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Thermischer Grenzschalter
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Die Erfindung bezieht sich auf einen thermischen Grenzschalter zur
Feststellung des Uber- bzw. Unterschreitens eines vorbestimmten Füllstands in einem
Flüssigkeitsbehälter, mit einem auf der Höhe des zu erfassenden Füllstands angeordneten,
elektrisch geheizten oder gekühlten Element und mit einer auf die Temperaturänderung
des geheizten oder gekühlten Elements beim Eintauchen in die Flüssigkeit bzw. beim
Austauchen aus dieser ansprechenden Anordnung.-Thermische Grenzschalter dieser Art
beruhen auf der unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeit von Luft und Flüssigkeiten.
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Beispielsweise leitet Wasser die Wärme mehr als 20 mal besser als
Luft. Taucht also ein Heizelement, dessen Temperatur über der Temperatur der Flüssigkeit
liegt, aus Luft in die Flüssigkeit ein, so fällt bei konstanter Heizleistung
die
Temperatur stark ab; wenn eine Temperaturregelung angewendet wird, um die Temperatur
des Heizelements auf einem konstanten Wert zu halten, so steigt die erforderliche
Heizleistung an. Der Temperaturabfall oder die Zunahme der Heizleistung kann als
Kriterium dafür verwendet werden, daß der Füllstand im Behälter die Höhe des Grenzschalters
erreicht hat.
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Bei den bisher bekannten thermischen Grenzschaltern dieser Art wird
das Heizelement auf einer Temperatur gehalten, die über der höchsten im Betrieb
vorkommenden Temperatur der Flüssigkeit oder Luft liegt, damit ein sicheres Ansprechen
gewährleistet ist. Der Energiebedarf ist somit immer auf den ungünstigsten Fall
ausgerichtet und demzufolge beträchtlich groß. Dennoch kann es in ungünstigen Fällen
zu Fehlanzeigen kommen, beispielsweise dann, wenn das Heizelement aus kalter Luft
in eine sehr heiße Flüssigkeit eintaucht. Ferner kann es Schwierigkeiten geben,
wenn die Temperatur des umgebenden Mediums im Betrieb großen Schwankungen unterworfen
ist, oder wenn sich die Wärmeableitungsbedingungen, beispielsweise infolge von Ansatzbildungen,
verändern.
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Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines thermischen Grenzschalters,
der bei geringem Energieverbrauch ein sicheres Ansprechen unabhängig von den Umgebungsbedingungen
gewährleistet.
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Zur Lösung dieser Aufgabe enthält der thermische Grenzschalter nach
der Erfindung einen auf der Höhe des zu erfassenden Füllstands angeordneten, auf
die Umgebungstemperatur ansprechenden Temperatursensor und eine Temperaturregelanordnung,
die die Temperatur des elektrisch geheizten oder gekühlten Elements auf einem Wert
zur halten sucht, der von der durch den Temperatursensor festgestellten Umgebungstemperatur
um einen vorbestimmten konstanten Betrag abweicht.
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Die Funktionsweise des thermischen Grenzschalters nach der Erfindung
ist weitgehend unabhängig von der Temperatur der Luft und der Flüssigkeit, weil
sie lediglich durch das unterschiedliche Verhalten von Luft und Flüssigkeit bei
einer vorgegebenen Temperaturdifferenz bedingt ist. Die zur Aufrechterhaltung dieser
Temperaturdifferenz erforderliche Heiz- oder Kühlleistung ist in der Flüssigkeit
wesentlich größer als in Luft, innerhalb des gleichen Mediums aber in einen einem
großen Temperaturbereich im wesentlichen konstant.
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Temperaturänderungen des gleichen Umgebungsmediums haben daher keinen
Einfluß auf das Ausgangs signal des thermischen Grenzschalters. Ferner arbeitet
der thermische Grenzschalter auch bei großen Temperaturunterschieden zwischen der
Luft und der Flüssigkeit einwandfrei.
