DE3010721C2 - Pegelstands-Überwachungsanordnung - Google Patents

Description

a) der weitere Widerstand ist als Spannungsteiler (34,35) ausgebildet und dem Pegeldetektor (21) in seinen ausgangsseitigen Anschlußpunkten (P, R) parallelgeschaltet;

b) der Verstärker (55) ist an den Spannungsteilerpunkt angeschlossen und besitzt Schwellwertverhalten;

c) dem Spannungsteiler (34, 35) ist ferner in den ausgangsseitigen Anschlußpunkten (P, R) des Pegeldetektors (21) die Reihenschaltung aus einem Testschalter (32) mit einem Testwiderstand (33) parallelgeschaltet; und

d) der Testwiderstand (33) ist derart bemessen, daß der Eingangswiderstand des Verstärkers (55) einerseits größer als Null, und andererseits kleiner als der Widerstand (22) des von der Flüssigkeit benetzten Pegeldetektors (21) ist.

30

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker (55) einen Feldeffekttransistor (44) aufweis*, dessen Steuerelektrode (45) über einen Vorwiderstand (4?' an eine Reihenschaltung aus einem Gleichrichter (40) und einem Kondensator (41) angeschlossen ist, weicher von der an dem Spannungsteilerpunkt herrschenden Spannung aufgeladen wird.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Quellen/Senkenstrecke des Feldeffekttransistors (44) in Reihe zu einem Schah-Kondensator (50), einem Widerstand (51) und einer Diode (52) an die Versorgungsspannung (54) geschaltet ist.

4. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Kondensator (41) ein Widerstand (42) parallelgeschaltet ist.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichrichterdiode 40 die eine Belegung des Kondensators (41) und den Spannungsteilerpunkt verbindet.

6. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß

a) die Reihenschaltung aus einem Thyristor (61) und einer Relaisspule (64) an die Versorgungsspannung angeschlossen ist, und

b) die Steuerelektrode (60) des Thyristors (61) einerseits über wenigstens eine Diode (56,57) an die eine Belegung des Schalt-Kondensators (50) und andererseits über einen Widerstand (62) an das Bezugspotential (37) angeschlossen ist.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Relaisspule (64) eine Freilaufdiode (70) parallelgeschaltet ist.

8. Anordnung nach Anspruch 6. dadurch gekennzeichnet, daß die Relaisspule (64) auf einen Arbeitsund einen Ruhekontakt (65, 66) einwirkt, um eine Heizeinrichtung bzw. eine Anzeige zu betätigen.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Pegelstandsüberwachungsanordnung nach dem Gattungsbegriff des Anspruches 1.

Eine derartige Pegelstands-Überwachungsanordnung wird beispielsweise bei einem Boiler verwendet, um sicherzustellen, daß ein Aufheizen nur bei vorhandener Flüssigkeit erfolgt. Normalerweise wird zu diesem Zweck ein Wasserpegeldetektor in Form eines metallischen Fühlers verwendet, der gegenüber dem Behälter bzw. Boiler elektrisch isoliert ist Zwischen dem Fühler und der Flüssigkeit bzw. dem Wasser im Boiler wird eine elektrisch leitende Strecke gebildet, wenn die Flüssigkeit einen geeigneten Pegel aufweist Bei Wasserboilern können auf Grund der in dem Wasser enthaltenen Mineralsalze Ablagerungen auf dem Fühler selbst entstehen, die die Charakteristik des Fühlers in einer solchen Weise beeinflussen, daß ein unsicherer Zustand auftreten kann.

