DE2756859C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Ölwächter.

Die Aufgabe der Erfindung ist, einen Ölwächter zu schaffen, der einfach sowie dauerhaft ist und mit niedrigen Kosten hergestellt werden kann; dabei sollen die verschiedenen Faktoren, die den Wärmeübergang in ein Medium beeinflussen, voneinander unterschieden werden können, um Störeinflüsse auszuschalten, wie Temperaturänderungen, so daß eine außergewöhnlich hohe Empfindlichkeit erreicht wird.

Die erfindungsgemäße Lösung erfolgt durch einen Ölwächter gemäß Anspruch 1.

Bei der speziellen bevorzugten Ausführungsform ist ein Schenkel einer Widerstandsvergleichsbrücke ein elektrisches Netzwerk von Thermistoren der Fühleranordnung. Immer wenn der Widerstand des Netzwerkes sich von einem Referenzwiderstand in einem anderen Schenkel der Brücke unterscheidet, ändert die Wiederherstellungs- oder Kompensationsschaltung den Fluß von Leistung durch das Netzwerk, so daß die Brücke wieder abgeglichen wird.

Das elektrische Netzwerk kann seinerseits vorzugsweise selbst eine Hilfsbrücke mit zwei Thermistoren und zwei Widerständen gleicher Werte, die einen Spannungsteiler umfassen, enthalten, so daß die Widerstände der beiden Transistoren verglichen werden können. Jeder Unterschied der Widerstände der Thermistoren erzeugt eine Spannung an der Hilfsbrücke, die als Ausgangssignal dient und den interessierenden Zustand oder die interessierende Bedingung anzeigt. Die beiden Thermistoren können zu diesem Zwecke der Hilfsbrücke in Reihe oder parallel geschaltet sein.

Bei einer anderen bevorzugten Asuführungsform ist die Fühleranordnung oder das elektrische Netzwerk aus den mehreren Thermistoren in Reihe mit einem im wesentlichen temperaturunabhängigen Referenzwiderstand in einer elektronischen Erregungs- oder Versorgungsschaltung geschaltet. Infolge der Reihenschaltung fließt durch den Referenzwiderstand und das Netzwerk der gleiche Strom. Dem Referenzwiderstand und dem Netzwerk sind die Eingänge getrennter Operationsverstärkeranordnungen parallelgeschaltet, deren Ausgangssignale ein Maß für die Spannungen am Referenzwiderstand bzw. dem Netzwerk und außerdem ein Maß für die jeweiligen Widerstandswerte sind. Die Schaltungsanordnung enthält ferner eine weitere Operationsverstärkeranordnung, deren Eingang die Differenz zwischen den Ausgangssignalen der mit ihren Eingängen an das Netzwerk bzw. den Referenzwiderstand angeschlossenen Operationsverstärkeranordnungen ist. Das Ausgangssignal dieser weiteren Operationsverstärkeranordnung ist proportional der Differenz der Widerstände des Reihennetzwerkes und des Referenzwiderstandes und wird dazu verwendet, den Leistungsfluß durch das Netzwerk so zu regeln, daß der Widerstand des Netzwerkes möglichst gleich dem Widerstandswert des Referenzwiderstandes gehalten wird.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält das elektrische Netzwerk, dessen Widerstand in einem bestimmten Verhältnis bezüglich eines bestimmten Wertes gehalten wird, zwei Thermistoren, von denen der eine einen Fühler und der andere ein Referenzelement bildet und die in eine Sonde eingebaut sind, die so angeordnet werden kann, daß sich der Fühlerthermistor auf einem Niveau befindet, in dem er sich in Wärmekontakt mit dem Öl befindet, falls dieses vorhanden ist, während sich der Referenzthermistor auf einem solchen Niveau befindet, daß er nur mit Wasser in Wärmekontakt steht. Wenn die Wasseroberfläche durch Öl verunreinigt wird, dessen Viskosität geringer ist als die des Wassers, wie höhere Erdölfraktionen, so ist die Heizwirkung des Fühlerthermistors auf das Öl kleiner als bei alleiniger Anwesenheit von Wasser, wodurch ein geringerer Wärmeverlust durch Konvektion möglich ist und die Genauigkeit der Wahrnehmung oder Feststellung des Öls erhöht wird.

