigen : Fig. 1 ein Schaubild, aus dem die Art einer möglichen
Verbindung des Gegenstandes der vorliegenden Erfindung mit einem eine Flüssigkeit
enthaltenden Tank ersichtlichist ; Fig. 2 ein Schaltschema einer Anordnung nach
der Erfindung mit einem einzelnen Thermistor ; Fig. 3 eine charakteristische Thermistor-Kennlinie
; Fig. 4 ein Schema einer Anordnung zur Verwendung mit mehreren Thermistor-Fühlelementen,
und Fig. 5 bis 8 verschiedene Sondenkonstruktionen zur Halterung von Thermistoren
im Innern von Einfassungen.
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Fig. l zeigt einen Tank 10, der ein Flud U enthält, dessen Spiegel
mit 12 bezeichnet ist. Das Flud kann entweder eine Flüssigkeit oder ein fließfähiger
körniger Feststoff sein. Es soll angenommen werden, daß der Fludspiegel 12 in dem
Tank 10 durch nicht dargestellte Mittel
verändert und daß es erwünscht
ist, einen Alarm zu betätigen oder irgendeine andere Furiktion auszuführen, wenn
die Oberfläche des Fluds den durch die strichpunktierte Linie 13 angegebenen Stand
eleeicht.
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Eine Sonde 14, von der verschiedene erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele
weiter unten im einzelnen beschrieben sind, ist an der Wand des Tanks 10 befestigt,
um einen Thermistor 15 auf der Höhe 13 örtlich festzulegen. Der Thermistor 15 ist
in dem Tank 10 so angeordnet, daß er von dem Flud U berührt wird, wenn dessen Spiegel
12 auf den durch die Linie 13 bezeichneten Höhenstand steigt. Die Sonde 14 durchsetzt
die Tankwand und ein Kabel 16 stellt die elektrische Verbindung zwischen dem Thermistor
15 und den Stromkreisen her, die in einem Steuergehäuse 17 vorgesehen sind, das
an einer von dem Tank 10 entfernten Stelle angeordnet sein kann. Die Stromkreise
in dem Steuergehäuse 17 sind über einen Anschluß 20 mit einer Stromquelle verbunden
und ein Kabel 21 führt von den Kontakten eines in dem Steuergehäuse 17 untergebrachten
Relais nach außen und kann an jedes beliebige Gerät angeschlossen werden, das betätigt
werden soll, wenn der Fludspiegel den Thermistor 15 berührt.
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Fig. 2 zeigt den Thermistor 15 und die Stromkreise in dem Steuergehäuse
17. Der Thermistor 15 liegt in einem Fühlkreis, der auch einen Widerstand 22 enthält.
Ein Bezugskreis mit einem Widerstand 23 und einem Potentiometer 24 ist mit dem Fühlkreis
parallel geschaltet.
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Zwischen dem Fühlkreis und dem Bezugskreis liegt ein Verstärkertransistor
25. Die Basis 26 des Transistors 25 ist über einen Widerstand 27 mit einem zwischen
dem Thermistor 15 und dem Widerstand 22 liegenden Punkt 30 verbunden und sein Emitter
31 liegt an dem beweglichen Kontakt des Potentiometers 24. Der Kollektor 32 des
Transistors 25 ist über einen Widerstand 33 an die Spannungsquelle-V und über einen
Widerstand 34 auch an die Basis 35 eines Schalttransistors 36 angeschlossen. Der
Emitter 37 des Transistors 36, der vom npn-Typ ist, ist an die Spannungsquelle-V'
angeschlossen und sein Kollektor 40 liegt an der Spule 41 eines Relais, dessen Kontakte
nicht dargestellt sind. Aus Sicherheitsgründen liegt eine Diode 42 im Nebenschluß
zu der Spule 41. Ein einen Widerstand 43 enthaltender Stromkreis verbindet den Emitter
37 des Schalttransistors 36 mit dem Emitter 31 des Verstärkertransistors 25.
