DE7908816U1

DE7908816U1 - Mehrfach-fuehlelektrodeneinrichtung zur bestimmung der standhoehen von fluessigkeiten

Info

Publication number: DE7908816U1
Application number: DE19797908816U
Authority: DE
Original assignee: Minnesota Mining and Manufacturing Co
Current assignee: 3M Co
Priority date: 1978-03-27
Filing date: 1979-03-26
Publication date: 1979-12-20
Also published as: US4203325A; GB2017933A; GB2017933B; CA1113582A

Description

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PATENTANWÄLTE η», ε.-- T«itiMi:oto/ Ϊ22" BERLIN - MÖNCHEN ^¹""¹'£' e« 3 S QlM(Mw Bwtin T. TELEX: ι MTM München, den 8. Oktober 1979 ?e"l ε χ'·" wte"

Minnesota Mininq and Manufacturing Company, Saint Paul, Minnesota V. St. A.

Mehrfach-Fühlelektrodeneinrichtung zur Bestimmung der Standhöhen von Flüssigkeiten

Die Erfindung betrifft eine Mehrfach-Fühlelektrodeneinrichtung zur Bestimmung der Standhöhen von Flüssigkeiten, mit einem die Flüssigkeit aufnehmenden Behälter und mit einer Zuführleitung für die Flüssigkeit zum Behälter.

Die US-PS 3 911 744 offenbart eine Anordnung zum Erfassen der Standhöhen von Flüssigkeiten, bei der einzelne Fühlelektroden in geringem Abstand zu einer gemeinsamen Elektrode in unterschiedlicher Höhe angeordnet sind, bei der die Standhöhe der Flüssigkeit bzw. der Flüssigkeitsspiegel erfaßt werden soll. Die Fühlelektroden und die gemeinsame Elektrode befinden sich in einer offenendigen Sonde, die in den Flüssig-

keitsbehälter eingesetzt wird. Ein einziges mehradriges ummanteltes Kabel dient dazu, jede Elektrode an einen eigenen festen Kontakt eines Mehrstellungswahlschalters mit einem Abgriffkontakt zu verbinden, der zu einer Spannungsquelle führt. Jeder festt Kontakt weist einen Widerstand auf, über den der Kontakt an einen Eingang einer Schaltung gelegt ist, die eine Leuchtdiode ansteuert. Der andere Eingang der Schaltung führt zu der gemeinsamen Elektrode der Fühlelektrodeneinheit. Befindet sich eine Flüssigkeit an einer Fühlelektrode, auf die der Wahlschalter geschaltet ist, wird die Leuchtdiode erregt. Die Ansteuerschaltung für die Leuchtdiode enthält einen Analogverstärker als aktives Eingangsbauteil, der auch ein Instrument ansteuert, das dazu dient, den Flüssigkeitsstand genau anzuzeigen.

Derartige Flüssigkeitsstandfühler sind nicht geeignet für Flüssigkeiten, die an den Elektroden sedimentieren. Solche Ablagerungen, könnon bspw. in Waschmaschinen zu Problemen führen. Weiterhin sind die Verbindungen, die zwischen den separaten Fühlelektroden und den entsprechenden Schalteranschlüssen mit Hilfe eines mehradrigen ummantelten Kabels erforderlich sind, hinsichtlich der Materialien und der zur Herstellung der einwandfreien Verbindungen erforderlichen Fähigkeiten und Sorgfalt nicht kcsteneffektiv. Schließlich ist auch die Positionierung der verschiedenen Elektroden der bekannten Patentschrift unnötig kompliziert.

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Derzeit setzt man Mikroprozessoren zur Funktionssteuerung unterschiedlicher Arten von Vorrichtungen ein; daher ist es 'wünschenswert, ein Fühlsystem für Flüssigkeitsstände zur Verfügung zu haben, das mit den technischen Anforderungen der Mikroprozessoren unmittelbar verträglich ist. Im Fall des oben erwähnten Systems nach dem Stand der Technik ist das anfängliche aktive Eingangsbauteil ein Analogbauteil, so daß sein Ausgangssignal nicht unmittelbar auf die Forderungen eines Mikroprozessors abgestimmt ist.

