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Verfahren und Einrichtung zur Anzeige des Füllungszustandes von Bunkern
Die
Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Verfahren zur Anzeige des Füllungszustandes
von Bunkern für flüssiges oder festes, insbesondere feinkörniges Schüttgut, und
insbesondere auf ein solches Verfahren zur Messung des Bunkerstandes, bei dem der
dielektrische und/oder Ohmsche Widerstand des Füllgutes zur Anzeige verwendet wird.
Ferner bezieht sich die Erfindung auf eine Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens.
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Bei den bisher bekannten Verfahren zur Bunkerstandsmessung und -anzeige,
die die elektrischen Eigenschaften des Füllgutes benutzen, besteht der Nachteil,
daß die Anzeige in starkem Maße von der Natur des Füllgutes und vor allem auch von
dessen Feuchtigkeitsgehalt abhängt. Der letztere Nachteil ist vor allem auch bei
Kohlenstaub als Füllgut von Bedeutung. Die für ein bestimmtes Füllgut eingerichteten
bekannten Meßeinrichtungen dieser Art sind deshalb ohne Nacheichung nur für dieses
Füllgut zu verwenden.
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Durch die Erfindung wird dieses Problem in vergleichsweise einfacher
Weise gelöst. Bekanntlich haben praktisch alle festen und flüssigen Körper einen
dielektrischen und Ohmschen Widerstand, der gegenüber dem von Luft bei der gleichen
Tem
peratur sehr verschieden ist. Eine zwischen zwei Elektroden
angelegte elektrische Spannung wird deshalb einen sehr unterschiedlichen elektrischen
Strom hervorrufen, je nachdem ob sich Luft oder ein anderer Stoff, z. B. Kohlenstaub,
zwischen den Elektroden befindet, und zwar wird der Strom im letzteren Falle größer
sein als bei Luft. Die absolute Größe des Stromes hängt natürlich auch von der chemischen
Natur und der Feuchtigkeit des Stoffes ab.
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Hier setzt die Erfindung ein. Gemäß der Erfindung besteht das neue
Verfahren zur Anzeige des Füllungszustandes von Bunkern für festes oder flüssiges
Schüttgut darin, daß die eine Elektrode mit dem spannungsführenden Pol eines Niederfrequenzgenerators
und die andere Elektrode unmittelbar mit dem Steuergitter eines Thyratrons und gleichzeitig
über einen Gitterableitwiderstand mit dem Nullpunkt des Niederfrequenzgenerators
verbunden sind.
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Die Arbeitsweise des Thyratrons ist an sich bekannt. Die Zündung
der Thyratronröhre tritt immer dann ein, wenn die Spannung am Zündgitter einen Mindestwert
überschreitet. Der sich dann in der Röhre ausbildende Ionenstrom ist nur wenig von
der Gitterspannung am Zündgitter abhängig, vorausgesetzt, daß diese Spannung den
für die Zündung erforderlichen Mindestwert nicht unterschreitet. Wählt man als Anodenspannung
für das Thyratron Wechselspannung, so ist bei Abfall der Gitterspannung unter den
Zündspannungswert ein momentanes Verlöschen der Röhre sicher gewährleistet. Diese
Eigenschaft der Thyratronröhre wird nun erfindungsgemäß mit dem obenerwähnten physikalischen
Tatbestand gekoppeit, daß nämlich alle Stoffe gegenüber Luft entweder eine höhere
Leitfähigkeit oder eine höhere Dielektrizitätskonstante haben. Zu diesem Zweck wird
eine spannungsführende Sonde oder Elektrode zusammen und in Nachbarschaft mit einer
am Steuergitter des Thyratrons angeschlossenen Sonde isoliert in den zu überwachenden
Bunker eingeführt. Sobald das Btinkerfüilgut die als Isolator oder Dielektrikum
wirkende Luft zwischen den beiden Sonden verdrängt, fließt ein wenn auch geringer
Strom von der spannungsführenden Elektrode über den Ohmschen oder kapazitiven Widerstand
des Füllgutes zur anderen mit der Thyratrons röhre verbundenen Elektrode. Wenn dieser
Strom am Gitterableitwiderstand des Thyratrons eine die Zündgrenze überschreitende
Spannung hervorruft, zündet das Thyratron, und das im Anodenstromkreis liegende
Relais wird geschaltet. Die Ansprechempfindlichkeit kann mit Hilfe einer Gleichspannung
an einem zweiten Gitter des Thyratrons geregelt und auf den günstigsten Wert eingestellt
werden. Dabei kann man die Vorspannung am zweiten Gitter der Thyratronröhre so einstellen,
daß auch bei einem Füllgut, welches einen besonders kleinen Strom zwischen den Elektroden
ergibt, ein sicheres Zünden des Thyratrons erzielt wird Man kann die Erfindung verwenden,
um nur die Grenzen des Füllungszustandes des Bunkers, nämlich »leer« und/oder »voll«
anzuzeigen. In diesem Falte würde man zwei Sondenpaare und zwei Thyratrons, nämlich
je eins für die obere und untere Meßstelle, benötigen.
