DE3209780C2

DE3209780C2 -

Info

Publication number: DE3209780C2
Application number: DE19823209780
Authority: DE
Inventors: Walter Dipl.-Phys. Dr. 7850 Loerrach De Kaestel
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 1982-03-17
Filing date: 1982-03-17
Publication date: 1989-07-06
Also published as: DE3209780A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen thermischen Grenzschal ter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein thermischer Grenzschalter dieser Art ist aus der DE-PS 8 69 701 bekannt. Dieser bekannte thermische Grenzschalter enthält einen elektrisch geheizten Widerstand, dessen Wärme abgabe von dem Flüssigkeitsstand abhängig und der auf der Höhe des zu erfassenden Füllstandes angeordnet ist. Die Funk tionsweise von thermischen Grenzschaltern dieser Art beruht auf der unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeit von Luft und Flüssigkeiten. Beispielsweise leitet Wasser die Wärme mehr als 20mal besser als Luft. Wenn das elektrisch geheizte Ele ment, dessen Temperatur über der Temperatur der Flüssigkeit liegt, aus Luft in die Flüssigkeit eintaucht, so fällt bei konstanter Heizleistung die Temperatur stark ab; wenn eine Temperaturregeleung angewendet wird, um die Temperatur des elektrisch geheizten Elements auf einem konstanten Wert zu halten, so steigt die erforderlicher Heizleistung an. Der Tem peraturabfall oder die Zunahme der Heizleistung kann als Kriterium dafür verwendet werden, daß der Füllstand im Behäl ter die Höhe des Grenzschalters erreicht hat.

Bei den bisher bekannten thermischen Grenzschaltern dieser Art wird das elektrisch geheizte Element auf einer Temperatur gehalten, die über der höchsten im Betrieb vorkommenden Tem peratur der Flüssigkeit oder Luft liegt, damit ein sicheres Ansprechen gewährleistet ist. Der Energiebedarf ist somit immer auf den ungünstigsten Fall ausgerichtet und demzufolge beträchtlich groß. Dennoch kann es in ungünstigen Fällen zu Fehlanzeigen kommen, beispielsweise dann, wenn das elektrisch geheizte Element aus kalter Luft in eine sehr heiße Flüssig keit eintaucht. Ferner kann es Schwierigkeiten geben, wenn die Temperatur des umgebenden Mediums im Betrieb großen Schwankungen unterworfen ist, oder wenn sich die Wärmeablei tungsbedingungen, beispielsweise infolge von Ansatzbildungen, verändern.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines thermischen Grenzschalters, der bei geringem Energieverbrauch ein siche res Ansprechen unabhängig von den Umgebungsbedingungen ge währleistet.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Die Funktionsweise des thermischen Grenzschalters nach der Erfindung ist weitgehend unabhängig von der Temperatur der Luft und der Flüssigkeit, weil sie lediglich durch das unter schiedliche Verhalten von Luft und Flüssigkeit bei einer vor gegebenenen Temperaturdifferenz bedingt ist. Die zur Aufrecht erhaltung dieser Temperaturdifferenz erforderliche Heiz- oder Kühlleistung ist in der Flüssigkeit wesentlich größer als in Luft, innerhalb des gleichen Mediums aber in einem großen Temperaturbereich im wesentlichen konstant. Temperaturände rungen des gleichen Umgebungsmediums haben daher keinen Ein fluß auf das Ausgangssignal des thermischen Grenzschalter. Ferner arbeitet der thermische Grenzschalter auch bei großen Temperaturunterschieden zwischen der Luft und der Flüssigkeit einwandfrei.

Ein besonderer Vorteil des thermischen Grenzschalters nach der Erfindung besteht darin, daß die geregelte Temperatur differenz sehr klein sein kann, so daß die zur Aufrechterhal tung dieser Temperaturdifferenz erforderliche Heiz- bzw. Kühl leistung sehr gering ist. Die Energieversorgungseinrichtung braucht daher nur für diese geringe Leistung ausgelegt zu sein.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeich nung beschrieben. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Flüssigkeitsbehälters mit einem thermischen Grenzschalter nach der Erfin dung,

Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung einer Ausführungsform des Füllstandssensors des thermischen Grenzschalters von Fig. 1,

Fig. 3 das Blockschaltbild der Schaltungsanordnung des ther mischen Grenzschalters und

Fig. 4 das Schaltbild einer Ausführungsform der Temperatur regelanordnung in der Schaltungsanordnung von Fig. 3.

