DE3603539A1 - Vorrichtung zur erfassung eines fluessigkeits-pegelstandes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung eines Flüssigkeits-Pegelstandes mit mindestens einer Sonde und mit einem nachgeschalteten Komparator zum Vergleich des fest­ gestellten Pegelstandes mit einem Referenzwert.

Derartige Vorrichtungen finden in vielen Bereichen Anwendung, bei welchen es auf eine Überwachung des Flüssigkeitspegels ohne eine ständige Beaufsichtigung durch eine Bedienperson ankommt. Insbesondere können sie bei Land- und Schiffsdampf­ kesseln sowie bei Dampf- und Heißwasseranlagen in einem Wasser­ standsbegrenzer, in einer Vorrichtung zur Abschaltung der Kessel- Beheizung oder in einer Anordnung zur Verriegelung des Sicher­ heitsstromkreises eingesetzt werden.

Bekannte Vorrichtungen zur Erfassung eines Flüssigkeits-Füll­ standes beruhen darauf, daß die elektrische Leitfähigkeit der Flüssigkeit ausgenutzt wird. Dies kann dadurch erfolgen, daß zwischen einer Elektrode und einem leitfähigen, an Masse liegen­ den Flüssigkeitsbehälter, beispielsweise einer Dampftrommel, eine Wasser- oder Dampfmeßstrecke vorgesehen wird, die vom betreffenden Medium gegebenenfalls überbrückt wird.

Obwohl mit diesen Vorrichtungen bei vielen Anwendungsfällen sehr gute Meßergebnisse erzielt werden können unter bestimm­ ten Bedingungen Nachteile auftreten. So ist es beispielsweise schwierig, den Schaltpunkt an dem den Elektroden nachgeschal­ teten Schaltverstärker festzulegen, da die Leitfähigkeit der Flüssigkeit entweder unbekannt sein kann oder während des Betriebes starken Schwankungen unterliegen kann. In hohen Druckbereichen tritt das Problem auf, daß wegen der Annähe­ rung der elektrischen Leitfähigkeit von Wasser und Dampf keine ausreichende Unterscheidung mehr möglich ist. Außerdem besteht bei langen Elektroden die Gefahr daß sie durch An­ liegen an einer Behälterwand überbrückt werden und daher Flüssigkeit vorgetäuscht wird. Man könnte diese Fehlerquelle zwar durch Absenken des Flüssigkeitspegels überprüfen. Diese Maßnahme ist in vielen Fällen jedoch praktisch kaum durch­ führbar. Des weiteren kann die Funktion der Meßvorrichtung nicht daraufhin überprüft werden, ob bei der passiven Überwachungs­ elektrode möglicherweise ein Kabelbruch vorliegt.

Eine Vorrichtung der eingangs genannten Art ist aus der DE-OS 29 39 355 bekannt. Dort besteht die Sonde aus einem elektri­ schen Heizelement mit einem temperaturabhängigen Widerstand, das abwechselnd aufgeheizt und abgekühlt wird. Während eines jeden Heizintervalls erwärmt sich das Heizelement auf eine durch die Wärmeleitfähigkeit und durch die Mediumtemperatur beeinflußte Heiztemperatur. Der zugehörige elektrische Widerstand wird ge­ messen. Während des Kühlintervalls fühlt das Heizelement an­ nähernd die jeweilige Mediumtemperatur ab. Der entsprechende Widerstandswert dient im nachfolgenden Heizintervall als Be­ zugsbasis.

