DE1573090C - Verfahren und Schaltungsanordnung zur Sicherung von Flussigkeitstanks gegen Uberfullung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Sicherung von Flüssigkeitstanks gegen Überfüllung mit mindestens einem bei Betrieb stromdurchflossenen keramischen Kaltleiter.

Die Erfindung betrifft ferner eine Schaltungsanordnung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Bei dieser elektronischen Flüssigkeitsfüilstandskontrolle 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.

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 zugcführler 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. 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 schcmalisch zwei Widcrstands-Temperalurkurven dos gleichen Kalllciters in Abhängigkeit von der am Kaltleiter liegenden Spannung zu sehen sind. Die steilere Kurve zeigt die Verhältnisse bei sehr kleiner Spannung. 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 Widcrstands-Tenipcraturkurve der Fig. 1 entspricht). Diesen Varistoreffekt zu vermeiden, ohne den Mehraufwand einer dritten Leitungsader zur Meßstelle in Kauf nehmen zu müssen, wis er für einen fremdbeheizten Kaltleiter nötig wäre, war das Ziel der vorliegenden Erfindung.

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 Meßzeil an eine zur Messung seines Widerstandswerles dienende kleine Spannung gelegt wird, und daß die aus der Summe von Aufheizzcil und Meßzeit bestehende Taklzeil klein gelullten wird gegenüber der Ansprechzeit der Anordnung,

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 Kleinheil der Gcsamttaklzeit auch die absolute Meßzeit so klein ausfällt, daß während ihrer ganzen Dauer die Temperatur des Kalileiters praktisch konstant den Wert weiterbehält, den sie zu Ende der vorangegangenen Heizzeit innehatte.

Vorteilhaft kann das den Füllvorgang freigebende Relais nur dann betätigt werden, wenn der Kaltleiter während einer Meßzeil 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.

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 Abfallzcit größer gehalten werden als die Taktzeit des Taktgebers (damit es während der »stromlosen« Heizzeit nicht abfällt), jedoch kleiner als die Ansprechzeit der Anordnung.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens zur Sicherung von Flüssigkeitstanks gegen Überfüllung anzugeben.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Brückenschaltung, deren einer Brückenzweig aus einer Parallelschaltung von einem hochohmigen Widerstand mit einem niederohmigeu Widerstand und einem Schalter besteht, und einem in der Mcßdiagonalen der Brücke liegenden Differenzverstärker, der während der Aufheizperiode des Kultleitermcßrühiers durch ein geeignetes nichtlineares Schaltungselement gesperrt wird.

Hierbei ergeben sich neben den bekannten Vorteilen der Brückcnschallung, wie Anspreehcmpfindlichkeit und Spamumgsabhängigkcil, die weiteren Vorteile, daß durch entsprechende Dimensionierung des Differenzverstärkers die Schallschvvellc eingestellt werden kann und daß während der Heizperiode am Ausgang des Verstärkers kein Signal erscheint, das unter Umsiändcn falsche Schallmaßnahmen auslösen würde.

Vorteilhaft wird parallel zum Kaltleiter ein spannungsabhängiges Schaltmiücl (Zenerdiode Z) angeordnet, durch das das Ansprechen der den Füllvorgang freigebenden Meßschaltung bei Überschreiten eines maximal zulässigen Widerstandswertes für den Kaltleiter verhindert wird.

Hierdurch wird eine zweite Schaltschwelle eingeführt, die eine Sicherung der Schaltung gegen Wackelkontakt oder Bruch der Leitung zum Halbleiter ermöglicht.

Gemäß einer Weilerbildung 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 Kaltleiterwidcrstandes 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.

Die Erfindung wird an Hand eines Ausführungsbeispiels durch die F i g. 3 erläutert, die den Schaltplan einer voUtransistorisicrten 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 D₁ in F i g. 2 im vollständigen Ausführungsbeispiel der F i g. 3 die aus den Transistoren T₆ und T₇ bestehende Kombination tritt.