Durch die DE-OS 26 43 522 ist ein Fühler bekanntgeworden, der zuverlässig arbeitet und eine gewisse Eigensicherheit aufweist Während der Fühler selbst grundsätzlich eigensicher ist, kann jedoch beispielsweise ein dem Fühler nachgeschalteter Schaltkreis eine Fehlfunktion aufweisen, so daß beispielsweise der Boiler aufgeheizt wird, obgleich kein Wasser enthalten ist

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Pegelstands-Oberwachungsanordnung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß auch die Funktion des nachgeschalteten Schaltkreises überprüft werden kann.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt gemäß der im Anspruch 1 gekennzeichneten Erfindung.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist dem Fühler ein Verstärker mit Schwellwertverhalten nachgeschaltet. Ein Testschalter am Eingang des Verstärkers zieht die Spannung auf einen Punkt unterhalb der Spannung herunter, die normalerweise auftritt, wenn der Fühler von einer Flüssigkeit benetzt wird. Der Wert auf den die Spannung heruntergezogen wird, liegt etwas über dem Wert bei einem Kurzschluß, so daß auch ein unsicherer Zustand festgestellt werden kann, wenn der Fühler selbst den Kurzschluß hervorruft.

Wenn bei betätigtem Testschalter ein zuvor angezogenes Ausgangsrelais abfällt, so liegt eine normale Systemfunktion vor. Wenn jedoch bei betätigtem Tcstschalter das Ausgangsrelais nicht abfällt, so liegt ein Hinweis vor, daß der Verstärker selbst eine Fehlfunktion aufweist. Bei einem Kurzschluß des Fühlers direkt mit der Masse des Boilers kann dieser fehlerhafte Installationszustand ebenfalls festgestellt werden.

Anhand eines in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles sei im folgenden die Erfindung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung der Überwachungsanordnung, bestehend aus Spannungsversorgung, Fühler und Verstärker, wie sie bei einem Wasserboiler Anwendung findet; und

F i g. 2 eine Darstellung eines Wasserboilcr-Pcgelfühlers mit drei Elementen.

Fig. I zeigt ein vollständiges Wasserboiler-Steucrsy-

stem, das an Anschlüssen 10 und 11 aus einer herkömmlichen Netz-Wechselspannungsquelle gespeist wird. Ein Transformator 12 ist an die Anschlüsse 10 und 11 angeschlossen und besitzt eine Primärwicklung 13 und eine Sekundärwicklung 14 mit einem Abgriff. Die Sekundärwicklung 14 besitzt drei Anschlüsse 15, 16 und 17. Die zwischen den Anschlüssen IG und 17 auftretende Spannung beträgt ungefähr 8 V und die Gesamt-Ausgangsspannung zwischen den Anschlüssen 15 und 17 beträgt 24 V. Durch die Verwendung einer niedrigen Spannung ergeben sich die bekannten Vorzüge hinsichtlich der Verdrahtung und Steuerung.

Der Anschluß 16 ist bei 20 geerdet und andererseits mit einem Flüssigkeits-Pegeldetektor 21 verbunden. Der Flüssigkeits-Pegeldetektor 2i besteht aus einer Anordnung von drei Elementen und ist im Näheren in der eingangs erwähnten DE-OS 2643 522 dargestellt und beschrieben. Der Pegeldetektor 21 ist an seinem Anschluß C geerdet und besitzt ein aktives Fühlerelement P. Wenn der Pegeldetektor 21 von dem Wasser in dem Boiler benetzt ist, so bildet sich ein Widerstandsweg 22 zwischen den Anschlüssen G und P, wobei dieser Widerstand je nachdem, ob er benetzt ist oder nicht einen Wert zwischen ungefähr 10 Ω und 50 kQ einnehmen kann. Bei einem typischen Wasserboiler wird durch das Wasser ein Widerstand in der Größenordnung von 100 Ω erzeugt.

Der Pegeldetektor 21 besitzt ein weiteres Element R. Das Element R wird durch einen kleinen Ring gebildet, der zwischen dem Fühler und einer Masseanordnung angeordnet ist. Der Ring R weist einen relativ kleinen Querschnitt auf, und der Widerstand 23 zwischen dem Ring 7? und dem Fühler Fist relativ groß auf Grund der kleinen Querschnittsfläche des Ringes R. Ein weiterer Widerstand 24 wird zwischen dem Masseanschluß G und dem Ring R gebildet Der Widerstand 24 ist dem Abgriff der Sekundärwicklung des Transformators parallelgeschaltet und sein Wert ist nicht von wesentlicher Bedeutung. Die Betriebscharakteristik des Pegeldetektors 21 und Einzelheiten seines Aufbaues können der zuvor erwähnten Offenlegungsschrift entnommen werden. An dieser Stelle sei nur eine kurze weitere Beschreibung gegeben.