Diese Vorrichtung hat den Nachteil, daß die Bestimmung des Flüssigkeitspegels von der Zykluslänge des Meßvorgangs ab­ hängig ist. Es ist daher nicht möglich, den Flüssigkeits­ pegel zu frei gewählten Zeitpunkten zu bestimmen. Aus dem selben Grund ist diese bekannte Vorrichtung nicht geeignet, beliebig häufig oder gar kontinuierlich eine Pegelüberwachung vorzunehmen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, mit welcher eine kon­ tinuierliche Überwachung des Pegelstandes möglich ist.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß mindestens ein erster Temperaturfühler und ein zugeordnetes Heizelement in einem vorgegebenen Abstand zu mindestens einem unbeheizten zweiten Temperaturfühler angeordnet sind, daß diesen beiden Temperatur­ fühlern ausgangsseitig ein Temperaturvergleicher zum Ableiten eines der Temperaturdifferenz proportionalen Meßsignals nach­ geschaltet ist, und daß dieses Meßsignal und ein vorgegebener Sollwert an einem Vergleicher anliegen, dessen Ausgang mit einem dem Heizelement vorgeschalteten Heizregler verbunden ist.

Die Erfindung nutzt die unterschiedliche Wärmeleitfähigkeit von flüssigen und gasförmigen Medien aus. Beispielsweise ist die Wärmeleitfähigkeit von Wasserdampf 20 mal kleiner als von Wasser. Dieser Zusammenhang ist über den gesamten Temperatur­ bereich konstant und kann durch äußere Einflüsse nicht geändert werden. Im Gegensatz zu der elektrischen Leitfähigkeit von Wasser und Dampf, die sich mit zunehmendem Druck immer mehr angleichen, ist die Wärmeleitfähigkeit unabhängig vom Druck konstant.

Durch die Beheizung des einen Temperaturfühlers stellt sich eine Temperaturdifferenz zwischen den beiden Temperaturfüh­ lern ein, wofür eine bestimmte Heizleistung notwendig ist. Diese Leistung hängt davon ab, ob sich der Fühler in der Flüssigkeit oder außerhalb befindet.

Die Erfindung hat den Vorteil, daß eine möglicherweise schwan­ kende elektrische Leitfähigkeit der Flüssigkeit keinen Ein­ fluß auf die Funktion hat. Ferner ist die Funktion über einen weiten Temperatur- und Druckbereich gewährleistet. Falls bei langen Meßsonden eine Berührung mit einer Behälterwand auf­ tritt, hat dies keine Beeinträchtigung der Funktionsfähig­ keit zur Folge. Weiter ist vorteilhaft, daß sich die Vor­ richtung in allen Betriebszuständen auf eine mögliche Fehl­ funktion überwachen läßt. So können auch ein Kabelbruch oder ein Kabelkurzschluß in eine Überwachung mit einbezogen werden. Da somit die Sicherheit und die Funktionsfähigkeit der Vorrichtung vollständig überprüft werden kann, erfüllt die Vorrichtung alle Voraussetzungen, die aus Sicherheits­ gründen erforderlich sind, um einen von einer Bedienperson zu überwachenden Direktanzeiger zu ersetzen.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß in die zum Heizelement führende Leitung ein Überstrom­ auslöser geschaltet ist, an dessen Ausgang ein Signal zur Kurzschlußanzeige abgreifbar ist. Ferner ist eine Weiterbil­ dung vorteilhaft, die darin besteht, daß in die zum Heizele­ ment führende Leitung eine Mindeststromüberwachungs- Anordnung geschaltet ist, an deren Ausgang ein Signal für eine Leitungsunterbrechung abgreifbar ist. Auf diese Weise ist es jederzeit möglich, die Betriebsbereitschaft der Vorrichtung zu überwachen.

Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, daß mehrere jeweils mit einem Heizelement versehene erste Temperatur­ fühler paarweise übereinander angeordnet sind und daß am un­ teren Ende dieses Bereichs ein zweiter Temperaturfühler ange­ ordnet ist.

Der Betrieb einer derartigen Anordnung wird dadurch verein­ facht, daß eine elektronische Rechenanlage zur Überwachung und Auswertung der Meß- und Steuersignale und zur Ansteuerung des Heizreglers vorhanden ist.

