DE4032734C1 - - Google Patents
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- DE4032734C1 DE4032734C1 DE4032734A DE4032734A DE4032734C1 DE 4032734 C1 DE4032734 C1 DE 4032734C1 DE 4032734 A DE4032734 A DE 4032734A DE 4032734 A DE4032734 A DE 4032734A DE 4032734 C1 DE4032734 C1 DE 4032734C1
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- G01—MEASURING; TESTING
- G01W—METEOROLOGY
- G01W1/00—Meteorology
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- G—PHYSICS
- G08—SIGNALLING
- G08B—SIGNALLING OR CALLING SYSTEMS; ORDER TELEGRAPHS; ALARM SYSTEMS
- G08B19/00—Alarms responsive to two or more different undesired or abnormal conditions, e.g. burglary and fire, abnormal temperature and abnormal rate of flow
- G08B19/02—Alarm responsive to formation or anticipated formation of ice
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Schnee-
und Eismeldung unter Verwendung eines Feuchtefühlers mit wenigstens
zwei nach außen freiliegenden, auf ein elektrisch leitendes
Medium, wie Schmelzwasser reagierenden beheizbaren Feuchteelektroden,
einem die Elektrodentemperatur erfassenden
Thermofühler und einer Auswerteschaltung, wobei auf den Heizstromkreis
der Feuchteelektroden so eingewirkt wird, daß die
Temperatur der Feuchteelektroden auf einen Sollwert geregelt
wird, und wobei die Auswerteschaltung in Abhängigkeit von dem
Strom im Heizstromkreis gesteuert wird. Ferner bezieht sich die
Erfindung auf eine Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens
und ein Verfahren zur Herstellung der zur Schnee- und
Eismeldeeinrichtung gehörigen Fühleranordnung.
Verfahren und Einrichtung der gattungsgemäßen Art sind aus
der DE-AS 25 14 489 bekannt. Sie haben die Aufgabe, die Gefahr
der Bildung von Schnee- oder Eisbelägen auf Fahrbahnen, Bürgersteigen,
Treppen, Brücken, Rampen oder Dächern zu melden und
anzuzeigen und ggf. durch Ein- und Ausschalten von Heizungsanlagen
die Bildung von Schnee- oder Eisbelägen zu verhindern.
Die bekannte Schnee- und Eismeldeeinrichtung weist einen die
Feuchte- und Temperaturfühler enthaltenden, in die zu überwachende
Fläche eingeordneten Fühlertopf, ein Regelgerät und eine
Leitungsverbindung zwischen Fühlertopf und Regelgerät auf. Wesentlicher
Vorteil des bekannten Eis- und Schneemeldegeräts ist
die Einsparung eines gesonderten Umgebungstemperaturfühlers.
Der zur Messung der Temperatur der Feuchteelektroden ohnehin
erforderliche Temperaturfühler wird zumindest mittelbar auch
von der Umgebungstemperatur beeinflußt. Im Fühlergehäuse ist
ein von dem Thermofühler gesteuerter Thermostat angeordnet, der
den Heizstromkreis in Abhängigkeit von der Fühlertemperatur
ein- und ausschaltet. Ebenfalls im Fühlergehäuse ist ein mit
den Elektroden in Reihe geschalteter Spannungsverstärker angeordnet.
Durch die thermostatische Steuerung des Heizstromkreises
der beiden in Reihe geschalteten Widerstände wird eine für
die meisten Fälle ausreichend zuverlässige und genaue Zweipunktregelung
der Temperaturen der Feuchteelektroden erreicht.
Aus der US-PS 31 64 820 ist eine Einrichtung zur Schnee-
und Eismeldung bekannt, bei der die Feuchteelektroden zusammen
mit einem Thermostaten und einem Heizelement in einem ersten
Block und ein Temperaturfühler in einem zweiten Block in der zu
überwachenden Straßendecke eingebaut sind. Die Kombination aus
Thermostat und Heizelement sorgen dafür, daß die Feuchtefühler
stets auf einer vorgegebenen Temperatur von etwa 38°F gehalten
werden. Die bekannte Einrichtung weist eine Auswerteschaltung
auf, die ein Alarm- und/oder Schaltsignal erzeugt, wenn einerseits
eine für die Eisbildung charakteristische Kühlertemperatur
erreicht und andererseits ein die Feuchtigkeit kennzeichender
Leitwert zwischen den Feuchteelektroden überschritten
wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine zuverlässige
Schnee- und Eismeldung selbst bei kleinen Temperatur- und
Feuchteänderungen mit geringem baulichen und betriebsmäßigen
Aufwand zu erreichen. Dies schafft die Voraussetzung dafür, daß
trotz optimaler Betriebssicherheit die bei Schnee- und Eismeldungen
einzuschaltenden Freiflächenheizungen mit minimalem Energieaufwand
betrieben werden können.
Verfahrensmäßig besteht die Lösung der Erfindungsaufgabe in
den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Mit Hilfe dieses erfindungsgemäßen Verfahrens gelingt es,
den Zustand der zu überwachenden Freifläche genau und bei geringen
Totzeiten zu erfassen und demzufolge die Flächenbeheizung
und Abtaueinrichtung bedarfsgerecht einzuschalten. Vor allem
die Wirtschaftlichkeit wird erhöht, da die Heizzeiten der
Flächenheizung und Abtaueinrichtung minimiert werden können.
