DE2950762C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Feststellen des Vor­ handenseins eines fließfähigen Mediums, nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Bekannte Vorrichtungen besitzen eine temperaturabhängige Halb­ leitervorrichtung, welche auf Temperaturänderungen unter Erzeugung eir entsprechenden Änderung im Stromfluß oder der Spannung anspricht. Die Vorrichtung ist in einem Flüssigkeitsbehälter angebracht und der der Vorrichtung zugeführte Strom bewirkt eine Erwärmung. Der Wert, der von der Vorrichtung abgeleiteten Wärme wird größer sein und damit ihre Temperatur niedriger, wenn sie in Flüssigkeit eintaucht, als wenn dieses Eintauchen in ein Gas erfolgt. Durch Feststellen der bei einer Temperaturänderung der Vorrichtung hervorgerufene Differenz in dem Strom oder der Spannung ist es somit möglich, zu bestimmen, wenn die Vorrichtung von dem Eintauchen in die Flüssigkeit in ein Eintauchen in Gas wech­ selt.

Die Verwendung derartiger bekannter Vorrichtungen ist jedoch in mancher Beziehung dadurch eingeschränkt, daß Änderungen in der Flüssigkeits- oder Gastemperatur bereits ausreichen können, zu bewirken, daß die Vorrichtung in der gleichen Weise anspricht wie bei einem Übergang von dem Eintauchen in Gas zu dem Eintauchen in Flüssigkeit. Die bekannten Vorrichtungen wurden daher immer dort verwendet, wo die durch den Übergang zwischen dem Gas und der Flüssigkeit bewirkte Temperaturdifferenz immer größer als irgendwelche Änderungen war, welche in der Temperatur des Gases oder der Flüssigkeit allein auftreten konnte.

Bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art, wie sie aus dem Buch "Detektoren in der Gas-Chromatograhie" Akademische Ver­ lagsgesellschaft, 1970, Seite 152 bekannt ist, sind zwei Halb­ leitervorrichtungen in Form von Transistoren vorgesehen, die über gleiche Widerstände an gleich große Spannungen angeschlossen sind. Diese Vorrichtung wird im Differenzverfahren so betrieben, daß ein Transistor ständig von Gas oder von Flüssigkeit umgeben und der andere in Höhe des zu erfassenden Flüssigkeitspegels angeordnet ist und somit abwechselnd von Gas oder von Flüssigkeit umgeben ist. Eine exakte Pegelmessung ist jedoch nur dann möglich, wenn sich die Temperaturdifferenz zwischen Gas und Flüssigkeit nicht verändert. Erwärmt sich beispielsweise die Flüssigkeit und erhöht sich dadurch die Temperaturdifferenz zwischen der Flüssigkeit und dem Gas, wird die Wärmeabfuhr bei beiden Tran­ sistoren, von denen der eine von Flüssigkeit und der andere von Gas umgeben ist, etwa gleich groß und führt zu einer Meßung ent­ sprechend derjenigen, wenn beide von Flüssigkeit umgeben sind.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zu schaffen, bei der Temperaturänderungen beim fließfähigen Medium und/oder beim Gas ohne Einfluß auf die Pegelmessung sind.

Gelöst wird diese Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Die temperaturabhängige Eigenschaft der einen Halbleitervorrichtung, die von einem großen Strom durchflossen wird, wird sich beim Übergang vom eingetauchten in den nichteingetauchten Zustand ändern, während die Eigenschaft der anderen Halbleitervorrichtung praktisch die gleiche bleibt. Änderungen in der Umgebungstemperatur beeinträchtigen jedoch die beiden Halbleiter in der gleichen Weise, wodurch sich die Differenz in den Eigenschaften nicht ändert, somit eine Kompensation der Auswirkung von Änderungen in der Umgebungstemperatur erreicht wird.

Ein Treibstoffpegelwarnsystem für ein Flugzeug gemäß der vor­ liegenden Erfindung wird nun als Ausführungsbeispiel unter Be­ zugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 ein schematisches Diagramm zur Veranschaulichung des Systems;

Fig. 2 die Änderung in der Spannung über einer mit einem konstanten Strom beschickten Zenerdiode bei Änderung der Temperatur der Diode und

Fig. 3 die Änderung in den Spannungen über zwei mit unterschiedlichen Strömen beschickten Zenerdioden bei Änderung der Umgebungstempe­ ratur.

Gemäß Fig. 1 besitzt das Flüssigkeitspegel-Warnsystem eine Fühlereinheit 1, welche in einem Flugzeugtreib­ stofftank 2 angebracht ist, eine Schalteinheit 3, welche Signale von der Fühlereinheit empfängt und eine Anzeige­ einheit 4, welche Signale von der Schalteinheit empfängt und eine Warnanzeige abgibt, wenn der Treibstoff unter­ halb einen bestimmten Pegel fällt.

