DE2756872A1

DE2756872A1 - Einrichtung zum feststellen des vorhandenseins eines fluids, wie oel auf wasser

Info

Publication number: DE2756872A1
Application number: DE19772756872
Authority: DE
Inventors: Bronson M Potter
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1976-12-20
Filing date: 1977-12-20
Publication date: 1978-06-22
Also published as: JPS5920098B2; NO147929C; US4116045A; CA1087271A; AU3152177A; SE7714460L; FR2374638A1; DK566577A; DE2756872C2; JPS5392197A; GB1596540A; AU517745B2; SE432834B; IT1091380B; NO774268L; US4159638A; FR2374638B1; NO147929B

Description

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I)It. IHKTKIt V. HKZOI.I) I)ITL. IN(J. I'KTKH SCIlfT/, IHl'L. IiXCJ. UOLFO IN(J IHH SI.Kit

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Potter F-I

US-Ser.No. 752,199 16.Dezember 1977

Filed: December 20,1976 10247 Dr.ν.Β/Ε

BRONSON M. POTTER
Hurricane Hill Road, GREENVILLE, N.H. ( V.St.A.)

Einrichtung zum Feststellen des Vorhandenseins eines Fluids, wie Dl auf Wasser

Die vorliegende Erfindung betrifft ei^e Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Einrichtung zum Unterscheiden von Fluiden, insbesondere Flüssigkeiten, so daß sie zur Feststellung und Anzeige von Ol auf einer Wasseroberfläche oder dgl. verwendet werden kann.

Für die Kontrolle der Verschmutzung von Wasser durch öl oder von Öllecks wird eine zweckmäßige, billige Einrichtung benötigt, die das Vorhandensein auch kleiner ölmengen festzustellen und anzuzeigen gestattet. Für diesen Zweck hat man sich bisher teurer und komplizierter so wie oft auch unzuverlässiger Einrichtungen und Verfahren bedient, z.B. einer Messung des Reflexionsvermögens einer Fluid- oder Flüssigkeitsoberfläche, einer Messung der Ansprache des Fluids auf hochfrequente elektrische Schwingungen, oder einer selektiven Sammlung des Öls und seiner Identifizierung auf der Basis des spezifischen Gewichts, oder einer Bestimmung der Wärmeleitfahigkeit mit einer erwärmten Sonde.

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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Feststellung des Vorhandenseins unterschiedlicher Fluide, insbesondere Flüssigkeiten anzugeben, insbesondere eine Einrichtung zur Feststellung von öl, die wenig kostet, zuverlässig und anpassungsfähig ist, dünne Ölfilme wahrzunehmen vermag, wenig Leistung benötigt und so billig ist, daß sie z.B. in Sümpfen oder Flüssigkeitsreservoiren in der Nähe von Öltanks kleinen Volumens verwendet werden kann und die weiterverwendet kann, auch wenn sie einmal auf das Vorhandensein von öl angesprochen hat.

Der Begriff "öl" soll hier alle Fluide, Flüssigkeiten und dgl. umfassen, die nicht mischbar mit der zu überwachenden Flüssigkeiten, insbesondere Wasser, und leichter als diese sind oder zumindest eine merklich andere Wärmeleitfähigkeit bzw. Wärmeübertragungsvermögen haben als die zu überwachende Flüssigkeit. Beispiele solcher hier als "öl" bezeichneten Flüssigkeiten sind Kohlenwasserstoffe, wie Erd- oder Rohöl, F.rdölfraktionen, tierische und pflanzliche öle und andere Flüssigkeiten.

Bei der vorliegenden Erfindung wird die Wärmeleitfähigkeit ausgenutzt, indem ein Fühlerelement verwendet wird, das eine Oberfläche hat, die einem Kontakt mit dem festzustellenden, anzuzeigenden oder überwachenden Fluid ausgesetzt ist, also z.B. mit öl in Berührung kommt, tails solches vorhanden ist, sonst mit Hasser. Das Fühlerelement hat eine Stromflußcharakteristik oder -eigenschaft, z.B. einen Widerstand, der sich als Funktion der Temperatur ändert und, wenn es erwärmt oder erhitzt wird, ändert es seine Temperatur auf Grund der Unterschiede der spezifischen Wärmen und der Wärmeleitfähigkeiten von öl und !Wasser je nachdem of öl oder Wasser vorhanden sind.

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung werden durch Anlegen eines kurzen elektrischen Heizstromimpulses an das Fühlerelement, z.B. durch Zünden eines gesteuerten Siliciumgieichrichters oder Thyristors zum Entladen eines Kondensators, unterschiedliche Abfallraten der die Abhängigkeit des elektrischen Widerstandes von der Zeit darstellenden Kurve erzeugt, je nachdem ob sich Gel oder Wasser beim Fühlerelement befinden. Durch

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Ermittlung oder Messung des Widerstandes, beisDielsweise mittels eines Brückenkreises unter Verwendung eines Referenzelementes, das mit Sicherheit in Berührung mit Wasser steht und durch einen kurzen Heizstromimpuls in entsprechender Weise synchron erhitzt wird, erhält man ein Ausgangssignal oder eine Anzeige für das Vorhandensein von Π1. Dieses Ausgangssignal kann zur Speisung eines Lautsprechers oder einer Alarmvorrichtung verwendet werden oder, beispielsweise in digitaler Form, einer Warm- oder Steuerlogikeinrichtung zugeführt wirden, die durch mehrere solcher Einnannssignale gesteuert wird. Der niedrige Leistungsbedarf der vorliegenden Einrichtung ermöglicht einen kontinuierlichen Betrieb und macht batteriegespeiste Geräte realisierbar.