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Im Betrieb fließt von der Quelle-V ständig ein Strom durch den Fühlkreis
und heizt so den Thermistor 15. Aus weiter unten erwähnten Gründen ist es vorteilhaft,
einen Strom zu wählen, der groß genug ist, um zu bewirken, daß der Thermistor 15
im Bereich des "negativen Widerstandes"seiner Kennlinie arbeitet. Demgemäß sollte
in Fig. 3, die eine charakteristische Thermistorkennlinie zeigt, der durch den Thermisotr
15 fließende Strom den Strom I1 übersteigen.
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Es soll angenommen werden, dal3 unter den in Fig. 1 dargestellten
Bedingungen, wo der Thermistor 15 in einer Gas-oder Dampfumgebung vorgesehen ist,
ein Strom 1 (Fig. 3) durch den Thermistor 15 fließt. Das Potentiometer 24 ist so
eingestellt worden, daß der Emitter 31 des Transistors 25 unter diesem Umständen
negativer als seine Basis 26 ist. Infolgedessen"sperrt"der Transistor 25 und es
fließt kein Strom hindurch. Da auch kein Strom an die Basis 35 des Transistors 36
fließt, befindet sich letzterer ebenfalls in einem"Sperrzustand".
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Wenn der Spiegel des Fluds 11 in dem Tank 10 steigt und den Thermistor
15 berührt, fällt die Temperatur des Thermistors, weil das Flud schneller als die
gasförmige Umgebung Wärme von dem Thermistor abführt. Bekanntlich verändert sich
der Widerstand eines Thermistors mit seiner Temperatur, und wenn der Thermistor
im Bereich des negativen Widerstands seiner Kennlinie arbeitet, vergrößert sich
sein Widerstand mit fallender Temperatur. Die Veränderung in der Umgebung des Thermistors
von einem Gas zu dem Flud 11 bewirkt demnach, daß der Widerstand des Thermistors
zunimmt. Der nun durch den Thermistor 15 fließende Strom ist von 1 auf I3 (Fig.
3) abgefallen und selbstverständlich hat der Spannungsabfall durch den Thermistor
hindurch zugenommen. Daraus ergibt sich, daß der Punkt 30 des Fühlkreises negativer
wird. Folglich wird auch die Basis 26 des Transistors 25 negativer als sein Emitter
31, vorausgesetzt, daß das Potentiometer 24 anfangs richtig eingestellt
worden
ist. Der Transistor 25 wird nun leitend, d. h."eingeschaltet", so daß ein Strom
an die Basis 35 des Schalttransistors 36 fließen kann, worauf letzterer leitend
und die Relaisspule 41 erregt wird.
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Die nicht dargestellten Relaiskontakte können selbstverständlich jede
gewünschte Art von Steuereinrichtung wirksam machen, die ihrerseits Funktionen wie
das Auslösen eines sichtbaren oder hörbaren Alarms oder die Betätigung einer Pumpe
zur Entfernung von Flud aus dem Tank 10 ausführen kann.
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Wenn der Spiegel 12 des Fluds 11 unter den Thermistor 15 sinkt, steigt
dessen Temperatur wieder an, worauf sein Widerstand abnimmt. Infolgedessen geht
der Transistor 25 und somit auch der Transistor 36 in den"Aus-"-Zustand und die
Relaisspule 41 wird stromlos. Das schnelle Ansprechen der Transistoren und der Spule
41 auf einen Temperaturanstieg des Thermistors wird durch den den Widerstand 43
enthaltenden Stromkreis gewährleistet, der die Emitter der Transistoren miteinander
verbindet. Infolge des verhältnismäßig starken Stroms, der durch den Thermistor
15 fließt, erreicht dieser eine verhältnismäßig hohe Temperatur (in der Größenordnung
von 300 C).