Neben der Steuerung und Überwachung der Funktionen an den einzelnen Komponenten ist mit einer elektronischen Rechen­ anlage auch eine logische Verknüpfung aller Meß- und Steuer­ größen möglich, so daß eine umfassende Überwachung durchge­ führt werden kann. Auf diese Weise können höchste Sicherheits­ forderungen erfüllt werden, die zum Schutz von Bedienungsper­ sonal und der Anlage insgesamt aufgestellt werden. Beispiels­ weise könnte durch ein Durchsteuern der Heizung eine Flüssig­ keit vorgetäuscht werden oder es könnte durch Ausfall eines Bauelementes die Heizleistung konstant bleiben. Durch eine Überwachung und logische Verknüpfung mehrerer Temperatur­ fühler kann eine derartige Fehlinterpretation jedoch ohne weiteres erkannt und entsprechend berücksichtigt werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich daher dadurch aus, daß sie höchsten Sicherheitsanforderungen genügt.

Im folgenden wird die Erfindung anhand zweier Ausführungs­ beispiele weiter erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Erfassung eines Flüssigkeits- Füllstandes,

Fig. 2 zeigt beispielhaft einen Verlauf einer Temperatur- Differenz zwischen einem beheizten Temperaturfüh­ ler und einem unbeheizten Temperatur­ fühler gemäß Fig. 1,

Fig. 3 zeigt den Verlauf der Heizleistung des Tempe­ raturfühlers bei einem Verlauf der Temperatur­ differenz gemäß Fig. 2,

Fig. 4 zeigt schematisch eine Ansicht eines Gehäuses für eine Vorrichtung gemäß Fig. 1,

Fig. 5 zeigt eine Anordnung zur Funktionsüberwachung der Vorrichtung gemäß Fig. 1, und

Fig. 6 zeigt ein Blockschaltbild einer weiteren Vor­ richtung zur Erfassung eines Flüssigkeits- Füllstandes.

Wie die Fig. 1 zeigt, besteht eine Sonde 1 aus einem Heizele­ ment 2 und aus einem ersten und einem zweiten Temperatur­ fühler 3, 4. Die beiden Temperaturfühler sind als temperatur­ abhängige Widerstände realisiert. Während das Heizelement 2 und der Temperaturfühler 3 in zwei getrennten Kammern eines Gehäuses unmittelbar nebeneinander liegen, ist der zweite Temperaturfühler 4 in einem vorgegebenen Abstand von diesen beiden, einander zugeordneten Elementen in einem eigenen Gehäuseteil untergebracht. Zwischen dem ersten und zweiten Temperaturfühler 3, 4 erstreckt sich daher ein gewisser Be­ reich, der von denjenigen Medien eingenommen wird, deren Vor­ handensein festgestellt werden soll, sei es eine Flüssigkeit oder ein gasförmiges Medium.

Wird der erste Temperaturfühler durch das Heizelement 2 be­ heizt, so stellt sich aufgrund des unterschiedlichen Abstandes und des dazwischenliegenden Mediums eine Temperaturdifferenz zum zweiten Temperaturfühler 4 ein. Abhängig davon, ob sich die Sonde in einer Flüssigkeit oder außerhalb befindet, sind unterschiedliche Heizleistungen erforderlich, um eine vorgegebene Temperaturdifferenz zu erhalten. An den Aus­ gängen der beiden Temperaturfühler sind Signale abgreifbar, welche proportional zu der Temperatur des zugehörigen Tempe­ raturfühlers sind. Diese beiden Ausgangssignale werden einem ersten Verstärker 5 zugeführt, an dessen Ausgang ein Signal T _dif abgreifbar ist, das proportional zur Differenztemperatur ist.

An einem Sollwertsteller 6 ist ein Grenzwert für diese Tem­ peraturdifferenz einstellbar. Dieser Grenzwert wird mit dem Istwert des Signals T _dif in einem zweiten Verstärker 7 ver­ glichen. In Abhängigkeit von der Sollwertabweichung des Sig­ nals T _dif wird über einen dritten Verstärker 8 die Heiz­ leistung des Heizelementes 2 geregelt.

