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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Sicherung von Flüssigkeitstanks
gegen Überfüllung mit mindestens einem bei Betrieb stromdurchflossenen keramischen
Kaltleiter.
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Die Erfindung betrifft ferner eine Schaltungsanordnung zur Durchführung
dieses Verfahrens.
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Bei dieser elektronischen Flüssigkeitsfüllstandskontrolle wird der
große positive Temperaturkoeffizient des elektrischen Widerstandes von keramischen
Kaltleitern ausgenutzt, wodurch neben einer großen Betriebssicherheit ein Abschalten
des Einfüllvorgangs (ausgelöst durch das Eintauchen des Kaltleiters in die Flüssigkeit)
in weniger als 500 msec gewährleistet wird.
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Durch das Zusammenwirken von ferroelektrischen und Halbleitereigenschaften
tritt bei keramischen Kaltleitern in einem Bereich um die Curietemperatur ein steiler
Anstieg des Widerstandes auf, der über mehrere Zehnerpotenzen geht. Für die Überfüllsicherung
von Flüssigkeitstanks mit solchen Kaltleiterelementen wird die unterschiedliche
Wärmeableitung von Luft und Flüssigkeit ausgenutzt, die bei konstanter, dem Kaltleiter
zugeführter elektrischer Leistung zu unterschiedlichen Temperaturen und damit Widerständen
des Kaltleiters führt, je nachdem, ob er sich in Luft befindet, oder ob er in die
Flüssigkeit eintaucht.
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Als hinderlich erweist sich für derartige Schaltungen stets der Varistoreffekt,
d. h. die Tatsache, daß der Widerstand des keramischen Kaltleiters außer von der
Temperatur auch von der angelegten Spannung abhängt. Zur Verdeutlichung dient F
i g. 1, in der schematisch zwei Widerstands -Temperaturkurven des gleichen Kaltleiters
in Abhängigkeit von der am Kaltleiter liegenden Spannung zu sehen sind. Die steilere
Kurve zeigt die Verhältnisse bei sehr kleiner Spannung.
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Ansprechzeit und Ansprechgenauigkeit sind in diesem Fall bedeutend
günstiger, jedoch braucht man zur Erzielung der nötigen Heizleistung bedeutend größere,
über den Kaltleiter abfallende Spannungen (denen die flachere Widerstands -Temperaturkurve
der Fig. 1 entspricht). Diesen Varistoreffekt zu vermeiden, ohne den Mehraufwand
einer dritten Leitungsader zur Meßstelle in Kauf nehmen zu müssen, wie er für einen
fremdbeheizten Kaltleiter nötig wäre, war das Ziel der vorliegenden Erfindung.
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Die Lösung dieser Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, daß durch einen
Taktgeber der Kaltleiter abwechselnd während einer Aufheizzeit an eine zur Aufheizung
dienende hohe Spannung und während einer Meßzeit an eine zur Messung seines Widerstandswertes
dienende kleine Spannung gelegt wird, und daß die aus der Summe von Aufheizzeit
und Meßzeit bestehende Taktzeit klein gehalten wird gegenüber der Ansprechzeit der
Anordnung.
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Des weiteren soll bei diesem Zeitmultiplex-Verfahren die Meßzeit
klein sein gegenüber der vorherigen Aufheizzeit, wodurch erstens gewährleistet ist,
daß die Heizspannung nicht allzu groß gewählt zu werden braucht und zweitens wegen
der Kleinheit der Gesamttaktzeit auch die absolute Meßzeit so klein ausfällt, daß
während ihrer ganzen Dauer die Temperatur des Kaltleiters praktisch konstant den
Wert weiterbehält, den sie zu Ende der vorangegangenen Heizzeit innehatte.
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Vorteilhaft kann das den Füllvorgang freigebende Relais nur dann
betätigt werden, wenn der Kaltleiter während einer Meßzeit an Spannung liegt und
während der vorhergehenden Aufheizzeit infolge relativ schwacher Luftkühlung einen
im Vergleich zum
Widerstandswert bei relativ starker Flüssigkeitskühlung hohen Widerstandswert
erhält. Ein Freigeben des Einfüllvorganges bei Überschreiten eines maximal zulässigen
Widerstandswertes des Kaltleiters (z. B. durch Wackelkontakt oder fehlenden Kaltleiter)
wird durch ein spannungsabhängiges Schaltmittel (Zenerdiode Z2 in F i g. 3) parallel
zum Kaltleiter verhindert.
