DE2145402B2 - Schaltungsanordnung zum ueberwachen von temperaturen und/oder stroemungszustaenden fluessiger oder gasfoermiger medien - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zum Überwachen von Temperaturen und/oder Strömungszuständen flüssiger oder gasförmiger Medien in einer Anlage mit thermisch gekoppelten Kaltfetten» aus Heiz-, Temperaturfühler- und Kontrollelementen, einer Verstärkeranordnung für die Meßspannung und einer Überwachungseinrichtung, die die Anlage in einem überkritischen Betriebszustand stillsetzt.

In vielen technischen Bereichen gibt es Anlagen, die daraufhin überwacht werden müssen, daß die in ihnen enthaltenen flüssigen oder gasförmigen Medien einen bestimmten Temperaturbereich oder einen bestimmten Strömungszustand einnehmen. Ein Beispiel dafür sind große elektronische Geräte, z. B. Datenverarbeitungsanlagen, bei denen auf Grund der Bauelementepackung erhebliche elektrische Leistungen je Volumeneinheit umgesetzt werden. Deshalb sind dort besondere Maßnahmen zum Ableiten der entstehenden Verlustwärme nötig. Vielfach werden dafür Kühlgebläse verwendet, deren Betriebszustand überwacht werden muß, damit beim Ausfall der Gebläse oder bei einer zu hohen Temperatur der Kühlluft das gefährdete Gerät automatisch außer Betrieb gesetzt wird.

Neben anderen Überwachungseinrichtungen, die indirekt die Temperatur oder den Strömungszusland der Kühlluft überwachen, z. B. durch eine Drehzahlkomrol-Ie der Kühlgebläse, ist es auch bereits bekannt, die Temperatur bzw. den Strömungszustand des Kühlmittels direkt zu messen und daraus ein Kriterium dafür abzuleiten, wann ein überkritischer Betriebszustand erreicht ist, in dem die Anlage stillgesetzt werden muß. Dazu wird eine thermisch gekoppelte Kaltleiteranordnung verwendet, die aus einem Heiz-, einem Temperaturfühler- und einem Kontrollelement besteht. Das Heizelement dient als thermostatisierte und damit definierte Wärmequelle, wobei der Kaltieiter-Widerstand oberhalb seiner Nenntemperatur betrieben wird, so daß sich ein stationäres Gleichgewicht zwischen aufgenommener elektrischer Energie und abgegebener Wärme einstellt.

Dieses Heizelement ist thermisch mit einem weiteren Kaltleiter gekoppelt, der als Temperaturfühler dient. Da die den Meßkaltleiter erreichende Wärmemenge davon abhängt, wieviel Wärme durch das umgebende Medium abgezogen wird, ist dessen Temperatur und damit auch seine Stromaufnahme ein Maß für die Temperatur des ihn umgebenden Mediums bzw. dessen Strömungszustandes. Legt man den Meßkaltleiter so aus, daß sein steiler Anstieg in der Widerstands-Temperatur-Kennlinie in den kritischen Temperaturbereich fallt, so erhält man eine sehr empfindliche Meßanordnung»

Darüber hinaus wird noch ein weiterer Kaltleiterwiderstand als Komrollelement verwendet, der ebenfalls mit dem Heizelement thermisch gekoppelt ist und dieses überwacht. Dadurch wird verhindert, daß bei Ausfall des Heizelementes am Temperaturfühler eine Strömungsanzeige vorgetauscht wird und dann überkritische Betriebszustände nicht eindeutig erkennbar sind. *

Bei den bisher bekannten Ausweriesehaltungen sind dieι el» Tempereturfflhlerelement bzw. als KontroHelement dienenden Kaltleiter in Reihe geschaltet, wobei «hen jeweils ein ohmscher Widerstand parallel- «escheltet ist Dieses Widerstandsnetzwerk ist über Sien Mittelabgriff mit der Basis eines Transistors verkünden. Der Arbeitspunkt dieses Transistors ist durch Sie den Kaltleitern parallelgeschalteten Widerstände derart eingestellt, daß der Transistor nur dann leitet, wenn der Temperaturfühler einen niedrigen und das KontroHelement einen hohen Widerstand hat. In die-.«it Zustand wirkt der Transistor stromverstärkend gnd schaltet ein Überwachungsrelais, über das indirekt jje Stromversorgung des gefährdeten Gerätes ab- «chaltbarist

