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FACHGEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft einen Grenzstanddetektor zum Überwachen des Füllstands eines flüssigen Mediums, insbesondere einer Metallschmelze.
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Grenzstanddetektoren, auf die im Folgenden Bezug genommen wird, dienen insbesondere zum Überwachen des Füllstands von Metallschmelzen, wie z. B. Aluminium- oder Eisenschmelzen. Sie kommen daher bei Temperaturen von etwa 900°C und mehr zum Einsatz. Bekannte Grenzstanddetektoren umfassen üblicherweise zwei stabförmige Elektroden, die in einen mit einer Metallschmelze gefüllten Behälter, wie z. B. eine Rinne, Gusswanne oder einen Schmelztiegel, hineinragen. An den Elektroden liegt dabei eine Gleichspannung von z. B. 24 V an. Steigt der Füllstand der Metallschmelze bis auf das Niveau der Elektroden an, wird ein elektrischer Kreis geschlossen und ein Schaltvorgang ausgelöst, um die Zufuhr weiteren Metalls zu unterbinden.
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Bekannte Grenzstanddetektoren haben in der Regel keine Eigendiagnosefunktion und können somit einen Leitungsbruch oder einen Kurzschluss im elektrischen Kreis der Elektroden nicht selbstständig erkennen. Darüber hinaus sind die Elektroden wegen ihrer großen Länge mechanisch relativ empfindlich und können sich leicht verbiegen, wodurch es ebenfalls zu Fehlfunktionen des Grenzstanddetektors kommen kann.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Grenzstanddetektor zum Bestimmen des Füllstands eines flüssigen Mediums zu schaffen, der eine Eigendiagnosefunktion hat und mechanisch stabiler konstruiert ist.
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Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Gemäß der Erfindung wird ein Grenzstanddetektor zum Überwachen des Füllstands eines flüssigen Mediums, insbesondere einer Metallschmelze, vorgeschlagen, der eine erste und eine zweite stabförmige Elektrode umfasst, die im Betrieb in ein Behältnis hineinragen, in dem sich die Schmelze befindet, und der wenigstens ein Element zur mechanischen Versteifung der beiden Elektroden sowie einen zwischen die Elektroden geschalteten Widerstand umfasst. Das Versteifungselement verbessert dabei die mechanische Stabilität der Elektroden, so dass diese nicht mehr so leicht verbogen werden können. Der elektrische Widerstand ist Teil eines Nebenschlusskreises, der eine Eigendiagnose des erfindungsgemäßen Grenzstanddetektors ermöglicht.
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Das wenigstens eine Element zur mechanischen Versteifung der beiden Elektroden ist vorzugsweise ebenfalls stabförmig ausgebildet.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das wenigstens eine Element zur mechanischen Versteifung der beiden Elektroden einen elektrischen Leiter. D. h., es kann insgesamt aus einem elektrisch leitfähigen Material, wie z. B. Edelstahl, hergestellt sein; wahlweise kann es auch einen elektrischen Leiter enthalten. Wahlweise kann es aber auch nichtleitend ausgebildet sein.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist an jeder Elektrode ein Element befestigt, das gleichzeitig zur mechanischen Versteifung der jeweiligen Elektrode und als elektrischer Leiter dient. Das Element ist vorzugsweise abgewinkelt und stabförmig.
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Bei einer Ausführungsform mit stabförmigen Elementen zur mechanischen Versteifung der Elektroden ist ein erstes Ende der Elemente vorzugsweise jeweils an einer der Elektroden befestigt. Das zweite Ende ist vorzugsweise frei, d. h. es ist nicht mit der jeweils zugehörigen Elektrode verbunden. Die stabförmigen Elemente sind vorzugsweise elektrisch leitend, und der vorstehend genannte Widerstand des Nebenschlusskreises ist vorzugsweise zwischen die freien Enden der stabförmigen Elemente geschaltet.
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Solange sich die Elektroden oberhalb des Flüssigkeitspegels befinden, also noch nicht in die Schmelze eingetaucht sind, fließt der Strom aus einer Gleichspannungsquelle über eine erste Elektrode, durch den Nebenschlusswiderstand und durch die zweite Elektrode zurück zur Gleichspannungsquelle. Sobald der Flüssigkeitspegel so weit angestiegen ist, dass die Enden der Elektroden in die Metallschmelze eintauchen, wird der Nebenschlusspfad kurzgeschlossen und somit der Nebenschlusswiderstand elektrisch überbrückt. Durch einfache Auswertung des im Messkreis fließenden Stroms kann somit der Grenzstand des Flüssigkeitspegels überwacht werden. Darüber hinaus ermöglicht die Anordnung des Nebenschlusswiderstandes auch die Eigendiagnose des Grenzstanddetektors in Bezug auf einen Kurzschluss oder einen Leitungsbruch.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist im Stromkreis vor wenigstens einer der Elektroden versorgungsseitig ein zweiter Widerstand vorgesehen. Durch diesen zweiten Widerstand lässt sich insbesondere ein Kurzschluss in einer Zuleitung zum Klemmenkasten feststellen.