Ein anderer Aspekt der Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß ein sich durch praktisch vernachlässigbare Kosten auszeichnendes Produkt einer seit langem existierenden Technologie, nämlich die gewöhnliche Glühlampe, für einen ausgezeichneten Ol/Wasser-Monitor oder -überwachungsgerät verwendet werden kann. Als Fühlerelement zeichnet sich der Metallfaden durch eine geringe Masse und eine große Oberfläche aus, so daß sich mit einem kurzdauernden Heizimpuls wegen der steil abfallenden Widerstands/Temoeratur-Kennlinie mit äußerst geringem Verbrauch an elektrischer Leistung eine genaue Anzeige erreichen läßt. Der Glaskolben einer Glühlampe kann bei dem Referenzelement als stabiler Behälter für die zu überwachende Flüssigkeit, also insbesondere Wasser, verwendet werden, und gewährleistet mit Sicherheit den gewünschten Kontakt des Metalldrahtes oder Glühfadens mit dem Wasser im Referenzelement. VUr den Metallfaden können verschiedene Metalle Verwendung finden, vorzugsweise verwendet man jedoch Wolframdrähte in Form eines einfachen Glühfadens einer elektrischen Lamoe. Die Größe und Konfiguration des Metalldrahtes oder Fadens hängt von verschiedenen Faktoren ab, wie mechanische Stabilität, elektrischer Wirkungsgrad, leichte Reinigunqsmöglichkeit, Kosten usw. und werden in Abhängigkeit von der jeweiligen Anwendung geeignet bemessen. Im allgemeinen wird man Drahtdicken im Bereich von etwa 25 μπι bis etwa 1,3 mm (etwa 0,001 bis 0,05ZoIl) verwenden, wobei die untere Grenze durch die mechanische Festikeit (Brüchigkeit) dps Fadens und die obere Grenze von der Größe der Einheit, der Empfindlichkeit und dem Leistunqsverbrauch bestimmt werden.

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In manchen Fällen läßt sich ein großer gerader Faden nach Verunreinigung durch öl einfacher wieder regenerieren als ein kleiner Faden (da es schwieriger ist, öl zu entfernen, das den Faden oder Draht völlig umgibt als einzelne öl flecken auf dem Draht), der große Faden oder Draht ist jedoch weniger empfindlich und hat einen kleineren elektrischen Wirkunasgrad als der kleine Faden oder Draht. Drähte kleinen Durchmessers lassen sich leicht zu Wendeln wickeln (deren Durchmesser etwa das Zehnfache des Drahtdurchmessers betragen kann) und ergeben in einem kleinen Volumen eine große Grenzfläche zur übertragung von Wärme zwischen dem Metall und dem umgebenen Fluid. Einrichtungen, die mit Drähten kleinen Durchmessers arbeiten, liefern im allgemeinen auch eindeutigere Anzeigen, insbesondere bei der überwachung von leichteren Kohlenwasserstoffen, wie Benzin.

Ein weiteres wichtiges Merkmal der Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß ein einfacher Metallfaden oder -draht, nachdem er einmal mit öl in Berührung gekommen und von diesem bedeckt ist, durch einen kontrollierten Heizstrom relativ langer Dauer zuverlässig gereinigt werden kann, ohne daß die Gefahr von Feuer oder Explosion besteht. Die Wärme verringert die Viskosität des Öls sowie seine Oberflächenspannung und erzeugt an der Grenzfläche mit dem umgebenden Fluid eine thermische Agitation mit Verdampfunq, Kavitation und Schallwellenreinigungseffekten, der Faden oder Draht brummt sogar; alles dies trägt dazu bei, die Oberfläche des Fadens von dem verunreinigenden öl zu befreien. Das Ausmaß des Heizeffektes wird durch Strom- und Widerstandsbegrenzer beeinflußt, die den Faden Schützen und ihn daran hindern, das öl zu entzünden. Man kann also eine effektive Reinigung durch anlegen eines Heizstromes bewirken, während die Einrichtung instlaliert ist und sie auf diese Weise für eine erneute Ansorache bereit machen.

Bei wichtigen Ausführunqsformen ist das Fühlerelement so angeordnet, daß es durch die Ober- oder Grenzfläche wandert, so daß sich der Faden mit öl bedecken kann und eine Anzeige erfolgt, wenn öl vorhanden ist, während das öl auf dem Detektor durch Abwaschen entfernt wird, wenn der öl schlick oder dgl. wieder verschwunden ist. Zu bevorzugten Ausf'ihrungsformen der Erfindung gehören bojenartige Geräte, die eine hüpfende oder tanzende Bewegung ausführen und eine zwangsläufig angetriebene Vorrichtung.

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Bei einer ^überwachungseinrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, mit der selbst sehr dünne Ölfilme festgestellt werden können, ist der Fühlerfaden auf einem Schwimmer oder einer Boje angeordnet und liegt in einer Schaltungsanordnung mit einem Referenzfaden; beide Fäden werden gleichzeitig und schnelldurch kurze Impulse elektrischen Stromes von einer gemeinsamen, einzigen Quelle periodisch erhitzt. Die durch die elektrischen Heizimpulse verursachten Änderungen der Widerstände des Fühlerfadens und des Referenzfadens werden verglichen und das Vorhandensein von Ml wird durch eine unterschiedliche oder differentielIe Änderung des Widerstandes der beiden Fäden angezeigt, die im Falle des Vorhandenseins von öl in einem gepulsten oder digitalen Ausgangssignal einer Frequenz entsprechend der Frequenz der Heizstrominipulse resultiert. Die Vergleichsschaltung kann in der verschiedensten Form realisiert werden, einschließlich z.B. einer Differenzverstärkerschaltung. Eine einfache und zuverlässige Vergleichsschaltung ist ferner die Wheat stone se he Briickenschaltung. Überwachungs- und Anzeigeeinrichtungen gemäß der Erfindung können mit Fühler-, Referenz-, Heiz- und Vergleichskomponenten aufgebaut werden, die billig, einfach und robust sind. Es können mehrere Detektoreinheiten vorgesehen sein, um einen speziellen Bereich mehrfach zu überwachen und die Wahrnehmung oder Anzeige kann auf einer statistischen Analyse der Ausqangssignale der Einheiten beruhen oder die Überwachungsanlage kann mit einem Wehr oder einem ölsaminelsystem verwendet werden, um die Systemempfindlichkeit zu erhöhen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Einrichtung sind eine Fühlerzelle und eine Referenzzelle auf einem drehbaren Träger angeordnet; die Referenzzelle ist in eine Ampulle oder einem Gehäuse (z.B. einem Lampenkolben) untergebracht, die teilweise mit einem Referenzfluid, insbesondere einer Referenzflüssigkeit gefüllt ist. Zwei Stellungen im Verlaufe der Drehung ergeben eine erhöhte Empfindlichkeit hinsichtlich der Feststellung des Vorhandenseins von öl. In der einen Stellung sind beide Elemente vollständig eingetaucht, nämlich das Fühlerelement in der zu überwachenden Flüssigkeit und das Referenzelement in der Flüssigkeit, die sich in der Ampulle befindet; in der anderen Stellung sind beide