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Wenn die Bedingungen für eine Freigabe des Einfüllvorganges gegeben
sind, d. h. wenn der Kaltleiter während der Aufheizzeiten sich in der Luft befindet
und auf eine relativ hohe Temperatur aufgeheizt wird, erhält das Relais bei jeder
Meßzeit Impulse. Deshalb muß seine Abfallzeit größer gehalten werden als die Taktzeit
des Taktgebers (damit es während der »stromlosen« Heizzeit nicht abfällt), jedoch
kleiner als die Ansprechzeit der Anordnung.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Schaltungsanordnung
zur Durchführung des Verfahrens zur Sicherung von Flüssigkeitstanks gegen Überfüllung
anzugeben.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Brückenschaltung, deren einer
Brückenzweig aus einer Parallelschaltung von einem hochohmigen Widerstand mit einem
niederohmigen Widerstand und einem Schalter besteht, und einem in der Meßdiagonalen
der Brücke liegenden Differenzverstärker, der während der Aufheizperiode des Kaltleitermeßfühlers
durch ein geeignetes nichtlineares Schaltungselement gesperrt wird.
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Hierbei ergeben sich neben den bekannten Vorteilen der Brückenschaltung,
wie Ansprechempfindlichkeit und Spannungsabhängigkeit, die weiteren Vorteile, daß
durch entsprechende Dimensionierung des Differenzverstärkers die Schaltschwelle
eingestellt werden kann und daß während der Heizperiode am Ausgang des Verstärkers
kein Signal erscheint, das unter Umständen falsche Schaltmaßnahmen auslösen würde.
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Vorteilhaft wird parallel zum Kaltleiter ein spannungsabhängiges
Schaltmittel (Zenerdiode Z) angeordnet, durch das das Ansprechen der den Füllvorgang
freigebenden Meßschaltung bei Überschreiten eines maximal zulässigen Widerstandswertes
für den Kaltleiter verhindert wird.
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Hierdurch wird eine zweite Schaltschwelle eingeführt, die eine Sicherung
der Schaltung gegen Wackelkontakt oder Bruch der Leitung zum Halbleiter ermöglicht.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird die höchstmögliche Oberflächentemperatur
des Kaltleiters noch so klein gehalten, daß die Anordnung auch für Tanks mit feuergefährlichen
und leicht entzündlichen Flüssigkeiten eingesetzt werden kann. Dies wird erreicht
mit Schaltmitteln (T2, Z1 in F i g. 3), die bei Überschreiten des zur Freigabe des
Einfüllvorgangs nötigen Kaltleiterwiderstandes den Heizstrom drosseln, so daß keine
nennenswerte weitere Temperaturerhöhung eintreten kann. Diese automatische Heizspannungsregelung
hat weiterhin den großen Vorzug, daß die Ansprechzeit der gesamten Anordnung drastisch
verkleinert wird, da sich der Kaltleiter beim Eintauchen in die Flüssigkeit nicht
erst von einer unnötig hohen Temperatur abkühlen muß.
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Die Erfindung wird an Hand eines Ausführungsbeispiels durch die F
i g. 3 erläutert, die den Schaltplan einer volltransistorisierten erfindungsgemäß
aufgebauten Tanküberfüllsicherungsschaltung zeigt. Zum besseren Verständnis der
darin enthaltenen Meßbrücke wird diese zunächst an Hand des Prinzipschaltbildes
der F i g. 2 erläutert. Dabei ist zu beachten, daß an die
Stelle
der Diode Dl in F i g. 2 im vollständigen Ausführungsbeispiel der F i g. 3 die aus
den Transistoren T6 und T7 bestehende Kombination tritt.
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Der elektronische Schalter S (in F i g. 3 gegeben durch Tl, T3, Zl,
R2, D2 und C4) schaltet die Heizspannung zunächst ein. Über R2 (den Arbeitswiderstand)
wird der Kaltleiter RK geheizt. Ri ist hochohmig gegenüber R2, damit vernachlässigbar.
Dl ist leitend und schaltet die Basis von T5 auf die Heizspannung, damit dieser
Transistor während des Heizens gesperrt wird. Die Transistoren T4 und T5 arbeiten
in einer Differenzschaltung mit einem gemeinsamen Emitterwiderstand R 7. Schaltet
der elektronische Schalter die Heizung ab (gezeichnete Stellung), dann ist D nicht
mehr leitend, der Transistor T5 wird freigegeben.
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Den Meßzweig der Brücke bilden nun Rl und der Kaltleiter RK, den Vergleichszweig
Rlo und Rll. Ist der Kaltleiterwiderstand kleiner als der Vergleichswiderstand R11,
so übernimmt T4 den ganzen Strom, der durch den gemeinsamen Emitterwiderstand R7
fließen kann, durch T5 kann also auch jetzt kein Strom fließen.