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Dadurch wird der Thermistor selbstreinigend, da er heiß genug ist,
um etwaige Fludrückstände wegzubrennen. Deshalb bildet sich an dem Thermistor kein
Hindernis für die Wärmetbertragung, so daß der Thermistor während der gesamten Dauer
seiner Verwendung sofort auf Veränderungen
in der Umgebung anspricht.
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Wie schon erwähnt, wird die vorliegende Erfindung angewandt, um die
Grenzfläche zwischen einem flüssigen oder festen Stoff und einem Gas festzustellen.
Da aber unterschiedliche Flüssigkeiten einen unterschiedlichen Wärmeleitwert haben,
lam die Erfindung auch dazu verwendet werden, die Grenzfläche zwischen zwei nicht
miteinander mischbaren Flüssigkeiten, wie beispielsweise Ö1 und Wasser, nachzuweisen.
Wenn der Thermistor anstatt in einem Tank in einer Leitung angeordnet wird, kann
die Erfindung auch verwendet werden, um festzustellen, ob in der Leitung eine Flüssigkeit
fließt oder nicht.
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Ferner kann eine erfindungsgemäße Anordnung vorgesehen werden, um
eine"stetige"Angabe des Flüssigkeitsspiegels im Innern einer Einfassung zu liefern.
In einem solchen Fall sind mehrere in Steig-und Fallrichtung des Flüssigkeitsspiegels
im Abstand voneinander angeordnete Thermistoren vorgesehen. Diese Heißleiter können
alle an einer einzigen Sonde angebracht sein, wie Fig. 8 zeigt, auf die später noch
einmal zurückgekommen wird. Mit der in Fig. 4 dargestelleten Ausnahme ist jedem
der Heißleiter der in Fig. 2 dargestellte Schaltungsaufbau zugeordnet. Die Transistoren
36', 36"und 36"' sind mit dem Schalttransistor 36 der Fig. 2 vergleichbar und gehören
jeweils zu der mit einem der Heißleiter verbundenen Schaltungsanordnung.
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Es liegt auf der Hand, daß genauso viele Transistoren vorgesehen werden,
wie
Thermistoren vorhanden sind. Der Kollektor dieser Transistoren ist nicht an eine
Relaisspule, sondern über Widerstände 45 an ein Meßinstrument 44 angeschlossen,
wobei die Anordnung so getroffen ist, daß, wenn jeder der Transistoren 36'-36"'aus
seinem nichtleitenden Zustand in den leitenden Zustand übergeht, ein zusätzlicher
Mehrstrom an das Meßinstrument 44 geliefert wird. Die Ablesung an dem Meßinstrument
zeigt so jederzeit die Anzahl der mit der Flüssigkeit in dem Tank in Berührung steh
enden Thermistoren und damit den Stand des Flüssigkeitsspiegels an.
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Beispiele von Sondenkonstruktionen sind in Fig. 5 bis 8 dargestellt.
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In Fig. 5 besteht die Sonde aus einem starren Rohr 46, vorzugsweise
aus nichtrostendem Stahl, mit einem in das eine Rohrende teilweise eingesetzten
Thermistor 47. Der Thermistor ist, wie üblich, in einer Glasumhüllung 50 eingebettet.
Am anderen Ende des Rohres 46 ist ein mit Außengewinde versehener Anschluß 51 vorgesehen.
Es ist zweckmäßig, zwischen dem Anschluß 51 und dem Rohr 46 ein Silberlot zu verwenden,
so daß die feste Verbindung zwischen ihnen nicht durch eine durch die großen Temperaturschwankungen
hervorgerufene Dehnung und Zusammenziehung der Teile beeinträchtigt wird.
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Wenn ein mit Innengewinde versehenes Loch zur Befestigung der Sonde
in der Tankwand vorgesehen ist, wird das Rohr 46 durch dieses Loch gesteckt und
dann der Anschluß 51 eingeschraubt, um die Sonde in der gewtinschten Lage zu halten.