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Element Luft ausgesetzt, wobei das Referenzelement mit einer Wasserschicht bedeckt ist und das Fühlerelement mit einer Olschicht, wenn sich auf der zu überwachenden Oberfläche Π1 befindet.

Bei Ausführungsformen, in denen die empfindlichkeit der Wahrnehmung durch die Verwendung solcher dualer Betriebsarten erhöht wird, nämlich eingetaucht und in Luft, kann eine einfache Einrichtung zum Anzeigen von VJasser vorgesehen sein, z.B. ein piezoelektrisches, schwingendes Element oder ine geheizte Sonde, die jeweils Luft oder Wasser ausgesetzt ist und eine Anzeige liefert, welchem Medium das Fühlerelement jweils ausgesetzt ist. Diese Anzeige ermöglicht dann eine einwandfreie Zuordnung des vom Fühlerelement erzeugten Signals.

In Anordnungen, bei denen das Fühlerelement durch eine

Luft-Flüssigkeit-Grenzfläche wandert und dabei gegebenenfalls eine Wschicht aufnimmt, während das Referenzelement vollständig eingetaucht ist, sind Vorkehrungen getroffen, daß der Vergleich zwischen dem Referenzelement und dem Fühlerelement unter äquivalenten Bedingungen erfolgt. Bevorzugte Maßnahmen hierfür sind eine bestimmte Wahl der Wasserlinie, Wahrnehmung oder zwangsläufige Steuerung des vollständig eingetauchten Zustandes des Fühlerelements und statistische Analyse des Ausgangsimpulszuges.

Gemäß wieder einem anderen Aspekt der Erfindung enthält

eine Einrichtung zum Wahrnehmen unterschiedlicher Fluide oder Flüssigkeiten, wie Ul an der Oberfläche von Wasser, ein Fühlerelement der oben erwähnten Art, eine Schaltungsanordnung, die dem Fühlerelement elektrischen Heizstrom zuführt, um es zu erwärmen und eine Änderung des elektrischen Widerstandes des Fühlerelementes zu erzeugen, eine Anordnung zur Begrenzung der sich ergebenden Widerstandsänderung und eine Ausgangsschaltung, die auf den das Element durchfließenden Strom anspricht und die Art der Flüssigkeit oder des Fluids anzeigt, das sich in Berührung mit dem diesem Medium ausgesetzten Element befindet.

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Durch Einrichtungen gemäß Ausfiihrunqsformen der Erfindung lassen sich also unterschiedliche Fluide und Flüssigkeiten, wie öl an der Oberfläche von Wasser, durch ein geheiztes Fühlerelement feststellen, das so angeordnet ist, daß es mit dem Fluid oder der Flüssigkeit in Berührung kommen kann. Das Element hat eine Stromflußcharakteristik, die sich als Funktion der Temperatur ändert, es besteht bei bevorzugten Ausfiihrunqsformen einfach aus dem Glühfaden einer Glühlampe. Bei einem Typ der vorliegenden Einrichtungen findet eine Schaltungsanordnung Verwendung, durch die dem Fühlerelement periodisch ein Impuls elektrischen Heizstromes zugeführt wird, um dieses Element zu erhitzen und eine Änderung seines elektrischen Widerstandes zu erzeugen, durch die dann eine Ausgangsschaltung gesteuert wird, die die Art des Fluids oder der Flüssigkeit anzeigt. Das Fühlerelement kann an einer Flüssigkeit-Luft-Grenzfläche angeordnet werden, z.B. durch einen Schwimmkörper, vorzugsweise sind dabei Mittel vorgesehen, die das Element vor einem Meß- oder Wahrnehmungszyklus durch die Grenzfläche wandern lassen. Hierzu kann ein an einem Gehäuse angebrachter Antrieb vorgesehen sein, der dem Element eine entsprechende Bewegung erteilt. Ferner kann bei der vorliegenden Einrichtung eine Schaltungsanordnung vorgesehen sein, die durch das Fühlerelement einen Heizstrom fließen läßt, um die dem Fluid, wie 01, ausgesetzte Oberfläche zu reinigen, und vorzuqsweisse sind dabei Schaltungsmaßnahmen getroffen, die die Elektrischen Parameter des zur Reinigung dienenden Stromes so begrenzen, daß eine Entzündung des Öls vermieden wird. Bei manchen Ausführungsformen ist ein Referenzelement eines temperaturveränderlichen Widerstandes mit dem Fühlerelement so zusammengeschaltet, daß bei der Meß- oder Überwachungsphase ein kurzer Impuls elektrischen Heizstromes beide Elemente gleichzeitig durchfließt und die Ausgangsschaltung auf Unterschiede der Änderung der Widerstände des Fühler- und Referenzelements anspricht. Das Fühler- und das Referenzelement können dabei in einer Brückenschaltung liegen. Das Fühler- und das Referenzelement können Wolframdrahtwendeln sein. Das Referenzelement kann zusammen mit einer Referenzflüssigkeit in einem Gehäuse oder einer Ampulle untergebracht sein, die vorzugsweise abgedichtet ist, z.B. im Glaskolben einer Glühlampe. Durch Pulsen der Elemente in Verschiedenen Lagen, z.B. beide in Flüssigkeit einqetaucht oder abwechselnd Luft ausgesetzt (dies kann für das Referenzelement durch

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eine halb mit Flüssigkeit gefüllte Ampulle bewirkt werden) und statistische Auswertung der Ausgangs impulse durch ein logisches oder Verknüpfungsschaltwerk kann die Genauigkeit des Ausgangssignales bzw. der Anzeige erhöht werden.