Der elektronische Schalter S (in F i g. 3 gegeben durch T₁, T₃, Z₁, R₂, D₂ und C₄) schaltet die Heizspannung zunächst ein. Über R₂ (den Arbeitswiderstand) wird der Kaltleiter R_K geheizt. R₁ ist hochohmig gegenüber R₂, damit vernachlässigbar. D₁ 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 R₁. Schaltet der elektronische Schalter die Heizung ab (gezeichnete Stellung), dann ist D₁ nicht mehr leitend, der Transistor T₅ wird freigegeben. Den Meßzweig der Brücke bilden nun R₁ und der Kaltleiter Rk, den Vergleichszweig R₁₀ und A_n. Ist der Kaltleitcrwiderstand kleiner als der Vergleichswiderstand A₁₁, so übernimmt T₄ den ganzen Strom, der durch den gemeinsamen Emitterwiderstand R₇ (ließen kann, durch T₅ kann also auch jetzt kein Strom fließen. An dem Kollektorwiderstand R_s entsteht keinerlei Signal. Das soll bedeuten »Tank voll«, die Füllung ist nicht freigegeben. Bei der nächsten Heizperiode ist der Differenzverstärker T₁ 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 A₁₁.

R₁ und R₁₀ sind zwei gleiche, hochohmige Widerstände. Im Meßzweig (R₁ und Rk) entsteht durch Spannungsteilung an der Basis von T₁ eine höhere Spannung als im Vergleichs/weig (R₁₀ und R_n) an der Basis von T₅. Diesmal übernimmt daher T₁ den gesamten Strom, der durch R₇ fließen kann und am Kollektorwiderstand /?_a entsteht ein ■ Spaniuingssignal, das zur Freigabe der Tankfüllung (Tank leer) herangezogen werden kann. Die Meßempiindlichkcit einer solchen impulsbrückenschaltung beträgt etwa L°/„ Widerstandsdifferenz zwischen Rk und A_n und ist weder spannungs- noch temperaturabhängig (die Transistoren kompensieren sich selbst). R₀ ist der Kollektorwiderstand von T₄ und entspricht in Größe und Wirkung dem Widerstand R_g.

fm 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 α die Spannungsverhältnisse während der Meßzeit und durch den Index b Während der Aufheizzeit charakterisiert.

Die Speisespannung von 20 V wird wie üblich mit Transistorzerhacker und anschließender Gleichrichtung, z. B. aus der Kfz-Batterie von 12 V, gewonnen. In die Prinzipschaltung wurde der Spannungsversorgungsteil deshalb nicht aufgenommen. Die Rechteckspannung des Zerhackers Z steuert mit ihrer Frequenz die Austastfolge der Kaltleiterheizung. Über C₁ an T₃ und D₂ entstehen die Impulse nach Kurve A, wobei die Dauer dieses Austastimpulses mit C₄ eingestellt werden kann.

Der Transistor T₁ hat zwei wichtige Funktionen zu erfüllen. Erstens begrenzt er den Strom zwischen den Meßklemmen M und O 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 Kurve A und schließt die Zeherdiode Z₁ und deren Spannung JJz₁ 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 Z? la). Sodann öffnet T₁ wieder und der Kaltleiter wird wieder beheizt (Kurve Bit,). Der Widerstand R_:i dient als Vorwiderstand für die Zenerdiode Z₁. Die Transistoren T₄ und T₅ sind als Spannungskomparator in einer Brückenschaltung aufgebaut, das Gleichgewicht ist absr in der Ruhestellung gestört.

Um dies zu betrachten, nehmen wir den Fall 1 an, die Meßklemmen M und O (der Kaltleiter) sind kurzgeschlossen. An der Zenerdiode Z₂ liegt dann keine Spannung (R₁ ist ein niederohmiger Schutzwiderstand für die Zenerdiode Z₂ und ist vernachlässigbar). Diesen Fall zeigt die Kurve Cl bei O. Die Basis von T₄ liegt somit auf -H20 V, der Transistor ist leitend. An dem gemeinsamen Emitterwidcrsland R₁ wird der Strom

20^bCgTeIiZt. T₆ ist gesperrt, T₇ ist leitend, weil die Basis über R_s an -{-20 V geschaltet ist. Die Vergleichsspannung Uv an der Basis von T₅ wird auf —20 V geschaltet (T₇ leitet), T₅ ist also gesperrt, und an R_s tritt keine Spannung auf (Kurve E/,). T₈, ein pnp-Transistor, bleibt auch gesperrt, und das Relais Re in dessen Kollektorkreis, das z. B. das Füllventil FiI betätigt, zieht nicht an.

Fall 2: Die Klemmen M und O sind offen, d. h. der Kaltleiter ist nicht angeschlossen oder die Zuleitungen sind unterbrochen. Die Spannung an der ZcnerdiodeZ₂ bleibt konstant Uy,.,. denn selbst bei gesperrtem T₁ fließt über R₁ trui R. noch der Strom zu Z₁. T_n bleibt gesperrt, T₇ bleibt geöffnet, die Basis von T₅ ist negativer als die von T₁, also T₅ bleibt gesperrt, T₁ geöffnet.