Falls erwtinscht, kann an dem Rohrende
anstelle des Anschlusses
51 ein Flansch vorgesehen und dieser an der Wand der Einfassung befestigt werden.
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Hinter dem mit Gewinde versehenen Anschluß 51 ist ein elektrischer
Anschluß 52 angeordnet, mit dem der Thermistor 47 durch zwei das Rohr 46 in seiner
ganzen Länge durchsetzende elektrische Leiter mit 53 verbunden ist. Das Rohr 46
ist einem Epoxymaterial 54 ausgefüllt, das den Thermistor 47 in seiner Lage hält,
da die Hülle 50 teilweise in dieses Material 54 eingebettet ist. Diese Sondenkonstruktion
kann ebenso wie die im folgenden beschriebenen Temperaturen zwischen -60°C und 200°C
und Drücke über 211 kg/cm (3000 lb/sqin) aushalten.
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In der in Fig. 6 dargestellten Sondehkonstruktion sind der Thermistor
47, die Hülle 50, das Rohr 46, die Anschlüsse 51 und 52 sowie die Zuleitungen 53
dieselben wie in der Konstruktion nach Fig. 5. Doch ist in diesem Fall ein kurzes
Rohr 55 in das Rohr 46 eingesetzt, aus dem es an einem Ende herausragt. Das aus
dem Rohr 46 herausragende Ende des kurzen Rohres 55 ist geschlossen und mit Manganoxid
56 gefüllt, worin der Thernistor 47 eingebettet ist. Das kurze Rohr 55 soll den
Thermistor 47 und seine Glashtille 50 vor Beschädigungen durch zufällige Stöße schützen.
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Da jedoch Manganoxid ein sehr guter Wärmeleiter ist, wird der Wirkungsgrad
der Vorrichtung nicht beeinträchtigt.
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In der Sondenkonstruktion nach Fig. 7 sind der Thermistor 47, das
Rohr 46,
die Anschlüsse 51 und 52 sowie die Zuleitungen 53 dieselben
wie in den beiden vorstehend beschriebenen Ausführungsformen.
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Die Glashülle 50', die etwas kleiner als die oben beschriebene ist,
ist mit einem Paßsitz in einer Bohrung 57 eines Pfropfens 60 aus Polytetrafluoräthylen
(Handelsname"Teflon") untergebracht. Der Polytetrafluoräthylen-Pfropfen ist mit
Preßsitz in das Ende des Rohres 46 eingepaßt und die gesamte Außenoberfläche des
Rohres 46, des Pfropfens 60 und der Hülle 50'ist mit einem Überzug 61 aus Polytetrafluoräthylen
versehen. Diese Sondenkonstruktion ist besonders brauchbar, wenn es sich bei den
zu überwachenden Flüssigkeiten um Säuren oder andere ätzende Stoffe handelt.
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Die Sondenkonstruktion der Fig. 8 ist für die Verwendung mit den beschriebenen"stetigen"Systemen
bestimmt. Das Rohr 46 ist an dem dem Anschluß 51 gegenüberliegenden Ende durch eine
Kappe 62 verschlossen, während das Rohr mit einer Reihe von über seine Länge verteilt
angeordneten Löchern zur Aufnahme von Thermistoren in ihren Glashüllen 63 versehen
ist. Dabei können die Htillen 63 wie die Hüllen 50 oder 50'der Fig. 5 und 6 bzw.
7 in diesen Löchern befestigt sein. Zwei Zuleitungen 53'verbinden jeden Thermistor
mit einem Anschluß 52', der mit einer den vorhandenen Zuleitungen entsprechenden
Anzahl von Anschlußklemmen versehen ist.
Die Erfindung ist lediglich
anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels beschrieben worden, so daß vielerlei
Abänderungen im Rahmen der Erfindung möglich sind. Es versteht sich deshalb, daß
die Erfindung nicht auf irgendeine bestimmte Ausführungsform begrenzt ist.
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Patentanspriiche :