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Gemäß der Erfindung ist der erste Widerstand bzw. Nebenschlusswiderstand wenigstens fünfmal, vorzugsweise etwa zehnmal so groß wie der vorstehend genannte zweite Widerstand. Die Abstufung der Widerstände ist so gewählt, dass eine Eigendiagnose auf Leitungsbruch und/oder Kurzschluss eindeutig und sicher festgestellt werden kann.
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Das bzw. die Elemente zum mechanischen Versteifen der Elektroden erstrecken sich vorzugsweise bis etwa zur Mitte der Elektroden. Die Elemente haben vorzugsweise einen parallel zu den stabförmigen Elektroden verlaufenden Abschnitt und einen quer dazu verlaufenden Abschnitt, dessen Ende an den stabförmigen Elektroden befestigt ist.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Grenzstanddetektors gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
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2 eine schematische Schaltskizze des Grenzstanddetektors von 1;
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3 den Grenzstanddetektor von 1 in einem Normalzustand;
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4 den Grenzstanddetektor von 1 in einem ersten Fehlerfall, bei dem die stabförmigen Elektroden elektrisch kurzgeschlossen sind;
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5 den Grenzstanddetektor von 1 in einem zweiten Fehlerfall, bei dem in der Zuleitung zum Klemmenkasten eine Unterbrechung aufgetreten ist; und
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6 den Grenzstanddetektor von 1 in einem dritten Fehlerfall, bei dem in einer Zuleitung zum Klemmenkasten ein Kurzschluss aufgetreten ist.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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1 zeigt eine schematische Ansicht eines Grenzstanddetektors 1 zum Überwachen des Füllstands eines flüssigen Mediums, wie z. B. einer Metallschmelze 13, die sich innerhalb einer Rinne 12 befindet. Der Grenzstanddetektor 1 umfasst zwei im Abstand zueinander angeordnete stabförmige Elektroden 2a, 2b (hier ist nur die Elektrode 2b zu sehen), deren freie Enden in die Rinne 12 hinein ragen. Der Flüssigkeitspegel der Metallschmelze 13 liegt noch unterhalb der freien Enden der Elektroden 2a, 2b, so dass diese nicht in die Metallschmelze 13 eintauchen. Steigt nun der Flüssigkeitspegel bis zum Niveau der Elektrodenenden an, werden die stabförmigen Elektroden 2a, 2b, kurzgeschlossen, sobald sie in die Metallschmelze 13 eintauchen. Durch eine einfache Strommessung kann somit der Füllstand der Metallschmelze 13 überwacht und ein entsprechender Schaltvorgang ausgelöst werden, um beispielsweise die Zufuhr weiterer Metallschmelze 13 zu stoppen.
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Wie zu erkennen ist, sind die Elektroden 2a, 2b durch Abdeckungen 4 teilweise gegen die auftretende Hitzestrahlung abgeschirmt. Die Abschirmung 4 kann die Elektroden 2a, 2b teilweise oder vollständig umgeben. Die Elektroden 2a, 2b können beispielsweise aus Edelstahl hergestellt sein.
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Der erfindungsgemäße Grenzstanddetektor umfasst ferner einen Klemmenkasten 5, an dem die Elektroden angeklemmt sind. Der Klemmenkasten 5 ist mittels Schrauben 8 an der Abdeckung 4 montiert und über ein Kabel 11 mit einer Steuereinheit 10 verbunden, welche den im Messkreis fließenden Strom überwacht und außerdem eine Gleichspannungsquelle 18 bereitstellt. Der Klemmenkasten 5 umfasst die Anschlüsse 6 und 7 für die Elektroden 2a, 2b bzw. ein zur Steuereinheit 10 führendes Stromkabel. Die Steuereinheit 10 umfasst außerdem mehrere Relais, die in bestimmten Zuständen einen Schaltvorgang ausführen.
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2 zeigt eine schematische Schaltskizze des Grenzstanddetektors von 1. Im rechten Teil von 2 ist zu erkennen, dass an jeder der Elektroden 2a, 2b ein abgewinkeltes, stabförmiges Element 3a, 3b befestigt ist, das sowohl zur mechanischen Versteifung der jeweiligen Elektrode 2a, 2b als auch als elektrischer Leiter dient. Die stabförmigen Elemente 3a, 3b können ebenfalls aus Edelstahl hergestellt sein. Ein erstes Ende der Elemente 3a, 3b ist jeweils an einer der Elektroden 2a, 2b befestigt; das andere Ende ist dagegen frei, d. h. es ist nicht mit der jeweiligen Elektrode 2a, 2b verbunden. Die gestrichelten Linien 14 deuten an, dass die Komponenten 2a, 2b, 3a, 3b an diesen Stellen abgewinkelt sind.