Fig. 1 zeigt einen Behälter 1, der eine Flüssigkeit 2 enthält. In einer vorbestimmten Höhe h ist an der Behälter wand ein thermischer Grenzschalter 3 angeordnet, der anzeigt, ob der Füllstand der Flüssigkeit 2 im Behälter 1 die Höhe h erreicht hat oder nicht. Der thermische Grenzschalter 3 kann bespielsweise als Überfüllsicherung dienen, er kann aber auch auf einer sehr niedrigen Höhe angebracht sein, um ein bevorstehendes Entleeren des Behälters anzuzeigen.

Der thermische Grenzschalter 3 besteht aus einem im Innern des Behälters 1 liegenden Füllstandssensor 4 und einem außer halb des Behälters angeordneten Gehäuse 5, das die zugehörige Stromversorgung und Signalverarbeitungsschaltung enthält. Die Stromversorgung und/oder die Signalverarbeitungsschaltung können auch an einer entfernten Stelle angeordnet und durch Leitungen mit dem Füllstandssensor 4 verbunden sein.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Füllstandssensors 4. An einer in eine Öffnung 6 der Wand des Behälters 1 einge setzten Abschlußwand 7 des Gehäuses 5 ist ein Träger 8 aus wärmeisolierendem Material befestigt. Das ins Behälterinnere ragende freie Ende des Trägers 8 trägt ein elektrisch geheiztes Element 9. Neben dem elektrisch geheizten Element 9 ist ein Temperatursensor 10 so angebracht, daß er auf die Temperatur R₉ des elektrisch geheizten Elements 9 anspricht. Ein zweiter Temperatursensor 11 ist an dem Träger 8 in solchem Abstand vom elektrisch geheizten Element 9 angebracht, daß er nur auf die Temperatur R _u des ihn umgebenden Mediums anspricht und von der Temperatur R₉ des elektrisch geheizten Elements 9 im wesentlichen unbe einflußt bleibt. Das elektrisch gezeigte Element 9 und die beiden Temperatur sensoren 10, 11 sind mit der im Gehäuse 5 untergebrachten Schaltungsanordnung verbunden, dessen Prinzipschema in Fig. 3 gezeigt ist.

Wie Fig. 3 zeigt, sind die beiden Temperatursensoren 10, 11 mit zwei Eingängen einer Temperaturregelanordnung 12 ver bunden, an deren Ausgang das elektrisch geheizte Element 9 angeschlossen ist. Die Temperaturregelanordnung 12 ist so ausgebildet, daß sie eine vorgegebene konische Differenz ΔR zwischen den von den beiden Temperatursensoren 10 und 11 angezeigten Temperaturen aufrechtzuerhalten sucht. Sie stellt die dem elektrisch geheizten Element 9 zugeführte Heizleistung so ein, daß diese Bedingung erfüllt ist.

An den Ausgang der Temperaturregelanordnung 12 ist ferner ein Schwellenwertschalter 13 angeschlossen, der auf die dem elektrisch geheizten Element 9 zugeführte Heizleistung anspricht. Der Schwel lenwertschalter 13 gibt am Ausgang ein Signal ab, das einen ersten Wert hat, wenn die Heizleistung unter einem vorgege benen Schwellenwert liegt, und einen zweiten Wert, wenn die Heizleistung über dem Schwellenwert liegt. Wenn die Änderung der Heizleistung durch Änderung der Ausgangsspannung der Temperaturregelanordnung erfolgt, genügt es natürlich, wenn der Schwellenwertschalter 13 auf diese Ausgangsspannung an spricht.

Die beschriebene Anordnung arbeitet in der folgenden Weise:

Wenn der Füllstand im Behälter unter der Höhe h liegt, be finden sich das elektrisch geheizte Element 9 und die beiden Temperatursen soren 10 und 11 in Luft. Der Temperatursensor 11 zeigt als Umgebungs temperatur R _u die Lufttemperatur an. Die Temperaturregelanordnung 13 schickt zu dem elektrisch geheizten Element 9 die Heizleistung, die erforderlich ist, um die vom Temperatursensor 10 angezeigte Temperatur R₉ um die vorgegebene Differenz ΔR über der Lufttemperatur R _u zu halten. Die aufrechterhaltene Temperaturdifferenz ΔR liegt vorzugsweise zwi schen etwa 20°C und 50°C, sie kann jedoch auch auf einen Wert bis zu 10°C oder sogar 5°C verringert werden. Die zur Aufrecht erhaltung einer so kleinen Temperaturdifferenz erforderliche Heizleistung ist sehr gering.

