DE1573090C - Verfahren und Schaltungsanordnung zur Sicherung von Flussigkeitstanks gegen Uberfullung - Google Patents
Verfahren und Schaltungsanordnung zur Sicherung von Flussigkeitstanks gegen UberfullungInfo
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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 RK 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 An. 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 Rs 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 Rn) 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 An 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 Rg.
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 Rs 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 Rs 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. Tn 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 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 —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 Ea). 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 Λβ 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)
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 (RK).
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
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