Befindet sich Gas oder Dampf zwischen dem ersten und zweiten Temperaturfühler 3, 4, so wird aufgrund der relativ geringen Wärmeleitfähigkeit dieser Medien eine hohe Temperaturdiffe­ renz auftreten. Daher muß die Heizleistung P _H des Heizelementes entsprechend hoch ausgeregelt werden. Ist die Sonde dagegen in Flüssigkeit eingetaucht, so wird der zweite Temperaturfühler aufgrund der relativ guten Wärmeleitfähigkeit aufgewärmt und die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Temperaturfühlern erreicht einen vergleichsweise kleinen Wert. Die Heizleistung des Heizelementes 2, die zur Aufrechterhaltung des vorgegebenen Temperaturunterschiedes erforderlich ist, kann deshalb in diesem Fall geringer sein. Da die Heizleistung zur Aufrechter­ haltung einer vorgegebenen Temperaturdifferenz für flüssige und gasförmige Medien charakteristisch ist, kann sie als Unterscheidungskriterium herangezogen werden.

Die Bewertung der Heizleistung erfolgt an einem vierten Verstärker 9 durch Vergleich mit einem Grenzwert, der durch einen Einstellregler 10 festgelegt wird. Über das Ausgangs­ signal des vierten Verstärkers 9 wird ein Relais 11 betätigt, in dessen gesteuerter Strecke ein den Pegel anzeigendes Signal abgreifbar ist. Dieses Signal kann beispielsweise einer optischen oder akustischen Anzeige, einer Regelein­ richtung zum Ausgleich des Flüssigkeitspegels oder einer elektronsichen Rechenanlage zur Auswertung zugeführt werden.

Das Diagramm der Abb. 2 veranschaulicht den Verlauf des der Temperaturdifferenz proportionalen Signals T _dif über der Zeit t. Ein erster Zeitpunkt, an welchem die Sonde beispiel­ haft aus einer Flüssigkeit austaucht, ist mit t 1 bezeichnet. Zu einem späteren Zeitpunkt t 2 taucht die Sonde wieder in die Flüssigkeit ein. Nach dem Austauchen steigt die Tempera­ turdifferenz zwischen den beiden Temperaturfühlern deutlich an, weil der Wärmefluß vom ersten zum zweiten Temperatur­ fühler durch die geringere Wärmeleitfähigkeit des gasför­ migen Mediums abgeschwächt ist. Wie anhand des Verlaufs der Heizleistung über der Zeit t in Fig. 3 verdeutlicht ist, wird darauf, d.h. also nach dem Zeitpunkt t 1,die Heizleistung P _H solange reduziert, bis sie einen durch den Einstellregler 10 vorgegebenen Grenzwert G 1 unterschreitet. Daraufhin wird gesteuert vom Relais 11 die Flüssigkeit ergänzt, bis die Sonde 1 wieder zum Zeitpunkt t 2 in die Flüssigkeit eintaucht.

Aufgrund der reduzierten Heizleistung vermindert sich die anfänglich erhöhte Temperaturdifferenz T _dif auf den ur­ sprünglichen Wert. Sobald die Sonde 1 zum Zeitpunkt t 2 wieder in die Flüssigkeit eintaucht, wird aufgrund der besseren Leitfähigkeit der Flüssigkeit die Temperatur­ differenz T _dif stark verringert, was wiederum eine Erhöhung der Heizleistung bis zum Angleich an die ursprüngliche Temperaturdifferenz zur Folge hat. Der eingeschwungene Zu­ stand der Vorrichtung, in welcher die Temperaturdifferenz T _dif konstant ist, ist durch den Grenzwert der Heizleistung G ₂ in Fig. 3 dargestellt.

In Fig. 4 ist schematisch die Umkleidung der Sonde 1 mit beiden separaten Gehäuseteilen 22, 23 zur Aufnahme des Heiz­ elementes zusammen mit dem ersten Temperaturfühler bzw. des zweiten Temperaturfühlers gezeigt. Beide Gehäuseteile 22, 23 sind auf einem gemeinsamen Träger 12 angebracht, welcher im Inneren die anhand der Fig. 1 beschriebene Schaltungsanordung oder zumindest einen Teil davon aufnehmen kann.