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An dem Kollektorwiderstand R8 entsteht keinerlei Signal. Das soll
bedeuten »Tank voll», die Füllung ist nicht freigegeben. Bei der nächsten Heizperiode
ist der Differenzverstärker T4 und T5 wieder gesperrt (siehe oben). Taucht der Kaltleiter
nicht in Flüssigkeit, so erwärmt er sich, sein Widerstandswert steigt rasch an und
wird größer als der Wert des Vergleichswiderstandes Rll.
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Rl und Rlo sind zwei gleiche, hochohmige Widerstände. Im Meßzweig
(Rl und Rl) entsteht durch Spannungsteilung an der Basis von T4 eine höhere Spannung
als im Vergleichszweig (Rlo und Rll) an der Basis von T5. Diesmal übernimmt daher
T5 den gesamten Strom, der durch R7 fließen kann und am Kollektorwiderstand R8 entsteht
ein Spannungssignal, das zur Freigabe der Tankfüllung (Tank leer) herangezogen werden
kann. Die Meßempfindlichkeit einer solchen Impulsbrückenschaltung beträgt etwa 101o
Widerstandsdifferenz zwischen RK und R11 und ist weder spannungs- noch temperaturabhängig
(die Transistoren kompensieren sich selbst). R6 ist der Kollektorwiderstand von
T4 und entspricht in Größe und Wirkung dem Widerstand R8.
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Im folgenden wird nun auf den Aufbau und die Funktionsweise des Ausführungsbeispiels
der F i g. 3 eingegangen, das alle Aufgaben der Erfindung in sich vereint. In den
zur Erklärung der elektrischen Vorgänge in der Schaltung gezeichneten Kurven werden
durch den Index a die Spannungsverhältnisse während der Meßzeit und durch den Index
b während der Aufheizzeit charakterisiert.
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Die Speisespannung von 20 V wird wie üblich mit Transistorzerhacker
und anschließender Gleichrichtung, z. B. aus der Kfz-Batterie von 12 V, gewonnen.
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In die Prinzipschaltung wurde der Spannungsversorgungsteil deshalb
nicht aufgenommen. Die Rechteckspannung des Zerhackers Z steuert mit ihrer Frequenz
die Austastfolge der Kaltleiterheizung. Uber C4 an T3 und D2 entstehen die Impulse
nach Kurve A, wobei die Dauer dieses Austastimpulses mit C4 eingestellt werden kann.
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Der Transistor T1 hat zwei wichtige Funktionen zu erfüllen. Erstens
begrenzt er den Strom zwischen den Meßklemmen M und 0 auf maximal 100 mA (R2, Z1),
zweitens schaltet er den Heizstrom des Kaltleiters mit dem Austastimpuls zum Messen
ganz ab wie folgt: T3 wird leitend getastet mit jedem positiven Impuls
nach KurveA
und schließt die Zenerdiode 71 und deren Spannung Uzl kurz. Kurve B1 zeigt diesen
Spannungsverlauf. Ist der Heizstrom durch T1 unterbrochen, fließt über den Widerstand
R1 ein kleiner Meßstrom so lange, wie der Austastimpuls andauert (Kurve Bla). Sodann
öffnet T1 wieder und der Kaltleiter wird wieder beheizt (KurveB1b). Der Widerstand
R3 dient als Vorwiderstand für die ZenerdiodeZ1.
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Die Transistoren T4 und T5 sind als Spannungskomparator in einer
Brückenschaltung aufgebaut, das Gleichgewicht ist aber in der Ruhestellung gestört.
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Um dies zu betrachten, nehmen wir den Fall 1 an, die Meßklemmen M
und 0 (der Kaltleiter) sind kurzgeschlossen. An der Zenerdiode Z2 liegt dann keine
Spannung (R ist ein niederohmiger Schutzwiderstand für die Zenerdiode Z2 und ist
vernachlässigbar). Diesen Fall zeigt die Kurve C1 bei O. Die Basis von T4 liegt
somit auf +20 V, der Transistor ist leitend. An dem gemeinsamen Emitterwiderstand
R7 wird der Strom begrenzt. T6 ist gesperrt, T7 ist leitend, weil die Basis über
R9 an +20 V geschaltet ist. Die Vergleichsspannung Uv an der Basis von T5 wird auf
V geschaltet (T7 leitet), T5 ist also gesperrt, und an R8 tritt keine Spannung auf
(Kurve Eb). T8, ein pnp-Transistor, bleibt auch gesperrt, und das Relais Re in dessen
Kollektorkreis, das z. B. das Füllventil Fü betätigt, zieht nicht an.