Eine besonders genaue Regelung der Temperatursollwerte und
damit eine optimale Wirtschaftlichkeit ergibt sich in Weiterbildung
der Erfindung dadurch, daß die Einstellung der ersten
und zweiten Temperatursollwerte in den ersten und zweiten Zeitintervallen
durch kontinuierliche oder quasi-kontinuierliche
Regelung, insbesondere p-Regelung erfolgt.
Die Feuchteelektroden werden vorzugsweise durch Wechselstrom
bei Netzfrequenz beheizt. Die Stellgröße, d. h. der Heizstrom,
kann dann durch Variation der Zahl der pro Zeiteinheit
durch den Heizstromkreis durchgelassenen Stromschwingungen oder
Stromimpulse geändert werden. Ist die Zeiteinheit eine Sekunde,
so beträgt die maximal mögliche Anzahl der Stromschwingungen 50
(bei 50 Hz Netzfrequenz).
Im Anschluß an das zweite Zeitintervall kann der Heizstromkreis
in einem dritten Zeitintervall unterbrochen werden, während
die Auswertung der Fühlertemperatur und der Feuchtemessung
unverändert fortgesetzt wird, d. h. bei Erreichen der beiden
kritischen Fühlertemperatur- und Feuchtigkeitswerte die Flächenheizung
eingeschaltet wird. Diese beiden Bedingungen haben
während des gesamten Meßzyklus' Vorrang. Bei Feststellung der
Koinzidenz dieser beiden Bedingungen (Temperatur + Feuchtigkeit)
wird der Heizstromkreis der Feuchteelektroden unterbrochen
und die Flächenheizung über die Mindestzeitdauer eingeschaltet.
Im Interesse einer Minimierung der Betriebskosten insbesondere
bei Umgebungstemperaturen nahe 0°C wird gemäß einer Weiterbildung
der Erfindung die Maximaltemperatur der von der Flächenheizung
beheizten Fläche begrenzt. Dies kann entweder mit
Hilfe eines unbeheizten, gesonderten Fühlers geschehen, der die
von der Flächenheizung beheizte Fläche thermisch überwacht und
ggf. eine Leistungsbegrenzung oder -Herabsetzung der Flächenheizung
bewirkt, oder mittels des Thermofühlers selbst, der bei
Aktivierung der Flächenheizung, d. h. bei Unterbrechung des
Heizstromkreises der Feuchteelektroden, ähnliche einem gesonderten
Fühler andere Temperaturmeßaufgaben übernehmen kann.
Bei den gerätespezifischen Parametern handelt es sich bei
dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung um die erwartete
minimale Umgebungstemperatur und den dabei benötigten maximalen
Heizstrom. Diese Werte werden in der Regel herstellerseitig
bestimmt und eingegeben.
Die erfindungsgemäße Schnee- und Eismeldeeinrichtung zeichnet
sich durch die Merkmale des Patentanspruchs 13 aus. Kern
dieser Einrichtung ist ein Mikroprozessor, der einerseits auf
die Sollwerte und gerätespezifischen Parameter zugreifen kann
und andererseits während des Meßzyklus' die vom Thermofühler
gemessenen Isttemperaturwerte der Feuchteelektroden sowie ein
für die Oberflächenfeuchtigkeit charakteristisches Signal erhält
und daraus ein Regelsignal an das im Heizkreis der Feuchteelektroden
befindliche Stellglied entwickelt. Dieses Stellglied
ist vorzugsweise als Zweiwegeschalter oder Triac ausgebildet.
Die freiliegenden Flächen der beiden Feuchteelektroden sowie
ggf. einer dritten Feuchteelektrode sind konzentrisch und
mit Abstand zueinander in einer Radialebene angeordnet. Ein wesentlicher
Aspekt einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung
liegt darin, daß den Feuchteelektroden Heizwiderstände lagemäßig
so zugeordnet sind, daß die Heizwiderstände selbst bei unterschiedlichen
Elektrodenmassen in beiden Feuchteelektroden im
wesentlichen gleiche Elektrodentemperaturen hervorrufen. Die
erste Feuchteelektrode ist vorzugsweise topfförmig und die
zweite Feuchteelektrode ringförmig ausgebildet. Die Masse der
topfförmigen Elektrode ist größer als die Masse der ringförmigen
Elektrode. Der der ersten Feuchteelektrode zugeordnete
Heizwiderstand ist in eine Nut im Topfmantel eingebettet, und
der der zweiten ringförmigen Feuchteelektrode zugeordnete
Heizwiderstand ist mit gewissem Abstand zu dieser Ringelektrode
angeordnet. Der Thermofühler ist in der topfförmigen Feuchteelektrode
mit engem wärmeübertragenden Kontakt eingeordnet.
Eine etwa verwendete dritte ringförmige Elektrode ist mit Abstand
konzentrisch um die ringförmige zweite Elektrode angeordnet.
