DE4232043A1 - Verfahren und Einrichtung zur Füllstandsüberwachung sowie Verwendung dieser im Dauerbetrieb - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Überwa­ chung des Füllstands der Flüssigkeit in einem Behälter, unter Verwendung eines beheizbaren, temperaturabhängigen Meßfühlers, an welchem eine temperaturabhängige elektri­ sche Meßgröße abgreifbar ist und der sich in einer vorge­ gebenen Höhenposition im Behälter befindet.

Mit beheizbaren, als elektrischer Widerstand ausgebildeten temperaturabhängigen Meßfühlern arbeitet z. B. eine bekannte Meßeinrichtung nach der DE 33 41 630 C2, die sich bevorzugt auf die Füllstandsüberwachung in einem Reaktordruckbehälter eines Kernreaktors bezieht, was auch auf die vorliegende Erfindung zutrifft. Die bekannte Meßeinrichtung arbeitet mit Widerstandsketten, die abwechselnd aus Widerständen mit positivem und negativem Temperaturkoeffizienten (Heiß- und Kaltleiter) zusammengesetzt sind. Die Widerstandsketten bilden jeweils den Zweig einer Brückenschaltung, wobei diese Brückenschaltung abgeglichen oder nicht abgeglichen ist, je nach dem, ob der jeweils obere, dem Flüssigkeits­ spiegel am nächsten gelegene Widerstand, noch von Flüssig­ keit bedeckt ist oder nicht.

Im übrigen ist außer den Verfahren zur Überwachung und Messung des Füllstands, die mit Schwimmkörpern, kapaziti­ ven Meßaufnehmern oder nach der sogenannten Einperl- Methode arbeiten, auch ein Verfahren bekannt, bei dem die Kühlwirkung der Flüssigkeit auf einen beheizten Temperatur­ fühler ausgenutzt wird und als Meßeffekt die Differenz der elektrischen Werte dieses Temperaturfühlers und eines unbeheizten Temperaturfühlers zur Verfügung steht. Die zu­ letzt erwähnten Verfahren wie auch die eingangs behandelte Meßeinrichtung ergeben eine (zeitlich) kontinuierliche Anzeige. Diese Anzeige kann durch Änderung der Eigenschaf­ ten der Temperaturfühler, z. B. infolge Alterung, ungünstig beeinflußt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Verfahren anzugeben, das hinsichtlich seiner Meßgenauigkeit verbes­ sert ist.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß sich die Genauigkeit der Füllstandsmessung und -überwachung, ohne daß Einbußen hinsichtlich der Zuverlässigkeit in Kauf genommen werden müssen, dadurch verbessern läßt, daß bei der Füllstandsüberwachung nach einem diskontinuierlichen Verfahren gearbeitet wird, bei welchem ein wesentliches Kriterium der Füllstandsbestimmung die Messung von Zeit­ differenzen ist.

Erfindungsgemäß wird die gestellte Aufgabe bei einem Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch gelöst,

• a) daß der temperaturabhängige Verlauf der am Meßfühler abgreifbaren Meßgröße über der Zeit gemessen wird,
• b) daß während der Messung der Meßfühler abwechselnd aufgeheizt/nicht aufgeheizt wird, und zwar aufgeheizt wird, bis die Meßgröße um einen vorgegebenen ersten Differenzbetrag größer geworden ist, und nicht mehr aufgeheizt, bis die Meßgröße um einen vorgegebenen zweiten Differenzbetrag kleiner geworden ist,
• c) daß die Aufheizzeit t_H und die Abkühlzeit t_K des je­ weiligen Aufheiz- und Abkühlvorganges gemessen werden,
• d) und daß aus der bei einem trockenen Meßfühler kürzeren Aufheizzeit t_H und längeren Abkühlzeit t_K im Vergleich zu einem nassen Meßfühler, der demgegenüber eine län­ gere Aufheizzeit und eine kürzere Abkühlzeit aufweist, auf die Nichtbedeckung/Bedeckung des Meßfühlers mit Flüssigkeit und damit auf den Füllstand geschlossen wird.

Vorteilhafte Weiterbildungen dieses Verfahrens sind in den Ansprüchen 2 bis 9 angegeben.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile sind vor allem darin zu sehen, daß das Verfahren nach der Erfindung sowohl für Kurzzeitmessungen als auch für Langzeitmessungen (im Dauerbetrieb) geeignet ist und insbesondere reproduzier­ bare Trapez- oder Dreieckimpulse liefert, aus denen sich elektronisch die Größe der Aufheiz- und der Abkühlzeiten auf einfache Weise ermitteln läßt. Bei langgestreckten Meß­ fühlern lassen sich auf genaue und bequeme Weise auch Zwi­ schenwerte zwischen den beiden Zuständen "Meßfühler be­ deckt" und "Meßfühler nicht bedeckt" ermitteln, mit anderen Worten: Hat der Meßfühler eine Längenausdehnung über dem Füllstand, so ergibt sich nach Kalibrierung eine Füllstands­ messung und -anzeige hoher Genauigkeit. Hat der Meßfühler eine flächenhafte Ausdehnung, kann die Füllstandsmessung lageunabhängig gestaltet werden. In vorteilhafter Ausfüh­ rung wird der Meßfühler, insbesondere ein temperaturabhän­ giger elektrischer Widerstand, direkt durch den Heizstrom beheizt, so daß sich die Umschaltung von Heizstrom i_H auf Meßstrom i_M einfach durchführen läßt. Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich, den Meßfühler indirekt, z. B. durch einen räumlich parallel zu ihm angeordneten Heizleiter, zu beheizen. In diesem Fall ist der Meßfühler bevorzugt ein Thermoelement, dem in aller Regel als Vergleichsstelle ein weiteres Thermoelement zugeordnet ist. Am Grundprinzip der Erfindung wird dadurch nichts geändert.

In bevorzugter Ausführung wird das Verfahren nach der Erfindung wie folgt verwirklicht:
Eine Aufheizzeit t_H des Meßfühlers, während der er von einem Heizstrom i_H durchflossen und ein vorgegebener temperaturabhängiger Maximalwert der Meßgröße, z. B. eine Grenztemperatur oder maximaler Spannungsabfall, erreicht wird,
und damit abwechselnd eine Abkühlzeit t_K des Meßfühlers, während der er von einem Meßstrom i_M < i_H, insbesondere i_M « i_H, durchflossen und ein vorgegebener temperatur­ abhängiger Minimalwert (z. B. eine untere Grenztemperatur oder ein Spannungsabfall-Minimum) der Meßgröße am Meßfühler erreicht wird,
werden gemessen,
aus der Größe und Relation der Aufheizzeit t_H und der Ab­ kühlzeit t_K, wenn der Meßfühler in die Flüssigkeit nicht eintaucht, zum einen, und der im Vergleich dazu längeren Aufheizzeit t_H sowie der kürzeren Abkühlzeit t_K, wenn der Meßfühler in die Flüssigkeit eintaucht, zum anderen, wird auf den Füllstand geschlossen.

Wie bereits erwähnt, kann der Füllstandsüberwachung eine Mehrzahl von abwechselnd aufeinander folgenden Aufheiz- und Abkühlvorgängen des Meßfühlers mit zugehörigen Aufheiz- und Abkühlzeiten t_H, t_K zugrundegelegt werden (im Rahmen von Stichprobenmessungen).

Eine bevorzugte Ausführungsform zur zuverlässigen Füll­ standsbestimmung, vorzugsweise in der Kernreaktortechnik, besteht in der Verwendung der Füllstandsüberwachung im Dauerbetrieb, wobei Heizstrom i_H und Aufheizzeit t_H zum einen sowie Abkühlzeit t_K zum anderen periodisch einander abwechseln.

Gegenstand der Erfindung ist auch eine Einrichtung zur Überwachung des Füllstands der Flüssigkeit in einem Behäl­ ter, mit einem beheizbaren, temperaturabhängigen Meßfühler, an welchem eine temperaturabhängige elektrische Größe ab­ greifbar ist, der sich in einer vorgegebenen Höhenposition im Behälter befindet, gemäß Oberbegriff des Anspruchs 10, welcher sinngemäß die gleiche Aufgabe zugrundeliegt, wie dem Verfahren nach der Erfindung, und welche vorzugsweise zur Durchführung dieses Verfahrens geeignet ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe nach dem Kennzeichen des Anspruchs 10 durch die folgenden Merkmale gelöst:

• a) es sind erste Meßmittel zur Messung des temperatur­ abhängigen Verlaufs der am Meßfühler abgreifbaren elek­ trischen Meßgröße über der Zeit vorgesehen,
• b) es sind mit den ersten Meßmitteln kooperierende Heiz­ mittel zur abwechselnden Aufheizung/Nicht-Aufheizung des Meßfühlers während der Messung vorgesehen, und zwar zur Aufheizung, bis die Meßgröße um einen vorgegebenen ersten Differenzbetrag größer geworden ist, und zur Unterbrechung der Aufheizung, bis die Meßgröße um einen vorgegebenen zweiten Differenzbetrag kleiner geworden ist,
• c) es sind zweite Meßmittel zur Messung der Aufheizzeit t_H und der Abkühlzeit t_K während des jeweiligen Aufheiz- und Abkühlvorgangs vorgesehen,
• d) es ist eine Signalverarbeitungsstufe vorgesehen, mittels welcher aus der bei einem trockenen Meßfühler kürzeren Aufheizzeit t_H und längeren Abkühlzeit t_K im Vergleich zu einem nassen Meßfühler, der demgegenüber eine längere Aufheizzeit t_H und eine kürzere Abkühl­ zeit t_K aufweist, Signale erzeugbar sind, welche repräsentativ sind für die Nichtbedeckung/Bedeckung des Meßfühlers mit Flüssigkeit und damit für den Füll­ stand.

Vorteilhafte Weiterbildungen dieser Einrichtung nach der Erfindung sind in den Patentansprüchen 11 bis 14 angegeben.

Im folgenden werden anhand der Zeichnung, in welcher mehre­ re Ausführungsbeispiele für eine Überwachungseinrichtung nach der Erfindung dargestellt sind, diese, das durch sie verwirklichte Verfahren sowie weitere Merkmale und Vorteile erläutert.