Im folgenden werden AusführungsbeiSDiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert, dabei werden auch noch weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung zur Sprache kommen.

Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht ei^ier Dlüberwachungs- oder Anzeigeeinrichtung gemäß einer Ausfiihrungsform der Erfindung;

Fig. la, Ib, Ic und Id weitere bevorzugte Ausführungsformen solcher Einrichtungen;

Fig. 2 eine Schaltungsanordnung, wie sie in der Einrichtung gemäß Fig. 1 verwendet werden kann;

Fig.3 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, die sich in einer vorgegebenen ersten Stellung befindet, und

Fig. 4 eine Darstellung der Einrichtung gemäß Fig. 3 in einer zweiten Stellung.

Fig. 1 zeigt als erstes AusführungsbeisDiel der Erfindung ein ölüberwachungs- oder Anzeigegerät, das ein schwimmfähiges, rohrförmiges Gehäuse 10 hat, das in einem zu überwachenden Gewässer schwimmt. Das Gehäuse 10 hat eine obere sowie eine untere Durchbrechung 14 bzw. 16 und sein Auftrieb ist so gewählt, daß sich die Durchbrechung 14 an der Oberfläche 1P> des Wassers befindet, während die Durchbrechung 16 eintaucht, also sich unter der Wasseroberfläche befindet. In der unteren Unterbrechung 16 ist

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ein Bezugsdraht oder -faden 20 aus Wolfram so angeordnet, daß er unter Wasser bleibt. In der Durchbrechung T4 ist ein Oberwachungs- oder Meßfaden 22 derart an der Oberfläche 18 des Wassers anqeordnet, daß er sich mit einer ölschicht überzieht, wenn sich auf der überwachten Oberfläche 18 ein Ölfilm oder eine ölschicht 24 befindet.(Die in Fig. 1 dargestellte Setlicht kann in der Wirklichkeit eine viel kleinere Dicke haben.)Das öl überwachungsgerät kann von äußeren Energiequellen unabhängig sein und Batterien 30(die als Ballast dienen können), eine Elektronik 32 und eine auf seiner oberen Seite angeordnete Anzeigevorrichtunq 34 enthalten. Alternativ kann das überwachungsgerät auch durch ein nicht dargestelltes flexibles Kabel mit einer entfernten Leistungsquelle sowie einem entfernten Anzeigesystem verbunden sein.

Wie das überwachungs- oder Meßelement bezüglich der überwachten Oberfläche angeordnet ist, kann von Fall zu Fall verschieden sein und hängt von dem jeweiligen Anwendungsgebiet ab, also z.B. ob das Gerät in einem ruhigen Weiher, einem ganz stillen Sumpf oder Überwachungsbohrloch bei einem öllager, in einem Abwasserkanal einer Industrieanlage oder auf hoher See, wo es dem Seegang ausgesetzt ist, eingesetzt werden soll. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1, das für Einsatzbedingungen gedacht ist, bei denen es fortwährend dümpelt oder auf und nfeler tanzt, verläuft die Ruhewasserlinie WL knapp oberhalb des Meßfadens 22 in einer solchen Lage, daß sich der Meßfaden beim normalen auf- und abbewegen mit einer dünnen ölschicht überzieht, falls öl vorhanden ist, selbst wenn das Π1 nur eine sehr dünne Schicht auf dem Wasser bildet. Die Lage der normalen Ruhewasserlinie gewährleistet jedoch, daß der Meßfaden statistisch betrachtet sich überwiegend vollständig im Wasser befindet, so daß bei beiden Fäden wenigstens annähernd gleiche Wärmeübertragungsverhältnisse herrschen, mit der Ausnahme des evtl. Unterschiedes, daß der Meßfaden mit einer dünnen Schicht öl überzogen oder teilweise oder ganz von öl umgeben ist, fills solches vorhanden ist.

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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. la liegt die Ruhewasserlinie WL tiefer und es ist ein dauernd gespeister Detektorfaden 21 vorgesehen. Der Detektorfaden 21 nimmt beim Eintauchen einen höheren Widerstand an. Dies wird durch eine Eintäuchdetektorschaltung 25 wahrgenommen, die dann den Heizimpuls der Meßschaltung freigibt. Auf diese Weise ist gewährleistet, daß der oder die Heizimpulse nur dann auftreten, wenn der Meßfaden 22 untergetaucht ist.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1b ist ein Meßelement 22', z.B. ein Wolframfaden, am Ende eines durch eine Magnetspule 90 bewegbaren Kolbens angebrachten der zurückgezogenen Stellung des Kolbens befindet sich das Meßelement 22' oberhalb der Wasserlinie WL. Wenn ein Oberwachungs- oder Meßzyklus stattfinden soll, wird die Magnetspule durch eine Steuervorrichtung 92 erregt, so daß sie das Meßelement durch die Luft-Flüssigkeit-Grenzfläche bewegt, wobei es gegebenenfalls eine ölschicht aufnimmt, und dann untergetaucht bleibt. Die Steuervorrichtung 92 gibt dann den Heizimpuls für den Meßzyklus frei, während dessen festgestellt wird, ob sich auf der überwachten Flüssigkeitsoberfläche OT befindet oder nicht.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1c handelt es sich um eine Sonde 73, die an einem Kabel 75 in ein Loch 77 abgesenkt wird, das beispielsweise in der Nähe eines OTlagers in die Erde gebohrt worden ist. Zu der Sonde gehört eine Ampulle 79, die, wie erwähnt, z.B.aus einer Glühlampe besteht, mit Wasser gefüllt ist und einen Referenzfaden 20a enthält, während auf der anderen Seite ein nicht umhüllter, nackter Faden von einer gleichartigen Lampe, der als Heßfaden 22b dient, angeordnet ist. Die beiden Fäden liegen in einer nur schematisch dargestellten Meßschaltung 32, die gemäß Fig. 2 ausgebildet sein kann. Senkt maa die Sonde 73 unter den Wasserspiegel WL des Grundwassers ab und schwimmt auf der Wasseroberfläche öl, so überzieht sich der Meßfaden 2?b mit einer OTschicht, während der Referenzfaden 20a durch die Ampulle gegen das öl geschützt ist. Nach einer gewissen Zeitspanne, in der sich ein Temperaturgleichgewicht einstellen kann, wird ein Heizinipuls zur Messung erzeugt, der die Fäden erwärmt, und

