DE2740289A1

DE2740289A1 - Vorrichtung zur ueberwachung des niveaus einer in einem behaelter enthaltenen fluessigkeit

Info

Publication number: DE2740289A1
Application number: DE19772740289
Authority: DE
Inventors: Jean-Jacques Bezard; Charles Henri Jourdain; Bruno Lalanne
Original assignee: Jaeger SA
Current assignee: Jaeger SA
Priority date: 1976-10-06
Filing date: 1977-09-07
Publication date: 1978-04-13
Also published as: IT1084898B; DE2740289B2; US4163391A; AR221036A1; GB1535153A; ES462965A1; DE2740289C3; FR2367276A1; MX143777A; FR2367276B1

Description

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6Ci-(LElSfHEIMERSTR. 299 Case 77 156

MÜNCHEN 40

Jaeger

Levallois-Perret, Hauts de Seine / Frankreich

"Vorrichtung zur Überwachung des Niveaus einer in einem Behälter enthaltenen Flüssigkeit".

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur überwachung des Niveaus der in einem Behälter enthaltenen Flüssigkeit unter Ausnutzung der Veränderung des Widerstandes eines metallischen Widerstandselements in Abhängigkeit von der Temperatur.

Es ist bekannt, daß bei einem metallischen Element mit einem hohen Temperaturkoeffizienten dessen Widerstand in Abhängigkeit von dem dieses durchfliessenden Strom zunimmt, welcher Strom eine Erwärmung des erwähnten Elements bewirkt. Es wurde bereits vorgeschlagen, diese Eigenschaft zur Bestimmung des Niveaus einer Flüssigkeit auszunutzen. In der Tat nimmt, wenn der Spiegel der Flüssigkeit, in welche das Widerstandselement eingetaucht ist, abnimmt, die mittlere Temperatur des erwähnten Elements infolge des Umständes zu, daß dessen Teil, der der Luft ausgesetzt ist, wesentlich weniger gekühlt wird als der eingetaucht bleibende Teil. Der Gesamtwiderstand des Elements ist daher eine Funktion des Flüssigkeitsspiegels.

Es wurde bereits versucht, diese Möglichkeit der Bestimmung des Niveaus von Flüssigkeiten, die in einem Behälter enthalten ist, vor allem bei Kraftfahrzeugen anzuwenden, jedoch haben sich die bisher vorgeschlagenen Vorrichtungen nicht als sehr empfindlich für Schwankungen der Umgebungstemperatur erwiesen, was ihre Präzision sehr wesentlich beeinträchtigt, vor allem im Falle ihrer Verwendung in Kraftfahrzeugen, in welchen diese Veränderungen bzw. Schwankungen sehr empfindlich sein können.

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Der Erfindung liegt vor allem dieAufgabe zugrunde, einen solchen Meßfühler von der Umgebungstemperatur unabhängig zu machen. Ferner gehört es zur Aufgabe der Erfindung, eine Sonde von einfacher Bauart zu entwickeln, bei der nur ein einziger Verbindungsdraht zwischen dieser und der Meß- und Alarmschaltung erforderlich ist und ohne daß der Widerstand des erwähnten Drahtes einen Einfluß auf die Messung hat.

Für diesen Zweck besitzt die erfindungsgemäße Vorrichtung einen Widerstandsdraht von hohem Temperaturkoeffizienten, der in die Flüssigkeit eingetaucht ist, von der das Niveau gemessen werden soll, eine Anordnung zum Hindurchleiten eines konstanten Stroms durch den erwähnten Draht, ein Organ zur Messung der Spannung an seinen Klemmen und eine Einrichtung zum Vergleich dieser Spannung U., gemessen zu dem Zeitpunkt t, mit seinem Anfangswert U zum Zeitpunkt t der Inbetriebnahme der Vorrichtung. In der Tat hängt die Spannung U in den gleichen Proportionen wie U. von der Umgebungstemperatur und von dem Widerstand der Anschlußleitungen ab, durch welche Vergleichsmessung der Einfluß der äusseren Parameter ausgeschaltet wird.