In der Zeichnung zeigt in zum Teil vereinfachter, schematischer Darstellung:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel für eine Einrich­ tung zur Überwachung des Füllstandes der Flüssigkeit in einem Behälter mit einem Meßfühler und einer zugehörigen elektrischen/elektronischen Beschaltung, wobei der Behälter schematisch im Schnitt und der Füllstand durch eine gestrichelte Linie angedeutet sind,

Fig. 2 den Verlauf des Spannungsabfalls ΔU über der Zeit t bei einem "trockenen" Meßfühler, welcher abwechselnd von Heizstrom i_H und Meßstrom I_M durchflossen wird,

Fig. 3 in entsprechender Darstellung zu Fig. 2 den Verlauf des Spannungsabfalls über der Zeit bei einem "nassen" (eintauchenden) Meßfühler, der ebenfalls abwech­ selnd vom Heizstrom i_H und vom Meßstrom i_M durchflossen wird,

Fig. 4 drei weitere Ausführungsbeispiele für die Ausbil­ dung des Meßfühlers in einem Behälter, und zwar von links nach rechts gesehen: ein vertikal ausgerichteter, langge­ streckter Meßfühler, eine ebenfalls vertikal ausgerichtete Meßfühler-Kette und einen langgestreckten Meßfühler, der indirekt durch einen Heizdraht beheizt wird. In Fig. 4 ist zur Vereinfachung die Beschaltung der Meßfühler weg­ gelassen,

Fig. 5 in entsprechender Darstellung zu Fig. 1 ein weiteres Beispiel für eine Meßeinrichtung nach der Erfin­ dung, bei welcher der Meßfühler aus einem Thermoelement und einem damit baulich vereinigten Heizelement besteht und die Vergleichsstelle außerhalb des Behälters innerhalb der elektronischen Beschaltung vorgesehen ist,

Fig. 6 den Verlauf der Thermospannung U_TE abhängig von der Zeit bei einem sogenannten trockenen Meßfühler,

Fig. 7 den Verlauf der Thermospannung U_TE abhängig von der Zeit für denselben Meßfühler, allerdings ist dieser in die Flüssigkeit eingetaucht,

Fig. 8 in entsprechender Darstellungsweise zu Fig. 1 und 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei welchem als Meßfühler wieder ein mit einem Heizwiderstand kombiniertes Thermoelement verwendet ist, bei dem jedoch die Vergleichs­ stelle dem Meßfühler räumlich unmittelbar benachbart inner­ halb des Behälters zugeordnet ist,

Fig. 9 den Verlauf der Differenz-Thermospannung ΔU_TE bei einem sogenannten trockenen Meßfühler und bei trockener Vergleichsstelle, und

Fig. 10 für denselben Meßfühler und dieselbe Vergleichs­ stelle den Verlauf der Thermo-Differenzspannung ΔU_TE bei sogenanntem nassen Meßfühler und ebenfalls in die Flüssig­ keit eintauchender Vergleichsstelle.

Der im Schnitt schematisch dargestellte Behälter 1 nach Fig. 1 ist z. B. bis zum gestrichelt angedeuteten Spiegel 10 mit einer Flüssigkeitssäule oder Flüssigkeit 11 gefüllt. Bei dem Behälter 1 kann es sich um einen Tank für Treibstoff oder Öl handeln oder um einen Wasser enthalten­ den Behälter. Insbesondere kann es sich um einen Druckbe­ hälter für einen Druckwasser- oder Siedewasser-Reaktor handeln oder um andere in einem solchen Kernkraftwerk verwendete Behälter, wie Druckhalter, Dampferzeuger oder dergleichen. Dem Behälter 1 ist ein als Ganzes mit ME1 bezeichnete Einrichtung zur Überwachung des Füllstands der Flüssigkeit 11 im Behälter 1 zugeordnet, die wenigstens einen beheizbaren, als elektrischer Widerstand ausgebilde­ ten temperaturabhängigen Meßfühler 2 aufweist, der sich in einer vorgegebenen Höhenposition h_M im Behälter 1 befindet. Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 besteht der Meßfühler 2 aus einem Widerstandsthermometer in bekannter Vier-Leiter-Schaltung. Der Meßfühler 2 taucht, wie ersicht­ lich, in die Flüssigkeit 11 des Behälters 1 ein, der auf seinen Füllstand überwacht werden soll. Die vorgegebene Höhenposition h_M ist nur eine mittlere Höhe; der Meßfühler 2 erstreckt sich in Höhenrichtung über die Länge Δh_M, wobei er mit seiner längeren Erstreckung horizontal orien­ tiert und mit seiner kürzeren Erstreckung vertikal orien­ tiert ist. Bei diesem einfachen Ausführungsbeispiel läßt sich also mit dem Meßfühler 2 feststellen, ob dieser trocken ist (Flüssigkeitsstand oder -spiegel 10 unterhalb von Δh_M) oder ob der Meßfühler 2 eintaucht (Flüssig­ keitsstand 10 gleich oder höher als die obere Linie der Höhendifferenz Δh_M. Wenn erforderlich, ließen sich auch Zwischenpositionen innerhalb der Höhendifferenz Δh_M ermitteln.

Ein erstes Polpaar a, b ist über die beiden Leitungen a1, b1 und das schematisch angedeutete Kabel 3 an eine Strom­ versorgungsstufe 4 angeschlossen. Diese dient zur Versor­ gung des Meßfühlers 2 entweder mit Heizstrom i_H oder mit Meßstrom i_M, wobei i_M < i_H, vorzugsweise i_M « i_H, gilt. Ein zweites Polpaar c, d am Meßfühler 2 dient zum Abgriff des an diesem anstehenden Spannungsabfalls ΔU. Dieser Spannungsabfall ΔU ergibt sich aus dem Produkt des gerade durch den Meßfühler 2 fließenden Stroms (entweder Heiz­ strom i_H oder Meßstrom i_M) und dem gerade vorhandenen Widerstandswert, welcher temperaturabhängig ist. Vom zweiten Polpaar c, d führt je eine Meßleitung c1, d1 über ein gleichfalls schematisch angedeutetes Meßkabel 5 zu einem Meßumformer 6, insbesondere einem Meßverstärker. Die Ausgangsleitung 7 des Meßumformers 6 ist mit einem nachge­ schalteten Signalverarbeitungs- und Steuergerät 8 verbunden, welches seinerseits über eine Steuerleitung 9 mit der Stromversorgungsstufe 4 verbunden ist. Die im Gerät 8 auf analoge oder digitale Weise ermittelten Füllstandsanzeige­ Werte werden über eine Signalausgangsleitung 12 einer Warte oder einem Leitstand des zugehörigen Kraftwerks zuge­ leitet, was impliziert, daß im Falle des Über- oder Unter­ schreitens von Grenzwerten auch Warnsignale (akustischer oder optischer Art) am Leitstand gegeben werden können.