Fig.2 zeigt den Pegeldetektor 21 in seinem konstruktiven Aufbau. Das Fühlerelement selbst ist mit der Bezugsziffer 25 versehen und besteht aus einer Metallstange, die elektrisch durch einen zentralen Leiter 26 durch drei isolierte Elemente 27 zu dem Fühleranschluß Pgeführt ist. Die zwei unteren isolierenden Elemente 27 sind durch einen leitenden Ring 28 voneinander getrennt, wobei durch diesen Ring der Anschluß R vorgegeben wird. Das obere isolierende Element 27 trennt elektrisch ein Masseglied 30, das üblicherweise aus einer Gewindehülse mit Mutter besteht, welche in eine Öffnung eines Wasserboilers eingeschraubt werden kann. Es sei darauf verwiesen, daß der Fühlerstab 25 und der daran elektrisch angeschlossene Anschluß P elektrisch gegenüber den anderen Elementen isoliert ist. Der Ring 28 mit dem Anschluß R bildet einen Schutzring, der bei einem eigensicheren Betrieb zusammen mit der Massehülse 30 und dem damit versehenen Anschluß G verwendet wird. Wenn d.is Masseelement G, der Fühler P und der Ring R in Wasser oder einer sonstigen leitenden Flüssigkeit eingetaucht sind, so bilden die drei Widerstände 22,23 und 24 ein Dreieck.

Gemäß Fig. 1 ist der Fühler Püber eine Leitung 31 elektrisch an einen normalerweise geöffneten Testschalter 32 angeschlossen, der seinerseits über einen Widerstand 33 an einer Bezugsleitung 17 liegt Der Widerstand 33 kann durch eine beliebige Impedanz vorgegeben sein, die einen Spannungsabfall erzeugt und muß nicht unbedingt durch einen ohm'schen Widerstand vorgegeben werden. Die Leitung 31 ist ferner über einen Widerstand 34 an zwei weitere Widerstände 35 und 36 angeschlossen. Der Widerstand 35 liegt mit seinem anderen Anschluß an einer Bezugsleitung 37, die ihrerseits an den Schutzring R angeschlossen ist Der Schutzring R ist ferner über eine Leitung 38 mit der Bezugsleitung 17 der Sekundärwicklung der Spannungsversorgungseinrichtung verbunden.

Der Widerstand 36 ist über eine Diode 40 und einen Kondensator 41 an die Bezugsleitung 37 angeschlossen.

Dem Kondensator 41 ist ein Widerstand 42 parallelgeschaltet Der obere gemeinsame Anschluß von Kondensator 41 und Widerstand 42 ist über einen weiteren Widerstand 43 mit der Steuerelektrode 45 eines Feldeffekttransistors 44 verbunden. Die vorstehend beschriebene Eingangsschaltung liegt zwischen der Steuerelektrode 45 und der Quelle 46 des Feldeffektt-Vinsistoi-s 44.

Die Senke 47 des Feldeffekttransistors 44 ist über einen Kondensator 50, einen Widerstand 51 und eine Diode 52 an eine Leitung 53 angeschlossen, die ihrerseits über eine Sicherung 54 mit dem Anschluß 15 der Spann'.'.ngsversorgungseinrichtung 12 verbunden ist Die Leitung 53 liefert einen Wechselstrom für den Feldeffekttransistor 44, der das Verstärkungselement einer Verstärkeranordnung 55 darstellt Die Verstärkeran-Ordnung 55 besitzt hinsichtlich ihres Betriebes einen Schwellwertpegel, der durch das zwischen der Steuerelektrode 45 und der Quelle 46 des Feldeffekttransistors 44 erforderliche Potential vorgegeben wird. Dieser Schwellwert wird typischerweise durch eine negative Spannung von 3,5 V vorgegeben.

