DE3802225A1 - Fluessigkeitsstandmessanordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Messen des Flüs­ sigkeitsstandes in einem Behälter, wie sie in der Patentan­ meldung P 37 36 208.9 vorgeschlagen worden ist.

Bei der vorgeschlagenen Flüssigkeitsstandmeßanordnung werden als Sensoren mehrere in unterschiedlicher Höhe im Inneren des Behälters angeordnete elektrisch beheizte Thermoelemente verwendet, die im eingetauchten und nichteingetauchten Zu­ stand aufgrund der unterschiedlichen Wärmeableitung ver­ schiedene Ausgangssignale abgeben, die zur Anzeige des Flüs­ sigkeitsstandes ausgewertet werden. Die Beheizung erfolgt dabei durch ein von den Thermoelementen elektrisch getrenn­ tes Heizelement. Diese Anordnung hat an sich den Vorteil einer relativ großen Änderung der Ausgangssignale beim Ein­ bzw. Austauschen der Sensoren, so daß eine einfache digitale Auswertung möglich ist.

Der Zusatz-Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorge­ schlagene Flüssigkeitsstandmeßanordnung so weiterzubilden, daß sie noch einfacher aufgebaut und mit noch geringerem Fertigungsaufwand herstellbar ist.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die einen Lötstellen der Thermoelemente durch einen Heizstrom beheizt sind, der durch eine Zuleitung der Thermoelemente fließt.

Ein Vorteil dieser direkten Heizung durch die Widerstands­ wärme einer unmittelbar an den einen Lötstellen verlaufenden Zuleitung besteht darin, daß eine separate, elektrisch ge­ trennte Heizung nicht notwendig ist, so daß die Anordnung mit geringerem Aufwand hergestellt und in einer einzigen Ebene aufgebaut werden kann.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Flüssigkeitsstandmeß­ anordnung und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Anordnung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert.

Die Figur zeigt ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgmäßen Flüssigkeitsstandmeßanordnung.

Das in der Figur dargestellte Ausführungsbeispiel der Flüssig­ keitsstandmeßanordnung enthält als Sensoren sechzehn Thermo­ elemente (T 1... T 16). Jedes der Thermoelemente weist einen als "Heißlötstelle" (H) bezeichneten ersten Thermoübergang und einen als "Kaltlötstelle" (K) bezeichneten zweiten Thermo­ übergang auf. Die den Kaltlötstellen zugeordneten Anschlüsse der Thermoelemente sind jeweils mit einem ersten Anschluß eines Schaltelementes (S 1... S 16) in einer Multiplexeinrich­ tung (4) verbunden. Die zweiten Anschlüsse der Schaltelemente (S 1... S 16) sind einander parallelgeschaltet und mit einem ersten Eingang eines Verstärkers (5) verbunden.

Die den Heißlötstellen (H) zugeordneten Anschlüsse sind in Parallelschaltung an eine gemeinsame Zuleitung (8) aus Widerstandsmaterial (z.B. CuNi) angeschlossen, die mit dem einen Ende mit einem zweiten Eingang des Verstärkers (5) sowie mit einem Bezugspotential (Masse) verbunden ist, und die an dem anderen Ende eine Anschlußklemme (A) aufweist. In die Klemme (A) wird ein nach Masse abfließender Heizstrom ein­ gespeist, durch den die Heißlötstellen (H) beheizt werden. Vorzugsweise wird als Heizstrom ein getakteter Gleichstrom gewählt, in dessen stromfreien Pausen an der gemeinsamen Zu­ leitung (8) nur die Ausgangssignale der Thermoelemente anlie­ gen. Die gemeinsame Zuleitung (8) und die Verbindungen zwi­ schen der gemeinsamen Zuleitung und den einzelnen Heißlöt­ stellen (H) sind so ausgelegt, daß an jeder Heißlötstelle (H) im wesentlichen die gleiche Wärme frei wird und damit alle Thermoelemente die gleiche Temperatur annehmen, wenn sie sich alle im eingetauchten bzw. alle im nichteingetauchten Zustand befinden. Dies erfolgt durch entsprechende Dimen­ sionierung der einzelnen Abschnitte der gemeinsamen Zulei­ tung (8) und der Verbindungsleitungen oder durch andere Maßnahmen, durch die der Leitungswiderstand beeinflußbar ist, wobei zwischen den Thermoelementen und dem zweiten Eingang des Verstärkers (5) bzw. zwischen den Thermoelementen und der Klemme (A) nur ein geringer Spannungsabfall auftritt.