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Ein besonderer Vorteil des thermischen Grenzschalters nach der Erfindung
besteht darin, daß die geregelte Temperaturdifferenz sehr klein sein kann, so daß
die zur Aufrechterhaltung dieser'Temperaturdifferenz erforderliche Heiz- bzw.
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Kühlleistung sehr gering ist Die Energieversorgungseinrichtung braucht
daher nur für diese geringe Leistung ausgelegt zu sein.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden
Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, das in der Zeichnung dargestellt ist. In
der Zeichnung zeigt: Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Flüssigkeitsbehälters
mit einem thermischen Grenzschalter nach der Erfindung, Fig. 2 eine vergrößerte
Darstellung einer Ausführungsform des Füllstandssensors des thermischen Grenzschalters
von Fig. 1,
Fig. 3 das Blockschaltbild der Schaltungsanordnung des
thermischen Grenzschalters und Fig. 4 das Schaltbild einer Ausführungsform der Temperaturregelanordnung
in der Schaltungsanordnung von Fig. 3.
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Fig. 1 zeigt einen Behälter 1, der eine Flüssigkeit 2 enthält. In
einer vorbestimmten Höhe h ist an der Behälterwand ein thermischer Grenzschalter
3 angeordnet, der anzeigt, ob der Füllstand der Flüssigkeit 2 im Behälter 1 die
Höhe h erreicht hat oder nicht. Der thermische Grenzschalter 3 kann beispielsweise
als Überfüllsicherung dienen, er kann aber auch auf einer sehr niedrigen Höhe angebracht
sein, um ein bevorstehendes Entleeren des Behälters anzuzeigen.
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Der thermische Grenzschalter 3 besteht aus einem im Innern des Behälters
1 liegenden Füllstandssensor 4 und einem außerhalb des Behälters angeordneten Gehäuse
5, das die zugehörige Stromversorgung und Signalverarbeitungsschaltung enthält.
Die Stromversorgung und/oder die Signalverarbeitungsschaltung können auch an einer
entfernten Stelle angeordnet und durch Leitungen mit dem Füllstandssensor 4 verbunden
sein.
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Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Füllstandssensors 4.
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An einer in eine Öffnung 6 der Wand des Behälters 1 eingesetzten Abschlußwand
7 des Gehäuses 5 ist ein Träger 8 aus wärmeisolierendem Material befestigt. Das
ins Behälterinnere ragende freie Ende des Trägers 8 trägt ein elektrisches Heizelement
9. Neben dem Heizelement 9 ist ein Temperatursensor 10 so angebracht, daß er auf
die Temperatur des Heizelements 9 anspricht. Ein zweiter Temperatursensor 11 ist
an dem Träger 8 in solchem Abstand vom Heizelement 9 angebracht, daß er nur auf
die Temperatur des ihn umgebenden Mediums anspricht und von der Temperatur des Heizelements
9 im wesentlichen unbeeinflußt bleibt. Das Heizelement 9 und die beiden Temperatursensoren
10, 11 sind mit der im Gehäuse 5 untergebrachten Schaltungsanordnung verbunden,
die im Prinzipschema in Fig. 3 gezeigt ist.
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Wie Fig. 3 zeigt, sind die beiden Temperatursensoren 10, 11 mit zwei
Eingängen einer Temperaturregelanordnung 12 verbunden, an deren Ausgang das Heizelement
9 angeschlossen ist.
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Die Temperaturregelanordnung 12 ist so ausgebildet, daß sie eine vorgegebene
konstante Differenz zwischen den von den beiden Temperatursensoren 10 und 11 angezeigten
Temperaturen aufrechtzuerhalten sucht. Sie stellt die dem Heizelement 9 zugeführte
Heizleistung so ein, daß diese Bedingung erfüllt ist.