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die Messung erfolgt in der beschriebenen Weise.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. Id ist eine auf einem statistischen Verfahren beruhende Kompensation vorgesehen, so daß der Meßfaden teilweise der Luft ausgesetzt sein kann. Die fll-Meßimpul se werden im Verlaufe der Zeit durch einon Zähler 27 gezählt und eine ölanzeige tritt nur dann ein, wenn eine als Schwellwert festgesetzte Anzahl η von ölanzeigenden Impulsen in einem vorgegebenen Zeitrahmen oder -abschnitt überschritten wird, welcher durch eine vorgegebene Anzahl T von Heizimpulsen gemessen bzw. bestimmt wird.

Bei wieder anderen Ausführungsformen können, wie es in den Figuren 3 und 4 dargestellt ist, sowohl der Meßfaden als auch der Referenzfaden so angeordnet oder gelagert sein, daß sie symmetrisch, gegebenenfalls in zeitlichem Mittel, der Flüssigkeit und der Luft ausgesetzt sind, um äquivalente Wärmeübertragungsbedingungen sicherzustellen, was oft gewünscht wird.

Fig. 2 zeigt ein Schaltbild einer Ausführungsform der elektronischen Schaltungsanordnung 32. Diese Schaltungsanordnung enthält den Referenzfaden 20 und den Meßfaden 22, bei denen es sich z.B. um wendeifö'rmige Glühfäden aus Wolframdraht von elektrischen Glühlampen handeln kann, z.B. für ein anspruchsloses Gerät einer 6V, 21 Kerzen Glühlampe wie des Typs General Motors AC L1129. Beispielsweise kann jeder Faden aus einem 25 mm langen, 0,1mm dicken Draht bestehen, der zu einer Wendel mit 13 Windungen, einer Länge von 5 mm und einem Durchmesser von 0,6 mm gewickelt ist. Ein solcher Faden hat bei Raumtemperatur einen elektrischen Widerstand von etwa unter 0,1 Ohm. Der Meßfaden 22 kann durch einen zweipoligen Umschalter einer Steuereinheit 86 wahlweise in eine Meßschaltung und eine Reinigungsschaltung geschaltet werden. Wenn der Meßfaden 22 mit Klemmen 80« und 80» des Umschalters Π0 verbunden ist, befindet sich der Meßfaden 22 in der Meßschaltung und die beiden Fäden 20 und 22 liegen mit einer Reihenschaltung aus zwei Widerständen 40 und 42 und einem Potentiometer 44 in einer Brückenschal tung.

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Mit der Brückenschaltung ist eine Stromimpulserzeugungsschaltung 38 verbunden, die eine 54-V-Batterie 46, einen Widerstand 48, einen Kondensator 50, einen Thyristor 52 und eine gesteuerte Halbleiterdiode 54 mit einer Durchbruchsspannung von 38 Volt enthält. Diese Schaltungsanordnung liefert an die Brückenschaltung periodisch einen kurzen Heizstromimpuls, der von einem hohen Spitzenwert schnell exponentiell abfällt, während sich der Kondensator 50, der z.B. eine Kapazität von 3000 pF haben kann, entlädt, so daß sich eine effektive Heizdauer in der Größenordnung von einigen,Millisekunden ergibt. Die Widerstände des Meßfadens 20 und des Referenzfadens 22 hängen von den Wärmeverlustverhältnissen ab, wobei etwa auf der Oberfläche des Meßfadens 22 vorhandenes 01 dessen Wärmeverluste herabsetzt, so daß er heißer wird und/oder sich langsamer abkühlt als der Referenzfaden 20 und sein Widerstand vorübergehend größer wird als der entsprechende vorübergehende Widerstand des Referenzfadens 20. Diese unterschiedliche Änderung der Widerstände erzeugt eine Verschiebung der Spannung auf einer Ausgangsleitung 56 bezüglich der Spannung auf einer Ausgangsleitung 58, was das Vorhandensein von Ol auf dem Meßfaden 22 anzeigt.

Im Betrieb der Schaltungsanordnung lädt sich der Kondensator 50 über den Widerstand 48 auf, wobei der Thyristor 52 vorerst noch gesperrt ist. Wenn sich der Kondensator 50 auf etwa 48 Volt aufgeladen hat, bricht die Diode 54 durch und der sie dann durchfließende Strom zündet den Thyristor 52. Der Kondensator 50 entlädt sich dann durch den Thyristor ^r>? und die Widerstände der Brückenschaltung, also die beiden Fäden 20 und 22 sowie die Widerstände 40, 42 und 44. Der kurze Stromimpuls, dessen Dauer in der Größenordnung von Millisekunden liegt und dessen Leistung CV /2 beträgt, fließt in erster Linie durch die in Reihe geschalteten Fäden 20 und 22 und bewirkt einen schnellen Temperaturanstieg dieser Fäden. Wenn sich die Wärmeverlustcharakteristiken der beiden Faden unterscheiden, wie es der Fall ist, wenn sich öl auf der Oberfläche des Meßfadens 22 befindet, wird der sich vorübergehend einstellende Widerstand des Meßfadens 22 anders, insbesondere größer als der sich vorübergehend einstellende Widerstand Jes Referenzfadens 20 und es entsteht eine Spannungsverschiebung, die einer Wahrnehmungsschaltung 60 zugeführt wird. Der Thyristor 52 sperrt, wenn

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sich der Kondensator 50 entladen hat und an einer der gesteuerten Stromstrecke des Thyristors 52 para I lelqesclial teten Induktivität 53 tritt dann ein Sperrspannungsimpuls auf. In allen Fällen bewirkt entweder der Schaltungswiderstand oder der Schaltungswiderstand zuzüglich der Induktivität, daß nach dem Abfall des Kondensatorstromes der Haltestrom jedesmal nach der Entladung des Kondensators soweit verringert wird, daß der Thyristor 52 einwandfrei sperrt. Wenn der Kondensator 50 dann sich wieder auf die Durchbruchsspannung der Steuerdiode 54 aufgeladen hat, wird der Briickenschai tung ein weiterer Heizstromimpuls zugeführt und die Schaltungsanordnung arbeitet auf diese Weise als ihr eigener Taktgeber.