In den beiliegenden Zeichnungen sind beispielsweise verschiedene Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt und zwar zeigen:

Fig. 1 eine Darstellung der Spannung an den Anschlüssen des Widerstandselements in Abhängigkeit von der Zeit;

Fig. 2 ein Schaltbild einer Vorrichtung mit einem einzigen Alarmniveau;

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Fig. 3 eine Darstellung der Schaltungsanordnung der Vorrichtung nach Fig. 1 und 2;

Fig. 4 ein Zeitdiagramm der erwähnten Vorrichtung;

Fig. 5 ein Schaltbild einer Vorrichtung mit η Alarmniveaus;

Fig. 6 eine Darstellung einer Schaltung entsprechend der vorangehenden Schaltungsanordnung für drei Alarmniveaus ;

Fig. 7 ein Schaltbild einer Vorrichtung unter Verwendung einer numerischen Meßschaltung;

Fig. 8 ein Zeitdiagramm für die Vorrichtung nach Fig. 7.

Wenn ein Draht mit einem hohen Temperaturkoeffizienten mit einem konstanten Strom gespeist wird, hat die Kurve der Spannung an den Klemmen des erwähnten Drahtes in Abhängigkeit von der Zeit den in Fig. la dargestellten Verlauf, wenn der Draht sich voll in der Luft befindet, während Fig. Ib die Spannungskurve zeigt, wenn der Draht voll in eine Flüssigkeit eingetaucht ist. Infolge der Zunahme der Erwärmung des Drahtes, wenn dieser sich in der Luft befindet, zu einem gegebenen Zeitpunkt t-, hat die Spannung U₁ immer einen höheren Wert als die Spannung U-. gemessen an den Klemmen des gleichen Drahtes, der nach der gleichen Erwärmungsdauer in eine Flüssigkeit eingetaucht wird. Zwischen diesen beiden Endwerten staffeln sich die Spannungswerte, die den verschiedenen Eintauchgraden des Drahtes

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entsprechen. Alle diese Werte sind jedoch höher als der Wert der Spannung U- gemesi
Inbetriebnahme der Vorrichtung.

der Wert der Spannung U- gemessen zum Zeitpunkt der

Es wurde festgestellt, daß die so gemessenen Spannungen unter dem Einfluß der Umgebungstemperatur sowie des Widerstandes der Anschlußschaltung der Sonde gemessen wurden. Zur Ausschaltung dieses Einflusses wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, der Anfangsspannung U Rechnung zu tragen, welche den gleichen parasitären Einflüssen unterliegt. Bei einer ersten Ausfuhrungsform (Fig. 2, 3 und 4) wird dieser Wert U gemessen und dann nach einem bekannten Gesetz verändert, um ihm zu ermöglichen, zum Zeitpunkt t der Messung einen Wert zu erreichen, der etwas unter oder über dem liegt, der zu diesem Zeitpunkt an den Anschlüssen des Widerstandsdrahtes verfügbar ist. Das Vorzeichen der Differenz zwischen diesen beiden Werten hängt von der Stellung der Sonde in der Flüssigkeit ab.

Wenn die Vorrichtung unter Spannung gesetzt wird, steuert eine Verzögerungsschaltung 2 (Fig. 2) während einer Zeit t den Betrieb einer Stromquelle 3 für einen konstanten Strom, die an die Anschlüsse der Sonde 1 angeschaltet ist. An die Anschlüsse der Sonde 1 ist ferner eine Umkehrschaltung 4 angeschaltet, die eine Spannung von der Form (V - U) liefert, wobei V eine stabilisierte Spannung ist und U die an den Anschlüssen der Sonde 1 gemessene Spannung. Im ersten Augenblick liefert die Umkehrschaltung 4 eine Spannung (V - U), wobei U_Q die Anfangsspannung an den Anschlüssen der Sonde 1 ist. Diese Spannung wird dazu verwendet, den Kondensator einer RC-Schaltung 5 aufzuladen, der sich dann nach einem Gesetz entlädt, das durch die Werte des Widerstandes und der Kapazität der erwähnten Schaltung bestimmt wird und von der in Fig. 4a durch die