Fig. 5 zeigt schematisch eine Anordnung, die zur Funktions­ überwachung der Sonde 1 dienen kann. Dazu liegt in der Ver­ sorgungsleitung 12 des Heizelementes 2 ein Überstromaus­ löser 13 und in Reihe dazu eine Mindeststromüberwachung 14. Tritt beispielsweise während des Betriebs der Vorrichtung ein Kurzschluß zwischen der Versorgungsleitung 12 und einem anderen leitenden Teil auf, so spricht der Überstromauslöser 13 an und schaltet über ein Relais 15 einen Meldekontakt 16. Andererseits kann die Versorgungsleitung 12 mit Hilfe der Überspannungsüberwachung 14, die im einfachsten Fall aus einem Widerstand bestehen kann auf eine mögliche Unter­ brechung überwacht werden.

Fig. 6 zeigt schematisch eine Anordnung, mit welcher ein Flüssigkeitspegel über einen weiten Bereich überwacht und erfaßt werden kann. Dazu sind in dem zu überwachenden Bereich paarweise eine Vielzahl von Heizelementen 2 und ersten Tempe­ raturfühlern 3 angeordnet, während am unteren Ende dieses Be­ reiches ein zweiter Temperaturfühler angebracht ist. In die Versorgungsleitungen 12 der Heizelemente 2 sind im übrigen jeweils ein Überstromauslöser 13 und eine Mindestspannungs­ überwachung 14 geschaltet. Alle Signalleitungen von den ersten Temperaturfühlern 3, den Überstromauslösern 13 und den Min­ destspannungsüberwachungen 14 sowie die Steuerleitung für die Heizelemente 2 sind über einen gemeinsamen Bus 21 mit einem Leistungsregler 19 verbunden, an welchen auch das Aus­ gangssignal des zweiten Temperaturfühlers 4 gelangt. Der Leistungsregler 19 wiederum wird von einer als Mikroprozessor­ steuerung ausgebildeten elektronischen Auswerteeinheit 20 ge­ steuert und überwacht.

Durch sukzessive An- bzw. Abschaltung der übereinander ange­ ordneten Heizelemente 2 und Auswertung des Ausgangssignals des zweiten Temperaturfühlers 4 kann die Höhe des Flüssig­ keitspegels genau ermittelt werden.

Claims (5)

1. Vorrichtung zum Erfassen eines Flüssigkeits-Pegelstandes mit mindestens einer Sonde und nit einem nachgeschalteten Komparator zum Vergleich des festgestellten Pegelstandes mit einem Referenzwert, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein erster Temperaturfühler (3) und ein zugeordnetes Heizelement (2) in einem vorgegebenen Ab­ stand zu einem unbeheizten zweiten Temperaturfühler (4) angeordnet sind, daß diesen beiden Temperaturfühlern (3, 4) ausgangsseitig ein Temperaturvergleicher zum Ableiten eines der Temperaturdifferenz proportionalen Meßsignals nachgeschaltet ist, daß dieses Meßsignal und ein vorge­ gebener Sollwert an einem Vergleicher anliegen, dessen Ausgang mit einem dem Heizelement (2) vorgeschalteten Heizregler verbunden ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in die zum Heizelement (2) führende Leitung (12) ein Überstromauslöser (13) geschaltet ist, an dessen Ausgang ein Signal zur Kurzschlußanzeige abgreifbar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in die zum Heizelement (2) führende Leitung (12) eine Mindeststromüberwachung (14) geschaltet ist, an deren Aus­ gang ein Signal für eine Leitungsunterbrechung abgreifbar ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere jeweils mit einem Heizelement (2) versehene erste Temperaturfühler (3) übereinander ange­ ordnet sind, und daß am unteren Ende dieses Bereichs ein zweiter Temperaturfühler (4) angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektronische Rechenanlage zur Überwachung und Auswertung der Meß- und Steuersignale und zur Heizungs­ regler-Ansteuerung vorhanden ist.