Der Schaltkreis weist ferner ein Paar von in Reihe geschalteten Dioden 56 und 57 auf, die einen Spannungsabfall erzeugen und zwischen die Senke 47 des Feldeffekttransistors 44 und eine Steuerelektrode 60 eines Thyristors 61 geschaltet sind. Die Steuerelektrode 60 ist ferner über einen Widerstand 62 an die Bezugsleitung 37 angeschlossen, so daß über die Steuerelektrode 60 der Thyristor 61 immer dann in den stromführenden Zustand geschaltet wird, wenn durch den über die Diöden 56 und 57 und den Widerstand 62 fließenden Strom ein ausreichendes Potential an der Steuerelektrode 60 vorgegeben wird. Der Thyristor 61 ist mit seiner Anode über eine Leitung 63 an ein Relais 64 angeschlossen, das einen Arbeitskontakt 65 und einen Ruhekontakt 66 aufweist. Dem Relais 64 ist in herkömmlicher Weise eine Freilaufdiode 70 parallelgeschaltet. Die Kathode des Thyristors 61 ist über eine Leitung 71 an die Bezugsl?itung 37 angeschlossen. Ein Widerstand 58 verbindet die Pezü^sliitung 37 mit dem gemeinsamen Schaltungspunkt von Widerstand 51 und Diode 52, um eine vollständige Entladesti ecke für den Kondensates· 50 vorzugeben. Der Arbeitskontakt 65 des Relais 64 dient zur Steuerung einer Last, beispielsweise einer Heizeinrichtung, die an den Anschlüssen 72 und 73 anschließbar ist.

Der Ruhekontakt 66 kann für die Steuerung einer Anzeige an den Anschlüssen 74 und 75 verwendet werden. Es liegt auf der Hand, daß immer dann, wenn die Last an Spannung gelegt ist, der Anzeigekontakt 66 geöffnet ist, um eine mögliche Alarmfunktion zu verhindern, immer, wenn der Lastkontrkt 65 geöffnet ist, ist der Anzeigekontakt 66 geschlossen, um darauf hinzuweisen, daß die Heizeinrichtung von der Spannungsversorgung abgetrennt ist. Der Gesamtschaltkreis wird durch einen Kon-

densator 76 vervollständigt, der über eine Leitung 77 an Masse gelegt ist und über eine Leitung 78 mit der Bezugsleitung 37 verbunden ist. Der Kondensator 76 dient dem Kurzschluß von Störspannungen der Spannungsversorgungseinrichtung 12, so daß diese keinen Einfluß auf den Betrieb der Gesamtanordnung besitzen.

Anhand des vorstehend beschriebenen Aufbaues der Überwachungsanordnung sei nunmehr deren Wirkungsweise beschrieben.

Beim Vorliegen einer Netzspannung an den Anschlüssen 10 und 11 und bei vorhandenem Wasser in dem Boiler ergeben sich hinsichtlich des Pegeldetektors

21 die Widerstände 22,23 und 24, wobei der Widerstand

22 typischerweise einen Wert von 100 Ohm aufweist. Wie zuvor erwähnt, kann sich dieser Wert im Bereich von 10 Ω und 50 kQ bewegen. Bei der Verwendung des Pegeldetektors in einem Wasserboiler beträgt jedoch dieser Weri iypischerweise !00Ω. Der Widerstand 23 ist insgesamt sehr hoch auf Grund der kleinen Querschnittsfläche des Ringes R und der Widerstand 24 ist für den Betrieb der Anordnung nicht wesentlich.

Bei angelegter Netzspannung an dem Transformator tritt eine Spannung von ungefähr 8 V auf der Leitung 16 und eine Spannung von ungefähr 24 V auf der Leitung 15 bezogen auf die Leitung 17 auf. Das Potential auf der Leitung 15 wird über die Sicherung 54 und die Leitung 53 an das Relais 64 angelegt. Zu jeder Zeit, wo der Thyristor 61 Strom führt, wird die Halbwellenenergie der Relaisspule 64 zugeführt und dieses Relais zieht an. Ist das Relais einmal an Spannung gelegt, so bleibt es auch während des nächsten Halbzyklus der Speisespannung auf Grund der Freilaufdiode 70 erregt. Es ist somit erkennbar, daß hinsichtlich des Thyristors 61 nur eine Halbwellenerregung des Relais 64 erforderlich ist.