Die Fühlereinheit 1, welche die Form einer länglichen Sonde haben kann, ist senkrecht in dem Treibstofftank 2 angebracht und zwar in Nähe des Tankbodens bei einem Pegel, welcher eine Warnanzeige erfordert. Die Fühler­ einheit 1 besitzt ein paar an einander angepaßte Sili­ ciumzenerdioden D 1 und D 2, deren Anoden miteinander verbunden sind, wobei beide Dioden in Glas eingekapselt sind und einen positiven Temperaturkoeffizienten besitzen. Die erste Zenerdiode D 1 wirkt als der Pegelfühler und ist an dem unteren Ende der Fühlereinheit 1 derart angebracht, daß sie normalerweise in die Flüssigkeit in dem Tank 2 ein­ taucht. Die zweite Diode D 2 ist in der Nähe der ersten Diode D 1 derart angebracht, daß sie normalerweise in den Treibstoff eintaucht, aber sie ist derart angeordnet, daß sie nicht durch eine Erwärmung der ersten Diode beeinflußt wird. Die beiden Dioden D 1 und D 2 sind derart angeordnet, daß sie beide praktisch gleichzeitig der Luft oder dem Gas in dem Tank 2 oberhalb des Treibstoffs ausgesetzt werden, wenn der Treibstoff unterhalb einen bestimmten Pegel fällt. Die Fühlereinheit 1 besitzt auch einen Widerstand 2, der mit der Kathode der zweiten Zenerdiode D 2 verbunden ist.

Die erste und zweite Diode D 1 und D 2 sind in Sperrichtung vorgespannt und ihren Kathoden wird Strom über die Lei­ tungen 20 bzw. 21 von zwei Konstantstromquellen 30 bzw. 31 in der Schalteinheit 3 zugeführt. Die beiden Konstant­ stromquellen 30 und 31 werden von einer Spannung der Strom­ versorgungseinheit 32 des Flugzeugs versorgt. Die Schalt­ einheit 3 besitzt ferner einen Spannungsvergleicher 33, welcher an seinen beiden Eingängen die Spannungen an den Leitungen 20 und 21 empfängt. Das Ausgangssignal des Ver­ gleichers 33 wird einem Widerstand 34 zugeführt, der in Reihe mit einem anderen Widerstand 35 zwischen den Ver­ gleicher und eine Leitung 36 geschaltet ist, die sich von dem Verbindungspunkt der beiden Dioden D 1 und D 2 in der Fühlereinheit 1 erstreckt. Die Schalteinheit 3 besitzt auch einen Schalttransistor 37, dessen Basis mit dem Ver­ bindungspunkt des Spannungsteiles aus den beiden Wider­ ständen 34 und 35 verbunden ist. Der Emitter des Transistors 37 ist mit der Leitung 36 verbunden, während sein Kollektor an die Anzeigeeinheit 4 angeschaltet ist, so daß ein Schal­ ten des Transistors einen Emitter-Kollektorkreis schließt, der eine Warnanzeige in der Anzeigeeinheit auslöst.

Im Betrieb wird die erste Zenerdiode D 1 als Pegelfühler; ihr wird ein Strom von etwa 27 mA zugeführt, um sie auf eine Temperatur zwischen etwa 90 und 100°C oberhalb der Umgebungstemperatur zu erwärmen. Der zweiten Diode D 2 wird niedrigerer Strom in der Größenordnung von 0,5 mA zugeführt, welcher einen vernachlässigbaren Leistungs­ verbrauch erzeugt. Die beiden Zenerdioden D 1 und D 2 haben beide einen im wesentlichen linearen Temperaturkoeffizien­ ten mit der in Fig. 2 gezeigten Form. Da der ersten Diode D 1 ein höherer Strom als der zweiten Diode D 2 zugeführt wird, befindet sie sich auf einer höheren Temperatur als die Letztere und somit ist auch an der Spannungsabfall an ihr größer. Die erste Diode D 1 wird sich ferner auf einer höheren Temperatur befinden, wenn sie der Luft aus­ gesetzt ist als wenn sie in den Treibstoff eintaucht, da die thermische Leitfähigkeit des Treibstoffs größer ist als diejenige von Luft. Der Spannungsabfall über den bei­ den Dioden D 1 und D 2 ist somit verschieden und an die Differenz zwischen den beiden Spannungen ist größer wenn die Diode der Luft ausgesetzt sind.