Anhand von Fig. 2 in Verbindung mit Fig. 1 wird zunächst eine bevorzugte Ausführungsform des Überwachungsverfahrens, die mit der Einrichtung nach der Erfindung verwirklicht werden kann, erläutert. Dabei zeigt Fig. 2 den Verlauf des Spannungsabfalls am Meßfühler 2 bei einem trockenen Meßfühler. Fig. 3 (auf die dann noch eingegangen wird) zeigt beispielsweise den Verlauf des Spannungsabfalls bei einem "nassen" Meßfühler. Durch den Meßfühler werden ab­ wechselnd während einer Aufheizzeit t_H (vgl. Fig. 2) ein Heizstrom i_H und während einer Abkühlzeit t_K ein Meßstrom i_M geschickt. Aufgrund des relativ kleinen Meßstroms i_M (der ohne Beheizung des Meßfühlers 2 zur Temperaturermitt­ lung am Ort des Meßfühlers dienen kann) ist der zugehörige Spannungsabfall am Meßfühler 2 relativ klein, siehe ΔU_M. Wird nun anstelle des Meßstroms i_M der größere, vorzugs­ weise wesentlich größere Heizstrom i_H durch den Meßfühler 2 geschickt, dann wird der Spannungsabfall ΔU_M zunächst um den Quotienten i_H/i_M vergrößert. Durch den einsetzenden Aufheizvorgang, die damit einhergehende Temperatur- und Widerstands-Erhöhung vergrößert sich jedoch der Spannungs­ abfall ΔU noch weiter, bis ein oberer Grenzwert ΔU_H,max erreicht ist. Bei Erreichen dieses Grenzwertes veranlaßt das Gerät 8 die Stromversorgungsstufe 4, vom Heizstrom i_H auf den Meßstrom i_M umzuschalten, wodurch der Spannungs­ abfall ΔU im Umschaltzeitpunkt schlagartig (steil) nach unten abfällt, aber den Wert ΔU_M,min noch nicht ganz er­ reicht, weil sich der Meßfühler während der Abkühlzeit t_K noch abkühlen muß. Erst nach Ablauf dieser Zeit ist die Temperatur am Meßfühler auf den Wert abgesunken, welcher dem Spannungsabfall ΔU_M,min entspricht. Am Ende der Ab­ kühlzeit t_K wird durch das Gerät 8 die Stromversorgungs­ stufe 4 über die Steuerleitung 9 wieder veranlaßt, vom Meßstrom i_M auf den Heizstrom i_H umzuschalten, und so fort.

Wie man aus Fig. 2 erkennt, ist die Abkühlzeit t_K etwa doppelt so groß wie die Aufheizzeit t_H. Dies ist typisch für einen "trockenen", also von Luft oder Gas umgebenen Meßfühler 2.

Die gleiche Verfahrensprozedur wird gemäß Fig. 1 und 3 durchgeführt an einem "nassen" Meßfühler 2, wobei in Fig. 3 die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 2 verwendet sind, sich jedoch die absolute Größe und die Relation von Auf­ heiz- und Abkühlzeit t_H und t_K verändert haben. Typisch für diesen "nassen" Fühler ist, daß die Aufheizzeit t_H wesentlich größer ist als die Abkühlzeit t_K. Das liegt daran, daß der Wärmeübergang und der Kühleffekt bei einem Meßfühler, der in eine Flüssigkeit eintaucht, wesentlich stärker ausgeprägt sind als bei einem trockenen (von Luft/ Gas umgebenen) Meßfühler, und demgemäß ist auch die Ab­ kühlzeit t_K im Vergleich zur Aufheizzeit t_H kleiner bzw. wesentlich kleiner. Aus den beiden Kurvendarstellungen nach den Fig. 2 und 3 erkennt man, daß durch die (mit­ telbar) gemessenen Intervalle der Aufheiz- und Abkühlzeiten t_H und t_K es auch möglich ist, mit relativ guter Genauig­ keit Teilbedeckungen des Meßfühlers zu ermitteln.

Man kann nun der Füllstandsüberwachung eine Mehrzahl von abwechselnd aufeinanderfolgenden Aufheiz- und Abkühlvorgän­ gen des Meßfühlers 2 mit zugehörigen Aufheiz- und Abkühl­ zeiten t_H, t_K zugrundelegen. Dies gilt z. B. für eine Kalibrierungsmessung oder für stichprobenartige Messungen. Bevorzugt kann das Verfahren nach der Erfindung für die Füllstandsüberwachung im Dauerbetrieb eingesetzt werden, wobei Heizstrom i_H und Aufheizzeit t_H zum einen sowie Meßstrom i_M und Abkühlzeit t_K zum anderen periodisch einander abwechseln.

