DE3201708C2

DE3201708C2 - Meßfühler zur Bestimmung der Standhöhe von flüssigen Gasen

Info

Publication number: DE3201708C2
Application number: DE3201708A
Authority: DE
Inventors: H.-Rainer 4053 Jüchen Ellinghaus
Original assignee: Kernforschungsanlage Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 1982-01-21
Filing date: 1982-01-21
Publication date: 1986-07-31
Also published as: GB2114303A; GB8301575D0; DE3201708A1; FR2520107A1; GB2114303B; BE895647A; FR2520107B1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Fühler zur Bestimmung der Standhöhe von flüssigen Gasen. Das die Standhöhe der Flüssigkeit anzeigende elektrische Signal wird dabei mittels eines temperaturabhängigen Widerstands gebildet. Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, einen Fühler der vorgenannten Art zu schaffen, mit dem eine eindeutige Bestimmung der Standhöhe des flüssigen Gases möglich ist. Der Fühler zeichnet sich dadurch aus, daß er neben dem die Standhöhe anzeigenden, temperaturabhängigen Widerstand einen weiteren elektrischen Widerstand aufweist, der mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt wird. Dadurch wird der Fühler, wenn er sich außerhalb der Flüssigkeit befindet, stärker erwärmt, als wenn er in der Flüssigkeit eingetaucht ist. Das führt zu einer merkbaren Signaländerung beim Eintauchen in die Flüssigkeit bzw. Heraustreten des Fühlers aus der Flüssigkeit. Bei einen Fühlersystem der in der Zeichnung (Fig. 3) dargestellten Art pendelt die Standhöhe der Flüssigkeit zwischen den Positionen der beiden mittleren Fühler "voll" und "nachfüllen". Die beiden übrigen Fühler dienen im Fall des Überlaufs und bei leerem Behälter zur Alarmanzeige.

Description

a) der Fühler neben dem ersten, zur Anzeige der Standhöhe dienenden temperaturabhängigen Widerstand einen weiteren elektrischen Widerstand aufweist, der gegenüber dem ersten Widerstand galvanisch getrennt angeordnet,

b) zur Beaufschlagung mit einer elektrischen Spannung vorgesehen ist, und daß

c) die beiden Widerstände in einer gemeinsamen Umhüllung angeordnet und hermetisch dicht gegenüber dem Außenmedium abgekapselt sind.

2. Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Widerstandspaar ein 2 χ PT 100 vorgesehen ist

3. Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Widerstandspaar ein 2 χ PT 100 in gemeinsamer Edelstahlmantelung vorgesehen ist.

4. Meßfühlersystem, bestehend aus Meßfühlern gemäß den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei miteinander in fester mechanischer Verbindung stehende Meßfühler versetzt zueinander so angeordnet sind, daß bei senkrechter Anordnung des Meßfühlersystems in einem die Flüssigkeit enthaltenden Behälter der tiefer in den Behälter hineinragende Meßfühler zur Abgabe des Signals zum Einfüllen von Flüssigkeit in den Behälter und der weniger tief in den Behälter hineinragende Meßfühler zur Abgabe des Signals zum Beenden des Einfüllens von Flüssigkeit in den Behälter dienen.

5. Meßfühlersystem gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwei weitere Meßfühler vorgesehen und gegenüber den beiden ersten Meßfühlern versetzt so angeordnet sind, daß der eine weitere, für die Überwachung des Einfüllvorgangs vorgesehene Meßfühler bei senkrechter Anordnung des Meßfühlersystems die tiefste Position und der zweite weitere, für die Überwachung des Abschaltvorgangs vorgesehene Meßfühler die höchste Position einnimmt.

Die Erfindung bezieht sich auf einen Meßfühler zur Bestimmung der Standhöhe von flüssigen Gasen wie flüssiger Stickstoff oder flüssiger Sauerstoff, bei dem das die Standhöhe der Flüssigkeit anzeigende elektrische Signal mittels eines temperaturabhängigen Widerstandes gebildet wird. Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein aus mehreren Meßfühlern gebildetes Meßfühlersystem.

Meßfühler zur Bestimmung der Standhöhe von flüssigen Gasen sind bekannt. Für diese werden in der Regel temperaturempfindliche Halbleiter, Heißleiter, Kaltleiter oder Dioden verwendet.

Ein Anwendungsgebiet für derartige Meßfühler besteht beispielsweise in der Bestimmung der Standhöhe von flüssigen Gasen in Gasreinigungsfallen, die beispielsweise im Gaskreislauf eines Metallprüffeldes eingesetzt werden. Das mittels des Meßfühlers erhaltene elektrische Signal kann insbesondere bei Verwendung mehrerer Meßfühler als Eingangsgröße für eine Steuerung der Flüssigkeitszufuhr dienen.

Schwierigkeiten bereitet jedoch die eindeutige Bestimmung der Standhöhe der Flüssigkeiten, da die Temperatur des Gases direkt oberhalb der Oberfläche des flüssigen Gases kaum höher liegt als die Temperatur des flüssigen Gases.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Meßfühler zur Bestimmung der Standhöhe von flüssigen Gasen zu schaffen, mit dem eine eindeutige Bestimmung der Standhöhe des flüssigen Gases möglich ist.