Die verschiedenen Nachteile der oben erwähnten Elektrodenanordnungen und Systeme zum Ermitteln von Flüssigkeitsständen lassen

& sich mit der vorliegenden Erfindung umgehen, in der eine Viel-

f5 zahl von Fühl elektroden durch ein mehradriges Flachkabel darge-

Ii stellt wird, dessen verschiedene Adern in unterschiedlichen er-

wünschten Längen enden, wobei der Endteil jeder abgeschlossenen Ader offenliegt. Eine gemeinsame Elektrode liegt von den offenliegenden Teilen beabstandet und jede der Adern für die Fühlelektroden ist an den Eingang eines für jede Fühlelektrode separaten Spannungsinverters sowie über einen separaten Widerstand pro Fühlelektrode an eine Spannungsquelle gelegt. Das Fühlelektrodenkabel wird in einen Behälter eingebracht, der eine Flüssigkeit aufnehmen soll. Jeder der Spannungsinverter liefert ein mit einem Mikroprozessor kompatibles Signal, wenn der Stromkreis zwischen seiner Fühlelektrode und der Masseelektrode durch im

Behälter enthaltene Flüssigkeit geschlossen wird. Es ist für riele Anwendungsfälle erwünscht, daß das Isoliermaterial des Kabels hydrophob ist.

Venn zusammen T.it einer eine Flüssigkeit nutzenden Vorrichtung eingesetzt, um den Flüssigkeitsstand zu ermitteln, wird die Fühl-• lektroder.anordnung nach der vorliegenden Erfindung so angeordnet, da.: ein Teil ier Füllflüssigkeit :'ür die Vorrichtung auf einen oberen SnJtei.l des Flachkabels gerichtet wird, so daß sie daß label herablaufen und die Fühl elektroden von Ablagerungen freihalten kann. Es ist in diesen Fällen erwünscht, ein Isoliermaterial für das Kabel zu verwenden, das affin zu der ,->weils vorliegenden Flüssigkeit ist.

Tig. " ist eine teilgeschnittene Draufsicht eines Teils einer Fühlelektrodenanordnung nach der vorliegenden Erfindung:

Pig. 2 ist eine Seitendarstellung der Fühlelektrodenanordnung der Fig. *■. :

Fig. $ ist eine schaubildliche Darstellung des Fühlsystems für Flüssigkeitsstände nach der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 4 ist eine Seitendarstellung der Fühlelektrodenanordnung nach der Fig. 1, die in einer eine Flüssigkeit nutzenden

Vorrichtung so angeordnet ist, daß sie den Flüssigkeitsstand erfassen kann.

Die Fig. 1 zeigt eine Mehrfach-Fühlelektrodenanordnung 10 aus handelsüblichem mehradrigem Flachkabel. Die Anordnung 10 weist eine Anzahl isolierter Adern 12 - 16 auf, die parallel zueinander liegen, wobei die einzelnen Adern durch das gleiche Isoliermaterial miteinander verbunden sind, das jede Ader umgibt. Um den Aufbau der isolierten Adern zu zeigen, ist die isolierte Ader 16 im Längsschnitt gezeigt: sie weist das Isoliermaterial 18 auf, das den Aderndraht 20 umgibt. Nachdem die festzustellenden Flüssigkeitsstände festgelegt worden sind, schneidet man die verschiedenen Adern eines Stücks Flachkabel in Längen ab, die den Flüssigkeitsständen entsprechen. Die in Fig. ^Λ gezeigte Anordnung ermöglicht eine Flüssigkeitsstandmessung in gleichbeabstandeten Intervallen. Nachdem die Adern zugeschnitten worden sind, entfernt man die Isolierung jeder Ader, um die in der Fig. 1 gezeigten fünf Fühlelektroden 22 - 26 darzustellen. Die Fig. 2, eine Seitenansicht der Elektrodenanordnung 10 der Fig. 1 soll die Flachanordnung der Elektrodenstruktur 10 zeigen. Ein Flachkabel mit ausreichender Eigensteife erlaubt, eine Fühlelektrodenstruktur wie die in den Fig. 1 und 2 gezeigte sehr einfach vertikal in einen Behälter einzubringen, in dem Flussigkeitsstände erfaßt werden sollen.

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Die Fig. 3 ist eine schaubildliche Darstellung eines Fühlsystems unter Verwendung der Fühlelektrodenanordnung Ί0 der Fig. 1 und 2. In der Fig. 3 "befindet die Fühlelektrodenanordnung 10 sich vertikal in einem Behälter 30, dessen Flüssigkeitsstände erfaßt werden sollen. Die Fühl elektrode 10 ist schaubildlich so dargestellt, daß die verschiedenen Fühlelektroden 22 - 26, die mit kleinen Punkten angedeutet sind, über die Adern mehradrigen Flachkabels an jeweils einen Eingang der Invertergruppe 32 - 36 sowie jeweils einen Anschluß der Widerstände 42 - 46 gelegt sind. Mit ihren anderen Enden sind die Widerstände 42 - 46 an eine Gleichspannungs quelle +V gelegt. Die Ausgänge der Inverter 32 - 36 sind als an einen Mikroprozessor 40 geführt dargestellt, um die Verwendung der Ausgangssignale der Inverter 32 - 36 zu zeigen. Eine gemeinsame Elektrode 27 für die Fühlelektroden 22 - 26 ist ebenfalls vertikal im Behälter 30 in einer Länge angeordnet, die etwa der vertikalen Länge der Fühlelektroden 22 - 26 entspricht. Die Elektrode 27 ist von der Fühlelektrodenanordnung 10 beanstandet und, obgleich dies in der Fig. 3 nicht gezeigt ist, gewöhnlich der Flachseite des die Anordnung 10 darstellenden Flachkabels gegenüber so angeordnet, daß sie etwa die gleiche Entfernung zu jeder Fühlelektrode hat. Die gemeinsame Elektrode 27 ist an Masse gelegt.

Bei den Invertern 32, 36 kann es sich beispielsweise um COS/MOS-Inverter des Typs CD4069BE der Fa. ECA Corporation handeln. Die

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Widerstände 42 "bis 46 sind in ihrem Widerstands wert ausreichend hoch gewählt, daß eine Flüssigkeit zwischen einer gegebenen Fühlelektrode und der gemeinsamen Elektrode die Spannung am Eingang des zugehörigen Inverters so weit absenkt, daß der Inverter durohschaltet. Dabei verwendet man für die Widerstände 42 bis 46 den höchstmöglichen Widerstandswert, um eine Elektrolyse zu vermeiden.

Wird Flüssigkeit in den Behälter 50 gefüllt, schließt sich ein Stromkreis von der GIeichspannungsquelle +V nach Masse wenn der Flüssigkeitsstand eine der Fühlelektroden 22 - 26 erreicht. Bspw. schließt eine Flüssigkeit zwischen der Fühlelektrode 22 und der gemeinsamen Elektrode 27 einen Reihenkreis von der Gleichspannungsquelle +V, über den Widerstand 42, die Fühlelektrode 22, die Flüssigkeit im Behälter 30 und die gemeinsame Elektrode 27 nach Masse. Vor dem Schließen dieses Kreises liegt die volle Gleichspannung +V am Eingang des Inverters 32; dessen Ausgang · befinde sich dann auf Massepotential. Wenn die eingefüllte Flüssigkeit eine Verbindung zwischen der Fühlelektrode 22 und der gemeinsamen Elektrode 27 herstellt, fällt die Eingangsspannung des Inverters im wesentlichen auf Massepotential, da der Widerstand der Flüssigkeit erheblich geringer ist als der Widerstandswert des Widerstands 42. Liegt nun der Eingang des Inverters 22 im wesentlichen auf Massepotential, nimmt sein Ausgang den Span nungswert +V der Gleichspannungsquelle an. Es gibt also jeder

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der Inverter 32 - 36 ein Massepotential- oder¹ Gleichspannungssignal +V an den Mikroprozessor 4-0 ab, und zwar abhänig davon, ob die in den Behälter 30 gefüllte Flüssigkeit die Fühlelektrode des zugehörigen Invert ei .₃ erreicht hat.

Die Ausgangssignale d^r Inverter 22 - 26 sind kompatxbel mit den Eingangssignalforderungen des Mikroprozessors 40 am Ausgang der Inverter 32 - 36. Mit dieser Anordnung läßt der Mikroprozessor 4-0 sich in einer Steuer- oder Regelschaltung einsetzen, in der abhän@.g von den erfaßten Flüssigkeitsständen verschiedene Steuerbzw. Regelfunktionen durchgeführt werden.

Mit Ausnahme des zur Fig. 4- zu beschreibenden Systems ist erwünscht, für die Adern des Flachkabels, aus dem die Fühlelektroden 22, 26 hergestellt werden^ ein hydrophobes Isoliermaterial oder einen hydrophoben Überzug zu verwenden. Indem man ein hydrophobes Isoliermaterial bzw. einen hydrophoben Überzug für die Llektrodonstruktur 10 verwendet, hält :._£ das Problem der Ansammlung von Ablagerungen gering, so daß es möglich wird, die Anordnung 10 in einem System 'vu. verwenden, bei dem die Anordnung Ί0 nicht zum Reinigen herausgenommen werden oder beim Füllen oder Leeren gespült werden kann. Zusätzlich dazu ergibt die Verwendung eines hydrophoben Materials eine zuverlässigere Erfassung des

Flüssigkeitsstands bei sinkendem Spiegel, da dann die Flüssig- ' keit wesentlich schwächer an der Anordnt'Ji^ Ί0 heftet.

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Ein Fühlsystem für Flüssigkeitsstände der Art, wie es zu den Fig. 1-3 beschrieben ist, ist ^ron besonderem Wert zum Erstellen eines vollständig elektronischen Fühlsystems für Flüssierkeitsstände in Vorrichtungen, in denen Flüssigkeiten benutzt werden und in denen die Schwierigkeiten überwunden werden müssen, die durch das Ansammeln von Ablagerungen an den Elektroden entstehen. Dieser Problemkreis trifft bspw. für Geschirrspül- und Waschmaschinen zu.

Die Fig. 4- zeigt eine Vorrichtung, in der eine Flüssigkeit benutzt wird und die einen Behälter 30 aufweist, in den die Mehrfachelektrodenanordnung der Fig. 1 vertikal gemeinsam mit der gemeinsamen Elektrode 27 eingesetzt ist, wie im Zusammenhang mit der Fig. 3 beschrieben. Die Elektrodenanordnung 10 ist so angeordnet, daß die verschiedenen Elektroden 22 - 26 im wesentlichen den gleichen Abstand zur Elektrode 27 haben. Die Verschaltung der verschiedenen Fühlelektroden 22 - 26 mit den Invertern entspricht der in Fig. 3 gezeigten. Bis hierher entspricht die ^Ordnung nach der Fig. 4 im wesentlichen der in Fig. 3 gezeigt-n.

Damit das Ansammeln von Ablagerungen vermieden werden kann, wird ein Teil der Flüssigkeit während des Einiüllens in die Vorrichtung auf den oberen Teil der Fühlelektrodenanordnung 10 gerichtet. Hierzu dient, wie dargestellt, die Leitung 47, deren Aus-

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j laß nahe dem oberen Endteil der Fühlelektrodenanordnung 10 liegt und deren Einlaß an die Flüssigkeitsversorgung für die Vorrichtung angeschlossen ist. Ein Ventil 48 ist gezeigt; es steuert die Flüssigkeitsströmung. Die Leitung 47 kann auch ohne ein zwischengesch'l.tetes Ventil 48 an die Flüssigkeitsversorgung gelegt werden. In diesem Fall ist es erwünscht, daß das Isoliermaterial für die Adern 12-16 der Anordnung 10 oder eine Beschichtung für das IsolJßB&aterial so gewählt wird, daß es bzw. sie zu der eingesetzten Flüssigkeit affin ist. Handelt es sich bei der Flüssigkeit um Wasser, ist ein hydrophiles Material für die Isolierung oder Beschichtung wünschenswert. Während wünschenswerterweise die Widerstände 42 bis 46 die höchstmöglichen Widerstandswerte aufweisen, um eine Elektrolyse zu verhindern, ist andererseits wünschenswert, daß die Widerstandswerte der Widerstände 42 bis 46 im System der Fig. 4 so klein wie möglich sind, so daß die Stromkreise, die sich über die über die Elektrodenanordnung 10 fließenden Flüssigkeit bilden, die Funktion des Systems nicht beeinträchtigen. Es ist ebenso wünschenswert, daß die gemeinsame Elektrode 27 von den Fühlelektroden 22 - 26 einen solchen Abstand einhält, daß die Flüssigkeit den Raum zwischen den ' Fühlelektroden und der gemeinsamen Elektrode auch durch Spritzen nicht überbrücken kann.

Claims

MINNESOTA MINING AND MANUFACTURING CO. Unsere Akte: M 4047 Schut zansprüche

1. Mehrfach-Fühlelektrodeneinrichtung zur Bestimmung der Standhöhen von Flüssigkeiten, mit einem die Flüssigkeit aufnehmenden Behälter und mit einer Zuführleitung für die Flüssigkeit zum Behälter, dadurch gekennzeichnet, daß ein Flachkabel mit einer Vielzahl von Adern vorgesehen ist, die an einem Kabelendt= in unterschiedlichen Längen enden, und deren Isolierung jeweils über die Länge jeder Ader verläuft mit Ausnahme eines kurzen Aderabschnitts am Kabelende, an dem die Aderenden jeweils eine Fühlelektrode bilden, daß . das Flachkabel vertikal im Behälter angeordnet ist und das kurze Ende jeder Ader so liegt, daß es mit der im Behälter befindlichen Flüssigkeit in Berührung bringbar ist, und daß die Zuführleitung so angeordnet ist,- daß sie Flüssigkeit auf den oberen Endteil des Flachkabels richtet.

2. Mehrfach-Fühlelektrodeneinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierung auf der Außenfläche hydrophil ist.

3. Mehrfach-Fühlelektrodeneinrichtunq nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierung auf ihrer Außenfläche hydrophob ist.

4. Mehrfach-Fühlelektrodeneinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenfläche der Isolierung zur erfühlenden Flüssigkeit affin ist.

5. Mehrfach-Fühlelektrodeneinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Behälter um einen Wasser aufnehmenden Behälter handelt und die Isolierung eine hydrophile Außenfläche aufweist.