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An den Ausgang der Temperaturregelanordnung 12 ist ferner ein Schwellenwertschalter
13 angeschlossen, der auf die dem Heizelement 9 zugeführte Heizleistung anspricht.
Der Schwellenwertschalter 13 gibt am Ausgang ein Signal ab, das einen ersten Wert
hat, wenn die Heizleistung unter einem vorgegebenen Schwellenwert liegt, und einen
zweiten Wert, wenn die Heizleistung über dem Schwellenwert liegt. Wenn die Änderung
der Heizleistung durch Änder-ung der Ausgangsspannung der Temperaturregelanordnung
erfolgt, genügt es natürlich, wenn der Schwellenwertschalter 13 auf diese Ausgangsspannung
anspricht.
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Die beschriebene Anordnung arbeitet in der folgenden Weise: Wenn der
Füllstand im Behälter unter der Höhe h liegt, befinden sich das Heizelement 9 und
die beiden Temperatursensoren 10 und 11 in Luft. Der Temperatursensor 11 zeigt die
Lufttemperatur an. Die Temperaturregelanordnung 13 schickt zu dem Heizelement 9
die Heizleistung, die erforderlich ist, um die vom Temperatursensor 10 angezeigte
Temperatur um die vorgegebene Differenz über der Lufttemperatur zu halten. Die aufrechterhaltene
Temperaturdifferenz liegt vorzugsweise zwischen etwa 200C und 500C, sie kann jedoch
auch auf einen Wert bis zu 10°C oder sogar 5"C verringert werden. Die zur Aufrechterhaltung
einer so kleinen Temperaturdifferenz erforderliche Heizleistung ist sehr gering.
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Wenn der Füllstand im Behälter 1 die Höhe h überschreitet, umspült
die Flüssigkeit 2 sowohl das Heizelement 9 als auch die beiden Temperatursensoren
10 und 11. Der Temperatursensor 11 zeigt nunmehr die Temperatur der Flüssigkeit
2 an. Die Temperaturregelanordnung 12 sucht die vom Temperatursensor 10 angezeigte
Temperatur des Heizelements 9 um die vorgegebene Temperaturdifferenz über der Flüssigkeitstemperatur
zu halten. Die hierfür erforderliche Heizleistung ist wesentlich größer als die
zuvor zur Aufrechterhaltung der Temperaturdifferenz in Luft erforderliche Heizleistung.
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Dies beruht darauf, daß Flüssigkeiten die Wärme mehr als 20 mal besser
als Luft leiten. Die Heizleistung überschreitet daher den Schwellenwert des Schwellenwertschalters
13, so daß dieser anspricht und durch Änderung seines Ausgangssignals anzeigt, daß
der Füllstand die Höhe h überschritten hat.
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Wenn der Füllstand unter die Höhe h fällt, stellt sich der zuerst
erläuterte Zustand wieder ein.
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Es ist nicht unbedingt notwendig, daß die Temperaturregelanordnung
12 im eingetauchten Zustand die volle Temperaturdifferenz aufrechterhält, die in
Luft besteht. Die hierfür erforderliche Heizleistung wäre beträchtlich groß. Wenn
die Heizleistung den Wert überschritten hat, bei welchem der Schwellenwertschalter
13 anspricht, ist jede weitere Erhöhung der Heizleistung überflüssig. Es ist daher
zweckmäßig, die maximale Heizleistung auf einen Wert zu begrenzen, der um einen
ausreichenden Sicherheitsabstand über dem Schwellenwert der Schwellenwertschaltung
13 liegt. Diese maximale Heizleistung hält dann im eingetauchten Zustand des Heizelements
9 eine Temperaturdifferenz aufrecht, die kleiner
ist als die Temperaturdifferenz,
die von der Temperaturregelanordnung aufrechterhalten wird, wenn sich das Heizelement
9 und der Temperatursensor 11 in Luft befinden. Die Begrenzung der Heizleistung
ergibt sich im einfachsten Fall durch die beschränkte Ausgangsleistung der Temperaturregelanordnung.