In Fig. 1 ist der Meßfühler 2 vom Heizstrom i_H direkt beheizt; der Meßfühler kann aber auch indirekt beheizt werden, z. B. durch einen räumlich parallel zu ihm ange­ ordneten Heizleiter 13, wie es anhand des zweiten Bei­ spiels einer Einrichtung ME2a mit einem vertikal orien­ tierten Meßfühler 2′ in Fig. 4 dargestellt ist.

In den Fig. 2 und 3 markiert der Zeitpunkt t₀ den Zyklus- Beginn. Kurz zusammengefaßt läuft das bevorzugte Verfahren nach der Erfindung wie folgt ab: Der Fühler ist im Grund­ zustand nur von dem kleinen Meßstrom i_M durchflossen, so daß der Spannungsabfall ΔU_M = ΔU_M,min ein Maß für die Temperatur im Behälter ist. Zum Zeitpunkt t₀ wird anstelle des Meßstroms i_M ein Heizstrom i_H aufgeschaltet, so daß sich der Meßfühler erwärmt und der Spannungsabfall ΔU er­ höht. Es wird nun die Aufheizzeit t_H gemessen, bis der Spannungsabfall einen vorgegebenen Wert ΔU = ΔU_H,max erreicht und dann zugleich vom Heizstrom i_H wieder auf den Meßstrom i_M umgeschaltet. Der Meßfühler 2 kühlt sich nun ab, und es wird die Abkühlzeit t_K gemessen, bis der Span­ nungsabfall ΔU wieder den Anfangswert ΔU_M,min erreicht hat. Darauf beginnt ein neuer Zyklus mit Einschalten des Heizstroms i_H, vergleiche Fig. 2 und 3.

Zurück zur Einrichtung nach Fig. 1: Das Signalverarbei­ tungs- und Steuergerät 8 (im folgenden abgekürzt "Gerät") dient zur Messung des Spannungsabfalls ΔU am Meßfühler 2. Es dient ferner zur Grenzwertbildung für einen heizstrom­ abhängigen maximalen Spannungsabfall ΔU_H,max und einen meßstromabhängigen minimalen Spannungsabfall ΔU_M,min oder zur Grenzwertbildung von diesen genannten Spannungs­ abfallwerten analogen Größen. Ferner dient das Gerät 8 zur Zeitmessung der Aufheizzeit t_H und der Abkühlzeit t_K abhän­ gig vom Erreichen der genannten Werte ΔU_H,max bzw. ΔU_M,min der dazu analoger Größen und Auswertung der Zeitmessungen zur Steuerung der Umschaltung der Stromversorgungsstufe 4 über die Steuerleitung 9. Die Stromversorgungsstufe 4 bewirkt eine Umschaltung von i_H auf i_M am Ende von t_H und von i_H auf i_M am Ende von t_K. Schließlich dient das Gerät 8 zur Bildung von mindestens zwei füllstandsrelevanten Signalen "Meßfühler taucht nicht ein" und "Meßfühler taucht ein" aufgrund einer Analyse der Größe und Relation der Aufheizzeit t_H und der Abkühlzeit t_K, wenn der Meß­ fühler 2 in die Flüssigkeit nicht eintaucht, zum einen, und der im Vergleich dazu längeren Aufheizzeit t_H sowie der kürzeren Abkühlzeit t_K, wenn der Meßfühler 2 in die Flüssigkeit eintaucht, zum anderen. Es ist zum Beispiel möglich, elektronisch ein Verhältnis t_H : t_K zu bilden und diesen Verhältnis-Istwert mit einer Vielzahl von einge­ speicherten Verhältniswerten zu vergleichen. Außer einer Ja-Nein-Entscheidung "Meßfühler taucht ein" oder "Meßfüh­ ler taucht nicht ein" ist es auf diese Weise auch möglich, ein Teileintauchen festzustellen. Für eine derartige fein­ stufige Messung des Füllstands ist es gemäß Fig. 4 mög­ lich, siehe den länglichen Meßfühler 2′′ der Einrichtung ME2b, diesen mit seinen beiden Enden zwischen einer ersten Meßhöhe h1 und einer zweiten Meßhöhe h2, zwischen denen eine Höhendifferenz h1-h2 besteht, anzuordnen, so daß aus dem Grad der Bedeckung des Meßfühlers 2′′ mit Flüssigkeit Füllstandszwischenwerte zwischen der Meßhöhe h1 und der Meßhöhe h2 ableitbar sind. Gemäß dem vierten Ausführungs­ beispiel einer Einrichtung ME3 in Fig. 4 ist ein Kette 14, bestehend aus aneinandergereihten, in Reihe zueinander geschalteten länglichen Meßfühlern 20 vorgesehen. Die Kette 14 bzw. die einzelnen Meßfühler 20 überbrücken die Höhendifferenz zwischen einer oberen Meßhöhe h_o und einer unteren Meßhöhe h_u, so daß auch hier aus dem Grad der Bedeckung der Kette 14 mit Flüssigkeit der Flüssigkeits­ stand im Bereich der Höhendifferenz h_o-h_u ableitbar ist. Wenn, wie dargestellt, jeder der einzelnen Meßfühler geson­ derte Meßleitungen c1, d1 zur Messung seines Spannungs­ abfalls aufweist, dann kann der Flüssigkeitsstand oder -spiegel, der wieder mit 10 bezeichnet ist, grob dadurch bestimmt werden, daß festgestellt wird, wieviele der Meß­ fühler 20 mit Flüssigkeit bedeckt sind. Für den spiegel­ nächsten Meßfühler 20 wird dann noch der Grad der Teil­ bedeckung festgestellt, wobei sich die Teilbedeckung dieses Meßfühlers zur Bedeckung der unter ihm befindlichen Meß­ fühler addiert und auf diese Weise ein sehr genauer Füll­ stand ermittelt werden kann.