Das Relais Re schaltet ebenfalls nicht. Hierin liegt eine große Sicherheit, denn selbst bei Wackelkontakt in der Anschlußleitung des Kaltleilcrs wird eine Füllung des Behälters unterbrochen.

Fall 3: Der Kaltleiter wird geheizt, ist aber in FIQssigkeit (z. B. Öl mit -(-65⁰C Temperatur). Während der Heizungsdauer bleibt der in Fall 2 besprochene Zustand erhalten (Spannungsverlauf bei Kurve C2/,), beim Austasten aber bricht die Spannung an der Zenerdiode Z₂ auf einen Wert zusammen, der der Temperatur des Kaltleiters entspricht (Kurve C2„). Dieser Impuls bewirkt über C₃, daß T₆ 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 F_a). 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 —20 V eingestellt (Kurve Fo).

Fall 4: Der Kaltleiter ist nicht in einer Flüssigkeit, sondern umgeben von ruhender Luft beliebiger Temperatur zwischen —25 und (-75⁰C. Bei der Tastung wird die Meßspamiung an der Basis von T₄ allmählich negativer als die Vcrgleichsspannung Uv (Kurve C3). Nun wird während des Austastimpulses T₄ gesperrt (Kurve Da) und T₅ leitend, wodurch an /?„ eine Spannung entsteht (Kurve E_a). Folge: T₈ wird leitend, lädt

C₆ auf, Relais Re zieht an und gibt die Tankfüllung frei. Nach Abklingen des Tastimpulses stellen sich wieder die alten Spannungszustände ein (Kurven Db bzw. Ei, bzw. C3f,).

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 Λ_β des Transistors T₄ (Kurve D) werden durch C₂, R₅ abgenommen und differenziert, mit £), als positive Spannung gleichgerichtet und in C₁ gespeichert. So öffnet sich allmählich der TransistorT₂, der bis jetzt stets gesperrt war. Die Spannung an der Zenerdiode Z₁ wird treppenförmig geringer. Kurve B2 zeigt diesen "Verlauf.

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 Temperatür 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). Schließlich bietet das Gerät noch dadurch Sicherheit, daß es sich selbst kontrolliert. Im Falle eines Tastimpuls-, Heizspannungs- oder Meßstromausfalls wird die Füllung stets unterbrochen.

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Sicherung von Flüssigkeitstanks gegen Überfüllung mit mindestens einem bei Betrieb stromdurchfiossenen keramischen Kaltleiter, der vom Strom in Abhängigkeit von dem ihn umgebenden Medium (Luft, Flüssigkeit) auf verschiedene Temperaturen aufgeheizt wird, denen verschiedene Widerstandswerte des Kaltleiters entsprechen, und mit einer Meßschaltung, die den Einfüllvorgang in Abhängigkeit vom Widerstandswert des Kaltleiters innerhalb einer maximal zulässigen Ansprechzeit abschaltet, dadurchgekennzeichnet, 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.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßzeit klein gehalten wird gegenüber der vorhergehenden Aufheizzeit.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßschaltung bei Betrieb ein den Füllvorgang einschaltendes Relais nur dann betätigt, 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.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das den Füllvorgang freigebende Relais der Meßanordnung bei jeder Meßzeit einen Stromimpuls erhält, solange der Kaltleiter während der Aufheizzeiten auf eine relativ hohe Temperatur aufgeheizt wird, und daß die Abfallzeit des Relais größer gehalten wird als die Taktzeit des Taktgebers, jedoch kleiner als die Ansprechzeit der Anordnung.

5. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine Brückenschaltung, deren einer Brückenzweig aus einer Parallelschaltung von einem hochohmigen Widerstand (R₁) mit einem niederohmigen Widerstand (R₂) und einem Schalter (S) besteht, und einem in der Meßdiagonalen der Brücke liegenden Differenzverstärker, der während der Aufheizperiode des Kaltleitermeßfühlers (Rk) durch ein geeignetes nichtlineares Schaltungselement (D₁, T₆, T₁) gesperrt wird.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch ein spannungsabhängiges Schaltmittel (Zenerdiode Zl) parallel zum Kaltleiter (Rk), durch das das Ansprechen der den Füllvorgang freigebenden Meßschaltung bei Überschreiten eines maximal zulässigen Widerstandswertes für den Kaltleiter (Rk) verhindert wird.

7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, gekennzeichnet durch Schaltmittel (T₂; Z₁) zur Temperaturstabilisierung des Kaltleiters (R_K).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen