DE2461323A1 - Sonde zur feststellung des vorhandenseins oder fehlens einer fluessigkeit - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Sonde zum Feststellen des Vorhandenseins oder des Fehlens einer Flüssigkeit.

Es ist häufig notwendig, das Fehlen oder das Vorhandensein einer Flüssigkeit an einer bestimmten Stelle einer Anlage festzustellen. So kann beispielsweise ein Flüssigkeitsbehälter oder Tank mit einer oder mehreren Standhöhendetektoren versehen sein, um das Füllungsausmaß zu kontrollieren und sicherzustellen, daß das Flüssigkeitsniveau stets zwischen vorbestimmten Grenzen gehalten wird. In diesem Beispiel sind obere und untere Detektoren vorgesehen, welche einen Füllvorgang auslösen, wenn der Flüssigkeitsstand das untere Niveau

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erreicht hat und den Füllvorgang wieder zu unterbrechen, wenn die Flüssigkeitshöhe den oberen Grenzstand erreicht. Viele andere Anwendungsfälle sind dem Fachmann gegenwärtig.

Bei vielen Arten von "Prozeßanlagen, sind mechanische Vorrichtungen, z.B. Schwimmer in Verwendung. Die dabei angewendeten beweglichen Teile lassen diese Vorrichtungen jedoch I_n Prozeßanlagen zur Behandlung von zur Nahrung dienenden Flüssigkeiten als unerwünscht erscheinen. Weiterhin sind auf dem·Wege der elektrischen Leitfähigkeit arbeitende Sonden in Verwendung. Hierbei ist es jedoch notwendig, einen Strom durch die Flüssigkeit zu leiten. Dies kann zu elektrolytischen Vorgängen führen, welche Anlaß zur Korrosion oder dgl. geben können. Außerdem lassen sich diese Sonden nur bei leitfähigen Flüssigkeiten anwenden. Außerdem kann hierbei eine Signalgabe auftreten, welche anzeigt, daß Flüssigkeit vorliegt, wenn die Sonde lediglich in Schaum als in Flüssigkeit eingetaucht ist, so daß die Zuverlässigkeit der Sonde in Zweifel gezogen werden muß.

Seit einiger Zeit wurde die Aufmerksamkeit auf sog. thermische Sonden gelenkt. Dies sind Sonden, bei denen eine kleine elektrische Heizeinrichtung in einer Zone angeordnet ist, in der das Vorhandensein oder Fehlen von Flüssigkeit festgestellt werden soll. Wenn in dieser Zone Flüssigkeit vorhanden ist, ist die Sonde eingetaucht und die höhere thermische Leitfähigkeit der

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Flüssigkeit im Vergleich zu der von Luft führt zu einer Absenkung der Temperatur der Sonde. Insbesondere veranlaßt die Gegenwart von Luft statt von Flüssigkeit dann, wenn die Sonde in erster Linie dazu verwendet wird, das Fehlen von Flüssigkeit in einer normalerweise- mit Flüssigkeit gefüllten Zone festzustellen, einen scharfen Temperaturanstieg. Hierbei führen jedoch restliche Flüssigkeitsstropfen an der Sonde zu Fehleranzeigen oder einer verzögerten Anzeige, da diese Tropfen erst verdampft werden müssen, bevor die Temperatur nennenswert an- ' steigt. Außerdem wir die Arbeitsweise einer solchen Sonde durch die Temperatur der Flüssigkeit selbst beeinflußt.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Sonde der eingangs näher bezeichneten Art zu schaffen, welche in möglichst weitem Umfang in den verschiedensten Bereichen auch für nicht elektrisch leitende Flüssigkeiten angewendet werden kann, und bei der die beschriebenen Nachteile zuverlässig vermieden werden, so daß auch in schwierigen Fällen eine genaue zuverlässige, und .sofortige Anzeige einer Änderung des betreffenden Zustandes angezeigt oder zur Veranlassung weiterer Schritte ausgelöst wird. Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß bei einer thermischen Sonde für die Feststellung des Fehlens oder des Vorhandenseins von Flüssigkeit, bei der eine elektrische Heizeinrichtung vorgesehen ist, eine lang gestreckte Hülse die elektrische Heizeinrichtung aufweist, wobei eine erste thermisch ansprechende elektrische Komponente nahe der Heizeinrichtung und eine zweite thermisch ansprechende elektrische Komponente im

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Abstand τοη der Heizeinrichtung in der Hülse angeordnet sind, wobei die Heizeinrichtung und die elektrischen Komponenten derart zusammengeschaltet und aneinander angepaßt sind, daß sie Teil eines Brückenkreises bilden.

Die thermisch ansprechenden Komponenten sind vorzugsweise Thermistoren. Sie können dabei in Reihe über die Heizeinrichtung geschaltet sein, wobei ein Mittel am Abgriff zwischen den beiden Komponenten vorgesehen ist.

Die Heizeinrichtung, die Verbindungen und die thermisch ansprechenden Komponenten können alle in der Hülse angeschlossen sein.

Pur den Gebrauch können die Verbindungen dazu benutzt werden, die Sonde in einen äußeren Steuerkreis einzuschalten, der den Rest des Brückenkreises umfaßt. Dieser Steuerkreis kann Einrichtungen aufweisen, die auf den Brückenkreis bzw. dessen Zustand ansprechen, um die Energiezufuhr zu der Heizeinrichtung zu steuern, um. eine gewünschte Temperaturdifferenz zwischen den beiden thermisch ansprechenden Komponenten aufrecht zu erhalten. Weiterhin kann der Kreis Einrichtungen aufweisen, die auf die zugeführte Energie ansprechen, um.ein äußeres Signal zu erzeugen, welches das Fehlen oder die Gegenwart von Flüssigkeit anzeigt.

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Die Einrichtungen, welche das äußere Signal liefern, sprechen vorzugsweise auf den zugeführten Strom a"b.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von schematischen Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel naher erläutert.

Es zeigen :

Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch eine thermisch ansprechende Sonde, welche eine "bevorzugte Ausführungsform der Erfindung darstellt und

Pig. 2 ein Schaltdiagramm der Sonde und des zugehörigen äußeren Schaltkreises.

Unter Bezugnahme auf Fig. 1 wird deutlich, daß eine Hülse aus rostfreiem Stahl abdichtend in einem Anschlußkopf 2 aus rostfreiem Stahl befestigt ist, der seinerseits in der Seitenwand eines Gefäßes, Kessels oder Behälters angeordnet sein kann.
Die Länge der Hülse kann so gewählt werden, daß sie an die jeweiligen örtlichen Verhältnisse angepasst ist. In der Hülse 1 sind abdichtend aufgenommen: 2 Thermistoren TH 1 und TH2, die in gegenseitigem Abstand von z.B. 3,75 cm in Richtung der Längsachse der Hülse angeordnet sind. Neben dem Thermistor TH2 ist eingeschlossen eine elektrische Heizeinrichtungvorgesehen, welche durch die beiden Widerstände R 16 und R 17 gebildet wird, die ihrerseits parallel zueinander geschaltet sind. Der Anschluß-

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kopf 2 ist mit Anschlußbuchsen A, B und G versehen. Inergie für die Heizeinrichtung wird an die Anschlußbuchse A geliefert. Die Anschlußbuchse B stellt eine negative Leitungsverbindung her, während die Anschlußbuchse C den Signalausgang darstellt. Die zur Vereinfachung lediglich in Fig. 2 dargestellten Verbindungsdrähte sind so vorgesehen, daß die Widerstände R 16 und R 17 parallel zueinander zwischen die Anschlußbuchsen A und B geschaltet sind. Die Thermistoren TH 1 und TH 2 liegen dagegen in Reihe zwiachen den Anschlußbuchsen A und B, wobei zwischen diesen beiden ein Mittelabgriff mit der Anschlußbuchse C verbunden ist. Eine Diode D 3 ist ebenfalb vorgesehen. Diese hat die Aufgabe, einen Stromfluß in der Sonde für den Fall zu verhindern, daß die Anschlußbuchsen A und B vertauscht werden. Ohne diesen Schutz würde die Sonde anders überhitzt werden, da die Signale von den Thermistoren umgekehrt werden.

Der oben kurz beschriebene Kreis ist auf der linken Seite der gestrichelten Linie P der Pig. 2 wiedergegeben. Diese Linie deutet die Trennlinie zwischen dem Anschlußkopf und dem zugehörigen Stecker zwischen Sonde und Steuerkreis an, welch letzterer rechts von der Linie P in Pig. 2 wiedergegeben ist. Dieser Steuerkreis kann eine gedruckte Haltungakarte sein. Sie umfaßt eine positive Leitung 20 von z.B. 18 Volt und eine negative oder Rückführungsleitung 21, an welche die Buchse B angeschlossen ist.

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Ein Brückenkreis wird durch die beiden Thermistoren TH 1 und TH 2, die zwischen einer Energieleitung 23 für die Heizeinrichtung und einer Leitung 21 angeordnet sind, und den Widerständen E 11 und R 12 in Reihe mit einem veränderlichen Widerstand VR 2 zwischen den gleichen beiden Leitungen gebildet. Das Ausgangssignal aus dem Bereich zwischen den beiden Thermistoren TH 1 und TH 2 wird an die Basis eines Transistors T 3 gelegt, die sich in Reihe mit den Widerständen R 14 und R 15 befindet. Diese dienen dazu, den Transistor in den Leitfähigkeitsbereich vorzuspannen und ein Signal an der Ausgangsleitung 25 zu erzeugen, das einem Differentialverstärker A 1 zugeführt wird.

Der Transistor T.3 ist derart angeordnet, daß dann, wenn die Spannung an der Anschlußbuchse A auf einen niedrigen Wert abfällt, die Spannung am Eingang des Verstärkers A 1 nicht außerhalb des Bereiches gelangt, der für den Verstärker erforderlich ist. Dies wird dadurch erreicht, daß man die Ausgänge der Brücke in Verbindung mit der Energieversorgungeschiene durch die Widerstände R H/R 15 und R 13/R 10 aufspaltet. Der Widerstand T 3 ist erforderlich, um die Impedanz des Thermistorenpaares, der im Bereich bis hinauf zu 10 M OHM betragen kann, auf einen niedrigeren Wert herabzusetzen, so daß man für die Widerstände R 14 und R 15 leichter beterrschbare Werte verwenden kann. Der Transistor T 3 hat keine andere Wirkung, als eine kleine Stufe zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors zu erzeugen.

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Der Widerstand R 18 ist in der Weise geschaltet, daß für den Fall, daß die Anschlußbuchse C einen offenen Kreis bildet, die Sonde in dekn niedrigeren Energievergeudungszustand entspannt.

Ein zweiter Eingang des Verstärkers wird von dem anderen Arm des Brückenkreises durch einen Abgriff auf dem veränderlichen Widerstand VR 2 über einen Widerstand R 10 gebildet. Der Differentialverstärker A 1 liefert ein Ausgangssignal, das über Widerstand R 8 der Basis eines Transistors T 2 zugeführt wird, dem ein Glättungskondensator C 4 zugeordnet ist. Dieses Signal steuert den Strom durch den Transistor T 2 und den Widerstand R 6. Auf diese Weise wird das Signal gesteuert, das an die Basis eines Hauptstrom- Steuertransistors T 1 angelegt wird, der zwischen der Leitung 20 und der Energieleitung 23 für die Heizeinrichtung eingeschaltet ist. Der Strom durch die Heizwiderstände R 16 und R 17 wird auf diese Weise durch den Brückenkreis derart gesteuert, daß ein vorbestimmter Temperaturunterschied zwischen den Thermistoren TH 1 und TH aufrechtgehalten wird. Diese Temperaturdifferenz wird aufrechterhalten, weil das Brückennetzwerk und der thermische Feedback-Strom ein konstantes Verhältnis zwischen den Widerständen der beiden Thermistoren aufrecht erhalten und die Thermistoren eine logarithmische Temperatur- Widerstands- Charakteristik aufweisen.

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Wenn die Sonde in Flüssigkeit eintaucht ist die Energie, die erforderlich, ist, um diesen Unterschied aufrecht zu erhalten, wesentlich größer als dann, wenn sich die Sonde in Luft oder in einem anderen Gas befindet. Durch Entdeckung einer Veränderung in der zur Aufrechterhaltung der Differenz notwendigen Energie wird die Veränderung des Eintauchzustandes der Sonde festgestellt werden. Gleichzeitig können hierdurch die notwendigen Steuerungsvorgänge der Anlage ausgelöst werden, die mit dieser Situation gekoppelt sind, z.B. das öffnen eines Füllventils, um Flüssigkeit in das Gefäß einzulassen und den ursprünglichen Füllzustand wieder herzustellen.

Diese Feststellung erfolgt dadurch, daß der Strom in der Leitung 23 durch einen Widerstand R 7 gefüllt wird und in dem die Spannung, die dabei über diesem Widerstand entsteht, an die Eingangsseite eines Differentialverstärkers A 2 über die Widerstände R 3 und R 4 angelegt wird. Einem der Eingänge des Verstärkers A 2 kann eine Einstelleinrichtung bestehend aus dem veränderlichen Widerstand VR 1 und dem Widerstand R 5 zugeordnet sein, um sicherzustellen, daß das kritische Ausgangssignal bei einem Heizstrom erreicht wird, der zwischen den Heizströmen für den normalen Eintauchzustand und dem Nicht-Eintauchzustand liegt. Der Zweck der Verwendung dieses Stromes, wie er durch den Widerstand R 7 gefühlt wird, als Maß für die WärmeZerstreuung an der Sonde, statt der Verwendung einer Spannung zwischen den Anschlußbuchsen A und B besteht darin, daß dieser Wert von dem Widerstand der Drähte, die zu den Anschlußbuchsen

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A und B führen, ist. Damit können diese Drähte bis zu 100m oder langer sein und einen Strom von 0,4 Ampere führen, während der Spannungsabfall bei etwa 2 YoIt oder dgl. liegt.

Das Ausgangssignal des Verstärkers A 2 wird über einen Widerstand R 1 der Basis eines Transistors T 4 zugeführt, der den Strom in einer Relaiswicklung RL 1 steuert. Das Relais nimmt daher eine Stellung ein, wenn die Sonde eingetaucht ist, und eine entgegengesetzte Stellung, wenn die Sonde nicht eingetaucht ist. Kondensator C 3 und Dioden D 2 dienen zur Unterdrückung von Flatterbewegungen des Relais sowie von induktiven Stoßen der Relaisspule.

Ein Strombegrenzungskreis mit einer Diode D 4 ist ebenfalls vorgesehen. Diese Diode stellt sicher, daß unabhängig vom Ausgangssignal des Verstärkers A 1 der Strom durch den Transistor T 1 durch den Widerstand R 7 begrenzt ist, um Kurzschlüsse zwischen A und B zulassen zu können.

Aufgrund der geschlossenen Feedback-Schleife, welche die thermale Verbindung um A 1 umfaßt, ist die Arbeitsweise der Sonde unabhängig von kleinen Änderungen zwischen individuellen Sonden. Es ist deshalb nicht notwendig, Sonden und Schältungskarten auffinander anzupassen. Vielmehr können die Schaltungskarten und

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die Sonden frei gegeneinander ausgetauscht werden, ohne daß besondere Anpassungen oder Einstellungen notwendig sind.

Es können an der beschriebenen Anordnung verschiedene Veränderungen vorgenommen werden. So kann der Transistor T 3 an der Sonde selbst statt auf der Schaltungskarte montiert sein. Auch kann der Transistor durch zwei in Kaskade geschaltete Transistoren ersetzt werden.

Die Thermistoren könnten Speiseleitungen.haben. In diesem Pail können der Transistor T 3 sowie die Widerstände R 15, R 14, R und R 10 entfallen. Allerdings würden hierbei vier Verbindungsleitungen benötigt. Im dargestellten Fall braucht man dagegen nur zwei Verbindungsleitungen, sowie eine gemeinsame Erdleitung.

Ansprüche

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Claims (6)

Ansprüche

1. Auf thermischem Wege arbeitende Sonde zur Feststellung des Vorhandenseins oder des Fehlens von Flüssigkeit mit einer elektrischen Heizeinrichtung, dadurch gekennzeichnet , daß in einer langgestreckten Hülse (1) eine elektrische Heizeinrichtung (R 16, R 17) sowie zwei thermisch ansprechende elektrische Komponenten (TH 2 und TH1) angeordnet sind, von denen die erste Komponente(T H 2) nahe der Heizeinrichtung (R 16, R 17) und die zweite Komponente (TH 1) in einiger Entfernung von dieser Heizeinrichturg angeordnet sind, und daß elektrische Verbindungen zu der Heizeinric htung und zu den beiden Komponenten vorgesehen sind und die beiden Komponenten gemeinsam in der Weise geschaltet sind, daß sie Teil eines Brückenkreises bilden.

2. Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die thermisch ansprechenden Komponenten (TH und TH 2) Thermistoren sind.

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3. Sonde nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Thermistoren in Reihe über die Heizeinrichtung geschaltet sind und einen Mittelabgriff als Ausgangsverbindung aufweisen.

4. Sonde nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet , daß wenigstens ein Transistor zur Erzeugung eines verstärkten Stromsignales aufgrund des Signals vorgesehen ist, das zwischen den beiden Thermistoren anliegt,

5. Sonde nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung (R 16 und R 17), die Verbindungen sowie die The rmik ansprechenden Komponenten in der Hülse 1 eingeschlossen sind.

6. Sonde nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß ein äußerer Steuerkreis vorgesehen ist, der den übrigen Teil des Brückenkreises sowie eine Einrichtung aufweist, welche auf den Brückenkreis anspricht und die Energiezufuhr zu der Heizeinrichtung (R 16, R 17) steuert, um eine erforderliche Temperaturdifferenzt zwischen den beiden thermisch ansprechenden Komponenten (TH 1 und TH 2) aufrecht zu erhalten und daß weiterhin Einrichtungen vorgesehen sind, die auf die Energiezufuhr ansprechen, um ein äußeres Signal zur Anzeige des Fehl.ens oder der Gegenwart

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- 14 von Flüssigkeit zu erzeugen.

7« Sonde nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen, welche das äußere Signal erzeugen, auf den Strom ansprechen, welcher der Heizeinrichtung (R 16 und R 17) zugeführt wird.

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