Der im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 bis 3 beschriebe­ ne Spannungsabfall ΔU ist eine analoge Größe zum tempera­ turabhängigen Verlauf des elektrischen Widerstands des Meß­ fühlers oder auch zur Temperatur bzw. Durchschnittstempera­ tur am Meßfühler 2 selbst. Für die Füllstandsermittlung ist es wesentlich, eine dieser Größen zugrundezulegen (außer den gemessenen Werten für die Aufheizzeit t_H und die Abkühlzeit t_K), wenngleich das Arbeiten mit dem Spannungsabfall ΔU am Meßfühler 2 besonders einfach ist.

Die Meßeinrichtung ME4 nach Fig. 5 unterscheidet sich von derjenigen nach Fig. 1 dadurch, daß der Meßfühler 23 ein Thermoelement 21 aufweist, welchem ein Heizelement, vorzugs­ weise ein Heizwiderstand 22, unmittelbar benachbart zugeord­ net und mit dem Thermoelement 21 zu einer thermisch gekoppelten Einheit, dem Meßfühler 23, baulich vereinigt bzw. integriert ist. Die Vergleichsstelle für das Thermo­ element 21 befindet sich außerhalb des Behälters 1 im Gerät 8 (nicht näher dargestellt). Meßgröße ist der zeit­ liche Verlauf der Thermospannung U_TE.

Dieses Meßverfahren arbeitet so (vgl. zunächst Fig. 6, Verlauf von U_TE bei einem "trockenen" Meßfühler), daß ab dem Zeitpunkt t₀ (Beginn der Messung) durch den Heizwider­ stand 22 während der Zeitspanne t_H (Heizzeit) ein Heiz­ strom i_H geschickt wird, solange, bis die Thermospannung U_TE ihren oberen Grenzwert U_TE,max erreicht hat. Dann wird der Heizstrom i_H abgeschaltet, so daß sich während der darauf folgenden Zeitspanne t_K der Meßfühler 23 abkühlen kann, und zwar bis zu einem Minimalwert U_TE,min der Thermo­ spannung. Darauf folgt wieder ein Heizintervall t_H, dann wieder ein Abkühlintervall t_K und so weiter. Es ergibt sich eine Sägezahnkurve, wie sie z. B. in Fig. 6 darge­ stellt ist, wobei die Heizflanken der Thermospannung U_TE steiler verlaufen als die Abkühlflanken K. Das liegt daran, daß die zu den Heizflanken H gehörenden Heizintervalle t_H kürzer sind als die zu den Kühlflanken K gehörenden Abkühl­ intervalle t_K. Diese Verhältnisse kehren sich beim "nassen" Meßfühler um, vergleiche dazu die Darstellung nach Fig. 7. Hierbei verlaufen die Heizflanken H′ flacher als die Kühl­ flanken K′ , weil die Aufheizintervalle t_H länger andauern als die Abkühlintervalle t_K.

Das Ausführungsbeispiel nach den Fig. 8 bis 10 unterscheidet sich von demjenigen nach den Fig. 5 bis 7 dadurch, daß eine Vergleichsstelle in Gestalt eines unbe­ heizten Thermoelementes 24 in der gleichen Höhenposition (mittlere Höhe h_m) wie das beheizbare Thermoelement 21 des Meßfühlers 23 angeordnet und mit diesem beheizbaren Thermo­ element 21 in Reihe geschaltet ist, so daß die beiden ab­ greifbaren Meßspannungen U_TE des Thermoelementes 21 und U′_TE des Vergleichs-Thermoelementes 24 gegeneinander geschaltet sind. Im übrigen sind Ausbildung und Funktion der Meßeinrichtung ME5 nach Fig. 8 so wie bei der Meß­ einrichtung ME4 nach Fig. 5.

Wegen der Differenzbildung aus den beiden Thermospannungen U_TE und U′_TE ist die Ordinate in Fig. 9 und 10 mit ΔU_TE bezeichnet, und die Meßspannung beginnt zum Zeitpunkt t₀, wenn also mit der Aufheizung des Heizwiderstandes 22 durch einen Heizstrom i_H begonnen wird, beim Spannungswert 0. Während des Heizintervalls t_H (siehe Fig. 9) erreicht dann die Differenz-Thermospannung ΔU_TE ihren vorgegebe­ nen Maximalwert ΔU_TE,max. Bei Erreichen dieses oberen Grenzwerts wird der Heizstrom abgeschaltet, und es schließt sich das Abkühlintervall t_K an, danach wird wieder geheizt (Intervall t_H) und so weiter, wobei - weil der Messung nach Fig. 9 ein trockener Meßfühler 23 mit trockenem Vergleichs-Thermoelement 24 zugrundeliegt - die Heiz­ flanken H steiler verlaufen als die Abkühlflanken K.

Dies kehrt sich im Diagramm nach Fig. 10 um: Die Heizflan­ ken H′ verlaufen weniger steil als die Abkühlflanken K′. Das liegt wieder daran, daß das jeweilige Heizintervall t_H kürzer ist als das jeweilige Abkühlintervall t_K. In den Diagrammen nach den Fig. 9 und 10 liegt der Wert der minimalen Thermo-Differenzspannung bei Null, so daß dieser Minimalwert nicht gesondert bezeichnet ist.