Der Ausgang des Verstärkers (5) ist an eine Signalformungs­ einrichtung (6) gekoppelt. Die in der Signalformungseinrich­ tung (6) in ein geeignetes digitales Format umgewandelten Signale werden dem Eingang einer digitalen Signalverarbei­ tungsschaltung (2) zugeführt. Die Multiplexeinrichtung (4) wird von der digitalen Signalverarbeitungsschaltung (2) der­ art gesteuert, daß durch Schließen jeweils eines der Schalt­ elemente (S 1... S 16) nacheinander alle Thermoelemente abge­ fragt werden. Die Thermoelemente sind im Behälter räumlich übereinander angeordnet, wobei das Thermoelement (T 16) am niedrigsten und das Thermoelement (T 1) am höchsten angeord­ net ist. Die in die Flüssigkeit im Behälter eingetauchten Thermoelemente geben, da die freiwerdende Wärme sehr schnell an die umgebende Flüssigkeit abgegeben wird, ein nur sehr kleines Ausgangssignal ab, welches nach dem Durchlaufen des Verstärkers (5) in der Signalformungseinrichtung (6) z.B. in ein logisches Signal "0" umgewandelt wird. Die darüberlie­ genden, nicht in die Flüssigkeit eingetauchten Thermoelemen­ te geben dagegen, da die durch die Heizung erzeugte Wärme wegen des schlechteren Wärmeübergangs nur langsam an die Um­ gebung abgegeben wird und damit die Heißlötstellen (H) eine wesentlich höhere Temperatur annehmen, ein verhältnismäßig großes Ausgangssignal ab, das im Verstärker (5) verstärkt und in der Signalformungseinrichtung (6) in ein logisches Signal "1" umgewandelt wird. Aus den auf diese Weise gewonnenen digitalen Signalen der sequentiell abgefragten Thermoelemente wird in der digitalen Verarbeitungsschaltung (2) ein Signal erzeugt, welches den Füllstand im Behälter repräsentiert und in einer Anzeigeeinrichtung (3) in geeigneter Weise ange­ zeigt wird. Die Schaltelemente (S 1... S 16) der Multiplexein­ richtung (4) sind Halbleiterelemente, die zusammen mit dem Verstärker (5), der Signalformungseinrichtung (6) und der digitalen Verarbeitungsschaltung (2) auf einer gemeinsamen Platine, vorzugsweise jedoch in einer einzigen Mikroelektro­ nikschaltung angeordnet sein können. Die Schaltelemente wer­ den über Steuerleitungen (7) von der digitalen Verarbeitungs­ schaltung (2) nacheinander angesteuert, beispielsweise unter Verwendung eines von einem Taktgeber gesteuerten Schiebe­ registers.

Die erfindungsgemäße Flüssigkeitsstandmeßanordnung kann in einfacher Weise durch Aufbringen von Metallschichten auf ein Substrat in Folientechnik hergestellt werden. Auf ein Substrat aus einem elektrisch nichtleitenden Material wird eine erste Schicht eines ersten Metalls aufgebracht. Auf die erste Metallschicht wird eine zweite Schicht eines zwei­ ten Metalls aufgebracht. Die zweite Schicht hat einen klei­ neren spezifischen Widerstand als die erste Schicht und das erste und das zweite Metall weisen unterschiedliche thermo­ elektrische Potentiale auf, so daß an den Übergängen zwischen dem ersten und dem zweiten Metall thermoelektrische Span­ nungen entstehen.