Diese bekannte Schaltungsanordnung zum Überwachen von Temperaturen- und/oder Strömungszuständen flüssiger oder gasförmiger Medien ist zwar verhältnismäßig tinfach aufgebaut, dafür besitzt sie aber verschiedene Nachteile, die sie für eine ausreichende Lösung der Überwachungsaufgabe ungeeignet erscheinen lassen. So ist mit ihr keine bleibende Anzeige eines einmal aufgetretenen überkritischen Betrieb zustandes möglich. Das erschwert die Lokalisierung sporadisch auftretender überkritischer Betriebszustände und die Ermittlung ihrer Ursachen. Weiterhin ist der Grenzbereich zwischen einem unterkritischen und einem überkritischen Betriebszustand nicht eng genug zu tolerieren, da der Transistor nicht als Schalter betrieben werden darf, weil er sonst bei einem langer andauernden 3c überkritischen Betriebszustand zerstört werden könnte Dazu kommt noch, daß die Überwachungseinrichtung während der Anheizzeit des Heizelementes irrtümlich einen Defekt in der Überwachungseinrichtung vortäuschen kann und deshalb Betriebsstörungen beim Einschalten der überwachten Anlage möglich sind.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zum Überwachen von Temperaturen w d/oder Strömungszuständen flüssiger oder gasförmiger Medien in einer Anlage mit thermisch gekoppelten Kaltleitern aus Heiz-, Temperaturfühler- und Kontrollelementen, einer Verstärkeranordnung für die Meßspannung und einer Überwachungseinrichtung, die die Anlage in einem überkritischen Betriebszustand stillsetzt, zn schaffen, die sich auch selbst eindeutig überwacht die die auf Grund der Temperatur-Widerstands-Kennlinie der Kaltleiter mögliche Empfindlichkeit voll ausnutzt und eine Überwachungseinrichtung besitzt, deren Anzeige- ;<nd Schaltelemente nur manuell rückstellbar sind, so daß die Lokalisierung von aufgetretenen Fehlern erleichtert wird. Weiterhin soll diese Überwachungseinrichtung derart ausgelegt sein, daß sie ohne weiteres durch einen oder mehrere Meßwertgeber ansi'.euerbar ist, so daß die Überwachungseinrichtung auch mehrere Anlagen oder mehrere Meßpunkte in einer Anlage gemeinsam zu überwachen gestattet.

Diese Aufgabe wird mit einer Schaltungsanordnung der genannten Art erfindungsgemäß gelöst durch eine κ. ·· -jöft obeiklitis^eik BeIfeich; leitfähige -Schwellen*

tgsiffltft'&Wrt i»ätäh Art eines Sehmitt-THg* geschalteten Transistoren; die an; ihrem Eingang EntkiJppelungsdioden jeweils mit einem Mittelab- «Ines aus in Reihe gelschalteten, als Temperaturptidienertdeft iMeßkaltleiterelementen-· Und einem

gf«ithblirentähm$eh*'i Widerstand begehenden er-" " ünnöngStelters und eitles "aus· parallelgeili'KontfoKp.lerttem dienenden; .Kaltleiteren uflÖ-etnem weiteren ohmsehen Widerstand

bestehenden zweiten Meßspannungsteilers und deren Ausgang über eine Verstftrkerstufe mit einer Überwachungseinrichtung verbunden ist, die einen Überstromautamatcn zum Abschalten der Stromversorgung der Anlage und ein optisches Anzeigeelement zum Anzeigen dieses abgeschalteten Zustande» enthält

Bei dieser Schaltungsanordnung hängt die Anzahl der in den beiden Meßspannungsteilern enthaltenen Kaltleiterelemente davon ab, wie viele Meßpunkte dieser Schaltungsanordnung zugeordnet sind. Zum Umrüsten der Schaltungsanordnung auf andere Überwachungsaufgaben brauchen hier nur die beiden Meßspannungsteiler entsprechend dimensioniert zu werden. d.h. deren ohmsche Widerstände ausgewechselt zu werden. Außerdem wird das Problem, die Stromversorgung der überwachten Anlage direkt abzuschalten, auf einfache Weise dadurch gelöst, daß man bei einem überkritischen Betriebszustand den Überstromautomaten, der eigentlich sonst als Sicherungsautomat verwendet wird, kurzzeitig überlastet und damit umschaliet. Dieser trennt direkt die überwachte Anlage von ihrer Stromversorgung und schließt zugleich den Stromkreis für das optische Anzeigeelement. E/a dieser Zustand unabhängig von den Temperaturen oder Strömungszuständen in der überwachten Anlage so lange aufrechterhalten bleibt, bis der Überstromautomat von Hand zurückgestellt wird, lassen sich aufgetretene Fehler verhältnismäßig leicht lokalisieren. Darüber hinaus enthält die gesamte Schaltungsanordnung, bis auf den in dieser Hinsicht unempfindlichen Überstromautomaten, keinerlei mechanisch bewegte Teile und ist daher stoß- und vibrationsunempfindlich, was ihre Betriebssicherheit erhöht. Weiterbildungen der Erfindung sind in der Beschreibung näher erläutert und in Unteransprüchen gekennzeichnet.

Zum besseren Verständnis der Erfindung wird nachfolgend ein Ausführungsbeispiel an Hand der Zeichnung näher erläutert. Die wesentliche Baugruppe der Schaltungsanordnung ist eine Schwellenwertschaltung nach Art eines Schmitt-Triggers. Sie enthält zwei Transistoren 71 und 72 verschiedenen Leitfähigkeitstyps, deren Emitter über einen ohmsehen Widerstand Al verbunden sind. Diese liegen außerdem über ihre Emitterwiderstände RtI und /Ql aiiObzw. 12-V-Spannung. Die Transistoren 7Ί und 72 liegen außerdem über je einen Kollektorwiderstand Ä12 bzw. Ä22 entsprechend dem verschiedenen Leitfähigkeitstyp an 12 V bzw. 0 V. Die Basis des zweiten Transistors 72 ist direkt mit dem Kollektor des ersten Transistors 71 verbunden. Wesentlich für die Funktion der Schaltungsanordnung ist die Festlegung der Schaltschwelle am Eingang der Schwellenwertschaltung, d. h, an der Basis des ersten Transistors 71 durch den Emitterspannungsteiler, bestehend aus den Widerständen All und Rl. Dagegen beeinflußt der Emitterwiderstand R21 des zweiten Transistors 72 die Schaltfunktion der Schwellenwertschaltung kaum und wirkt nur strombegrenzend.

Der Eingang der Schwellenwertschaltung ist über jeweils eine Entkoppelungsdiodei?! bzw. £tt jeweils mit einem Mittelabgriff fcünd& zweierMeespanntmgsteiler verbunden/ Der örste-7 Meßspannurtfctteiler enthält, die Reihenschaltung von :drei Kalüeitertviderständert, den Tempefafurfühlerelemdnten FK mit denen durch den Mittelabgriff .1 verbündet! zwei ohnuche Widerstände ÄS und Ä6 in Serie geschaltet sirtd Dabei ist der zweite Widersland Ä6 abgleichbar ausgebildet Damit besieht auch die Möglichkeit, die Empfindlichkeit der Schaltungsanordnung dem Anwendüngsfall anzupassen. Die-

ser erste Meßspannungsteiler liegt ebenso wie ein zweiter zwischen 0 und 12 V. Der zweite Meßspannungsteiler besteht aus einer einseitig an 12 V liegenden Parallelschaltung dreier Kaltleiterwiderstände, die als KontroHelemente UK dienen und über den zweiten Mittelabgriff 2 mit einem ohmschen Widerstand R7 verbunden sind. In der Zeichnung ist weiter dargestellt, d?0 den Kaltleiterelementen FK und UK der beiden Meßspannungsteiler drei weitere parallel zwischen 0 und 12 V liegende Kaltleiterwiderstände zugeordnet sind, die als Heizelemente HK dienen. Jeweils ein Heizelement HK, ein Temperaturfühlerelement FK und ein Kontrollelement UK sind thermisch miteinander gekoppelt, d. h. bilden eine physikalische Einheit an einem Meßpunkt. So können mit einer in diesem Ausführungsbeispiel dargestellten Schaltungsanordnung drei Meßpunkte gemeinsam überwacht werden.

Der Ober seinen Kollektorwiderstand Λ22 an 0 V liegende Kollektor des zweiten Transistors 72 bildet den Ausgang der Schwellenwertschaltung und ist mit der Basis eines weiteren Transistors 73 verbunden. Der Transistor 73 liegt emitterseitig an OV und ist über einen Kollektorwiderstand £32 mit einer Wicklung eines Öberstromautomaten SA verbunden, die andererseits an 12 V liegt. Der Überstromautomat SA besitzt vier Schaltanschlüsse 51 bis Si. die paarweise einander zugeordnet und wechselseitig in den beiden Betriebszuständen des Öberstromautomaten SA über Schaltglieder miteinander verbunden sind An die ersten beiden Schaltanschlüsse Si und 52 des Überstromautomaten SA sind die Anschlüsse für die Stromversorgung SV der überwachten Anlage angeschlossen. Der dritte SchaltanschluB 53 ist einseitig mit einer Glühlampe GL die als optisches Anzeigeelement dient und mit ihrem zweiten Anschluß an 12 V liegt und außerdem über eine weitere Entkoppelungsdiode DJ mit der Basis des ersten Transistors 71 verbunden. Der vierte Schaltansehl'jß S4 des Überstromautomaten SA liegt schließlich an OV.

Die Schaltungsanordnung enthält außerdem einen weiteren Transistor 74. der während der Anheizzeit der Heizelemente HK kurzzeitig als Verzögerungsglied wirkt Er liegt emitterseitig an 0 V und ist kollektorseitig über einen Kollektorwiderstand Ä42 mit dem zweiten Mittelabgriff 2 des zweiten Meßspannungsteilers sowie Ober die zweite Entkoppelungsdiode Dl mit dem Eingang de. Schwellenwertschaltung verbunden.

im folgenden wird die Wirkungsweise der beschriebenen Schaftsngsanordnung kurz erläutert: Die Schaltungsanordnung wird durch Anlegen der Betriebsspannung von 12 V eingeschaltet Die zunächst niederohmigen Heizelemente HK nehmen eine große Leistung auf, so daß sie sehr schnei! über ihre Nenntemperatur hinsgehend aufgeheizt sind. Die im zweiten MeB-spannungstefier liegenden KontroHelemente UK sind während der Anhetzzeit der HefeeSememe HK ebenfalb mederohmig. Dann ist in diesem Zustand das Gleichgewicht der von den beiden Meßspannungsteilern gebildeten Meßbrücke gestört

Ohne Gegenmaßnahmen würde das Potential an der Basis des ersten Transistors 71 die Schaltschwetle übrren and damit irrtümlich ein Defekt in den Hizeen vorgetäuscht, der zum Abschalten der w Anlage führt Dies verhindert das durch die Tnmsistorstnfe 74 gebildete Verzögerongsglied. Sein Arbeitspunkt ist durch einen Ober einen Kondensator C an tittsiug Hegenden Basisspannungsteiler Λ43 and R44 sowie durch den Kollektor widerstand /?42 derart eingestellt, daß der Transistor TA während des Aufheizens kurzzeitig leitfähig ist. Damit ist das Potential am Eingang der Schwellenwertschaltung, d. h. an der Basis des ersten Transistors 71.

unterhalb der Schaltschwelle festgeklemmt

Im stationären Betrieb führt ein durch Pfeile schematisch dargestellter Luftstrom von den als Temperaturfühlerelementen dienenden Kaltleitern FK des ersten Meßspannungsteilers eine genügende Wärmemenge

ίο ab, so daß diese niederohmig bleiben und das Potential am Mittelabgriff I des ersten Spannungsteilers nicht ausreicht, die Schwellenwertschaltung mit den Transistoren 71 und 72 in ihren leitfähigen Zustand zu kippen. Umgekehrt sind jetzt die KontroHelemente UK

is hochohmig. da sie von den Heizelementen HK eine genügend große Wärmemenge aufnehmen. Auf diese Weise ist auch das Potential am Mittelabgriff 2 des zweiten Meßspannungsieilers so niedrig, daß die Schaltschwelle der Schwellenwertschaltung nicht er-

ίο reicht wird.

Ist nun eines der Heizelemente HK defekt dann wird das ihm zugeordnete Kontrollelement UK niederohmig und das Potential am Mittelabgriff 2 des zweiten Meßspannungsteilers steigt. Entsprechendes gilt auch, wenn eines der Temperaturfühlerelemente FK nicht mehr genbgend abgekühlt wird, so daß der es umgebende Luftstrom absinkt. Auch in diesem Falle steigt das Potential an dem entsprechenden Mittelabgriff 1 des ersten Meßspannungsteilers. Schon einer dieser Poten- tiaianstiege genügt um das Potential am Eingang der Schwellenwertschaltung zur Schaltschwelle ansteigen zu lassen, so daß die beiden Transistoren 71 und 72 in den leitenden Zustand kippen. Dabei beschleunigt der für einen Schmitt-Trigger bezeichnende gemeinsame Emitterstromkreis den Kippvorgang der Schwellenwertschaltung.

Am Ausgang der Schwellenwertschaltung, d. h. am Kollektor des zweiten Transistors 72, steigt dann das Potential impulsartig, so daß die daran angeschlossene Verstärkerstufe mit dem Transistor 73 ebenfalls leitfähig wird. Über ihren Kollektorwiderstand £32 ist damit für die Wicklung des Überstromautomaten SA ein niederohmiger Stromkreis geschlossen und der Überstromautomat 54 schaltet um. Damit wird die über das erste Paar von Schaltanschlüssen 51 und 52 geführte Verbindung für die Stromversorgung getrennt und statt dessen das zweite Paar der SchattanschlQs t S3 und 54 über ein Schaltglied galvanisch gekoppelt Dadurch ist einerseits der Stromkreis für die Glühlampe GL ge-

5» schlössen, andererseits sinkt das Potential am Eingang der Schwellenwertschaltung unter die Sdraltschwelle, so daß die beiden Transistoren 71 und 72 wieder gesperrt werden. Die Zustandsänderung der Schwellenwertschaltung wirkt sich zwar auch auf den Betriebszustand des Transistors 73 aus. der damit ebenfalls ge ist. nicht aber auf den Betriebszustand der Überwachungseinrichtung, da der Überstromautomat SA nur manuell rückstetlbar ist Die selbständige Rückstellung der Schwellenwertschaltung ermöglicht daß die beiden Transistoren 71 and TX eindeutig als Schalter betneben werden können, da der leitende Zustand nur kurzfristig aufrechterhalten wird. Außerdem kann durch eine geeignete Dhnemionienjjig des Emitterwideretandes /Ql

«s des zweiten Transistors 72 der Schwellenwertschaltung dessen Stromaufnahme und auch die der Versttrkerstufe 73 in weiten Grenzen variiert werden, ohne daß dadurch die Funktion der SchweHenwertschaftong beein-

trächtigt wird. Das bedeutet insgesamt eine hohe Betriebssicherheit in der Schaltungsanordnung bei der Lösung dar gestellten Überwachungsanlage.