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Es ist aber auch möglich, die Füllstandsanzeige feinstufiger zu machen,
d. h. die Zahl der Meßstellen zu vergrößern, was vor allem bei größeren Bauten von
Bedeutung ist. Um in diesem Falle zu vermeiden, daß für jedes Sondenpaar ein besonderes
Thyratron notwendig ist, sieht die Erfindung eine automatisch arbeitende Schaltung
vor, die es gestattet, den Bunkerstand unter Verwendung von nur zwei Thyratronröhren
an einer beliebigen Zahl von Äiießstellen zu überwachen.
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Es ist zwar an sich bekannt, Thyratrons für Bunkerstandsmessungen
in der Weise zu verwenden, daß man zwischen zwei Eleidroden, die in das Schüttgut
hineinragten, eine elektrische Spannung gelegt und den dann fließenden Strom zur
Steuerung des Thyratrons verwendet hat. Jedoch hat man bei den bekannten Einrichtungen
das Thyratron immer über sonstige elektrische Schaltelemente, z. B. Wheatstonebrücken,
Verstärkerröhren od. dgl., mit der einen Meßelektrode verhunden. Damit war aber
der Nachteil verbunden, daß man eine Vorabstimmung der Brücke auf ein bestimmtes
Schüttgut vornehmen mußte, wodurch die Benutzung der Einrichtung erschwert wurde.
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Außerdem ging dadurch die universelle Verwendbarkeit der Meßeinrichtung
für beliebige Schüttgüter mit beliebigen Wirk- und Blindwiderständen verloren. Bei
der Einrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung entfällt eine solche Vorabstimmung
und damit die Beschränkung der Anwendung der Einrichtung auf nur für eine bestimmte,
einmal eingestellte Schüttgutqualität.
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In den Abbildungen sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.
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Abb. I zeigt die Schaltung der erfindungsgemäßen Einrichtung für
nur zwei Meßstellen; Abb. 2 zeigt die Schaltung zur Uberwachung des Bunkerstandes
an insgesamt sechs Meßstellen, je doch unter Verwendung von nur zwei Thyratronröhren.
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Die in Abb. I dargestellte Einrichtung zur Bunkerstandsmessung an
zwei Meßstellen, z. unten für die Anzeige »leer« und oben für die Anzeige »voll«,
setzt sich aus mehreren Baugruppen zusammen, und zwar den Baugruppen I und II, bestehend
aus den Meßelektroden und den zugehörigen Schaltelementen, den Baugruppen III und
IV, bestehend aus je einem Thyratron und den zugehörigen Schaltelementen, der Baugruppe
V, bestehend aus dem Niederfrequenzgenerator, der Baugruppe VI, bestehend aus dem
Netzteil, und den Baugruppen VII und VIII, bestehend aus je einem Schaltrelais und
der zugehörigen Anzeigeeinrichtung.
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Es sei angenommen, daß der Bunker, dessen eine Begrenzungswand durch
die Linie 1 angedeutet ist, leer ist. Die in der Nähe des Ablaufs angeordnete Meßsteile
1 besteht aus den Elektroden oder Sonden 2 und 3, von denen die Sonde s
mit
dem Zündgitter 4 der Thyratronröhre 5 und die andere Sonde 3 über einen Schutzwiderstand
6 mit dem Niederfrequenzgenerator V verbunden ist. Der spezielle Aufbau des Niederfrequenzgenerators
kann beliebig sein und ist im vorliegenden Falle ohne Bedeutung für die Arbeitsweise
der erfindungsgemäßen Einrichtung. Im Gitterkreis des Zündgitters 4 liegt der Gitterableitwiderstand
7, an dem die für die Steuerung des Thyratrons erforderliche Gitterspannung entsteht.