Bei einer anderen Ausführungsform dient ein erster Thermistor in einer Fühleranordnung als Fühler für einen festzustellenden Zustand, und ein zweiter Thermistor in der Fühleranordnung bildet ein Temperaturkompensationselement, das der gleichen Temperatur wie der erste Thermistor, jedoch nicht dem festzustellenden Zustand ausgesetzt ist. Auch hier wird wiederum der Widerstand des ganzen Netzwerks verglichen und in einer vorgegebenen Beziehung zu einem vorgegebenen Wert gehalten. In einer Ausführungsform, die als Eintauch- oder Niveaufühler dient, ist der Referenzthermistor dauernd Wasser ausgesetzt, während der Fühlerthermistor beim Eintauchen, also bei Erreichen eines bestimmten Niveaus, mit Öl in Berührung kommt.

Bei einer Ausführungsform enthält die Stromregel-Schaltung vorzugsweise einen Referenzwiderstand und eine Transistoranordnung, die so verbunden sind, daß ein Signal auf einer Ausgangsleitung der Transistoranordnung die Widerstandsdifferenz darstellt. Der Leistungsregler enthält vorzugweise eine Transistoranordnung, die als Serienregler arbeitet und zwischen eine Energie liefernde einzige Gleichstromquelle und die Fühleranordnung geschaltet ist. Die Ausgangsleitung der Stromregel-Schaltung ist mit der als Basis wirkenden Klemme der Leistungsregeltransistor-Anordnung gekoppelt und steuert dadurch den Stromfluß bzw. die Leistungszufuhr zur Fühleranordnung.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Schaltbild einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, welche eine Reihenschaltung zweier Thermistoren enthält;

Fig. 2 ein Schaltbild einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, die ähnlich wie die gemäß Fig. 2 aufgebaut ist, jedoch eine Parallelschaltung zweier Thermistoren enthält;

Fig. 3 ein Schaltbild einer Ausführungsform der Erfindung, das Operationsverstärker enthält;

Fig. 3a ein Schaltbild einer Ausführungsform der Erfindung, das einen Operationsverstärker enthält;

Fig. 4 ein Schaltbild einer Öldetektor- oder Anzeigeeinrichtung mit zwei Transistoren und einer Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 oder 2; und

Fig. 5 ein Schaltbild einer Ausführungsform der Erfindung, bei der zwei Thermistorschaltungen der in Fig. 1 dargestellten Art in einer Summieranordnung geschaltet sind und in den Meßschenkeln jeweils nur einzelne Transistoren verwendet werden.

Die Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 enthält einen 5-Watt- Siliziumtransistor Q₁ mit einem β über 100, der als üblicher Serien- oder Reihenregler geschaltet ist. Der Basisstrom des Transistors Q₁ wird durch einen üblichen Unterhaltungselektronik- NPN-Transistor Q₂ mit einem β über 100 in Abhängigkeit vom Stromfluß zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors Q₂ gesteuert, der seinerseits wiederum von einer Widerstandsunsymmetrie in einer in Fig. 1 dargestellten Widerstandsvergleichs- Brückenschaltung abhängt. Zwei Arme der Brückenschaltung bestehen aus Widerständen R₁ und R₂ von je 1000 Ohm; die anderen Arme werden durch einen Referenzwiderstand R₃ von 190 Ohm bzw. eine Hilfsbrücke gebildet, welche eine Reihenschaltung aus zwei Thermistoren T₁ und T₂ enthält, denen zwei in Reihe geschaltete Widerstände R₄ und R₅ parallelgeschaltet sind. Die Thermistoren T₁, T₂ (z. B. Typ Fenwal GD31SM2) haben negative Temperaturkoeffizienten. Die Widerstände R₄ und R₅ haben jeweils einen Wert von 1000 Ohm. Die Basis und der Emitter des Transistors Q₂ sind mit den Mitten der Widerstandsvergleichsbrückenschaltung verbunden, also in eine Diagonale dieser Schaltung. Dem Widerstand R₂ ist eine Diode D in Reihe geschaltet, die ein übliches Bauelement mit einer Verlustleistung von einigen Milliwatt sein kann und zur Kompensation der Flußspannung zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors Q₂ dient. Bei 25°C Umgebungstemperatur haben die Thermistoren T₁ und T₂ jeweils einen Widerstandswert von 1000 Ohm.

Im Betrieb tritt immer dann, wenn die Brückenschaltung nicht im Gleichgewicht ist, eine Potentialdifferenz zwischen den Punkten A und B auf. Wenn der Widerstand der Hilfsbrücke höher ist der des Referenzwiderstandes, wird der Transistor Q₂ gesperrt und läßt den Transistor Q₁ voll leiten. Dadurch fließt dann Leistung bzw. Strom durch die Hilfsbrücke nach Masse, der die Thermistoren erwärmt und ihren Widerstandswert dadurch herabsetzt. Der Strom fließt so lange, bis sich die Widerstände der Thermistoren T₁ und T₂ so weit geändert haben, daß die Potentialdifferenz zwischen A und B immer mehr verringert wird und die Brücke schließlich dadurch abgeglichen wird. Der Transistor Q₂ beginnt dann zu leiten und zieht dadurch einen Teil des Basisstromes des Transistors Q₁ ab, wodurch dieser teilweise gesperrt wird. Mit zunehmender Sperrung des Transistors Q₁ nimmt auch der Stromfluß durch die Hilfsbrücke ab. Die beschriebene elektronische Wiederherstellungs-, Kompensations- oder Regelschaltung strebt also, den Widerstand der Hilfsbrücke, die aus den in Reihe geschalteten Thermistoren bzw. Widerständen R₄ und R₅ besteht, gleich dem Widerstandswert des Referenzwiderstandes R₃ zu erhalten, auch wenn sich die Verhältnisse im umgebenden Medium ändern.

Immer wenn die Thermistoren T₁ und T₂ einem umgebenden Medium derart ausgesetzt werden, daß bei beiden Thermistoren die Geschwindigkeit des Abfließens von Wärme, also der Wärmestrom gleich ist, wird auch die Hilfsbrücke R₄ und R₅ im Gleichgewicht sein und die durch ein Voltmeter V gemessene Spannung ist dann Null. Wenn sich beispielsweise nun die Temperatur des umgebenden Mediums ändert, ändern sich auch die Widerstandswerte der Thermistoren T₁ und T₂. Die Widerstands-Vergleichsbrücke wird dann unabgeglichen und die elektronische Regelschaltung wird Leistungszufuhr zur Hilfsbrücke im Sinne einer Wiederherstellung des abgeglichenen Zustandes ändern. Das Voltmeter V wird dabei jedoch weiterhin Null anzeigen, da die Temperatur des Thermistors T₁ gleich der Temperatur des Thermistors T₂ bleibt auch wenn sich der Stromfluß durch die Thermistoren geändert hat. Man erhält also dadurch auf sehr einfache Weise eine Temperaturkompensation, daß man die beiden Thermistoren in den gleichen Arm der Hauptbrückenschaltung legt. Wenn sich jedoch die Temperaturen der Thermistoren T₁ und T₂ unterscheiden, z. B. wenn die Thermistoren unterschiedlichen Medien, z. B. unterschiedlichen Flüssigkeiten, ausgesetzt werden, wird die Hilfsbrücke unsymmetrisch und das Voltmeter V wird eine Spannung anzeigen, die eine Anzeige der unterschiedlichen Medien darstellt.

Die in Fig. 2 dargestellte Ausführungsform ist ähnlich aufgebaut, wie die eben beschriebene Ausführungsform, die Thermistoren T₁ und T₂ sind in der Hilfsbrücke parallelgeschaltet, deren Arme aus T₁, T₂, R₄ bzw. R₅ bestehen. Die Arbeitsweise entspricht der der Ausführungsform gemäß Fig. 1. Nur wenn sich die Temperaturen der Thermistoren T₁ und T₂ unterscheiden, zeigt das Voltmeter V an.

Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, die mit Operationsverstärkern aufgebaut ist. Ein erster Operationsverstärker 10 ist mit seinen Eingängen einem Referenzwiderstand R₁ parallelgeschaltet und arbeitet als Inverter oder Umkehrverstärker mit dem Verstärkungsgrad 1, so daß seine Ausgangsspannung proportional der Spannung am Widerstand R₁ ist. Eine Hilfsbrücke, deren Arme aus Thermistoren T₁, T₂ und Widerständen R₉ bzw. R₁₀ bestehen, ist in entsprechender Weise an die Eingänge eines Operationsverstärkers 11 angeschlossen, der als Verstärker mit dem Verstärkungsgrad 1 arbeitet, so daß sein Ausgangssignal proportional zur Spannung an der Hilfsbrücke ist. Die beiden Ausgangssignale werden elektrisch subtrahiert und die Differenz bildet das Eingangssignal für einen Operationsverstärker 12, der als Summierverstärker mit einem Verstärkungsfaktor 10 arbeitet, so daß sein Ausgangssignal proportional der Differenz der Spannungen an der Hilfsbrücke und dem Referenzwiderstand R₁ ist. Da der die Hilfsbrücke durchfließende Strom wegen der dargestellten Reihenschaltung gleich dem den Referenzwiderstand R₁ durchfließenden Strom ist, ist das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 12 proportional der Differenz der Widerstände der Hilfsbrücke und des Referenzwiderstandes R₁. Das Ausgangssignal vom Operationsverstärker 12 wird der Basis eines Transistors Q zugeführt, der den Stromfluß durch die Hilfsbrücke und damit deren Widerstand steuert. In die Meßdiagonale der Hilfsbrücke ist ein Spannungsmesser 16 geschaltet, der den Unterschied der Thermistoren T₁ und T₂ anzeigt.