Eine Änderung in der Spannung über den beiden Dioden D 1 und D 2 bei Änderung der Umgebungstemperatur ist in Fig. 3 gezeigt. Aus dieser Figur ergibt sich, daß die Spannung über der ersten Diode D 1 (dargestellt durch die Linie 41) in Luft bei einer bestimmten Umgebungs­ temperatur T 1, die gleich ist wie diejenige die sich ergibt, wenn die Diode bei einer höheren Umgebungs­ temperatur T ₂ in Treibstoff eingetaucht ist (wie dies durch die Linie 42 angedeutet ist). Würde nur eine Zenerdiode verwendet, dann wäre es somit schwierig zu bestimmen, ob sie in den Treibstoff eingetaucht ist oder nicht.

Die zweite Zenerdiode D 2 der vorliegenden Anordnung wird zu einer Kompensation der Auswirkung von Änderun­ gen in der Umgebungstemperatur verwendet, wobei es die Änderung in der Differenz zwischen der Spannung an den beiden Dioden D 1 und D 2 ist, welche dazu verwendet wird, eine Anzeige des Übergangs der Fühlereinheit 1 aus dem in den Treibstoff eingetauchten in den in Luft eingetauchten Zustand zu geben. Da der Temperaturkoeffi­ zient der beiden Dioden D 1 und D 2 linear ist, wird auch die Spannungsdifferenz zwischen ihnen im wesentlichen bei allen Temperaturen die gleiche sein, während sie in den Treibstoff eingetaucht sind. Es ist jedoch er­ kenntlich, daß bei voneinander abweichendem Temperatur­ koeffizienten der beiden Dioden die Spannungsdifferenz zwischen den Dioden mit der Umgebungstemperatur sich ändern würde und daß sich Schwierigkeiten bei der ge­ nauen Bestimmung ergeben würden, wann der Treibstoff den vorbestimmten Pegel erreicht.

Bei der vorliegenden Anordnung würde die Differenz zwi­ schen den Spannungen über den beiden Dioden D 1 und D 2, bei welcher eine Warnanzeige gegeben wird bei einem festen Wert V _D festgelegt und zwar durch geeignete Aus­ wahl des Wertes des Widerstandes 12 in der Fühlereinheit 1. Dieser Wert V _D wird zwischen die Kennlinien 41 und 42 der Diode D 1 bei Eintauchen in Luft bzw. in Treibstoff festgelegt wie er durch die gestrichelte Linie 40 in Fig. 3 dargestellt wird. Auf diese Weise wird eine Warnanzeige dann gegeben, wenn die Spannungsdifferenz zwischen den beiden Dioden D 1 und D 2 den Wert V _D nach oben durchläuft und sie wird aufrechterhalten, während die Spannung über der Diode D 1 der Kennlinie 41 folgt aufgrund der niedri­ gen dynamischen Impedanz von D 1 bleibt die Spannung an ihr im wesentlichen unbeeinflußt von kleinen Störspan­ nungen oder elektrischen Indifferenzen.

Die Spannungen über die Dioden D 1 und D 2 werden durch den Spannungsvergleicher 33 verglichen. Steigt die Differenz zwischen den beiden Spannungen über den vorbestimmten Wert V _D , dann erzeugt der Vergleicher 33 einen Strom an seinem Ausgang, welcher die Spannung an der Basis 37 anhebt, so daß dieser angeschaltet wird. Es fließt dann ein Strom in dem Emitter-Kollektorkreis des Transistors 37, welcher das Ausgangssignal der Schalteinheit 3 bildet und durch den eine Warnung "niedriger Treibstoffpegel" an die An­ zeigeeinheit 4 abgegeben wird. Die Warnung kann die Form einer Sicht und/oder akustischen Warnung haben. Alternativ kann das Ausgangssignal von der Schalteinheit 3 auch dazu verwendet werden, eine automatische Umschaltung der Treibstoffversorgung auf einen anderen Treibstoff­ tank zu bewirken.

Anstelle der Zenerdioden wäre es auch möglich, andere Halbleiterdioden mit Vorwärtsvorspannung zu verwenden. Diese haben jedoch verglichen mit den in Sperrichtung vorgespannten Zenerdioden einige Nachteile. Also ist beispielsweise der Temperaturkoeffizient einer Silicium­ diode etwa 2 mV/°C; er ist somit niedriger als derjenige einer 9,1 V-Zenerdiode, der einen typischen Wert von 6 mV/°C hat. Hieraus würde er sich eine geringere Span­ nungsänderung bei der Fühlereinheit 1 beim Übergang vom Eintauchen in Treibstoff zu Luft ergeben.