Alle Elektroden, Heizwiderstände und Thermofühler sind bei
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einem
Kunststoffdielektrikum eingebettet, das einen aus Metall oder
Kunststoff bestehenden vorgefertigten Fühlertopf im wesentlichen
vollständig ausfüllt und an der Öffnungsseite etwas versenkt
gegenüber dem Topfrand angeordnet ist, wodurch ein flaches
Sammelbecken für Schmelzwasser auf der Fühleroberfläche
gebildet ist.
Das Verfahren zur Herstellung dieses Feuchte- und Temperaturfühlers
zeichnet sich vorzugsweise dadurch aus, daß zunächst
die Heizwiderstände, die Elektroden und eine Anschlußvorrichtung
an einer Trägerplatte montiert und letztere in den Fühlertopf
eingesetzt wird und daß der Fühlertopf mit thermoplastischem
Kunststoff, insbesondere Polyurethan, ausgegossen oder im
Spritzgießverfahren verfüllt wird.
Weitere vorteilhafte Ausbildungen und Weiterbildungen der
Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung
schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
In der Zeichnung zeigt
Fig. 1 eine schematische Schnittansicht eines
Fühlerbausteins, der bei der Eis- und
Schneemeldeeinrichtung verwendet werden kann;
Fig. 2 ein schematisches Schaltbild eines
Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Eis-
und Schneemeldeeinrichtung; und
Fig. 3 eine Kurvenschar zur Erläuterung des
Regelverhaltens in einer Stufe des
erfindungsgemäßen Verfahrens, in der die
Temperatur der Feuchteelektroden zwischen zwei
Grenzwerten geregelt wird.
Die erfindungsgemäße Eis- und Schneemeldeeinrichtung weist
zwei wesentliche und in der Regel räumlich getrennt angeordnete
Komponenten auf, nämlich einen Fühlerbaustein 1 und einen Regelbaustein
2, der einerseits die Temperaturregelung und die
Signalgabe an eine in der Zeichnung nur als Block 30 dargestellte
Flächenheizung sowie andererseits die Anzeige der Betriebssoll-
und -istzustände bewirkt. Fühlerbaustein 1 und Regelbaustein
2 sind über eine mehradrige elektrische Verbindungsleitung
3 miteinander gekoppelt.
Der Fühlerbaustein 1 ist in einer schematischen Schnittansicht
in Fig. 1 dargestellt. Er ist in der Praxis im wesentlichen
bündig in die zu überwachende Fläche, beispielsweise eine
Fahrbahn, einen Bürgersteig, eine Treppe, eine Brückenfläche,
eine Rampe oder eine Dachfläche eingebaut. Der Fühlerbaustein 1
weist ein topfförmiges Gehäuse 4 aus Metall oder Kunststoff
auf, in welchem eine Trägerplatte 5 eingebaut ist. Die Trägerplatte
5 ist eine Ringplatte mit relativ großen lochförmigen
Öffnungen. Sie trägt in konzentrischer Anordnung eine erste
Feuchteelektrode 11 von topfförmiger Ausbildung, eine die Elektrode
11 mit Abstand konzentrisch umgebende zweite Feuchteelektrode
12 und - bei einer speziellen Ausführungsform der Erfindung
- eine wiederum mit Abstand konzentrisch angeordnete
dritte Elektrode 13. Zwei Heizwiderstände R1 und R2 sind jeweils
einer der beiden Feuchteelektroden 11 bzw. 12 zugeordnet.
Der erste Heizwiderstand ist in eine Nut 14 in der Mantelfläche
der ersten Feuchteelektrode derart angeordnet, daß er (R1) in
enger thermischer Kopplung mit der metallischen Elektrode 11
steht. Der Heizwiderstand R2 ist in dem dargestellten Beispiel
unter nur geringer Überlappung mit der zweiten Feuchteelektrode
12 im wesentlichen unterhalb des die beiden Elektroden 11 und
12 trennenden Dielektrikums montiert. Die thermische Kopplung
zwischen R2 und der Elektrode 12 ist daher weniger eng. Die
unterschiedliche thermische Kopplung dient zum Ausgleich des
unterschiedlichen Wärmebedarfs, der jeweils zum Aufheizen der
stark unterschiedlichen Massen der Elektroden 11 und 12 erforderlich
ist. Ein in dem beschriebenen Beispiel als NTC-Widerstand
ausgebildeter Thermofühler 7 ist in der topfförmigen
Feuchteelektrode 11 mit engem wärmeübertragenden Kontakt angeordnet,
so daß er die Temperatur der Feuchteelektrode 11 reaktionsschnell
erfassen kann. In bzw. unterhalb der Elektrode 11
sind eine Leiterplatte, ein Abstandshalter und eine Buchsenanordnung
15 angeordnet. In die Buchsenanordnung 15 ist ein geeigneter
Stecker 16 zum Anschluß der Verbindungsleitung 3 eingesteckt.
Die Trägerplatte 5 mit allen an ihr gehalterten Komponenten
einschließlich des im Gehäusetopf 4 befindlichen Teils
der Buchsenanordnung 15 sind durch eine Kunststoffmasse 6 im
Gehäusetopf 4 eingeschlossen.