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Sowohl die Elektroden 2a, 2b als auch die stabförmigen Elemente 3a, 3b sind jeweils an einem Ende an verschiedenen Klemmen 15 im Klemmenkasten 5 angeklemmt. Zwischen den stabförmigen Elementen 3a, 3b ist ein Widerstand 16 zwischengeschaltet. Der elektrische Pfad über die stabförmigen Elemente 3a, den Widerstand 16 und das zweite stabförmige Element 3b bildet dabei einen Nebenschluss 2 zum elektrischen Hauptkreis, so dass der Widerstand 16 auch als Nebenschlusswiderstand bezeichnet werden kann.
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Im Normalzustand, d. h. im fehlerfreien Zustand, wird der elektrische Hauptkreis über die erste Elektrode 2a, das erste Versteifungselement 3a, den Nebenschlusswiderstand 16, das zweite stabförmige Versteifungselement 3b, die zweite Elektrode 2b und den zweiten Widerstand 17 geschlossen. Dabei fließt ein bestimmter, relativ niedriger Strom. Sobald die Enden der Elektroden 2a, 2b mit der Metallschmelze 13 in Berührung kommen, werden die beiden Elektroden 2a, 2b kurzgeschlossen, wodurch der Strom steigt.
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Im elektrischen Hauptkreis ist ein zweiter Widerstand 17 vorgesehen, der versorgungsseitig der zweiten Elektroden 2b angeordnet ist. Der zweite Widerstand 17 kann prinzipiell auf der Seite des Versorgungspotentials der einen Elektrode (z. B. 2b) oder masseseitig der anderen Elektrode (z. B. 2a) angeordnet sein. Er dient im Wesentlichen dazu, einen Kurzschluss in einer der Versorgungsleitungen 11 detektieren zu können.
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3 zeigt nochmals eine Schaltskizze eines erfindungsgemäßen Grenzstanddetektors im fehlerfreien Zustand zusammen mit einer Außenansicht auf ein Modul 22 der Steuereinheit 10. Das Modul 22 umfasst in diesem Fall zwei LEDs 19, 20, die den Betriebszustand des Grenzstanddetektors 1 anzeigen. Im Normalbetrieb leuchtet die LED 19 beispielsweise grün und die LED 20 beispielsweise gelb.
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4 zeigt eine schematische Schaltskizze des Grenzstanddetektors 1 von 1 in einem ersten Fehlerzustand, in dem die Enden der Elektroden 2a, 2b leitend verbunden sind, weil sie beispielsweise stark verbogen wurden. Der Fehlerzustand ist durch einen Pfeil 21 schematisch dargestellt. Durch den elektrischen Kurzschluss der Elektroden 2a, 2b wird der Nebenschlusswiderstand 16 kurzgeschlossen, und es fließt ein vergleichsweise hoher Strom durch den Hauptkreis. Wenn dies unmittelbar nach dem Einschalten des Grenzstanddetektors 1 erkannt wird, leuchtet die erste LED 19 beispielsweise grün, während die zweite LED 20 aus ist.
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5 zeigt eine schematische Schaltskizze des erfindungsgemäßen Grenzstanddetektors 1 von 1 in einem zweiten Fehlerfall, bei dem in der Leitung 11 zwischen der Steuereinheit 10 und dem Klemmenkasten 5 eine Leitungsunterbrechung aufgetreten ist.
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Der Fehler ist wiederum durch einen Pfeil 21 schematisch angedeutet. Auch dieser Fehler kann durch eine Strommessung einfach erkannt werden. In diesem Fall kann die erste LED 19 beispielsweise grün leuchten und die zweite LED 20 rot blinken.
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6 zeigt eine schematische Schaltskizze des erfindungsgemäßen Grenzstanddetektors von 1 in einem dritten Fehlerzustand, bei dem in der Leitung 11 zwischen der Steuereinheit 10 und dem Klemmenkasten 5 ein Kurzschluss aufgetreten ist, wie durch den Pfeil 21 angedeutet ist. Dieser Fehler kann wiederum durch eine Strommessung einfach erkannt werden. Die erste LED 19 kann in diesem Fall z. B. grün leuchten, und die zweite LED 20 beispielsweise rot blinken.
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Der erfindungsgemäße Grenzstanddetektor ist somit in der Lage, verschiedene Fehlerzustände automatisch zu erkennen. Dem Fachmann ist klar, dass er die jeweilige Anzeige eines Fehlerzustands nach Wunsch konfigurieren kann.