Diese Aufgabe wird bei einem Meßfühler der eingangs bezeichneten Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß

a) der Meßfühler neben dem ersten, zur Anzeige der Standhöhe dienenden temperaturabhängigen Widerstand einen weiteren elektrischen Widerstand aufweist, der gegenüber dem ersten Widerstand galvanisch getrennt angeordnet,

b) zur Beaufschlagung mit einer elektrischen Spannung vorgesehen ist, und daß

c) die beiden Widerstände hermetisch dicht gegenüber dem Außenmedium abgekapselt sind.

Bei der Konzeption des Meßfühlers gemäß der Erfindung ist von dem Umstand Gebrauch gemacht worden, daß sich der Meßfühler im flüssigen Gas in einem Medium guter Leitfähigkeit, im darüberliegenden Gas dagegen in einem Medium schlechter Leitfähigkeit befindet.

Wird dem Meßfühler, was über den zweiten Widerstand geschieht, elektrische Energie in der Größenordnung von höchstens einigen Watt zugeführt, so resultiert hieraus für den Fall, daß der Meßfühler in der Flüssigkeit eingetaucht ist, eine geringere Signaländerung infolge Erwärmung als für den Fall, daß der Meßfühler sich außerhalb der Flüssigkeit befindet. Denn bei eingetauchtem Meßfühler wird die zugeführte Energie zusätzlich über den Meßfühler auch über die Flüssigkeit abgeleitet, während bei einem oberhalb der Flüssigkeit befindlichen Meßfühler die Ableitung der zugeführten Energie lediglich über den Meßfühler selbst, kaum aber über das den Meßfühler umgebende Gas erfolgt. Die dem Meßfühler zugeführte elektrische Energie führt somit für den Fall, daß das Flüssigkeitsniveau unter den

so Meßfühler absinkt, zu einer sprunghaften Signaländerung und infolgedessen zu einer eindeutigen Anzeige, daß der Meßfühler sich nicht mehr im flüssigen Gas befindet.
Ein Meßfühler gemäß dem Stand der Technik, von dem die Erfindung ausgeht, ist aus der DE-PS 8 13 968 bekannt. Dieser bekannte Meßfühler besteht aus nur einem temperaturabhängigen Widerstand, von dem das die Standhöhe der Flüssigkeit anzeigende elektrische Signal ausgeht. Er ist für die Messung der Standhöhe von flüssigen Gasen jedoch nicht geeignet. Denn einerseits wäre die Heizleistung des bekannten Meßfühlers wegen der damit bewirkten Erwärmung für den beabsichtigten Zweck zu hoch, andererseits wäre dieser Meßfühler auch wegen des zu hohen Heizstromes zu unpräzise, als daß er für eine Messung in flüssigen Gasen in Betracht käme.

Nur mittels einer komplizierten Elektronik, die beispielsweise einen kleinen (wegen der Präzision) Gleich-

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spannungsmeßstrom von einem Heiz-AVechselstrom trennt, könnte der bekannte Meßfühler für die Messung der Standhöhe von flüssigen Gasen aufgerüstet werden.

Demgegenüber besteht der Fühler gemäß der Erfindung aus zwei Widerständen, nämlich dem zur Anzeige dienenden temperaturabhängigen Widerstand und einem weiteren elektrischen Widerstand, der als Heizwiderstand dient. Der Meßkreis ist somit von dem Heizkreis elektrisch getrennt Der Meßfühler gemäß der Erfindung ist daher ein billiges und dennoch genau arbeitendes Gerät das nur einer einfachen Elektronik bedarf.

Eine zweckmäßige Ausgestaltung des Meßfühlers besteht darin, daß als Widerstandspaar ein 2 χ PT 100 vorgesehen ist Von Vorteil ist dabei die Verwendung der Ausführung 2 χ PT 100 in gemeinsamer Edelstahlmantelung, da diese Ausführungsform des Meßfühlers gemäß der Erfindung eine Aufheizung des Meßfühlers auf bis zu 400⁰C erlaubt Das ist insbesondere bei Verwendung des Meßfühlers in Gasreinigungsfallen unbedingt erforderlich. . ..