Es wäre auch möglich, das Ausgangssignal des Schwellenwertschalters 13 dazu zu verwenden,
die weitere Erhöhung der Heizleistung zu verhindern.
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Die geschilderte Funktionsweise ist unabhängig von der Temperatur
der Luft und der Flüssigkeit, weil sie lediglich durch das unterschiedliche Verhalten
von Luft und Flüssigkeit bei einer vorgegebenen Temperaturdifferenz bedingt ist.
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Es spielt insbesondere keine Rolle, ob die Flüssigkeit die gleiche
Temperatur wie die Luft hat oder nicht. Der thermische Grenzschalter arbeitet auch
dann einwandfrei, wenn der Füllstandssensor aus kalter Luft in eine heiße Flüssigkeit
eintaucht. Ferner ändert sich das Ausgangssignal nicht, wenn sich bei gleichbleibendem
Umgebungsmedium (Luft oder Flüssigkeit) dessen Temperatur ändert, weil unabhängig
von der absoluten Temperatur zur Aufrechterhaltung der gleichen Temperaturdifferenz
im wesentlichen die gleiche Heizleistung aufzuwenden ist.
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Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeibpiel der Temperaturregelanordnung
12 für den Fall, daß die beiden Temperatursensoren 10 und 11 durch temperaturabhängige
Widerstände gebildet sind. Diese beiden Widerstände liegen in zwei Zweigen einer
Brückenschaltung 14, deren beide anderen Zweige durch die beiden Abschnitte eines
Potentiometerwiderstandes 15 gebildet sind. Zwischen dem Schleifer 16 und dem gegenüberliegenden
Brückeneckpunkt 17 ist eine Gleichspannungsquelle 18 angeschlossen. Die beiden anderen
Brückeneckpunkte 19, 20 sind mit den beiden Eingängen eines Operationsverstärkers
21 verbunden, an dessen Ausgang das Heizelement
9 angeschlossen
ist. Fig. 4 zeigt auch den Schwellenwertschalter 13, der gleichfalls an den Ausgang
des Operationsverstärkers 21 angeschlossen ist.
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Das Potentiometer 15, 16 ermöglicht die Einstellung des Arbeitspunktes
der Temperaturregelanordnung, Die Stellung des Schleifers 16 bestimmt das Verhältnis
der Widerstandswerte der beiden temperaturabhängigen Widerstände 10 und 11, bei
dem die Brücke abgeglichen ist. Der Operationsverstarker 21 sucht dieses Verhältnis
aufrechtzuerhalten, das einem bestimmten Temperaturverhältnis entspricht.
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Das Heizelement 9 kann durch eine Heizwicklung aus Konstantandraht
gebildet sein.
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Die beiden Temperatursensoren 10, 11 können auch durch ein Thermoelement
gebildet sein, das unmittelbar die Temperaturdifferenz zwischen dem Heizelement
9 und der Umgebungstemperatur mißt.
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Es ist auch möglich, das Heizelement 9 und den Temperatursensor 10
durch ein einziges Element zu bilden, beispielsweise durch einen elektrisch beheizten
Kaltleiter, dessen Widerstandswert ein Maß für seine Temperatur ist.
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Eine andere interessante Abwandlung des beschriebenen thermischen
Grenzschalters besteht darin, daß anstelle eines Heizelements ein Kühlelement, z.B.
ein Peltier-Element, verwendet wird, dessen Temperatur durch die Temperaturregelanordnung
um einen vorgegebenen konstanten Betrag unter der Umgebungstemperatur gehalten wird.
Der Schwellenwertschalter 13 spricht dann auf die Kühlleistung in der gleichen Weise
an wie bei dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel auf die Heizleistung. Im
übrigen ist die Funktionsweise die gleiche.
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