Durch Entfernen entsprechender Teile der Metallschichten z.B. durch Ätzen werden die Zuleitungen und erste Schenkel eines Thermoelements gebildet. Über einem zweiten Schenkel des Thermoelements wird nur die zweite Schicht entfernt. Da die zweite Metallschicht einen kleineren Flächenwiderstand hat als die erste Metallschicht, wird im Bereich der Zulei­ tungen und der ersten Schenkel des Thermoelements die darunterliegende erste Metallschicht kurzgeschlossen, wobei an den Übergängen von den ersten Schenkeln zum zweiten Schenkel thermoelektrische Übergänge entstehen, die eine "Kaltlöt­ stelle" (K) bzw. eine "Heißlötstelle" (H) bilden. Vorzugs­ weise wird für die erste Metallschicht eine Kupfer-Nickel- Legierung wie Konstantan (CuNi44) und für die zweite Metall­ schicht Kupfer verwendet. Die Leitfähigkeit von Kupfer ist rund 30 mal größer als die von Konstantan, so daß in den ent­ sprechenden Bereichen die Konstantanschicht durch die dar­ überliegende Kupferschicht nebengeschlossen wird. Als Sub­ strat ist eine Folie aus einem thermostabilen Polyimid geeignet.

Eine mögliche Alternative besteht darin, die Zuleitungen und die ersten Schenkel des Thermoelements nur durch die erste Metallschicht mit dem größeren Widerstand zu bilden und für den zweiten Schenkel des Thermoelements die zweite Metallschicht auf der ersten zu belassen. Auf diese Weise kann die gemeinsame Zuleitung bei gleicher Heizleistung stärker dimensioniert werden.

Weiter ist es möglich, die Zuleitungen und die ersten Schen­ kel des Thermoelements zwar durch beide Metallschichten zu bilden, jedoch die Heißlötstelle bereits in der gemeinsamen Zuleitung vorzusehen, so daß die zweite Metallschicht der gemeinsamen Zuleitung an jeder Abzweigung eines Thermoele­ ments unter Bildung eines Heizelements mit erhöhtem Wider­ stand, welches gleichzeitig als Heißlötstelle wirkt, unter­ brochen ist.

Claims (6)

1. Anordnung zum Messen des Flüssigkeitsstandes in einem Behälter mit mehreren in unterschiedlicher Höhe im Inneren des Behälters angeordneten Sensoren, die im eingetauchten und nichteingetauchten Zustand unterschiedliche, zur Anzeige des Flüssigkeitsstandes auswertbare elektrische Signale er­ zeugen, wobei die Sensoren durch Thermoelemente gebildet sind, nach Patentanmeldung P 37 36 208.9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die einen Lötstellen (H) der Thermoelemente (T 1, T 2, T 3...) durch einen Heizstrom beheizt sind, der durch eine Zuleitung (8) der Thermoelemente (T 1, T 2, T 3) fließt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einen Lötstellen (H) in Parallelschaltung an eine ge­ meinsame, wenigstens zum Teil aus Widerstandsmaterial gebil­ dete Zuleitung (8) angeschlossen sind, die von dem Heiz­ strom durchflossen wird.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Heizstrom ein getakteter Gleichstrom ist, und daß in den stromfreien Pausen die Ausgangssignale der Thermoelemente (T 1, T 2, T 3) abgefragt werden.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Thermoelemente als Folien durch Auf­ bringen von Metallschichten auf ein Substrat hergestellt sind.

5. Verfahren zur Herstellung einer Anordnung nach An­ spruch 4, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

• - Aufbringen einer ersten Schicht eines ersten Metalls auf ein elektrisch nichtleitendes Substrat,
• - Aufbringen einer zweiten Schicht eines zweiten Metalls auf die Schicht des ersten Metalls, wobei die zweite Schicht einen kleineren Flächenwiderstand hat als die erste Schicht und das erste und zweite Metall unterschied­ liche thermoelektrische Potentiale haben,
• - Bildung der Zuleitungen und der Schenkel der Thermo­ elemente durch Entfernen der übrigen Bereiche der beiden Schichten.

6. Verfahren nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch die Verwendung einer Kupfer-Nickel-Legierung für die erste Schicht und von Kupfer für die zweite Schicht.