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Gerade υ dargestellten Form ist. Wenn sich der Draht erwärmt, nimmt die Spannung U zu und die Umkehrschaltung liefert an einen Komparator 6 eine Spannung von der Form (V - U), wie sie in Fig. 4a durch die Kurve A dargestellt ist, wenn die Sonde voll in die Flüssigkeit eingetaucht ist und durch die Kurve o( , wenn die Sonde vollständig von Luft umgeben ist. Die Gerade O der Kondensatoraufladung schneidet die Kurve A i^m Zeitpunkt t* (Fig. 4b) und die Kurve ^ zum Zeitpunkt t₂. Die Betriebsdauer t der Verzögerungsschaltung 2 ist so gewählt (Fig. 4c), daß: t₁ <" t ^t₂. ^Zu ^^{em au}^ diese Weise bestimmten Zeitpunkt t steuert die Verzögerungsschaltung 2 den im Komparator 6 durchgeführten Vergleich zwischen dem Wert der Spannung V - Ul an den Anschlüssen der RC-Schaltung zu diesem Augenblick und demjenigen, der gleichzeitig durch die Umkehrschaltung 4 geliefert wird. Je nach dem auf diese Weise gemessenen Vorzeichen der Differenz bestimmt der Komparator die Stellung der Sonde in der Weise, daß die Alarmschaltung 7 gegebenenfalls ausgelöst wird.

Eine Ausführungsform einer Vorrichtung, die dem obigen Schema entspricht, ist in Fig. 3 dargestellt. Die Sonde wird mit einem konstanten Strom über einen Verstärker A₂ und einen Transistor T₁ gespeist. Wenn die Vorrichtung unter Spannung gesetzt wird, liefert der Umkehrverstärker A^ eine Spannung von der Form (V - U), wobei V die am Punkt P stabilisierte Spannung ist, welche den Kondensator C. auflädt. Wenn sich der Draht der Sonde 1 erwärmt, nimmt die Spannung U an seinen Anschlüssen zu und die Spannung (V- U), die am Ausgang des Verstärkers A₃ verfügbar ist, wird geringer als die durch den Kondensator C₁ gelieferte Spannung (selbst wenn die Entladung desselben berücksichtigt wird). Die Diode D₁ ist nichtleitend und der Ausgang

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des Verstärkers befindet sich auf dem logischen Niveau 0. Nach Ablauf einer gewissen Zeit (in Abhängigkeit von dem Eintauchgrad der Sonde 1 in die Flüssigkeit) stabilisiert sich die Spannung U an den Anschlüssen derselben und die Spannung an den Anschlüssen des Kondensators C-, der sich weiterhin entlädt, wird niedriger als (V- U). Die Diode D- wird dann wieder leitend und am Ausgang des Verstärkers A₃ läßt sich eine Spannung feststellen, deren Wert dem logischen Niveau 1 entspricht. Nach Ablauf einer Zeit t, die in der vorangehend beschriebenen Weise bestimmt wird, bewirkt die Verzögerungsschaltung über den Verstärker A₁ die Abschaltung der Speisung der Sonde 1 und die Bestimmung des logischen Zustandes des Ausgangs des Verstärkers A₃, der durch die Schaltung R~, C₂ gespeichert worden ist. Wenn dieses Niveau eins ist, was beweist, daß die Sonde in geeigneter Weise eingetaucht ist, tritt keine Spannung an den Anschlüssen der Alarmschaltung 7 auf. Wenn das logische Niveau dagegen 0 ist, wird die Alarmschaltung 7 betätigt: die Information wird mit Hilfe des Verstärkers A₄ und des Transistors T₂ gespeichert, so lange die Vorrichtung unter Spannung ist, um das eigentliche Alarmelement W in Betrieb zu halten, selbst nachdem die Verzögerungsschaltung 2 die Speisung der Meßkreise abgeschaltet hat.

Eine weitere Ausführungsform ermöglicht das Ermitteln mehrerer verschiedener Niveaus, wobei jedem dieser Niveaus ein Anzeigeorgan der ermittelten Information und/oder die Auslösung eines entsprechenden Alarms entspricht. Für diesen Zweck (Fig. 5) verwendet die Vorrichtung eine konstante Stromquelle 3 für die Sonde 1, an deren Anschlüssen die Anfangsspannung U in dem Augenblick entnommen wird, in welchem die Vorrichtung in Betrieb gesetzt wird. Dieser Wert U wird sodann in einem Speicher 8 gespeichert. "Wenn sich

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der Draht der Sonde erwärmt, nimmt die Spannung an den Anschlüssen derselben zu. In jedem Augenblick wird in der Differenzierschaltung 9 die Differenz zwischen der Spannung U., gemessen an den Anschlüssen der Sonde 1, und der gespeichert gehaltenen Spannung U ermittelt. Sodann wird im Komparator 10 diese Differenz (U. - U) mit η bestimmten Spannungen verglichen, welche verschiedenen Eintauchniveaus der Sonde entsprechen. Wenn die Differenz U. - U gleich einer der Spannungen U wird, wird das Anzeigeorgan und/oder das entsprechende Alarmorgan 11 betätigt.