Bei der Herstellung des Fühlerbausteins 1 werden die Widerstände
R1, R2 und die zusammen mit der Leiterplatte, dem Abstandshalter
und der Buchsenanordnung 15 vorgefertigte Feuchteelektrode
11 zunächst auf der Trägerplatte 5 montiert verbunden
und in den Innenraum des Gehäusetopfs 4 eingesetzt. Die ebenen
Flächen der Elektroden 11, 12 und 13 sind in der Einbaulage
gegenüber dem Rand des Gehäusetopfs 4 etwas versenkt (z. B. 0,5
-1,5 mm). Dadurch entsteht im Einsatz ein flaches Flüssigkeitsreservoir,
das die Feuchteelektroden 11, 12 und 13 einschließt.
Um alle Komponenten im Innenraum des Gehäusetopfs 4
zu fixieren und ein Eindringen von Feuchtigkeit zu verhindern,
wird der gesamte Gehäuseinnenraum mit der Kunststoffmasse 6
verfüllt, vorzugsweise mit einem Polyurethankunststoff vergossen.
Dies geschieht durch Löcher, die in der Trägerplatte 5
möglichst gleichmäßig über den Umfang verteilt ausgebildet
sind. Nach dem Aushärten der Kunststoffmasse 6 sind alle Einbauteile
des Fühlerbausteins 1 fixiert und feuchtigkeitsdicht
eingeschlossen. Die freiliegenden Elektrodenoberflächen können
auch gegenüber dem Oberflächenniveau der Kunststoffmasse versenkt
angeordnet und über Oberflächenkanäle oder -schlitze verbunden
sein. Letztere bilden in der Einbaulage Fließwege zwischen
benachbarten Elektrodenpaaren (11 und 12 bzw. 12 und 13).
Die versenkte Anordnung der Elektroden 11 bis 13 hat in Verbindung
mit den engen Schmelzwasser-Fließwegen den Vorteil, daß
leitende Festkörper, z. B. Nägel, Klammern usw. nicht ohne weiteres
Kurzschlußpfade zwischen den Feuchteelektroden bilden und
Fehlmeldungen erzeugen können.
Wie in Fig. 1 zu sehen ist, liegen die Stirnflächen aller
Elektroden 11, 12 und 13 zur Außenseite hin frei. Ein beliebig
dünner Feuchtigkeitsfilm, der die freiliegende Fläche 8 des
Fühlertopfs überzieht, vergrößert sprunghaft den Leitwert zwischen
den ersten und zweiten Feuchteelektroden 11 und 12 bzw.
12 und 13. Dies läßt sich in der in Fig. 2 dargestellten Schaltungsanordnung
elektronisch erfassen.
Fig. 2 zeigt die Verknüpfung der elektrischen Komponenten
des Fühlerbausteins 1 über die Verbindungsleitung 3 mit dem Regelbaustein
2. In Fig. 2 sind von den drei Elektroden der Fig.
1 nur die beiden beheizbaren Feuchteelektroden 11 und 12 gezeigt,
die für die Erfindung notwendig sind. Die Einbeziehung
der dritten Feuchteelektrode 13 bedingt keine weitere Ader in
der Verbindungsleitung 3; stattdessen ist eine einfache Verbindung
zur Elektrode 11 vorgesehen, um die Elektrodenfläche und
damit die Empfindlichkeit zu erhöhen.
Gemäß Fig. 2 gehören zu den elektrischen Komponenten des
Fühlerbausteins die beiden Feuchteelektroden 11 und 12, der als
NTC-Widerstand ausgebildete Thermofühler 7, eine Serienschaltung
aus den ersten und zweiten Widerständen R1 und R2 und zusätzlich
noch ein Gleichrichter 18, der mit der ersten Fühlerelektrode
11 verbunden ist.
Kern des Regelbausteins 2 ist ein Mikroprozessor (µP) 20,
der über einen Verstärker 21 einen steuerbaren Zweiwegethyristor
(Triac) 22 steuert. Der Triac 22 steuert den im Heizstromkreis
R1 und R2 fließenden Wechselstrom i, der von einer Wechselstromquelle
23 geliefert wird. Der Triac läßt sich bei geeigneter
Ansteuerung durch den Mikroprozessor 20 so steuern,
daß er bei der Netzfrequenz von 50 Hz n=1 bis 50 Vollwellen
des Heizstroms/sec durchläßt. Entsprechend verhält sich auch
die quasi-kontinuierliche Steuerung des Stroms in den beiden
Heizwiderständen R1 und R2.
Der Mikroprozessor 20 hat drei Signaleingänge E1, E2 und
E3. Der erste Eingang E1 ist über die Leitungsverbindung 3 mit
dem Thermofühler 7 verbunden. Der zweite Eingang E2 ist mit einem
Knotenpunkt 25 verbunden, der den Abgriff für einen Spannungsteiler
mit einem im Heizkreis liegenden niederohmigen
(z. B. 1-2 Ohm) Widerstand 26 bildet. Parallel zum Spannungsteilerwiderstand
26 liegt eine Freilaufdiode 27, die jeweils eine
Halbwelle des über den Triac 22 durchgelassenen Vollwellensignals
zum negativen Pol des Versorgungsstromkreises ableitet.
E3 ist - im dargestellten Ausführungsbeispiel ebenfalls über
die Verbindungsleitung 3 - mit dem Gleichstromausgang des
Gleichrichters 18 gekoppelt. Über E3 wird dem Mikroprozessor 20
mitgeteilt, daß ein für Feuchtigkeit charakteristischer Leitwert
zwischen den beiden Feuchteelektroden 11 und 12 herrscht,
wodurch E3 auf ein positives Potential angehoben wird.
Die übrigen Komponenten des Prinzipschaltbilds gemäß Fig. 2
sind in ihrer Wirkung und gegenseitigen Verknüpfung dem Fachmann
bekannt, so daß auf eine genauere Erläuterung hier verzichtet
werden kann.
Die Funktionsweise und der Verfahrensablauf zur Schnee- und
Eismeldung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Fig. 2
und das Kurvendiagramm gemäß Fig. 3 erläutert:
Die Gefahr einer Eisbildung auf der überwachten Fläche besteht
naturgemäß nur dann, wenn die Gefriertemperatur angenähert
erreicht oder unterschritten ist. Erst wenn die Umgebungstemperatur
die Auslöseschwelle von ca. 0°C unterschreitet,
wird der Heizstromkreis (durch den Triac 22) aktiviert. Der Mikroprozessor
20 hat mindestens einen, in der Regel aber mehrere
programmierbare Speicher. In diesem Speicher sind gerätespezifische
Parameter in der Regel herstellerseitig eingegeben
und stehen bei jedem Meßzyklus zur Verfügung. Zwei dieser
Parameter werden in einer ersten Verfahrensstufe benötigt, und
zwar die minimale Umgebungstemperatur AT(MIN), z. B. -20°C und
der zugehörige Heizstrom i(MAX) bei AT(MIN).
- 1.0 AT-Ermittlung/Berechnung im Zeitintervall I:
Fühler-Abmessung, -Material/Volumen/Gewicht=konstant; damit ist auch der statische stündliche Wärmeverlust konstant: - 1.1 (TF1-AT)*k*F*1,16 [W]=i²*R [W] bzw.:
- 1.2 AT=-i²*(R/(k*F*1,16))+TF1 [°C] bzw. mit TF1=0:
- 1.3 AT=-i²*(R/(k*F*1,16)) [°C];
TF1=Temp. [°C] der Meß-Stelle innerhalb der Elektrode, wird bei AT<0°C mittels P-Regelung auf 0°C gehalten;
P-Bereich (z. B.): Δ TF1=1°C;
Stellbereich : n=0 . . . 50 bzw. i=0 . . .u/R(SUM) [A];
1,16 = Faktor [W*h/kcal]
k = Wärmedurchgangszahl [kcal/(h*°C*m²)]
F = Fläche [m²]
u = u(rms) [V] des Heiztrafos 23
i = i(rms) [A], gemessen während P-Regelung von TF1=0°C
R = Widerstand [Ohm] des Heizwiderstandes
R(SUM) = Gesamtwid. [Ohm] des Heizkreises
AT(MIN) = minimale Außentemp. [°C] (z. B. -20°C)
i(MAX) = i bei AT(MIN) [A] (z. B. 0,2 A eines Referenzfühlers)
Mit i = i(MAX) wird: - 1.4 AT = AT(MIN) = -(i(MAX))² * (R/(k*F*1,16)) [°C] und mit der Annahme, R=R(Soll) = konstant, ist:
- 1.5 (R/(k*F*1,16)) = -AT(MIN)/(i(MAX))² [°C/A²] = Fühlerkonstante
- 1.6 AT=i²*AT(MIN)/(i(MAX))² [°C].
Toleranzen des Widerstandes der Verbindungsleitung, des als
Meßwiderstand dienenden Spannungsteilerwiderstandes 26 und der
Netzspannung sind ohne Einfluß.
Das Zeitintervall I wird zweckmäßigerweise voreingestellt,
und zwar so, daß die Temperatur des Thermofühlers 7 mit Hilfe
der Heizwiderstände R1 und R2 auf den Sollwert TF1(Soll)=0°C
gebracht werden kann. Messungen aus der Praxis haben gezeigt,
daß hierfür eine Zeitspanne von zwei Minuten und weniger
ausreicht.
Nach der Ermittlung des Istwerts der Umgebungstemperatur AT
kommt es im anschließenden Zeitintervall II darauf an, die
Feuchteelektroden 11 und 12 über die ihnen zugeordneten Heizwiderstände
R1 und R2 so weit aufgeheizt zu halten, daß ein
Feuchtigkeitsfilm an der Oberfläche 8 (Fig. 1) der Feuchteelektroden
11 und 12 selbst bei stark negativen Umgebungstemperaturen
(gerade) über dem Gefrierpunkt bleibt. Es ist klar, daß
diese Bedingung nur dann erfüllt sein kann, wenn die Feuchteelektroden
11 und 12 über den Temperaturwert von 0°C aufgeheizt
werden, und zwar bei Verwendung der bevorzugten P-Regelung
im Bereich eines verfügbaren Regelbereichs zwischen 0°C
und der Solltemperatur TF1(MAX)=4°C bei der vorausgesetzten
Minimaltemperatur AT(MIN)=-20°C. (Die Angaben der geräte-
und umgebungsspezifischen Parameter von TF1(MAX)=4°C und
AT(MIN)=-20°C beziehen sich auf die in Deutschland sinnvolle
Einstellungen und können entsprechend den Umgebungsbedingungen
geändert werden).