Ein anderer Nachteil der Verwendung üblicher Silicium­ dioden, insbesondere zur Feststellung eines Treibstoff­ pegels besteht darin, daß sie einen hohen Strom erfor­ dern. Bei einer 9,1 V-Zenerdiode, beispielsweise einer Diode Mullard BZY88C9V1 mit einem thermischen Wider­ stand von 0,37°C/mV ist nur ein Strom von 27 mA erfor­ derlich um die Temperatur der Abfühldiode um 90°C über Umgebungstemperatur anzuheben. Bei Verwendung einer Siliciumdiode mit einem Vorwärtsspannungsabfall von etwa 0,6 Volt wäre der zur Erzeugung eines ähnlichen Tempera­ turanstiegs erforderliche Strom in der Größenordnung von 500 mA. In einem Flugzeug mit einer Normgleichspannungs­ versorgung von 28 Volt ist ein derart hoher Strom unan­ nehmbar, da die Fühlereinheit 1 in einem Treibstofftank mit einer explosiven Luft-Treibstoffdampf-Mischung an­ gebracht ist. Der sehr lineare Temperaturkoeffizient der Zenerdioden ist auch deshalb vorteilhaft, da er eine ge­ naue Betriebsweise über einen großen Bereich der Umgebungs­ temperatur ermöglicht, welche sich bei Flugzeugtreibstoff­ tanks ergeben kann und welcher zwischen -40°C und +70°C liegen kann.

Es ist verständlich, daß das System auch zum Feststellen des Pegels von anderen Flüssigkeiten als Flugzeugtreib­ stoff verwendet werden kann. Es könnte beispielsweise da­ zu dienen, die Anzeige des Pegels von Schmieröl oder hy­ draulischen Medien in einem Flugzeug zu geben. Das System muß auch nicht nur bei einem Flugzeug Anwendung finden, es kann beispielsweise genauso gut bei Landfahrzeugen oder bei statischen Behältern angewandt werden, beispiels­ weise bei solchen, die in chemischen Anlagen oder bei Flüssigtreibstoff-Tanksystemen Verwendung finden.

Die Erfindung ist auch nicht begrenzt auf Pegelabfühl­ anordnungen, sondern kann auch dazu verwendet werden, das Vorhandensein einer Flüssigkeit in einer Versorgungs­ leitung anzuzeigen. Bei dem fließfähigen Medium muß es sich auch nicht um Flüssigkeiten handeln, sondern es können auch Stoffe aus kleinen Teilchen und Pulver sein, sofern diese Stoffe eine thermische Leitfähigkeit haben, die groß genug ist um zuverlässig die Feststellung des Gas-Stoff-Übergangs zu ermöglichen. Das System kann auch zur Feststellung der Berührungsfläche zwischen zwei Flüs­ sigkeiten unterschiedlicher Dichte dienen, sofern deren thermische Leitfähigkeiten genügend verschieden sind.

Bei Verwendung mehrerer Fühlereinheiten, welche in Ab­ stand voneinander und übereinander in einem Behälter angeordnet sind, ist es wie bereits erwähnt möglich, eine Anzeige über die Höhe des fließfähigen Mediums in dem Behälter zu geben. Es wäre auch möglich, eine Anzeige der Höhe des fließfähigen Mediums durch Verwendung eines beweglichen Fühlers zu erzielen, wobei der Fühler solange bewegt wird, bis er in das fließfähige Medium eintaucht.

Claims (3)

1. Vorrichtung zum Feststellen des Vorhandenseins eines fließ­ fähigen Mediums mittels zweier temperaturabhängiger Halb­ leitervorrichtungen, die von sie über Umgebungstemperatur er­ wärmenden Strömen durchflossen werden, wobei mindestens eine der Halbleitervorrichtungen bei Vorhandensein des Mediums in dieses eintaucht und dabei seine elektrischen Eigenschaften in Abhängigkeit der damit verbundenen Temperaturerniedrigung ändert und die temperaturabhängigen elektrischen Eigenschaften beider Halbleiter miteinander verglichen werden, dadurch gekennzeichnet, daß der temperaturabhängige Verlauf der elektrischen Eigenschaften der beiden Halbleiter­ vorrichtungen (D 1, D 2) nahezu gleich ist, die beiden Halb­ leitervorrichtungen (D 1, D 2) von unterschiedlich großen Strömen durchflossen werden, beide Halbleitervorrichtungen (D 1, D 2) thermisch voneinander isoliert in gleicher Höhe relativ zur Oberfläche des fließfähigen Mediums angeordnet sind und die Änderung der Differenz der temperaturabhän­ gigen Eigenschaften der Halbleitervorrichtungen (D 1, D 2) gemessen wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Halbleitervorrichtungen (D 1, D 2) Zenerdioden sind, die durch je eine Konstantstromquelle (30, 31) in Sperrichtung vorgespannt sind und die an einen Spannungs­ vergleicher (33) angeschlossen sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Spannungsvergleicher (33) ein Signal erzeugt, wenn die Spannungsdifferenz größer als ein Schwell­ wert (V _D ) ist, der zwischen der Spannungsdifferenz im einge­ tauchten und derjenigen im nicht eingetauchten Zustand der Zenerdioden liegt.