Die Ansprechempfindlichkeit des Thyratrons kann mittels einer dem Gitter 8 zugeführten
regelbaren Gleichspannung in weiten Grenzen verändert werden. Die Regelung dieser
Gleichspannung geschieht mit Hilfe des Potentiometers 9. Die Gleichspannung wird
dem Netzgerät VI entnommen, welches neben der Sekundärwicklung Io für die Anodenspannung
der Thvratronröhre noch eine zweite Sekundärwicklung IS enthält, deren Spannung
mit Hilfe des Gleichrichters I2 gleichgerichtet und durch den Kondensator I3 geglättet
wird.
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Solange im Bunker kein Füllgut vorhanden ist, befindet sich zwischen
den Elektroden 2 und 3 Luft. Der bei eingeschaltetem Generator V über den Gitterableitwiderstand
7 fließende Strom ist sehr klein, da die Luft ein guter Isolator ist und eine Dielektrizitätskonstante
von praktisch I hat.
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Es entsteht infolgedessen am Gitterüberstand keine Spannung, die ausreichend
hoch ist, um die Zündung des Thyratrons einzuleiten. Wird nun Schüttgut, z. B. Kohlenstaub,
in den Bunker eingefüllt, so verdrängt es die Luft in dem Zwischenraum zwischen
den Elektroden 2 und 3. Es fließt dann ein elektrischer Strom, der eine starke kapazitive
Komponente haut, über den Gitterwiderstand 7 zur Erde und erzeugt einen solchen
Spannungsabfall am Gitterwiderstand, daß das Thyratron 5 zündet.
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Vom Moment des Zündens an fließt ein pulsierender Anodengleichstrom
über die Relaisspule 14.
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Der Kondensator 15 im Anodenkreis des Thyratrons dient zur Glättung
des Anodenstromes, die notwendig ist, damit das Relais 14 nicht flattert, sondern
sicher hält. Der Kontakt I6 des Relais 14 ist normalerweise geschlossen, d. h. die
Signallampe I7 leuchtet und zeigt somit an, daß der Bunker leer ist. Im Falle des
Zündens des Thyratrons 5 wird der Kontakt I6 geöffnet, so daß die Lampe 17 erlischt.
Erlöschen der Lampe ist identisch mit dem Signal »Füllung des Bunkers hat begonnen«.
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Im Verlauf der weiteren Füllung ändert sich an den Verhältnissen
bei den Bau- und Schaltgruppen I, III und VII nichts mehr. Erreicht das Füllgut
die Meßsondergruppe II, so zündet das Thyratron der Gruppe IV und das Relais der
GruppeVIII erhält Strom, wobei der vorher geöffnete Relaiskontakt geschlossen wird
und die zugehörige Signallampe nunmehr aufleuchtet, was identisch ist mit dem Signal
»Bunker ist gefüllt«.
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Bei der Entleerung des Bunkers wiederholen sich die Vorgänge, jedoch
in umgekehrter Reihenfolge. Man kann die Signallampenströme natürlich benutzen,
um in an sich bekannter Weise die Beschickungseinrichtungen für den Bunker in Tätigkeit
zu setzen bzw. anzuhalten.
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Mit der Schalteinrichtung gemäß Abb. 2 wird der Füllungsstand des
Bunkers an sechs verschiedenen Stellen überwacht und laufend angezeigt, so daß man
aus der Zahl der aufleuchtenden Signallampen unmittelbar ablesen kann, in welcher
Höhe des Bunkers sich die Oberfläche des Füllgutes befindet.
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Auch bei der Schalteinrichtung gemäß Abb. 2 sind sogenannte Schalt-
oder Baugruppen vorgesehen, und zwar die Schaltgruppe A, bestehend aus sechs Paar
Meßsonden, die Schaltgruppe B mit den Relais und Signallampen, die Schaltgruppe
C mit dem Netzgerät und den Gleichrichtern, die Schaltgruppen D und E mit den Thyratrons
T1 und TII und die Schaltgruppe G mit dem Niederfrequenzgenerator.