Die Wahrnehmungsschaltung 60 ist eine monostabile Schaltung, die in den leitenden Zustand durch eine Differenzspannung ausgesteuert wird, welche entsteht, wenn der Widerstand des Meßfadens 22 während eines Heizstrom-Meßimpulses größer als der Widerstand des Referenzfadens 20 wird. Die Wahrnehmungsschaltung enthält einen Kopplungskondensator 62, an den die Basis eines Transistors 64 angeschlossen ist. Der Transistor 64 liegt in Reihe mit einem Widerstand 66 an einer Batterie 68. Zwischen den Kollektor des Transistors 64 und die ßasis eines Transistors 74 ist ein Zeitkonstantenglied aus einem Widerstand70 und einem Kondensator 72 geschaltet. Der Kollektorkreis des Transistors 74 enthält eine Ausgangseinrichtung, z.B. ein uptisches oder akustisches Anzeige- oder Alarmgerät ( z.B. eine Einrichtung, wie sie unter der Bezeichnung "Sondiert" von der Firma P.R.Mal lory und Co., Inc. erhältlich ist). Der Transistor 64 wird durch eine Spannungsdifferenz vorgegebener Größe zwischen den Leitungen 56 und 58 aufgetastet und der dabei an seinen Kollektor auftretende Spannungsprung tastet seinerseits den Transistor 74 über den Widerstand 70 und den Kondensator 72 auf, su diß die Ausgangseinrichtung 76 erregt und der Transistor 64 voll in den Leitungszustand ausgesteuert wird. Die Ausgabeeinrichtung 76 bleibt eingeschaltet, bis sich der Kondensator /2 aufgeladen hat und der Transistor 74 sperrt. Die Ausgangseinrichtung 76 liefert also solange ein Awsgingsiignal, wie die monostabile Schaltung in den Arbeitszustand gekippt ist. Der Ladeslromkreis für den Kondensator 72 wird durch eine Diode 78 geschlossen.

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Umschaltung des Meßfadens von der beschriebenen Meßschaltung auf die Reinigungsschaltung wird durch einen Zeitgeber T in der Steuereinheit 86 gesteuert. Der Zeitgeber T betätigt den Umschalter 80 oeriodisch, so daß der Meßfaden 22 von den festen Kontaktstücken 80. und 80_? der Meßschaltung für eine vorgegebene Zeitspanne auf die festen Kontaktstücke 80-, und 80- der Reinigungsschaltung umgeschaltet werden. Der Heßfaden 22 wird dadurch über einen Strombegrenzer 84 und einen Widerstandsbegrenzer 88 mit einer Stromquelle 82 verbunden. Durch den Meßfaden 22 fließt dann eine gesteuerte Heizleistung, so daß das ihn verunreinigende 01 wieder entfernt wird. Die oben als Beispiel erwähnte Glühlampe des Tvds General Moroea ACL 1129 nimmt bei der Nennspannung von 6 Volt etwa 2 A Strom auf, um die Nennlichtleistung von 21 Kerzen abzugeben. Während des Reinigungszvklus wird der Strom durch den Strombegrenzer 84 auf etwa 7 Ampere begrenzt und gehalten, um die Reinigung zu bewirken. Wenn sich der Meßfaden bei der Reinigung nicht in Wasser sondern in 01 oder in Luft befindet, wird die Widerstandsbegrenzung, z.B. auf 0,6 0hm, durch den Widerstandsbegrenzer 88 wirksam. Hierdurch wird verhindert, daß der Meßfaden zu heiß wird und durchbrennt oder die Entzündungstemoeratur des 01s annimmt. Die Dauer eines tyoischen Reinigungszyklus kann etwa 5 Sekunden betraaen und ist einerseits durch den Wirkungsgrad (Leistungsverbrauch) und andererseits das erforderliche Mindestmaß an Reinigungswirkung begrenzt. Nach der Reinigung wird der Meßfaden wieder abgefragt, d.h. der Umschalter 80 wird durch die Steuereinheit 86 wieder umgeschaltet und es wird wieder festgestellt, ob sich der Meßfaden 22 in Berührung mit 01 oder Wasser befindet.

Der begrenzte Heizstrom bewirkt eine einwandfreie Reinigung des Fadens in der beschriebenen Weise, d.h. er setzt das Haftvermögen des 01s herab und bewirkt sogar eine Emulgierung des 01s durch Kavitation und reinigende Schalleffekte, die von einem brummenden Geräusch begleitet sind, ganz ähnlich wie eine Topf mit Wasser auf einem Herd ein summendes oder brummendes Siedegeräusch verursacht, bevor er heftig zu kochen beginnt.