Wenn der Füllstand im Behälter 1 die Höhe h überschreitet, umspült die Flüssigkeit 2 sowohl das elektrisch geheizte Element 9 als auch die beiden Temperatursensoren 10 und 11. Der Temperatur sensor 11 zeigt nunmehr als Umgebungstemperatur R _u die Temperatur der Flüssigkeit 2 an. Die Temperaturregelanordnung 12 sucht die vom Temperatur sensor 10 angezeigte Temperatur R₉ des Heizelements 9 um die vorgegebene Temperaturdifferenz ΔR über der Flüssigkeitstem peratur zu halten. Die hierfür erforderliche Heizleistung ist wesentlich größer als die zuvor zur Aufrechterhaltung der Temperaturdifferenz ΔR in Luft erforderliche Heizleistung. Dies beruht darauf, daß Flüssigkeiten die Wärme mehr als 20mal besser als Luft leiten. Die Heizleistung überschrei tet daher den Schwellenwert des Schwellenwertschalters 13, so daß dieser anspricht und durch Änderung seines Ausgangs signals anzeigt, daß der Füllstand die Höhe h überschritten hat.

Wenn der Füllstand unter die Höhe h fällt, stellt sich der zuerst erläuterte Zustand wieder ein.

Es ist nicht unbedingt notwendig, daß die Temperaturregel anordnung 12 im eingetauchten Zustand die volle Temperatur differenz ΔR aufrechterhält, die in Luft besteht. Die hierfür erforderliche Heizleistung wäre beträchtlich groß. Wenn die Heizleistung den Wert überschritten hat, bei welchem der Schwellenwertschalter 13 anspricht, ist jede weitere Erhöhung der Heizleistung überflüssig. Es ist daher zweckmäßig, die maximale Heizleistung auf einen Wert zu begrenzen, der um einen ausreichenden Sicherheitsabstand über dem Schwellen wert der Schwellenwertschaltung 13 liegt. Diese maximale Heizleistung hält dann im eingetauchten Zustand des elektrisch geheizten Elements 9 eine Temperaturdifferenz aufrecht, die kleiner ist als Temperaturdifferenz, die von der Temperaturregel anordnung aufrechterhalten wird, wenn sich das elektrisch geheizte Elememt 9 und der Temperatursensor 11 in Luft befinden. Die Begrenzung der Heizleistung ergibt sich im einfachsten Fall durch die beschränkte Ausgangsleistung der Temperaturregelanordnung. Es wäre auch möglich, das Ausgangssignal des Schwellenwertschal ters 13 dazu zu verwenden, die weitere Erhöhung der Heizlei stung zu verhindern.

Die geschilderte Funktionsweise ist unabhängig von der Tem peratur der Luft und der Flüssigkeit, weil sie lediglich durch das unterschiedliche Verhalten von Luft und Flüssig keit bei einer vorgegebenen Temperaturdifferenz bedingt ist. Es spielt insbesondere keine Rolle, ob die Flüssigkeit die gleiche Temperatur wie die Luft hat oder nicht. Der thermi sche Grenzschalter arbeitet auch dann einwandfrei, wenn der Füllstandssensor aus kalter Luft in eine heiße Flüssigkeit eintaucht. Ferner ändert sich das Ausgangssignal nicht, wenn sich bei gleichbleibendem Umgebungsmedium (Luft oder Flüssig keit) dessen Temperatur ändert, weil unabhängig von der abso luten Temperatur zur Aufrechterhaltung der gleichen Tempera turdifferenz im wesentlichen die gleiche Heizleistung auf zuwenden ist.

Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Temperaturregel anordnung 12 für den Fall, daß die beiden Temperatursen soren 10 und 11 durch temperaturabhängige Widerstände ge bildet sind. Diese beiden Widerstände liegen in zwei Zwei gen einer Brückenschaltung 14, deren beide anderen Zweige durch die beiden Abschnitte eines Potentiometerwiderstan des 15 gebildet sind. Zwischen dem Schleifer 16 und dem gegenüberliegenden Brückeneckpunkt 17 ist eine Gleichspan nungsquelle 18 angeschlossen. Die beiden anderen Brücken eckpunkte 19, 20 sind mit den beiden Eingängen eines Opera tionsverstärkers 21 verbunden, an dessen Ausgang das elektrisch geheizte Element 9 angeschlossen ist. Fig. 4 zeigt auch den Schwel lenwertschalter 13, der gleichfalls an den Ausgang des Ope rationsverstärkers 21 angeschlossen ist.

Das Potentiometer 15, 16 ermöglicht die Einstellung des Arbeitspunktes der Temperaturregelanordnung. Die Stellung des Schleifers 16 bestimmt das Verhältnis der Widerstands werte der beiden temperaturabhängigen Widerstände 10 und 11, bei dem die Brücke abgeglichen ist. Der Operationsver stärker 21 sucht dieses Verhältnis aufrechtzuerhalten, das einem bestimmten Temperaturverhältnis entspricht.

Das Heizelement 9 kann durch eine Heizwicklung aus Konstan tandraht gebildet sein.

Die beiden Temperatursensoren 10, 11 können auch durch ein Thermoelement gebildet sein, das unmittelbar die Temperatur differenz zwischen der Temperatur R₉ des elektrisch geheizten Elements 9 und der Umgebungstem peratur R _u mißt.

Es ist auch möglich, das elektrisch geheizte Element 9 und den Temperatur sensor 10 durch ein einziges Element zu bilden, beispiels weise durch einen elektrisch beheizten Kaltleiter, dessen Widerstandswert ein Maß für seine Temperatur ist.

Eine andere interessante Abwandlung des beschriebenen thermischen Grenzschalters besteht darin, daß anstelle eines elektrisch geheizten Elements ein elektrisch gekühltes Element, z. B. ein Peltier- Element, verwendet wird, dessen Temperatur durch die Tem peraturregelanordnung um einen vorgegebenen konstanten Betrag unter der Umgebungstemperatur gehalten wird. Der Schwellenwertschalter 13 spricht dann auf die Kühllei stung in der gleichen Weise an wie bei dem zuvor beschrie benen Ausführungsbeispiel auf die Heizleistung. Im übrigen ist die Funktionsweise die gleiche.

Claims

1. Thermischer Grenzschalter zur Feststellung des Über- bzw. Unterschreitens eines vorbestimmten Füllstandes (h) in einem Flüssigkeitsbehälter (1) mit

a) einem auf der Höhe des zu erfassenden Füllstandes (h) angeordneten, elektrisch geheizten oder gekühlten Element (9),
b) eine auf die Änderung der Temperatur (R ₉) des geheizten oder gekühlten Elements (9) beim Eintauchen in die Flüssigkeit (2) bzw. beim Austauschen aus die ser ansprechenden Anordnung (13),

gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

c) auf der Höhe des zu erfassenden Füllstandes (h) ist ein auf die Umgebungstemperatur (R _u) ansprechender Temperatursensor (11) angeordnet;
d) eine Temperaturregelanordnung (12) sucht die Tempera tur (R ₉) des elektrisch geheizten oder gekühlten Elements (9) auf einem Wert zu halten, der von der durch den Temperatursensor (11) festgestellten Umge bungstemperatur (R _u) um einen vorbestimmten konstanten Betrag (ΔR) abweicht.

2. Thermischer Grenzschalter nach Anspruch 1, gekenn zeichnet durch eine Anordnung (13), die auf die dem Ele ment (9) zugeführte Heiz- bzw. Kühlleistung anspricht und ein das Über- bzw. Unterschreiten des Füllstandes anzei gendes Signal liefert, wenn die Leistung einen vorbestimm ten Schwellenwert über- oder unterschreitet.

3. Thermischer Grenzschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem elektrisch geheizten oder gekühlten Element (9) ein auf dessen Temperatur (R ₉) an sprechender zweiter Temperatursensor (10) zugeordnet ist.

4. Thermischer Grenzschalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Temperatursensoren (10, 11) temperaturabhängige Widerstände sind.

5. Thermischer Grenzschalter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden temperaturabhängigen Wider stände (10, 11) in zwei Zweigen einer Brückenschaltung (14) liegen, und daß die an der einen Brückendiagonalen (19-20) abgegriffene Spannung der Temperaturregelanordnung (21) als Regelgröße zugeführt wird.

6. Thermischer Grenzschalter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden anderen Brückenzweige ein stellbare Widerstände (15, 16) zum Einstellen des Arbeits punktes enthalten.

7. Thermischer Grenzschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperatursensor (11) durch ein Thermoelement gebildet ist, das auf die Tempe raturdifferenz zwischen der Temperatur (R ₉) des elektrisch geheizten oder gekühlten Elementes (9) und der Umgebungs temperatur (R ₉) anspricht und dessen Ausgangssignal der Temperaturregelanordnung (12) als Regelgröße zugeführt wird.

8. Thermischer Grenzschalter nach einem der vorherge henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das elek trisch geheizte oder gekühlte Element (9) und der auf die Umgebungstemperatur (R _u) ansprechende Temperatursen sor (11) an einem gemeinsamen Träger (8) gegeneinander wärmeisoliert angebracht sind.

9. Thermischer Grenzschalter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der gemeinsame Träger (8) aus wärme isolierendem Material besteht.