Fig. 3 zeigt ein Diagramm des Zeitintervalls II mit den für
die Erfindung wesentlichen Variablen für den hier unterstellten
Umgebungstemperaturbereich von 0 bis -20°C. Wie zu sehen ist,
ändert sich die Solltemperatur TF1(Soll) am Thermofühler 7 in
dem relevanten Umgebungstemperaturbereich für Zeitintervall II
zwischen 0 und -20°C linear zwischen 0 und +4°C. Die
Isttemperatur am Thermofühler 7 ist die Regelgröße. Die Stellgröße
ist bei dem beschriebenen System die Zahl n der vom Triac
22 durchgelassenen Vollschwingungen. Zwischen TF1 (Regelgröße)
und n (Stellgröße) besteht ein proportionaler Zusammenhang (P-
Regelung). Entsprechendes gilt auch für die Leistung P, die
sich ebenfalls mit der Umgebungstemperatur linear ändert. Der
Effektivstrom i geht nur mittelbar in die Regelung ein.
Für das Zeitintervall II gilt die Beziehung
TF1(Soll) = Tf1(MAX)*AT/AT(MIN).
Dem Mikroprozessor 20 sind verschiedene Ausgabe- und Eingabeeinrichtungen
zugeordnet, von denen nur die zur Abtaueinrichtung
gehörige Schaltvorrichtung in Fig. 2 als Block 30 dargestellt
ist. Zusätzlich verfügt die neue Eis- und Schneemeldeeinrichtung
in bevorzugter Ausführung über wenigstens eine Computerschnittstelle
eine digitale Anzeige der Betriebssoll- und
-istzustände sowie über Leuchtdiodenanzeigen, welche die Anlagenzustände,
beispielsweise Über- oder Unterschreitungen von
Temperaturschwellen, Feuchte, Alarm, Fühlerheizung, Abtaueinrichtung
in Betrieb usw. anzeigen. Ferner gibt es bei dem bevorzugten
Ausführungsbeispiel geeignete Einsteller, welche bestimmte
Parameter und Sollwerte im Mikroprozessor 20 verändern
können. Die einstellbaren Größen sind beispielsweise die Mindestheizzeit
in einem Stellbereich von 0 bis 90 min, die Empfindlichkeit
der Feuchtemessung, die Temperaturschwellen sowie
die Einstellung von Testzyklen. Außerdem kann es einen Wahlschalter
geben, mit dessen Hilfe die eingestellten Sollwerte
von Mindestzeit, Temperaturschwellen und Feuchte sowie die Istwerte
der Temperaturfühler zur Anzeige gebracht werden können.
Im Rahmen des Erfindungsgedankens sind zahlreiche Abwandlungen
möglich. So ist es unter Umständen zweckmäßig, die
Feuchteelektroden 11, 12 und/oder 13 nicht-konzentrisch, ja sogar
abschnittsweise nicht-symmetrisch zueinander anzuordnen.
Anstelle der P-Regelung kann unter Umständen eine PID- oder PI-
Regelung vorteilhaft sein. Anstelle der Wechselstromquelle 23
kann eine Gleichstromquelle zur Versorgung des Heizstromkreises
vorgesehen sein, wobei das Stellglied vorzugsweise eine Variation
der Gleichstromimpulslängen in Abhängigkeit von Ausgangssignalen
des Mikroprozessors 20 vornimmt. Es können ferner mehrere
Fühlertöpfe einer gemeinsamen Auswerteanordnung 2 zugeordnet
werden.
Claims (27)
1. Verfahren zur Schnee- und Eismeldung unter Verwendung
eines Feuchtefühlers mit wenigstens zwei nach außen freiliegenden,
auf ein elektrisch leitendes Medium, wie Schmelzwasser
reagierenden beheizbaren Feuchteelektroden, einem die Elektrodentemperatur
erfassenden Thermofühler und einer Auswerteschaltung,
wobei auf den Heizstromkreis der Feuchteelektroden so
eingewirkt wird, daß die Temperatur der Feuchteelektroden auf
einen Sollwert geregelt wird, und wobei die Auswerteschaltung
in Abhängigkeit von dem Strom im Heizstromkreis gesteuert wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Heizstromkreis aktiviert wird, wenn am Thermofühler ein bei oder nahe 0°C gelegener erster Temperatursollwert unterschritten wird;
daß danach der Thermofühler über ein vorgegebenes erstes Zeitintervall durch Variation des Heizstroms im wesentlichen auf dem ersten Temperatursollwert gehalten und aus dem Iststrom und zuvor ermittelten gerätespezifischen Parametern der Istwert der Umgebungstemperatur bestimmt wird;
daß danach in einem zweiten vorgegebenen Zeitintervall die Fühlertemperatur in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur zwischen dem ersten Temperatursollwert und einem zweiten, höheren Temperatursollwert geregelt wird; und
daß von der Auswerteschaltung ein Alarm- und/oder Schaltsignal erzeugt wird, wenn
daß der Heizstromkreis aktiviert wird, wenn am Thermofühler ein bei oder nahe 0°C gelegener erster Temperatursollwert unterschritten wird;
daß danach der Thermofühler über ein vorgegebenes erstes Zeitintervall durch Variation des Heizstroms im wesentlichen auf dem ersten Temperatursollwert gehalten und aus dem Iststrom und zuvor ermittelten gerätespezifischen Parametern der Istwert der Umgebungstemperatur bestimmt wird;
daß danach in einem zweiten vorgegebenen Zeitintervall die Fühlertemperatur in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur zwischen dem ersten Temperatursollwert und einem zweiten, höheren Temperatursollwert geregelt wird; und
daß von der Auswerteschaltung ein Alarm- und/oder Schaltsignal erzeugt wird, wenn
- a) eine für die Eisbildung charakteristische Fühlertemperatur erreicht und
- b) ein die Feuchtigkeit kennzeichnender Leitwert zwischen den Feuchteelektroden überschritten wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Einhaltung der ersten und zweiten Temperatursollwerte in
den ersten und zweiten Zeitintervallen durch kontinuierliche
oder quasi-kontinuierliche Regelung erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
die ersten und zweiten Temperatursollwerte p-geregelt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet,
daß Wechselstrom bei Netzfrequenz zum Beheizen der Feuchteelektroden
verwendet wird und daß die Stellgröße durch Variation
der pro Zeiteinheit durch den Heizstromkreis durchgelassenen
Stromschwingungen bzw. -impulse geändert wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß im ersten Zeitintervall eine begrenzte Regelabweichung
von dem ersten Temperatursollwert zugelassen
wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
daß in einem dritten Zeitintervall der Heizstromkreis
unterbrochen wird, während die Auswertung der Fühlertemperatur
und der Feuchtemessung fortgesetzt und ggf. (unter den
Bedingungen a) und b)) ein Alarm- und/oder Schaltsignal erzeugt
wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
daß bei Feststellung der Bedingungen a) und b)
eine Flächenheizung eingeschaltet wird, welche die Umgebung des
Thermofühlers vorzugsweise auf eine voreingestellte Temperatur
aufheizt und eine voreinstellbare Mindestzeitdauer eingeschaltet
bleibt.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß
der Heizstromkreis der Feuchteelektroden während der Betriebsdauer
der Flächenheizung inaktiv gehalten wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß
die Maximaltemperatur der von der Flächenheizung beheizten Fläche
begrenzt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß
die Temperatur der von der Flächenheizung beheizten Fläche
durch einen gesonderten Fühler gemessen wird.
11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß
die Temperatur der von der Flächenheizung beheizten Fläche aus
dem Meßwert des Thermofühlers abgeleitet wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch
gekennzeichnet, daß als gerätespezifische Parameter die erwartete
minimale Umgebungstemperatur und der dabei benötigte maximale
Heizstrom verwendet werden, die herstellerseitig bestimmt
und eingegeben werden.
13. Schnee- und Eismeldeeinrichtung mit einem Feuchtefühler,
der zwei nach außen freiliegende, auf ein elektrisch leitendes
Medium, wie Schmelzwasser reagierende beheizbare Feuchteelektroden
(11, 12) aufweist, einem die Elektrodentemperatur
erfassenden Thermofühler (7), einem in den Heizstromkreis der
Feuchteelektroden eingebundenen elektrischen Stellglied (22)
zur Steuerung des Heizstroms und einer Auswerteschaltung (2,
20), die bei vorgegebenen Temperatur- und Feuchtigkeitswerten
ein Schalt- und/oder Steuersignal auslöst,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Thermofühler (7) mit einer (11) der beiden Feuchteelektroden in engem, wärmeübertragenden Kontakt gehalten ist;
daß ein Computer bzw. Prozessor (20) als Regler für das Stellglied (22) vorgesehen ist;
daß der Thermofühler mit einem die Regelgröße aufnehmenden ersten Eingang (E1) des Computers gekoppelt ist;
daß ein zweiter Eingang (E2) des Computers derart mit dem Heizstromkreis (R1, R2, 22, 26) gekoppelt ist, daß eine für den Heizstrom charakteristische elektrische Größe dem zweiten Computereingang (E2) zuführbar ist;
daß ein dritter Eingang (E3) des Computers mit einem von den Feuchteelektroden (11, 12) abgeleiteten, für Schmelzwasser charakteristischen elektrischen Signal beaufschlagbar ist; und
daß dem Computer ein Speicher zugeordnet ist, in welchem gerätespezifische Parameter (ATmin, imax) und ein Verarbeitungsprogramm zur Berechnung der Umgebungstemperatur (AT) aus dem Iststrom und den gerätespezifischen Parametern sowie zur Regelung der Temperatur (TF1) des Thermofühlers (7) gespeichert sind.
daß der Thermofühler (7) mit einer (11) der beiden Feuchteelektroden in engem, wärmeübertragenden Kontakt gehalten ist;
daß ein Computer bzw. Prozessor (20) als Regler für das Stellglied (22) vorgesehen ist;
daß der Thermofühler mit einem die Regelgröße aufnehmenden ersten Eingang (E1) des Computers gekoppelt ist;
daß ein zweiter Eingang (E2) des Computers derart mit dem Heizstromkreis (R1, R2, 22, 26) gekoppelt ist, daß eine für den Heizstrom charakteristische elektrische Größe dem zweiten Computereingang (E2) zuführbar ist;
daß ein dritter Eingang (E3) des Computers mit einem von den Feuchteelektroden (11, 12) abgeleiteten, für Schmelzwasser charakteristischen elektrischen Signal beaufschlagbar ist; und
daß dem Computer ein Speicher zugeordnet ist, in welchem gerätespezifische Parameter (ATmin, imax) und ein Verarbeitungsprogramm zur Berechnung der Umgebungstemperatur (AT) aus dem Iststrom und den gerätespezifischen Parametern sowie zur Regelung der Temperatur (TF1) des Thermofühlers (7) gespeichert sind.
14. Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet,
daß der Heizstromkreis (R1, R2, 22, 26) an einer Wechselspannungsquelle
(23) liegt und einen elektrischen Zweiwegeschalter
bzw. Triac (22) als Stellglied enthält und daß der Strom (i) im
Heizstromkreis durch Variation der Zahl (n) der pro Zeiteinheit
durch den Zweiwegeschalter (22) durchgelassenen Vollwellen bzw.
Impulse steuerbar ist.
15. Einrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet,
daß der zweite Prozessoreingang (E2) mit einem in dem
Heizstromkreis eingebundenen Spannungsteilerwiderstand (26)
verbunden ist.
16. Einrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet,
daß der Spannungsteiler eine Parallelschaltung aus einer eine
Halbwelle ableitenden Diode (27) und einem Ohm'schen Widerstand
(26) aufweist.
17. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch
gekennzeichnet, daß die freiliegenden Flächen (8) der beiden
Feuchteelektroden (11, 12) konzentrisch und mit Abstand zueinander
in einer Radialebene angeordnet sind.
18. Einrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch
gekennzeichnet, daß den Feuchteelektroden (11, 12) gleiche
Heizwiderstände (R1, R2) lagemäßig so zugeordnet sind, daß die
Heizwiderstände in beiden Feuchteelektroden gleiche Elektrodentemperaturen
hervorrufen.
19. Einrichtung nach Anspruch 17 und 18, dadurch gekennzeichnet,
daß die erste Feuchteelektrode (11) topfförmig und
die zweite Feuchteelektrode (12) ringförmig ausgebildet ist,
daß die Masse der ersten Feuchteelektrode größer als die Masse
der zweiten Feuchteelektrode ist, daß der der ersten Feuchteelektrode
zugeordnete Heizwiderstand (R1) in eine Nut (14) im
Topfmantel eingebettet und der der zweiten Feuchteelektrode zugeordnete
zweite Heizwiderstand (R2) mit gewissem Abstand zur
Ringelektrode (12) angeordnet ist.
20. Einrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet,
daß der Thermofühler (7) in die topfförmige erste Feuchteelektrode
(11) mit engem wärmeübertragenden Kontakt angeordnet ist.
21. Einrichtung nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet,
daß eine dritte, unbeheizte ringförmige Elektrode
(13) mit Abstand konzentrisch um die ringförmige zweite Elektrode
(12) angeordnet ist.
22. Einrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch
gekennzeichnet, daß alle Elektroden, Heizwiderstände und
Thermofühler in einem Kunststoffdielektrikum (6) eingebettet
sind, das ein aus Metall oder Kunststoff bestehendes topfförmiges
Fühlergehäuse (4) im wesentlichen vollständig ausfüllt und
an der Öffnungsseite zur Bildung eines Flüssigkeitsreservoirs
etwas vertieft gegenüber dem Gehäuserand abschließt.
23. Einrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet,
daß die Feuchteelektroden (11 . . . 13) in dem Kunststoffdielektrikum
(6) versenkt angeordnet sind und Oberflächenkanäle oder
-schlitze in dem Dielektrikum (6) als Schmelzwasser-Fließwege
zwischen Elektrodenpaaren (11 und 12; 12 und 13) vorgesehen
sind.
24. Einrichtung nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet,
daß die Elektroden (11 . . . 13), Heizwiderstände (R1, R2)
und der Thermofühler (7) direkt oder indirekt an einer Trägerplatte
vormontiert (5) sind und die Trägerplatte im Fühlergehäuse
(4) eingesetzt und fixiert ist.
25. Einrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet,
daß die Trägerplatte eine im wesentlichen ringförmige Lochscheibe
(5) ist.
26. Verfahren zur Herstellung eines Feuchte- und Temperaturfühlers
für die Einrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis
25, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst die Heizwiderstände
(R1, R2), die Elektroden (11 . . . 13) und eine Anschlußvorrichtung
(15, 16) an einer Trägerplatte (5) montiert und letztere im
Fühlergehäuse eingesetzt wird und daß der Fühlertopf mit thermoplastischem
Kunststoff, insbesondere Polyurethan, ausgegossen
wird.
27. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß
zunächst die erste Feuchteelektrode (11) und die Heizwiderstände
(R1, R2) an der Trägerplatte (5) montiert werden, danach
die zweite Feuchteelektrode (12) auf die Trägerplatte aufgesetzt
und verlötet wird, und daß nach Einsetzen der Trägerplatte
in das topfförmige Fühlergehäuse (4) thermoplastischer
Kunststoff durch Trägerplattenöffnungen in den Topfinnenraum
eingeführt und aushärten gelassen wird.
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