In Fig. 3 sind die Frequenzkompensation und Stromversorgungsanschlüsse der Operationsverstärker der Einfachheit halber nicht dargestellt. Bei einer praktischen Ausführungsform wurden beispielsweise die folgenden Schaltungsparameter verwendet:

Thermistoren T₁ und T₂
Fenwal GD25SM2
Reihenregeltransistor Q
2Nl038
Operationsverstärker 10, 11, 12	709 @	Widerstände	R₁	33 Ohm
R₂	2,7 kOhm
R₃	2,7 kOhm
R₄	2,7 kOhm
R₅	2,7 kOhm
R₆	10 kOhm
R₇	10 kOhm
R₈	330 Ohm
R₉	1000 Ohm
R₁₀	1000 Ohm

Fig. 3a zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, die der gemäß Fig. 1 entspricht, mit der Ausnahme, daß der bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 verwendete Transistor Q₂ in der Ausführungsform gemäß Fig. 3a durch einen Operationsverstärker 12 ersetzt ist, dessen Ausgangssignal ein Maß für die Unsymmetrie der Hauptbrücke ist. Dieses Ausgangssignal steuert den Stromfluß durch die Fühleranordnung bzw. den Fühlerschenkel der Hauptbrücke über den Reihenregeltransistor Q₁.

Fig. 4 zeigt als Anwendungsbeispiel der Erfindung einen Ölwächter, der eine Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 und 2 enthalten kann. Die Einrichtung enthält ein schwimmfähiges rohrförmiges Gehäuse 50, das in einem zu überwachenden Gewässer 52 schwimmt. Das Gehäuse hat eine obere und eine untere Durchbrechung 54 bzw. 56. Der Auftrieb des Gehäuses 50 ist so bemessen, daß sich die Durchbrechung 54 an der Oberfläche des Wassers befindet, während die Durchbrechung 56 unter der Wasseroberfläche liegt. In der Durchbrechung, die im Wasser bleibt, ist ein Referenzthermistor 20 angeordnet. In der Durchbrechung 54 ist bei der Flüssigkeit- Luft-Grenzfläche ein Meß- oder Fühlerthermistor 22 so angeordnet, daß er Öl ausgesetzt wird, falls auf der überwachten Oberfläche eine Ölschicht 24 auftritt. Die Öldetektor-Einrichtung kann von einer äußeren Leistungsversorgung unabhängig sein und Batterien 30 (die als Ballast dienen), eine elektronische Schaltung 32, die der gemäß Fig. 1 oder 2 entsprechen kann, und eine auf ihrer Oberseite angeordnete Alarm- oder Anzeigevorrichtung 34 halten. Andererseits kann die Einrichtung durch ein nicht dargestelltes flexibles Kabel mit einer Leistungsquelle und Anzeige- oder Alarmvorrichtung verbunden sein, die an einer geeigneten Stelle entfernt von der Detektoreinrichtung angeordnet sind.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 5 sind zwei Schaltungsanordnungen gemäß Fig. 1 in einer Summierschaltung vereinigt, wobei in den Fühler- oder Meßschenkeln jeweils nur ein einziger Thermistor enthalten ist. Die eine der Thermistorschaltungen arbeitet als Referenzschaltung. Immer wenn sich der Stromfluß durch den Thermistor T₁ vom Stromfluß durch den Thermistor T₂ unterscheidet, tritt an Leitungen l₁ und l₂ ein Ausgangssignal auf. Wenn beispielsweise der Thermistor T₂, der als Referenztransistor arbeiten soll, in Wasser eintaucht, und der Thermistor T₁ Öl ausgesetzt wird, so unterscheiden sich die Leistungen, die erforderlich sind, um die beiden Thermistoren nach einer konstanten, vorgewählten Temperatur zu halten, da sich die Wärmeübertragungseigenschaften der Wärmeleitfähigkeit der beiden Fluida unterscheiden. Auf den Leitungen l₁ und l₂ wird daher ein Ausgangssignal auftreten, aufgrunddessen z. B. auf eine Verfälschung geschlossen werden kann.