Der die Anzapfung bildende Leiter 16 ist bei 20 geerdet and mit dem Anschluß G des Pegeldetektors 21 verbunden. Dieser Anschluß C wird normalerweise durch ein Schraubeiement gebildet, mit welchem der Pegeldetektor 21 in einem Boiler montiert wird. Die Spannung von 8 V wird über den relativ kleinen Widersland 22 an die Leitung 31 angelegt. Wenn die Leitung 17 positiv im Hinblick auf Masse, d.h. im Hinblick auf die Leitung 16 ist, so fließt ein Strom über die Leitung 17 und die Leitung 38 zu der Leitung 37 und von dort auf den Kondensator 41, wobei durch die Diode 40 eine Aufladung des Kondensators 41 mit der eingezeichneten Polarität vorgegeben wird. Die negativ aufgeladene Seite des Kondensators 41 wird über den Widerstand 43 an die Steuerelektrode 45 des Feldeffekttransistors 44 angelegt. Wen.i die Leitung 37 positiv gegenüber der Leitung 53 ist, so fließt ein Strom durch den Feldeffekttransistor 44 und lädt den Kondensator 50 auf, wobei diese Ladung die eingezeichnete Polarität besitzt. Dieser Ladestrom fließt ferner über den Widerstand 51 und die Diode 52 zu der Leitung 53.

Ohne eine Vorspannung an der Steuerelektrode 45 des Feldeffekttransistors 44 ist dieser in der Lage, sowohl einen Strom von der Quelle 46 zu der Senke 47 als auch von der Senke 47 zurück zu der Quelle 46 zu ziehen. Der Kondensator 50 lädt und entlädt sich daher über den Feldeffekttransistor und es fließt kein Strom über den Widerstand 62 auf Grund des geringen Innenwiderstandes des Feldeffekttransistors 44. Wird in der dargestellten Weise ein Potential von dem Kondensator 41 an die Steuerelektrode 45 angelegt, so kann der Feldeffekttransistor 44 einen Strom von der Quelle 46 zu der Senke 47 führen, wobei der Kondensator 50 in der eingezeichneten Weise aufgeladen wird- Wenn die Spannungsversorgungseinrichtung 12 ihre Polarität umkehrt, so daß die Leitung 53 positiv gegenüber der Leitung 37 wird, so hält die über dem Kondensator 41 auftretende und an die Steuerelektrode 45 angeschlossene Spannung den Feldeffekttransistor 44 im ausgeschalteten Zu- ' stand. Da der Feldeffekttransistor 44 keinen Strom führen kann, wenn der Kondensator 41 die dargestellte Ladung aufweist und die Leitung 53 positiv im Hinblick auf die Leitung 37 ist, fließt die Ladung des Kondensators 50 über das Paar von Dioden 56 und 57 und über den Widerstand 62 und erzeugt einen Steuerimpuls an der Steuerelektrode 60 des Thyristors 61. Der leitende Zustand des Thyristors 61 führt zu einer Erregung des , Relais 64, wobei dieses bei der nächsten Halbwelle durch die Freilaufdiode 70 im erregten Zustand gehal- ; ten wird. Bis hierhin wurde der Normalbetrieb des Systems beschrieben, bei welchem Wasser den Pegeldetektor 21 benet?t. und bei welchem der Testschalter 32 geöffnet ist. Unter normalen Betriebsbedingungen ist der Relaiskontakt 65 geschlossen, um eine Heizeinrichtung einzuschalten und der Anzeigekontakt 66 ist geöffnet, um anzuzeigen, daß ein normaler Betriebszustand vorliegt.
Bei den gerade beschriebenen Zuständen ist es unmöglich zu sagen, ob die Verstärkeranordnung 55 normal gearbeitet hat oder ob irgendein Fehler in der Verstärk/ -anordnung 55 aufgetreten ist, der die Stromführung des Thyristors 61 verursacht hat. Ferner kann keine Feststellung bislang getroffen werden, ob der Widerstand 22 des Pegeldetektors «1 in Wirklichkeit nicht ' durch eine Erdung des Fühlerslementes P hervorgerufen worden ist. Ein solcher Fehler kann durch eine falsche Installation hervorgerufen werden; ein niedriger Widerstand 22 kann aber auch durch gegen den Fühler schwappendes Wasser vorgegeben werden.