Fig. 6 zeigt die Ausführungsform einer Vorrichtung, welche die Abgabe einer Information ermöglicht, die zwei verschiedene zu überwachende Niveaus der Flüssigkeit entspricht. Die Sonde 1 wird wie bei dem vorangehend beschriebenen Beispiel mit einem konstanten Strom über einen Verstärker A_ und einen Transistor T.. gespeiet. Nachdem die Vorrichtung unter Spannung gesetzt worden ist, wird der Punkt Q auf ein Potential von der Form (V - U) gebracht, wobei V die am Punkt P gemessene stabilisierte Spannung ist. Nach dem Erwärmen des Drahtes der Sonde 1 ist die am Punkt S verfügbare Spannung von der Form (V + U + Λ U), was die Zunahme der Spannung an den Anschlüssen der Sonde darstellt.

Die Widerstände R₅ und R_g bilden eine durch zwei teilende Brücke, da R₅ = Rg# so daß die an die umkehrenden Eingänge der beiden Komparatoren A,- und A₆ gelegte Spannung die Form (V + ^2 ) hat. In jedem Augenblick wird diese Spannung in A₅ und A_g mit zwei Bezugsspannungen verglichen, die den Anschlüssen der Widerstände R^ und R. (entsprechend den beiden Flüssigkeitsniveaus, die überwacht werden sollen) zugeführt und an die nicht umkehrenden Eingänge der Kompa-

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ratoren A_g und A₅ gelegt. Sobald diese Spannung gleich einer dieser Bezugsspannungen wird, verändert der entsprechende Komparator das logische Niveau am Ausgang derart, daß das Anzeigeorgan und/oder die zugeordnete Alarmeinrichtung 11 betätigt wird, welches Anzeigeorgan vorzugsweise ausser dem eigentlichen Anzeigeelement W eine Speicherschaltung umfaßt, die beispielsweise für die Schaltung H₁ durch den Verstärker A^, den Transistor T, und deren Widerstände gebildet wird, und zwar um die Information nach dem Abschalten durch die Verzögerungsschaltung 2 der Meßkreise aufrecht zu erhalten.

Bei einer dritten Ausführungsform (Fig. 7) kommt ein voll numerisches Prinzip zur Anwendung. Die Sonde 1 ist an einen der Eingänge eines Komparators 16 angeschlossen, dessen anderer Eingang mit einem Analog-Digital-Wandler 15 verbunden ist, der seinerseits mit einem Zähler 14 verbunden ist, welcher die von einem Taktgeber 13 abgegebenen Impulse aufnimmt. Ein zweiter Zähler 18 ist zwischen den Eingang des Zählers 14 und der Steuereinrichtung 17 geschaltet, welche die Aufgabe hat, die Zähler 14 und 18 zu steuern und ferner eine Verzögerungssteuerung vom Verzögerungsglied 19 aus aufnimmt. Nach dem Unterspannungsetzen wird der Zähler 18 gesperrt und die Zähler 14 zählt bis die Anfangsspannung V₁₀ (Fig. 8), die am Eingang des Komparators 16 aufgenommen wird, gleich derjenigen V₂₀ wird, die am anderen Eingang des Komparators aufgenommen wird und der Anfangsspannung U der Sonde entspricht. In diesem Augenblick verändert die Spannung am Ausgang des Komparators 16 das logische Niveau und die Steuereinrichtung 17 bringt die Zählung im Zähler 14 zum Stillstand. Die Anfangsspannung U der Sonde wird daher in diesem Zähler gespeichert. Nach Ablauf einer Zeit t hat sich die Spannung der Sonde erhöht und ist sie gleich V₂ ^β U + Δ U geworden,

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vonweichem Augenblick an die Ausgangsspannung des !Comparators 16 von neuem das logische Niveau ändert, und die Steuereinrichtung 17 entsperrt die beiden Zähler 14 und 18, so daß diese die vom Taktgeber abgegebenen Impulse zählen, bis man von neuem V₁ = V₂ am Eingang des !Comparators 16 erhält und damit eine Änderung des logischen Niveaus am Eingang der Einrichtung 17 und eine Sperrung der beiden Zähler 14 und 18. Es ergibt sich, daß im Zähler 18 nun eine Information gespeichert ist, welche der Zunahme Δ U der Spannung der Sonde 1 entspricht. Diese Information ist direkt ausnutzbar, um das Niveau der Flüssigkeit anzuzeigen, in welche die Sonde eingetaucht ist, und zwar durch numerische oder analoge Anzeigemittel.