Die vorstehend erläuterte Schaltungsanordnung ist ohne weiteres durch einen entsprechenden Abgleich der ohmschen Widerstände in den Meßspannungstei

lern bei verschiedenen Uberwachungsaufgaben einsetzbar, bei denen ein oder mehrere Meßwertgeber mit unterschiedlicher Empfindlichkeit verwendet werden, ohne daß sich dies auf ihre Vorteile auswirken würde, bei hoher Betriebssicherheit auf einfache Weise eine hohe Meßgenauigkeil zu erreichen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

409584/232

Claims (5)

1. Patentansprüche:

   t. Schaltungsanordnung zum Überwachen von Temperaturen und/oder Strömungszustinden flPssiper oder gasförmiger Medien in einer Anlage mit thermisch gekoppelten Kaltleitern aus Heiz-, Temperaturfühler- und -Kontrollelementen, einer Veritärkeranordnung für die Meßspannung und einer Überwachungseinrichtung, die die Anlage in einem fiberkritischen Betriebszustand stillsetzt, gekennzeichnet durch ,eine in diesem überkritischen Bereich leitfähige Schwellenwertschaltung mit zwei nach Art eines Schmitt-Triggers geschalteten Transistoren (7Ϊ, 72), die an ihrem Eingang über a Entkoppelungsdioden (Di, Dl) jeweils mit einem Mittelabgriff (t, 2) eines aus in Reihe geschalteten, als Temperaturfühler dienenden Meßkaltleiterelementen (FK) und einem abgleichbaren ohmschen Widerstand (RS, RS) bestehenden ersten Meßspannungsteilen. und eines aus parallelgeschalteten, als Kontrollelemente (UK) dienenden Kaltleiterelementen und einem weiteren ohmschen Widerstand (Rl) bestehenden zweiten Meßspannungsteilers und deren Ausgang über eine Verstärkerstufe (73, Ä32) mit einer Überwachungseinrichtung verbunden ist, die einen Überstromautomaten (SA) zum Abschalten der Stromversorgung (SV) der Anlage und ein optisches Anzeigeelement (GL) zum Anzeigen dieses abgeschalteten Zustandes enthält.
2. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingang der Schwellenwertschaltung (71, 72) zürn Schutz der Schaltungsanordnung gegen Uberla tung über eine weitere Entkoppelungsdiode (£23) gemeinsam mit dem negativen Anschluß des optischen Anzeigeelementes (GL) mit einem Schaltanschluß (53) des Überstromautomaten (SA) verbunden ist, der im Fehlerfall bei eingeschaltetem Überstromautomaten über einen weiteren der Schaltanschlüsse (54) auf Nullpotential liegt und damit die Schwellenwertschaltung selbständig rückstellbar ist
3. 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Schutz gegen eine irrtümliche Fehlermeldung, solange die thermisch gekoppelten Kaltleiter noch nicht stationär arbeiten, ein Verzögerungsglied mit einem weiteren Transistor (74) vorgesehen ist, dessen Kollektorwiderstand (R42) zwischen den Mittelabgriff (2) des «weiten Meßspannungsteilers (UK, R7) und die 5^C zweite Entkoppelungsdiode (Dl) geschaltet und im Verhältnis zu dem ohmschen Widerstand (Rl) dieses Spannungsteilers derart bemessen ist, daß der mit seinem Emitter auf Nullpotential liegende Transistor während der Anheizzeit der Heizelemente {HK) kurzzeitig leitfähig ist.
4. 4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwellenwertschaltung aus zwei transistoren (Tl, 72) Verschiedenen Leitfähigkeiisiyps besteht, deren Emitter an einem gemeinsamen Spannungsteiler mit dem auf Nullpotential liegenden Emitterwider' stand (KH) des ersten Transistors (71) und einem zwischen den Emittern angeordneten weiteren hochohmigen Widerstand (Ri) liegen und daß die Basis des zweiten Transistors (72) direkt mit dem Kollektor des ersten Transistors verbunden ist
5. 5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch einen Emitterwiderstand (R2\) des zweiten Transistors (72) der Schwellenwertschaltung, der derart bemessen ist, daß er für den zweiten Transistor und die angeschlossene Verstärkersiufe (73, R32) strombegrenzend wirkt.