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Bei dem AusführunqsbeisDiel gemäß Tig. 3 und 4 sind ein Meßelement 22' und ein Referenzelement 20" an diametral entgegengesetzten Enden eines Trägers RI angebracht, der um eine horizontale Achse X drehbar gelagert ist. Das Meßelement 22' und das Referenzelement 20' können wieder Drähte oder Glühfäden sein. Das Referenzelement 20' ist in eine Ampulle 83 (z.B. einen Lampenkolben) eingeschlossen, die nur zum Teil mit Wasser 85 gefüllt ist, so daß sich das Referenzelement 20' nicht im Wasser befindet, wenn das das Referenzelement tragende Ende des Trägers 81 nach unten weist (Fig. 3), während das Referenzelement sich unter Wasser befindet, wenn das das Referenzelement tragende Ende des Trägers 81 nach oben weist (Fig. 4). Der Träger 81 ist an einer Welle 87 befestigt, die von einem schwimmfähiqen Gehäuse 89 vorspringt und durch einen Schrittmotor 100 gedreht wird. Im Gehäuse 89 befinden sich ferner ein Potentiometer 102, das zur Anzeigung der Winkelstellung des Trägers 81 bezüglich des Gehäuses 89 dient, eine elektronische Schaltung 84, eine Logikschaltung 108 und ein mit einer Antenne 112 verbundener Sender 110 zur Datenfernübertragung.

Das Referenzelement 20' und das Meßelement 22' sind mit der elektronischen Schaltunggsanordnung 104 verbunden, die in der beschriebenen Weise periodisch einen elektrischen Stromimouls erzeugt und eine etwaige Widerstandsdifferenz wahrnimmt. In der in Fig. 3 dargestellten Stellung befinden sich beide Elemente (z.B. Glühfaden) in Luft und sie sind mit einer Schicht derjenigen Flüssigkeit überzogen, mit der sie zuletzt in Berührung waren. In dieser Stellung werden die beiden Elemente durch einen elektrischen Stromimpuls erwärmt und die "Wasserschichf'-Ansprache des Referenzelements 20' wird mit der "Wasserschicht"- oder "nischichf'-Ansprache des Meßelements 22' verglichen. Wenn das Meßelement 22' durch eine ölschicht geführt worden war, bewirkt das dann auf seiner Oberfläche befindliche öl, daß seine elektrischen Widerstandseigenschaften anders sind als die des Referenzelements 20'. Der Logikschaltung 108 wird dementsprechend ein Ausgangssignal zugeführt, das anzeigt, ob die Elemente gleich oder verschieden ansprechen. Der Träger 81 wird dann gedreht (z.B. um 90°in eine Lage, in der sich das Meßelement 22' an der Oberfläche des Wassers befindet), durch die beiden Elemente 20' und 22' wird ein neuer Stromimpuls geleitet und die elektronische Schaltung 104 liefert ein neues Ausgangssiqnal. Der Träger

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81 wird dann in die in Fig. 4 dargestellte Stellung gedreht, in der das Referenzelement 20* in das in der Ampulle 83 befindliche Wasser eintaucht, während sich das Meßelement 22' unter der Oberfläche des zu überwachenden Gewässers 12' befindet, und es wird ein erneuter Stromimpuls durch die Elemente geleitet und ein neues Ausgangssignal erzeugt. Die Folge von Ausgangssignalen von der elektronischen Schaltungsanordnung 104 wird durch die Logikschaltung 108 verarbeitet, um festzustellen, ob 01 vorhanden ist oder nicht und der Sender 110 wird betätigt, wenn das Vorhandensein von öl durch die Logikschaltung 108 festgestellt worden ist.

In der Praxis ist es vorteilhaft, eine Reinigungsschaltung der beschriebenen Art zu verwenden und im Impulsbetrieb zu arbeiten, um Leistung zu sparen; hierfür haben sich Wolframfäden als Detektorelemente als besonders geeignet erwiesen. Die Einrichtung kann, wie beschrieben, die Form einer durch die Schwerkraft durch eine Flüssigkeits-Luft-Grenzfläche bewegten Sonde haben, sie kann jedoch auch mit anderen Trägersystemen verwendet werden, wofür ebenfalls ein Beispiel angegeben worden ist.

Die Feststellung von öl verschmutzung stellt ein Hauptanwendungsgebiet, jedoch nicht das einzige Anwendungsgebiet der Erfindung dar und bestimmte Merkmale der Erfindung sind unabhängig davon, ob sich eine öl schicht auf einem Detektorelement befindet oder nicht, das entweder voll eingetaucht ist oder sich in Luft befindet, anwendbar.

Anstelle der beispielsweise beschriebenen Drähte oder

Glühfaden können auch andere Fühlerelemente verwendet werden, die eine temperaturabhängige Stromflußcharakteristik haben, z.B. Thermistoren, Dioden und Transistoren. Fühlerelemente, wie Wolframfäden, die eine Reinigung durch Erhitzung ermöglichen, werden jedoch Im allgemeinen vorzuziehen sein.

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Claims

Patentansprüche

I.^Einrichtung zum Feststellen des Vorhandenseins unterschiedlicher Fluide oder Flüssigkeiten, wie öl, auf einer Wasseroberfläche, mit einem Fühlerelement, das eine einer Berührung mit einem festzustellenden Fluid ausgesetzte Oberfläche aufweist und eine temperaturabhängige Stromflußeigenschaft hat, und mit einer elektronischen Schaltungsanordnung, die das Fühlerelement mit einem elektrischen Heizstrom speist, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Schaltungsanordnung (38) Heizstromimpulse, die eine zeitweilige Temperaturänderung des Fühlerelements (22) bewirken, liefert und daß die elektronische Schaltungsanordnung (Fig. 2) eine Ausgangsschaltung (60) enthält, welcher auf die Stromflußeigenschaft des Fühlerelements (22) anspricht, nachdem dieses so erwärmt worden ist, und ein in Berührung mit dem Fühlerelement stehendes Fluid anzeigt.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Schaltungsanordnung (38 in Fig. 2) Impulsleistung vorgegebenen Betrages an das Fühlerelement (22) liefert und daß die Ausgangsschaltung (60) auf den durch die Leistung und das Fluid bestimmten elektrischen Widerstand des Fühlerelements (22) anspricht.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsschalter (60 in Fig. 2) auf die Widerstandscharakteristik des Fühlerelements (22) anspricht, während sich dieses nach dem Anlegen eines einzelnen Leistungsimpulses abkühlt.
4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsschaltung (60) ein Integrierglied (70, 72) zur Feststellung des Widerstandes des FUhlerelements (22) während einer auf den Impuls folgenden Zeitspanne enthält.