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Es sei zunächst angenommen, dar keines der Meßsondenpaare M1 bis
M6 von dem Füllgut beeinflußt ist. Da das Relais R2 stromlos, d. h. der Kontakt
25 geschlossen ist, steht die Relaisspule S, unter Strom, der durch die an den Sammelschienen
23 und 24 vom Netzgerät C gelieferte Spannung erzeugt wird. Infolgedessen sind die
Kontakte20, 2I und 22 geschlossen. Die der einen Sonde des Meßkopfes Mt über die
Sammelschiene 27 und den Kontakt 20 zugeführte Niederfrequenzspannung aus dem Generator
G kann so lange nicht auf die zweite, über den Abgleichkondensator C1 kapazitiv
geerdete Sonde gelangen, als sich zwischen den Sonden Luft befindet; In dem Augenblick
des Eindringens von Füllgut zwischen die Sonden des Meßkopfes M entsteht ein Strom,
der über den Kontakt 21 zur Schaltgruppe D fließt und dort in der bereits oben geschilderten
Weise die Zündung des Thyratrons T1 bewirkt. Es fließt dann von der Anode des Thyratrons
TI über die Leitung ein Strom, der über den geschlossenen Kontakt 22 das Relais
R1 erregt, so daß der Kontakt 29 geschlossen wird. Dadurch wird die Lampe L1 an
das Netz gelegt und also angezeigt, daß das Füllgut den Meßkopf M, erreicht hat.
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Beim Ansprechen des Relais R1 infolge des Zündens des Thyratrons
T1 wird auch der Kontakt 30 geschlossen. Dadurch wird über den geschlossenen Kontakt
3I das Relais S2 an die Sammelschienen 23 und 24 angeschlossen und dadurch die Kontakte
32, 33 und 34 geschlossen. Der Generator G kann nun über die Leitung 27 auch den
Meßkopf M2 mit Niederfrequenzspannung versorgen. Dringt Füllgut in den Meßkopf M2
ein, so fließt ein Strom aus dem Meßkopf M2 über den Kontakt 34 zur Schaltgruppe
E mit dem Thyratron TII. Dieses zündet und der entstehende Anodenstrom fließt über
die Leitung 35 und den geschlossenen Kontakt 32 zum Relais R2. Dadurch werden die
Kontakte 36, 37 und 38 geschlossen und der Kontakt 25 geöffnet. Die Signallampe
L2 leuchtet wegen des geschlossenen Kontaktes 37 auf und zeigt also an, daß das
Füllgut bis zum Meßkopf M2 gestiegen ist. Die Lampe L1 bleibt aber eingeschaltet,
weil das Relais R1, trotz des nunmehr abfallenden Relais S1
infolge
Unterbrechung des Kontaktes 25, über den Kontakt 36 eingeschaltet bleibt, so daß
der Kontakt 29 sich nicht öffnet.
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Mit dem Abfallen des Relais S1 wird die Niederfrequenzspannung des
Generators G vom Meßkopf weggenommen, da der Kontakt 20 geöffnet wird und gleichzeitig
die Schaltgruppe D mit dem Thyratron T abgetrennt, da auch der Kontakt 2I unterbrochen
ist. Statt dessen wird der Niederfrequenzgenerator G über die Leitung 27 an den
Meßkopf M3 gelegt, da inzwischen das Relais SQ infolge des Kontaktsohlusses bei
38 geschaltet und die Kontakte 39, 40 und 41 geschlossen hat. Gleichermaßen wird
auch die Schaltgruppe D an den Meßkopf M3 selbsttätig gelegt.
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Von jetzt ab wiederholen sich die für die Meßköpfe M1 und M2 beschriebenen
Vorgänge in analoger Weise. Je nach Aufsteigen des Füllgutes im Bunker leuchten
die Signallampen L3 bis L6 auf, und es tritt automatisch die Umschaltung des Niederfrequenzgenerators
und jeweils einer der Schaltgruppen D und E auf den übernächsten Meßkopf ein. Bei
völlig gefülltem Bunker leuchten alle Signallampen auf. Bei der Entleerung des Bunkers
erlöschen die Signaliampen, bei L6 beginnend, eine nach der anderen, bis durch das
Erlöschen auch der letzten Signallampe L1 angezeigt wird, daß der Bunker nunmehr
leer ist.
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Es ist klar, daß auch bei dieser Schaltung die Betätigung der Grenzsignallampen
L1 und L6 benutzt werden kann, um selbsttätig Einrichtungen einzuschalten, die die
Fülleinrichtungen für den Bunker ein- bzw. ausschalten.