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Fall 2: Die Klemmen M und 0 sind offen, d. h. der Kaltleiter ist
nicht angeschlossen oder die Zuleitungen sind unterbrozhen. Die Spannung an der
ZenerdiodeZ2 bleibt konstant Uz2, denn selbst bei gesperrtem T1 fließt über R1 und
R4 noch der Strom zu Z2 T6 bleibt gesperrt, T7 bleibt geöffnet, die Basis von Es
ist negativer als die von T4, also T5 bleibt gesperrt, T4 geöffnet.
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Das Relais Re schaltet ebenfalls nicht. Hierin liegt eine große Sicherheit,
denn selbst bei Wackelkontakt in der Anschlußleitung des Kaltleiters wird eine Füllung
des Behälters unterbrochen.
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Fall 3: Der Kaltleiter wird geheizt, ist aber in Flüssigkeit (z.
B. Öl mit +650 C Temperatur). Während der Heizungsdauer bleibt der in Fall 2 besprochene
Zustand erhalten (Spannungsverlauf bei Kurve C2b), beim Austasten aber bricht die
Spannung an der Zenerdiode Z2 auf einen Wert zusammen, der der Temperatur des Kaltleiters
entspricht (Kurve C2a).
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Dieser Impuls bewirkt über C, daß T0 für die Dauer dieses Impulses
geöffnet, T7 gesperrt wird. Die Vergleichsspannung Uv, die durch die Spannungsteilung
R10, R11 nun gewonnen wird, steht für die Dauer des Austastimpulses an der Basis
von T5 (Kurve Fa). Auf der Basis von T4 steht die Spannung, die ein Maß für die
Temperatur des Kaltleiters ist. Diese zwei Spannungen werden miteinander verglichen.
Erreicht der Kaltleiter seine Nenntemperatur nicht, so ist die Vergleichsspannung
Uv stets negativer als die Meßspannung UM am Kaltleiter. T5 bleibt also auch bei
der Tastung gesperrt, das Relais Re gibt die Tankfüllung nicht frei. Nach dem Abklingen
des Tastimpulses wird die Spannung Uv wieder auf -20V eingestellt (Kurve F.
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Fall 4: Der Kaltleiter ist nicht in einer Flüssigkeit, sondern umgeben
von ruhender Luft beliebiger Temperatur zwischen -25 und +75"C. Bei der Tastung
wird die Meßspannung an der Basis von T4 allmählich negativer als die Vergleichs
spannung Uv (Kurve C3).
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Nun wird während des Austastimpulses T4 gesperrt (Kurve Da) und T5
leitend, wodurch an R8 eine Spannung entsteht (Kurve Ea). Folge: Ts wird leitend,
lädt
C5 auf, Relais Re zieht an und gibt die Tankfüllung frei. Nach
Abklingen des Tastimpulses stellen sich wieder die alten Spannungszustände ein (Kurven
Db bzw. Es bzw. C3b).
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Um eine weitere Erwärmung des Kaltleiters RK ZU verhindern, wird
dieser elektronisch temperaturstabilisiert. Die Temperaturstabilisierung des Kaltleiters
wird mit T2 bewerkstelligt. Die Impulse am Kollektorwiderstand R6 des Transistors
T, (Kurve D) werden durch C2, R5 abgenommen und differenziert, mit Di als positive
Spannung gleichgerichtet und in C gespeichert. So öffnet sich allmählich der TransistorT2,
der bis jetzt stets gesperrt war. Die Spannung an der Zenerdiode Zl wird treppenfönnig
geringer. Kurve B2 zeigt diesen Verlauf.
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Folge: Der Heizstrom, der durch T1 den Kaltleiter heizt, wird immer
geringer und bleibt nur so hoch, daß die Komparatorbrücke bei jedem Tastimpuls gerade
im Gleichgewicht bleibt. Kommt nun Flüssigkeit an den Kaltleiter (Behälter gefüllt),
sinkt dessen Temperatur ab. Dieses Absinken der Temperatur wird noch dadurch unterstützt,
daß der Heizstrom zunächst unverändert konstant bleibt, der Widerstand des Kaltleiters
sinkt, dadurch auch die Eigenheizleistung. Die Wärmeabfuhr des Kaltleiterkörpers
steigt dagegen in der Flüssigkeit an. Diese Tatsachen wirken wie eine Rückkopplung,
und das Abschalten des Relais geschieht sehr rasch (Messungen ergaben 300 ms).
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Schließlich bietet das Gerät noch dadurch Sicherheit, daß es sich
selbst kontrolliert. Im Falle eines Tastimpuls-, Heizspannungs- oder Meßstromausfalls
wird die Füllung stets unterbrochen.