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5. Einrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Fiihlerelement (22) mit einem Referenzelement (20), das eine sich als Funktion der Temperatur ändernde Widerstandscharakteristik hat, so zusammengeschaltet ist, daß der gepulste elektrische Heizstrom durch beide Elemente (20, 22) gleichzeitig fließt und daß die Ausgangsschaltung (60) auf einen Unterschied in der Änderung der Widerstände des Fiihlerelements und des Referenzelementes anspricht, der das in Berührung mit dem Fühlerelement befindliche Fluid anzeigt.
6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Fühlerelement (22) und das Referenzelement (20) in einer Briickenschaltung (38) liegen.
7. Einrichtung nach Anspruch 5 oder 6 zur Feststellung eines flüssigen Fluids, dadurch gekennzeichnet, daß das Referenzelement (20) mit einer Referenzflüssigkeit (79) eingeschlossen ist (Fig. 1c).
8. Einrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Schaltungsanordnung (50) einen durch eine Stromquelle, insbesondere eine Batterie (46) aufladbaren Kondensator (50) und eine Schaltvorrichtung (52) zum schnellen Entladen des Kondesnators durch das Fiihlereiement (22) unter Erzeugung des Heizstromimpulses enthält.
9. Einrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Fiihlerelement (22,Fig. 1) durch ei>en schwimmfähigen Körper (10) an einer Ober fläche (18) einer Flüssigkeit (12) angeordnet ist.
10. Einrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vor-

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richtung (90 und 92 in Fig. 1b) vorgesehen ist, die das Fühlerelement {2?.') vor dem Anlegen des Heizstromimpulses durch eine Flüssigkeitsoberfläche (WL) treten läßt.
11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Fühlerelement (22¹) durch eine an einem Gehäuse (10) befestigte Antriebsvorrichtung (90) relativ zu dem Gehäuse und dadurch durch die Fliissigkeitsoberfläche bewegbar ist.
12. Einrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung (90 in Fig. 1b; 75 in Fig. 1c; 87 in Fig. 3 und 4) vorgesehen ist, die das Fühlerelement (22*, 22b) periodisch unter die Oberfläche einer zu überwachenden Flüssigkeit zu tauchen gestattet und den Impuls zuführt, wenn das Fühlerelement untergetaucht ist.
13. Einrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schaltungsanordnung (86 in Fig. 2) vorgesehen ist, die dem Fühlerelement (22) Heizleistung eines zweiten, höheren Wertes zuzuführen gestattet, die die Temperatur des Fühlerelements zur Reinigung der ausgesetzten Fläche erhöht.
14. Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung (86) eine Begrenzungsvorrichtung (84, 88) für mindestens einen elektrischen Parameter der Heizleistung enthält.
15. Einrichtung zum Unterscheiden eines ersten Fluids von einem zweiten Fluid, z.B. öl von Wasser, mit einem Fühlerelement, das eine der Berührung durch Fluid ausgesetzte Oberfläche aufweist und eine Stromflußcharakteristik, z.B. einen elektrischen Widerstand, hat, der sich als Funktion der Wärmeübertragungscharakteristik des Fluids ändert, dem das Fühlerelement ausgesetzt ist, ferner mit einer elektronischen Anordnung,

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die dem Rihlerelement einen elektrischen Heizstrom zuzuführen, es zu erwärmen und eine Änderung der Stromflußcharakteristik zu verursachen vermag und eine Ausgangsschaltung, die auf die Stromflußcharakteristik anspricht und ein Ausgangssignal erzeugt, welches die Identität des Fluids anzeigt, dem das Fühlerelement ausgesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Anordnung (Fig. 2) eine Schaltungsanordnung (82, 84, 86, 88) enthält, die dem Fühlerelement (22) einen Heizstrom eines zweiten, höheren Wertes zuzuführen gestattet, der so bemessen ist, daß sich die Temperatur des Fühlerelements derart erhöht, da¹? die ausgesetzte Oberfläche des Fühlerelements vor seiner Verwendung zur Bestimmung des Fluids gereinigt wird.
16. Einrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der zur Unterscheidung zwischen den Fluiden verwendete ersterwähnte elektrische Heizstrom Impulse enthält, die das Fühlerelement erwärmen und eine Änderung seines Widerstandes bewirken.
17. Einrichtung zum Feststellen unterschiedlicher Fluide, wie öl an der Oberfläche von Wasser, mit einem Fühlerelement, das eine bei der Berührung mit einem zu überwachenden Fluid ausgesetzte Oberfläche aufweist und eine Stromflußcharakteristik, z.B. einen elektrischen Widerstand, hat, der sich als Funktion der Temperatur ändert; ferner mit einer elektronischen Anordnung, die dem Fühlerelement einen elektrischen Heizstrom zuzuführen gestattet, um das Fühlerelement zu erwärmen und eine Änderung seiner Stromflußeigenschaft zu erzeugen, und mit einer Ausgangsschaltung, die auf die Stromflußeigenschaft anspricht und eine Ausgangsanzeige der Identität des Fluids liefert, das sich in Berührung mit der ausgesetzten Oberfläche des Fühlerelements befindet, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung (90 in Fig. 1b; 75 in Fig. 1c; 100 in Fig. 3 und 4) vorgesehen ist, die das Filterelement (22¹, 22b) eine Fliissigkeitsoberflache (WL) durchschreiten läßt, bevor der elektrische Heizstrom angelegt wird.

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18. Einrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung, die das Fühlerelement die Flüssigkeitsoberfläche durchschreiten läßt, eine Antriebsvorrichtung (90) enthält, die an einem Gehäuse (10) angebracht ist und das Fühl er element (22') zum Durchschreiten der Oberfläche (WL) bezüglich des Gehäuses bewegt.
19. Einrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizstrom Impulse enthält, die das Fühlerelement erwärmen und seinen Widerstand ändern.

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