Vorteilhaft ist ferner ein Meßfühlersystem, bei dem zwei miteinander in fester mechanischer Verbindung stehende Meßfühler versetzt zueinander so angeordnet sind, daß bei senkrechter Anordnung des Meßfühlersystems in einem die Flüssigkeit enthaltenden Behälter der tiefer in den Behälter hineinragende Meßfühler zur Abgabe des Signals zum Einfüllen von Flüssigkeit in den Behälter und der weniger tief in den Behälter hineinragende Meßfühler zur Abgabe des Signals zum Beenden des Einfüllens von Flüssigkeit in den Behälter dienen. Da die Meßfühler eine eindeutige Bestimmung des Flüssigkeitsniveaus zulassen, ist es mit dem Meßfühlersystem ohne weiteres möglich, den Flüssigkeitsstand innerhalb eines vorgegebenen Pegels zu halten. Zur Vermeidung von unerwünschten Störungen ist außerdem eine Weiterausgestaltung des Meßfühlersystems zweckmäßig, die darin besteht, daß zwei weitere Meßfühler vorgesehen und gegenüber den beiden ersten Meßfühlern versetzt so angeordnet sind, daß der eine weitere, für die Überwachung des Einfüllvorgangs vorgesehene Meßfühler bei senkrechter Anordnung des Meßfühlersystems die tiefste Position und der zweite weitere, für die Überwachung des Abschaltvorgangs vorgesehene Meßfühler die höchste Position einnimmt.

Die Arbeitsweise einer bestimmten Ausführungsform des Meßfühlers gemäß der Erfindung wird im folgenden näher beschrieben sowie eine Ausführungsform des Meßfühlersystems schematisch angegeben.

Es zeigen

F i g. 1 die Widerstandskurve des Meßwiderstandes des Meßfühlers bei Verwendung für flüssigen Stickstoff,

F i g. 2 die Heizstromkurve des Heizwiderstandes des Meßfühlers bei Verwendung für flüssigen Stickstoff,

F i g. 3 schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Meßfühlersystems mit zusätzlichen Alarm- stufen,

F i g. 4 schematische Darstellung eines Schaltverstärkers für das Meßfühlersystem mit zusätzlichen Alarmstufen.

Die in F i g. 1 wiedergegebene Widerstandskurve des Meßwiderstandes ist die Kurve eines der beiden Widerstände eines Doppelwiderstandsthermometers 2 χ PT 100 (Bezeichnung nach DIN 43760) in gemeinsamer Edelstahlmantelung. Die Meßhülsenlänge beträgt 20 mm, der Durchmesser des Meßfühlers ist 6 mm. Der Meßfühler wird zur Bestimmung der Standhöhe von flüssigem Stickstoff (Temperatur minus 196°C), der in F i g. 1 schraffiert dargestellt ist, verwendet.

An den Heizwiderstand des Meßfühlers ist eine konstante Gleichspannung von 8 Volt angelegt Damit ergibt sich die in F i g. 2 angegebene Heizstromkurve.

Wie aus F i g. 1 hervorgeht, beträgt der Widerstandswert des Meßwiderstandes für den Fall, daß der Meßfühler über die volle Meßhülsenlänge im flüssigen Stickstoff eingetaucht ist, 40 Ohm (entspricht minus 50⁰C). Befindet sich der Meßfühler oberhalb des flüssigen Stickstoffs mit einem Abstand von 2 mm über der Oberfläche der Flüssigkeit, so ist der Widerstandswert des Meßwiderstandes 85 Ohm (entspricht minus 38° C).

In Fig. 3 ist ein Meßfühlersystem, bestehend aus vier Meßfühlern der Type 2 χ PT 100, schematisch dargestellt An jeweils einen der Meßfühlerwiderstände ist eine Spannung von 8 Volt angelegt Die Zuleitungen 1 bis S sind bei Betrieb mit den Klemmen 1 bis 5 des in F i g. 4 dargestellten Schaltverstärkers verbunden.

Der Schaltverstärker besteht aus vier Operationsverstärkern μ A 741 C mit der in F i g. 4 angegebenen Beschaltung. Als Eingangsgröße dient die Widerstandskennlinie der Meßfühler entsprechend der Darstellung in Fig. 1, weiche in einen Zweig der Eingangsbrückenschaltung eingebracht wird. Der Arbeitspunkt von 60 Ohm wird mit dem 5 K-Potentiometer eingestellt. Die Offset-Kompensation geschieht mit dem 10 K-Potentiometer. Ein sprunghaftes Durchschalten der Transistorstufe und somit des Relais wird durch eine Zehnerdiode in Sperrichtung erreicht Die Relaiskontakte können zur beliebigen Verschaltung benutzt werden, zum Beispiel als Vierpunktfüllanzeige des Behälterniveaus und als Eingangskontakte für eine frei programmierbare Steuerung wie im vorliegenden Anwendungsfall.

Bei störungsfreiem Betrieb des in F i g. 3 dargestellten Meßfühlersystems pendelt die Standhöhe der Flüssigkeit zwischen den Positionen der beiden mittleren Meßfühler »voll« und »nachfüllen« (s. F i g. 3). Die beiden übrigen Meßfühler dienen im Fall des Überlaufs und bei leerem Behälter zur Alarmanzeige.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

32 Ol 708 Patentansprüche:

1. Meßfühler zur Bestimmung der Standhöhe von flüssigen Gasen wie flüssiger Stickstoff oder flüssiger Sauerstoff, bei dem das die Standhöhe der Flüssigkeit anzeigende elektrische Signal mittels eines temperaturabhängigen Widerstandes gebildet wird, gekennzeichnet durchdie Merkmalskombination, daß