Claims (15)

1. Verfahren zur Überwachung des Füllstandes (10) der Flüssigkeit (11) in einem Behälter (1), unter Verwendung eines beheizbaren, temperaturabhängigen Meßfühlers (2), an welchem eine temperaturabhängige elektrische Größe ab­ greifbar ist und der sich in einer vorgegebenen Höhen­ position (h_m) im Behälter (1) befindet, mit den Merkmalen:

• a) daß der temperaturabhängige Verlauf der am Meßfühler (2; 23) abgreifbaren Meßgröße (ΔU; U_TE; ΔU_TE) über der Zeit gemessen wird,
• b) daß während der Messung der Meßfühler (2) abwechselnd aufgeheizt/nicht aufgeheizt wird, und zwar aufgeheizt wird, bis die Meßgröße (ΔU; U_TE; ΔU_TE) um einen vor­ gegebenen ersten Differenzbetrag größer geworden ist, und nicht mehr aufgeheizt, bis die genannte Meßgröße um einen vorgegebenen zweiten Differenzbetrag kleiner geworden ist,
• c) daß die Aufheizzeit t_H und die Abkühlzeit t_K des je­ weiligen Aufheiz- und Abkühlvorganges gemessen werden,
• d) und daß aus der bei einem trockenen Meßfühler (2) kür­ zeren Aufheizzeit t_H und längeren Abkühlzeit t_K im Ver­ gleich zu einem nassen Meßfühler (2), der demgegenüber eine längere Aufheizzeit und eine kürzere Abkühlzeit aufweist, auf die Nichtbedeckung/Bedeckung des Meßfüh­ lers (2; 23) mit Flüssigkeit (11) und damit auf den Füllstand (10) geschlossen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßfühler (2) direkt beheizt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Meßfühler (2) ein temperaturabhängiger elektrischer Wider­ stand verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß für den Meßfühler (2; 23) ein beheizbares Thermoelement verwendet und als elektrische Größe (U_TE; ΔU_TE) der zeit- und tem­ peraturabhängige Verlauf der Thermospannung abgegriffen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßfühler (2; 23) indirekt beheizt wird, z. B. durch einen räumlich parallel zu ihm angeordneten Heizleiter (13).

6. Verfahren nach Anspruch 3 mit den folgenden Merkmalen:

• - eine Aufheizzeit t_H des Meßfühlers (2), während der er von einem Heizstrom i_H durchflossen und ein vorgegebener temperaturabhängiger Maximalwert (ΔU_H,max) der Meß­ größe ΔU am Meßfühler (2) erreicht wird, und damit abwechselnd eine Abkühlzeit t_K des Meßfühlers, während der er von einem Meßstrom i_M < i_H, insbesondere i_M « i_H, durchflossen und ein vorgegebener temperatur­ abhängiger Minimalwert (ΔU_M,min) der Meßgröße (ΔU) am Meßfühler (2) erreicht wird, werden gemessen,
• - aus der Größe und Relation der Aufheizzeit t_H und der Abkühlzeit t_K, wenn der Meßfühler (2) in die Flüssig­ keit (11) nicht eintaucht, zum einen, und der im Ver­ gleich dazu längeren Aufheizzeit t_H sowie der kürzeren Abkühlzeit t_K, wenn der Meßfühler (2) in die Flüssigkeit (11) eintaucht, zum anderen, wird auf den Füllstand (10) geschlossen.

7. Verfahren nach Anspruch 6, mit den folgenden Merkmalen:

• a) durch den Meßfühler (2) werden abwechselnd während einer Aufheizzeit t_H ein Heizstrom i_H und während einer Ab­ kühlzeit t_K ein Meßstrom i_M geschickt,
• b) die Aufheizzeit t_H und der während der Aufheizzeit t_H ansteigende temperaturabhängige Spannungsabfall ΔU_H am Meßfühler (2) werden gemessen, bis ein oberer Grenz­ wert ΔU_H,max des Spannungsabfalls erreicht ist,
• c) bei Erreichen des oberen Grenzwerts ΔU_H,max wird vom Heizstrom i_H auf den Meßstrom i_M umgeschaltet, und es werden die Abkühlzeit t_K und der während der Abkühlzeit t_K abfallende temperaturabhängige Spannungsabfall ΔU_M am Meßfühler (2) gemessen, bis ein unterer Grenzwert ΔU_M,min des Spannungsabfalls erreicht ist,
• d) bei Fortsetzung dieses alternierenden Aufheiz- und Ab­ kühlvorgangs wird beim Erreichen des unteren Grenzwerts ΔU_M,min vom Meßstrom i_M auf den Heizstrom i_H umge­ schaltet u.s.f.
• e) aus Größe und Relation von Aufheiz- und Abkühlzeiten t_H, t_K wird auf den Füllstand (10) geschlossen.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllstandsüberwachung eine Mehrzahl von abwechselnd auf­ einanderfolgenden Aufheiz- und Abkühlvorgängen des Meßfüh­ lers (2; 23) mit zugehörigen Aufheiz- und Abkühlzeiten t_H, t_K zugrundegelegt werden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch die Verwendung der Füllstandsüberwachung im Dauerbetrieb, wobei Heizstrom i_H und Aufheizzeit t_H zum einen sowie Abkühlzeit t_K zum anderen periodisch einander abwechseln.