Diese Ausführungsform hat ausserdem den Vorteil, daß sie für Veränderungen der Speisespannung unempfindlich ist und es sind die Spannung der Sonde V- sowie die Spannung V₁, die vom Digital-Analog-Wandler 15 abgegeben wird, alle beide proportional der erwähnten Speisespannung und ihr Verhältnis __1_ ist von dieser unabhängig.
^V2

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eerseite

Claims

Ansprüche ;

( 1.1 Vorrichtung zur überwachung des Niveaus einer in einem Behälter enthaltenen Flüssigkeit unterAusnutzung der temperaturabhängigen Veränderung des Widerstandswertes eines Widerstandselements von einem hohen Temperaturkoeffizienten, das in die Flüssigkeit eintaucht, deren Niveau überwacht werden soll, wobei eine Einrichtung zum Leiten eines konstanten Stroms durch das Widerstandselement und eine Einrichtung zur Messung der Spannung an den Anschlüssen des letzteren vorgesehen sind, gekennzeichnet durch

eine Einrichtung zum Vergleichen der Spannung (U.), gemessen zum Zeitpunkt (t) an den Anschlüssen des Widerstandselements, mit dem Anfangswert (U ) der erwähnten Spannung, gemessen zu dem Zeitpunkt (t ) der Inbetriebnahme der Vorrichtung.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Vergleichen derart beschaffen ist, daß sie die Anfangsspannung (U ) nach einem bestimmten Gesetz verändern kann, um ihren Wert zu einem gegebenen Zeitpunkt (t) mit demjenigen zu vergleichen, der zum gleichen Zeitpunkt an den Anschlüssen des Widerstandselements gemessen wird.

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3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung, mit der die Anfangsspannung (U_Q) verändert werden kann, ein RC-Glied mit kontinuierlicher Entladung ist, bei welchem die Kapazität anfänglich unter der Spannung (ü_Q) aufgeladen wird.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichseinrichtung einen Analogspeicher aufweist, in welchem die Information gespeichert ist, welche der Anfangsspannung (U ) entspricht, ferner eine Einrichtung zur Ermittlung in jedem Augenblick der Differenz zwischen der Spannung (U.) an den Anschlüssen des Widerstandselements und der erwähnten Anfangsspannung, und einen Komparator zur Gegenüberstellung der erwähnten Spannungsdifferenz mit η bestimmten Spannungen, die η Eintauchniveaus des Widerstandselements entsprechen.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Vergleichen durch einen Analogkomparator gebildet wird, dessen einer Eingang mit dem Widerstandselement verbunden ist, während der andere mit einem Zähler über einen Digital-Analog-Wandler verbunden ist, wobei ein zweiter Zähler zwischen dem Eingang des ersten und einer logischen Steuereinrichtung der Zähler geschaltet ist, deren Eingang mit dem Ausgang des Komparators verbunden ist und dazu dient, deren Abschaltung zu bewirken, wenn der Ausgang des Komparators auf das logische Niveau kommt, das der Gleichheit der beiden an seine Eingänge gelegten Spannungen entspricht .

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6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 3, 4 oder 5, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Anzeige der Messung des Niveaus und/oder zur Alarmabgabe, welche Einrichtung mit einem Speicher versehen ist, der die Information speichern kann, die an ihn nach der Abschaltung unter der Steuerung durch ein Verzögerungsglied der Meßkreise gegeben wird.
7. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Verzögerung eine Betriebszeit (t) hat, die so berechnet ist, daß sie zwischen dem Zeitpunkt (t^) der Überschneidung der Geraden der Entladung des RC-Gliedes mit der Kurveweiche die Spannung des Widerstandselements darstellt, wenn dieses voll in die Flüssigkeit eingetaucht ist, und dem Zeitpunkt (t~) der Überschneidung der gleichen Geraden der Entladung des RT-Gliedes mit der Kurve liegt, welche die Spannung des Widerstandselements darstellt, wenn sich dieses voll in der Luft befindet.

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