Bei den vorliegenden Einrichtungen werden für die Realisierung der Thermistorfunktionen zwar die als "Thermistoren" im Handel erhältlichen Halbleiterbauelemente verwendet, man kann jedoch unter Umständen diese Merkmale in der Erfindung durch Verwendung anderer Vorrichtungen oder Kombinationen erreichen, deren Effekte auf die Schaltungsanordnung in Abhängigkeit von der Temperatur eine eindeutige Funktion ist. Beispielsweise kann man für manche Anwendungen temperaturempfindliche Dioden oder Transistoren verwenden, vorausgesetzt, daß die Temperatureigenschaften dieser Bauelemente sich für die betreffenden Anwendungen eignen. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, einen Metallfaden, wie einen Wolframfaden zu verwenden, dessen Widerstand temperaturabhängig ist.

Claims (7)

1. Ölwächter zum Erfassen von Öl-Verunreinigungen auf Wasser, mit

• - einer Fühler-Anordnung, enthaltend
  • - ein eine Berührung mit dem Öl ermöglichendes Fühler-Element und
  • - ein eine Berührung mit dem Wasser ermöglichendes Referenz-Element,
  • - die in Brückenschaltung liegen und
  • - deren elektrischer Widerstandswert sich mit der Temperatur ändert,
• - einer elektrischen Stromzuführung,
  • - die die Fühleranordnung mit elektrischem Strom speist,
• - einer Kompensations-Schaltung, enthaltend
  • - die Fühler-Anordnung und
  • - einen als Sollwert-Geber dienenden Referenzwiderstand,
• - einer Stromregel-Schaltung,
  • - die die Stromzufuhr zur Kompensations-Schaltung und zur Fühler-Anordnung derart regelt,
  • - daß bei Abweichung des elektrischen Widerstandswerts der Fühler-Anordnung vom Soll-Wert deren Widerstandswert durch Stromeinspeisung so geändert wird, daß er auf den Sollwert zurückgeführt wird, und
• - einer Anzeige-Einrichtung,
  • - die ein Signal bildet,
  • - wenn sich die Widerstandswerte des Fühler- und des Referenz-Elements infolge unterschiedlicher Wärmeverluste unterscheiden.

2. Ölwächter nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch mindestens ein Thermistor-Element.

3. Ölwächter nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch mindestens ein Element aus einem Metall, wie Wolfram, mit temperaturabhängigem Widerstand.

4. Ölwächter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, daß die Stromregel-Schaltung eine Transistoranordnung (Q₁; Q) enthält, die in Reihe zwischen eine Stromquelle und die Fühler-Anordnung geschaltet ist.

5. Ölwächter nach Anspruch 4, gekennzeichnet dadurch, daß die Stromregel-Schaltung drei Operationsverstärker-Anordnungen (10, 11, 12) enthält, von denen

• - die erste so geschaltet ist, daß ihr Ausgangssignal den Widerstandswert der Referenzeinrichtung (R₁) darstellt,
• - die zweite (11) so geschaltet ist, daß ihr Ausgangssignal den Widerstandswert der Fühler-Anordnung (T₁, T₂, R₉, R₁₀) darstellt;
• - der dritten (12) die Ausgangssignale der ersten und der zweiten Operationsverstärker-Anordnung (10, 11) als Eingangssignale derart zugeführt sind,
• - daß das Ausgangssignal der dritten (12) die Differenz zwischen dem Ist-Widerstandswert der Fühler-Anordnung und dem Widerstandswert des Referenzwiderstands darstellt.

6. Ölwächter nach Anspruch 4, gekennzeichnet dadurch, daß die Kompensations-Schaltung eine Brückenschaltung ist, die besitzt:

• - einen ersten Widerstand mit einem Widerstandswert gleich dem Sollwert und
• - zwei in Reihe geschaltete Widerstände gleichen Widerstandswerts, die einen Spannungsteiler bilden, der einen Strompfad von der Stromregel-Schaltung nach Masse bildet;
• - wobei der erste Widerstand und die mit ihm in Reihe geschaltete Fühler-Anordnung einen zweiten Stromweg vom Regler nach Masse bilden;
• - die Basis einer Transistoranordnung (Q₂) effektiv mit dem Mittelpunkt des Spannungsteilers verbunden ist,
• - der effektive Emitter der Transistoranordnung (Q₂) zwischen den ersten Widerstand und der Fühler-Anordnung geschaltet ist, und
• - der effektive Kollektor der Transistoranordnung (Q₂) die Stromregel-Schaltung steuert.

7. Ölwächter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, daß die Fühler-Anordnung in einer Sonde so angeordnet ist, daß das Fühler-Element (22) der Grenzfläche des Wassers ausgesetzt ist.