Mittels des Testschalters 32 können solche Fälle überprüft werden. Es sei zunächst angenommen, daß der Pegeldetektor richtig installiert ist und daß das Boilerwasser einen Wert hinsichtlich des Widerstandes 22 vorgibt, der 10 Ω übersteigt. Durch das Drücken des Testschalters 32 wird der Widerstand 33 direkt in Reihe zu dem Widerstand 22 zwischen den Leitungen 16 und 17 geschaltet. Da der Widerstand 33 sehr klein ist und in dem spezifischen Beispiel in der Größenordnung von 4 Ω liegt, ist die über dem Widerstand 33 abfallende Spannung relativ klein im Vergleich zu der über dem Widerstand 22 des Pegeldetektors abfallende Spannung. Durch diese relativ kleine Spannung wird das Potential an der Steuerelektrode 45 des Feldeffekttransistors 44 heruntergezogen. Wenn das gesamte System normal arbeitet, ruft das Herunterziehen der Spannung an der Steuerelektrode 45 eine Entladung des Kondensators 50 über den Feldeffekttransistor hervor, wodurch der Thyristor 61 zu leiten aufhört Hierdurch fällt das Relais 64 ab und der Anzeigekontakt 66 wird geschlossen. Dem Wartungspersonal wird somit angezeigt, daß das System richtig arbeitet. Wenn beim Drücken des Testschalters 32 das Relais nicht abfällt, so weiß der Installateur oder die Wartungsperson, daß ein Fehler in der Verstärkeranordnung 55 aufgetreten ist durch welchen der Thyristor 61 im leitenden Zustand gehalten wird und das Relais 64 angezogen bleibt

Wenn das System in offensichtlich normaler Weise gearbeitet hat, so kann dieser offensichtlich normale Betriebszustand durch einen Kurzschluß des Fühlers P mit Masse G hervorgerufen worden sein. Dies kann ebenfalls durch Betätigung des Testschalters 32 festgestellt werden, welche Betätigung normalerweise einen

Abfall des Relais 64 nach sich zieht. Ein nicht abfallendes Relais 64 bedeutet, daß der Widerstand zwischen den Anschlüssen Pund Cd. h. der Widerstand 22 kleiner als der geforderte Wert von 10 Ω ist und somit praktisch einem Kurzschluß gleich kommt.

Der vorliegende Schaltkreis besitzt eine weitere Funktion, die wünschenswert ist, um störende Fehleranzeiger auszuschalten, wenn sich das Wasser in der Nähe des Endes des Fühlers P befindet und durch eine Welle in dem Boiler eine momentane Unterbrechung des Kontaktes zwischen dem Fühler P und Ma-)Se C auftritt. Diese Funktion wird durch den Widerstand 42 und den Kondensator 41 verwirklicht, indem beide Elemente eine geringe Zeitverzögerung hinsichtlich des Betriebs des Feldeffekttransistors 44 hervorrufen. Diese geringe Zeitverzögerung verhindert störende Alarme bzw. Systemabschaltungen, wenn der Wasserpegel gerade die Spitze des Fühlers P berührt und durch irgendeine momentane Störung der Schaltkreis zwischen Mass? Π und Fühler P unterbrochen und somit der Widerstand 22 verändert wird. Der Betrag der Zeitverzögerung kann einfach durch die Größen des Kondensators 41 und des Widerstandes 42 vorgegeben werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

30

35

40

45

50

55

60

65

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Pegelstands-Überwachungsanordnung mit einem bei Benetzung seinen Widerstand verringernden drei Anschlußpunkte aufweisenden Flüssigkeits-Pegeldetektor im Eingangskreis eines Verstärkers, wobei der Detektor in Reihe zu einem weiteren Widerstand an eine Versorgungsspannung geschaltet ist, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale: