DE2722051C2

DE2722051C2 - Füllstandsfühler für heiße Flüssigkeiten

Info

Publication number: DE2722051C2
Application number: DE19772722051
Authority: DE
Inventors: Willi Dr.H.C. 6333 Braunfels Becker
Original assignee: Arthur Pfeiffer-Vakuumtechnik-Wetzlar Gmbh, 6334 Asslar
Priority date: 1977-05-16
Filing date: 1977-05-16
Publication date: 1979-04-19
Also published as: DE2722051B1

Description

Die Erfindung betrifft einen Fühler, der bei kleinem Raumbedarf den Stand einer heißen Flüssigkeit erfassen kann. Dieses Problem tritt z. B. bei ölgedichteten Vakuumpumpen auf. Bei Gasballastbetrieb kann das Öl, welches in einer solchen Pumpe zur Schmierung, zur Auffüllung des schädlichen Raumes und zur Abdichtung dient, Temperaturen bis 110⁰C annehmen. Der Raum, der für einen Fühler zur Verfügung steht, ist sehr beengt Beim Gasballastbetrieb dieser Pumpen wird dauernd etwas öl vernebelt und aus der Pumpe mit dem Abgas weggeführt. Dadurch verringert sich der Ölvorrat in der Pumpe. Wenn dieser nicht rechtzeitig ergänzt wird, führt dies zum Ausfall der Pumpe. Ziel der Erfindung ist es, einen Fühler für den Regler zu finden, der rechtzeitig automatisch das erforderliche öl in der Pumpe ergänzt.

Solange genügend Raum zur Verfugung steht, ist die einfachste Lösung ein Schwimmerschalter. V/ird dieser noch mit Reedkontakten ausgerüstet, so ergibt sich eine sehr betriebssichere Anordnung. Es wird erst schwierig, wenn die Raumverhältnisse sehr beengt sind. Man kann dann zwar sehr kleine Schwimmerschalter verwenden, jedoch sind diese dann nicht mehr betriebssicher genug. Durch die Erschütterungen der Pumpe und durch Ablagerungen von Schmutz kann es dann leicht zu Ausfällen kommen. Eine andere Art von Niveaufülilern nutzt die verschiedene Wärmeleitung zwischen Luft und der Flüssigkeit aus. Ein stark temperaturabhängiger elektrischer Widerstand wird durch Stromdurchgang geheizt und je naehdemi ob sich der Widerstand in Luft oder der Flüssigkeit befindet, nimmt er verschiedene Temperaturen an. Benutzt man Widerstände mit einem hohen Temperaturkoeffizienten, so ändert sich der Widerstand beträchtlich, und man kann mittels einer Brückenschaltung den Stand der Flüssigkeit erfassen. Diese Fühler haben jedoch den Nachteil, daß sie zusätzlich Wärme erzeugen. Um ein einwandfreies Signal zu erhalten, muß die Fühlertemperatur in Luft deutlich über der öltemperatur liegen. Wenn z. B. die öltemperatur 110°C beträgt, so ergibt sich eine Fühlertemperatur von ca. 140 oder 150° C, wenn sich der Fühler in Luft befindet Handelt es sich, wie im vorgegebenen Beispiel, um öl als Flüssigkeit, so kann bei dieser Temperatur bereits das öl zersetzt werden, und es bilden sich Zersetzungsprodukte auf der Oberfläche des Fühlers. Wird diese Schicht zu dick, so

i; ändern sich die Verhältnisse so stark, daß kein, einwandfreies Signal mehr erzielt wird und der Fühler ausfällt Ziel der Erfindung ist es, einen Fühler zu finden, der trotz kleiner Abmessungen und der hohen Temperatur eine sichere Funktion gewährleistet wobei vermieden werden muß, daß höhere Temperaturen als die der Flüssigkeit vorkommen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst

Peltier-Elemente kann man räumlich sehr klein bauen, so daß man sie noch bequem überall unterbringen kann, und außerdem entsteht keine höhere Temperatur, die zu Crackprodukten und Verschmutzungen führen kann.

Bei der Verwendung des Peltier-Elementes wird dessen Warmseite gut wärmeleitend mit dem Gehäuse, in dem sich die zu messende Flüssigkeit befindet, verbunden. Die Kaltseite des Peltier-Elementes zeigt dabei nach der Flüssigkeitsoberfläche. Befindet sich die Flüssigkeitsoberfläche unterhalb der Kaltseite, so befindet sich die Kaltseite in der Luft und nimmt eine tiefe Temperatur an. Berührt dagegen die Flüssigkeit die Kaltseite, so wird Wärme zugeführt, und die Temperatur der Kaltseite steigt an. Die Temperatur der Kaltseite ist somit ein Maß für die Höhe de.. Flüssigkeitsstandes.

Um den Effekt zu verbessern, kann man die Kaltseite noch mit einer Kühlfläche verbinden. Die Temperatur der Kaltseite kann man nun auf verschiedene Arten messen und zur Steuerung verwenden. Man kann sie einmal über die Thermoelementspannung, die im Peltier-Element entsteht, erfassen. In einfacher Weise läßt sich dies durch Verwendung des Peltier-Elements als Zweigwiderstand in einer Brückenschaltung erreichen. Es zeigt sich jedoch in der Praxis, daß das Peltier-Element einen nichtlinearen Widerstand hat und außerdem sein Widerstand außer der Thermospannung auch von seiner mittleren Temperatur abhängig ist. Um Meßfehler zu vermeiden, ist es daher ratsam, ein zweites Peltier-Element als Vergleichswiderstand in einem weiteren Brückenzweig zu verwenden, dessen Warmseite mit der Warmseite des Meß-Peltier-EIementes verbunden ist und vom gleichen Strom durchflossen wird, dessen Kaltseite aber nicht mit der Flüssigkeit in Berührung kommt.

Damit sind die Nichtlinearität und der starke Temperaturkoeffizient kompensiert; man erhält in der Diagonalen der Brücke die direkte Thermospannung des Meß-Peltier-Elementes. Wenn man aber schon zwei Peltier-Elemente benutzt, kann man auch einen anderen Weg beschreiten. Die beiden Warmseiten der Peltier-Elemente werden wieder wärmeleitend miteinander verbunden. Das eine Peltier-Element wird von einem Strom durchflossen, der dessen Kaltseite kühlt. Die beiden Kaltseiten der Peltier-Elemente sind ebenfalls

miteinander durch eine Wärmebrücke verbunden, wobei diese Wärmebrücke die Kühlfläche darstellt und mit der zu messenden Flüssigkeit in Berührung kommt Das zweite Peltier-Element dient nur als Thermoelement und gibt eine Thermospannung ab, die der Temperatur der Kaltfläche entspricht Diese Thermospannung kann man dann ?.ur Regelung ausnützen.

Eine weitere Anordnung besteht darin, daß man nur ein Peltier-Elt-ment benutzt und dessen Betriebsstrom periodisch abschaltet und in den AbschaJtzeiten die Thermospannung mißt und zu Regelzwecken heranzieht.

Es zeigt in schematischer Darstellung

Fig. 1 einen Füllstandsfühler mit zwei Peltier-Elementen,

Fig.2 die Brückenschaltung mit zwei Peltier-Elementen zu Fig. I₁

Fig.3 einen Füllstandsfühler mit zwei Peltier-Elementen, von denen das eine zur Kälteerzeugung und das andere als Thermoelement dient,

F i g. 4 den Schnitt A-A der F i g. 3,

F i g. 5 einen Füllstandsfühler mit nur einem Peltier-Element, das periodisch über einen Umschalter an Gleichstrom oder einen Meßwertspeicher angeschlossen wird,

F i g. 6 den Schnitt A-A der F i g. 5,

F i g. 7 die zu F i g. 5 erforderlichen elektrischen Baugruppen.

F i g. 1 zeigt einen Füllstandsfühler mit zwei Peltier-Elementen 3 und 4, die in die Brückenschaltung F i g. 2 einbezogen sind-1 stellt das Pumpengehäuse dar, an das eine gut leitende Wärmebrücke 2 angeschlossen ist. Am unteren Ende dieser Wärmebrücke ist das Meß-Peltier-Element 4 so angeordnet, daß seine Kaltseite dem Flüssigkeitsspiegel 6 zugewandt ist. Um einen besseren Temperaturausgleich zu erreichen, kann die Kaltseite noch mit einer Kühlfläche 5 versehen werden. Das Peltier-Element 3 ist mit seiner Warmseite an der Wärmebrücke 2 befestigt. Es kompensiert die Nichtlinearität und den Temperaturkoeffizienten des Meß-Peltier-Elementes in der Brückenschaltung. Die beiden Widerstände 7 und 8 sind zum Abgleich der Brücke vorgesehen.

Beide Peltier-Elemente werden von dem gleichen Strom durchflossen. Dabei kühlen sich die Kaltseiten der Peltier-Elemente 3 und 4 gleichermaßen ab. Die in den Peltier-Elementen erzeugte Verlustwärme sowie die den Kaltseiten entzogene Wärme werden durch die Wärmeleitbrücke 2 an das Gehäuse abgeführt.

Sind die beiden Peltier-Elemente nicht absolut gleich, so können die Abweichungen durch den variablen Widerstand 7 so abgeglichen werden, daO die Brückenausgangsspannung Ua zu null wird. In beiden Peltier-Elementen addiert sich zum ohmschen Spannungsabfall die durch die Temperaturdifferenz zwischen Warm- und Kaltseite bedingte Thermospannung. Taucht das Peltier-Element 4 bzw. dessen Kühlblech 5 in die Flüssigkeit ein, so wird die Temperaturdifferenz im Peltier-Element 4 und somit dessen Thermospannung abgebaut= Um diesen Betrag ändert sich dann auch das Ausgangssignal Ua- Dieses Ausgangssignal Ua kann dann zu Schalt- und Steuerungsvorgängen Verwendet werden. Man kann jedoch die Brücke auch durch Verändern des Widerstandes 7 so abgleichen, daß das Ausgangssignal null wird, wenn das Peltier-Element 4 bzw. dessen Kühlblech 5 ins Öl eintaucht und das Ausgangssignal seinen vollen Wert erreicht, wenn das Peltier-Element 4 in Luft ist. Den Unterschied zwischen der Wärmeleitung des Öles und der Wärmeleitung in Luft kann man noch dadurch vergrößern, indem man eine Anordnung wählt, wie sie in Fig.5 und 6 dargestellt ist

Dort ist das Kühlblech 5 ringförmig ausgebildet und beide Oberflächen des Ringmantels stehen jeweils einer Fläche gegenüber, die auf Gehäusetemperatur gehalten ist Dadurch wird eine besonders hohe Wärmeleitung durch die Flüssigkeit erreicht

F i g. 3 und 4 beschreiben eine Ausführung, bsi der wieder eine gut leitende Wärmebrücke 2 mit dem Gehäuse 1 verbunden ist Das vom Strom durchflossene Peltier-Element 9 und das Meß-Peltier-Element 4 sind jeweils mit ihrer Warmseite an der Wärmebrücke 2 befestigt Die Kaltseiten der beiden Peltier-Elemente sind mit einem Kühlblech 5 überbrückt welches am unteren Ende ringförmig ausgebildet sein kann (F i g. 4, Pos. 5). Der Zylinder 10 ist an der Wärmebrücke 2 befestigt und umschließt das Kühlblech 5 und die Peltier-Elemente 9 und4.

Bei der Anordnung nach Fig. Z i'nd 4 wird das Peltier-Element 9 vom Betriebsstrom durchflossen. Dabei wird das Kühlblech, welches die beiden Kaltseiten der Peltier-Elemente 4 und 9 verbindet, durch die Kaltseite des Peltier-Elementes 9 abgekühlt. Befindet sich das Peltier-Element 4 mit dem ringförmigen Teil des Kühlbleches in Luft so kühlt sich die Kaltseite des Peltier-Elementes 4 ab. Durch die Temperaturdifferenz zwischen der Kaltseite und der Warmseite des Peltier-Elementes 4 entsteht eine Thermospannung, die zu Schalt- und Steuerungsvorgängen verwendet werden kann. Steigt die Flüssigkeit 6 an, so daß sie das Kühlblech 5 berührt und in die Ringspalte hochsteigt so «ird das Kühlblech 5 durch die Wärmeleitung der Flüssigkeit 6 erwärmt die Temperaturdifferenz im Peltier-Element 4 nimmt ab und somit sinkt auch das Ausgangssignal ab, das wiederum zu Schalt- und Steuerungsvorgängen verwendet werden kann.

F i g. 5 und 6 stellen eine Ausführungsart dar, bei der n-r ein Peltier-Element 4 verwendet wird. F i g. 7 zeigt im Prinzip die Zusammenschaltung des Peltier-Elementes 4 mit den übrigen elektrischen Baugruppen. Über die Wärmebrücke 2 ist die Warmseite des Peltier-EIementes 4 mit dem Gehäuse 1 verbunden. An der Kaltseite des Peltier-Elementes 4 ist ein ringförmiges Kühlblech 5 zum besseren Wärmeaustausch zwischen Wärmebrücke 2 und dem Zylinder 10 befestigt.

Bei der Anordnung nach F i g. 5 und 6 und im Blockschaltbild nach F i g. 7 wird der Betriebsstrom für das Peltier-Element 4 durch den Umschalter 12 dem Peltier-Element 4 nur in Intervallen zugeführt. Dabei kür·¹: [ich wieder die Kaltseite des Peltier-Elementes 4 und somit auch das Kühlblech 5 ab, solange sich das Peltier-Element 4 «Jnd das Kühlblech 5 in Luft befinden. Die im Peltier-Element 4 entstandene Thermospannur.g wird diesem durch den Umschalter 12 in den Intervallpausen entnommen und dem Signalspeicher 1 i zugeführt. Als Signalspeicher kann beispielsweise ein

ω einfacher elektrischer Kondensator dienen= Steigt die Flüssigkeit in die Ringspalte zwischen dem Kirhlblech 5 Und einerseits dem gut wärmeleitenden Kern 2 und andererseits dem Zylinder 10, so wird dem Kühlblech 5 Wärme zugeführt, wodurch sich die Temperatur der Kaltseite des Pehier-Elementes 4 der Warmseite angleicht. Dadurch wird auch die Thermospannung abgebaut und somit ein niedrigeres Signal dem Signalspeicher 13 zugeführt

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Füllstandsfühler zum Messen des Flüssiglceitsstandes von heißen Flüssigkeiten, dadurch gekennzeichnet, daß als Meßorgan ein Peltier-Element benutzt wird, dessen Warmseite wärmeleitend mit dem Gehäuse des die Flüssigkeit enthaltenden Behälters verbunden ist und dessen Kaltseite in die zu messende Flüssigkeit eintaucht

2. Füllstandsfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kaltseite ein zur Oberflächenvergrößerung dienendes Kühlblech aufweist

3. Füllstandsfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Peltier-Element als Zweigwiderstand einer Brückenschaltung verwendet ist

4. Füllstandsfühler nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Vergleichswiderstand ein zweites Peltier-Element in einem weiteren Brückenzv.eig verwendet ist

5. Füllstandsfühler nach Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kaltseite des Peltier-Elementes mit der Kaltseite eines zweiten Peltier-Elementes durch eine wärmeleitende Brücke verbunden ist, die gleichzeitig als Wärmeübertragungsfläche zur messenden Flüssigkeit dient und das zweite Peltier-Element als Thermo-Element dient und die Warmseite des zweiten Peltier-Elementes mit der Warmseite des ersten Peltier-Elementes wärmeleitend verbunden ist.

6. Füllsr.'ndsfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Peltier-Element an einen periodischen Umschalter angeschlossen ist, der abwechselnd das Peltier-Element an die Gleichstromquelle oder einen Meßwertspeicher anschließt.