10. Einrichtung zur Überwachung des Füllstands (10) der Flüssigkeit (11) in einem Behälter (1), mit einem beheiz­ baren, temperaturabhängigen Meßfühler (2; 23), an welchem eine temperaturabhängige elektrische Größe abgreifbar ist und der sich in einer vorgegebenen Höhenposition im Behäl­ ter (1) befindet, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

• a) es sind erste Meßmittel (c, d, c1, d1, 5-8) zur Mes­ sung des temperaturabhängigen Verlaufs der am Meßfühler (2; 23) abgreifbaren elektrischen Meßgröße (ΔU; U_TE; ΔU_TE) über die Zeit vorgesehen,
• b) es sind mit den ersten Meßmitteln (c, d, c1, d1, 5-8) kooperierende Heizmittel (a, b, a1, b1, 3, 4) zur ab­ wechselnden Aufheizung/Nicht-Aufheizung des Meßfühlers (2; 23) während der Messung vorgesehen, und zwar zur Aufheizung, bis die Meßgröße (ΔU; U_TE; ΔU_TE) um einen vorgegebenen ersten Differenzbetrag größer gewor­ den ist, und zur Unterbrechung der Aufheizung, bis die genannte Meßgröße um einen vorgegebenen zweiten Diffe­ renzbetrag kleiner geworden ist,
• c) es sind zweite Meßmittel (8) zur Messung der Aufheizzeit t_H und der Abkühlzeit t_K während des jeweiligen Aufheiz- und Abkühlvorgangs vorgesehen,
• d) es ist eine Signalverarbeitungsstufe (8, 12) vorgesehen, mittels welcher aus der bei einem trockenen Meßfühler (2; 23) kürzeren Aufheizzeit t_H und längeren Abkühlzeit t_K im Vergleich zu einem nassen Meßfühler (2; 23), der demgegenüber eine längere Aufheizzeit t_H und eine kürze­ re Abkühlzeit t_K aufweist, Signale erzeugbar sind, wel­ che repräsentativ sind für die Nichtbedeckung/Bedeckung des Meßfühlers (2; 23) mit Flüssigkeit (11) und damit für den Füllstand (10).

11. Einrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

• a) ein erstes Polpaar (a, b) am Meßfühler (2) mit einer daran angeschlossenen Stromversorgungsstufe (4) zur Versorgung des Meßfühlers (2) mit Heizstrom i_H oder mit Meßstrom i_M, wobei i_M < i_H, vorzugsweise i_M « i_H, gilt,
• b) ein zweites Polpaar (c, d) am Meßfühler (2) zum Abgriff des an diesem anstehenden Spannungsabfalls ΔU,
• c) ein dem zweiten Polpaar (c, d) nachgeschaltetes Signal­ verarbeitungs- und Steuergerät (6, 7, 8) zur
• - Messung des Spannungsabfalls ΔU am Meßfühler (2),
• - Grenzwertbildung für einen heizstromabhängigen maxi­ malen Spannungsabfall ΔU_H,max und einen meßstrom­ abhängigen minimalen Spannungsabfall ΔU_M,min oder für diesen ΔU-Werten analoge Größen,
• - Zeitmessung der Aufheizzeit t_H und der Abkühlzeit t_K abhängig vom Erreichen der Werte ΔU_H,max bzw. ΔU_M,min oder dazu analoger Größen und Auswertung der Zeitmes­ sungen zur Steuerung der Umschaltung der Stromversor­ gungsstufe (4) von i_H auf i_M am Ende von t_H und von i_H auf i_M am Ende von t_K sowie zur Bildung eines von mindestens zwei füllstandsrelevanten Signalen "Meßfüh­ ler taucht nicht ein" und "Meßfühler taucht ein" auf­ grund einer Analyse der Größe und Relation der Aufheiz­ zeit t_H und der Abkühlzeit t_K, wenn der Meßfühler (2) in die Flüssigkeit (11) nicht eintaucht, zum einen, und der im Vergleich dazu längeren Aufheizzeit t_H sowie der kürzeren Abkühlzeit t_K, wenn der Meßfühler (2) in die Flüssigkeit (11) eintaucht, zum anderen.

12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 10 oder 11, mit dem Merkmal, daß ein länglicher Meßfühler (2′′) mit seinen beiden Enden zwischen einer ersten (h1) und einer zweiten Meßhöhe (h2), zwischen denen eine Höhendifferenz (h1-h2) besteht, angeordnet ist, so daß aus dem Grad der Bedeckung des Meßfühlers (2′′) mit Flüssigkeit (11) Füllstandszwischen­ werte zwischen der Meßhöhe (h1) und der Meßhöhe (h2) ab­ leitbar sind.

13. Einrichtung nach einem der Ansprüche 10 oder 11, mit dem Merkmal einer Kette (14), bestehend aus aneinander­ gereihten länglichen Meßfühlern (20), die in Reihe zueinan­ der geschaltet sind und die Höhendifferenz zwischen einer oberen Meßhöhe (h_o) und einer unteren Meßhöhe (h_u) über­ brücken, so daß aus dem Grad der Bedeckung der Kette (14) mit Flüssigkeit (11) der Flüssigkeitsstand (10) im Bereich der Höhendifferenz (h_o-h_u) ableitbar ist.

14. Einrichtung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch ein beheizbares Thermoelement als Meßfühler (23), wobei als elektrische Größe (U_TE; ΔU_TE) der zeit- und temperaturabhängige Verlauf der Thermospannung abgreifbar ist.

15. Einrichtung nach Anspruch 10 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßfühler (2; 23) durch einen räumlich parallel zu ihm angeordneten Heizleiter (13) indirekt beheizbar ist.