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FÜLLSTANDSMESSUNG - Dokument DE69128837T2
 
PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE69128837T2 03.09.1998
EP-Veröffentlichungsnummer 0558668
Titel FÜLLSTANDSMESSUNG
Anmelder Pyrozone Mfg. Pty. Ltd., Alberton, AU
Erfinder HEGGE, Kjell, Underwood, QLD 4119, AU
Vertreter Herrmann-Trentepohl und Kollegen, 81476 München
DE-Aktenzeichen 69128837
Vertragsstaaten DE, FR, GB, IT, NL, SE
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 20.11.1991
EP-Aktenzeichen 929020774
WO-Anmeldetag 20.11.1991
PCT-Aktenzeichen AU9100535
WO-Veröffentlichungsnummer 9209867
WO-Veröffentlichungsdatum 11.06.1992
EP-Offenlegungsdatum 08.09.1993
EP date of grant 28.01.1998
Veröffentlichungstag im Patentblatt 03.09.1998
IPC-Hauptklasse G01F 23/22
IPC-Nebenklasse G01F 23/24   

Beschreibung[de]
GEBIET DER ERFINDUNG

Diese Erfindung betrifft die Ermittlung von Füllständen in fluiden Medien und insbesondere die Ermittlung eines fluiden Füllstandes innerhalb eines Behälters, einer Grenzfläche zwischen Gas und Flüssigkeit innerhalb eines Behälters oder dem Füllstand von einer oder mehreren Grenzflächen zwischen zwei oder mehreren Flüssigkeiten innerhalb eines Behälters.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

So wie der Ausdruck "Fluid" hierin benutzt wird, bedeutet dies jedes Gas oder jede Flüssigkeit oder jeder fließbare Feststoff, wie gepulvert oder Partikelfeststoffen.

Die Erfindung wird, während sie auf die Situationen, die oben beschrieben sind, und andere anwendbar ist, mit Hilfe von nur einem Beispiel mit Bezug auf die Detektion des Füllstandes einer Grenzfläche zwischen einem Gas und einer Flüssigkeit innerhalb eines Behälters beschrieben werden. Insbesondere wird die Erfindung mit Hilfe eines Beispiels mit Bezug auf die Detektion des Füllstandes einer Flüssigkeit in einem Behälter beschrieben werden, worin die Flüssigkeit in dem Behälter verflüssigtes Kohlenstoffdioxid (CO&sub2;) ist und wenn der Behälter CO&sub2; - Gas über dem Füllstand der Flüssigkeit hat.

Kohlenstoffdioxid (CO&sub2;) in seiner gasförmigen Form wird in großen Mengen in vielen Industriezweigen gebraucht. Einer der Hauptkonsumenten an CO&sub2; ist das Hotelgewerbe in der Bereitstellung von faßcarbonisierten Getränken und carbonisierten Getränken durch ein retikuläres Versorgungssystem. Andere Verbraucher benötigen ebenso oft CO&sub2;, um in Zylindern oder Tanks eingespeist zu werden.

Es war die Praxis gewesen, einige Einrichtungen zur Verfügung zu stellen, um den Füllstand der Flüssigkeit CO&sub2; innerhalb des Zylinders zu identifizieren oder zu detektieren und daher die Menge an Flüssigkeit, die in dem Zylinder zurückbleibt. Da in solchen Situationen der Zylinder unter hohem Druck ist, ist es nicht angenehm oder passend, Sichtmeßgeräte oder dergleichen zu verwenden, um eine Anzeige des Flüssigkeitsniveaus zu liefern. Bei solchen Zylindern, die CO&sub2; in flüssiger Form enthalten, ist es die Praxis gewesen, einen elektromechanischen Füllstandsdetektionsmechanismus anzuwenden, der einen Fühler verwendet, welcher innerhalb des Zylinders angeordnet ist, in welchem der Fühler eine Vielzahl von Sensoren, wie Zungenrelais, entlang seiner Länge hat.

Verbunden mit diesem Fühler war ein Schwimmer, der ein magnetisches Element zum Betätigen der Zungenrelais hat. Da es schwierig ist, Feuchtigkeit aus in großen Mengen verflüssigten industriellen Gasen wie Propan, Butan, natürlichem Gas, CO&sub2;, Stickstoff und dergleichen, zu entfernen, gibt es eine Tendenz zu Eispartikeln, die auf der Oberfläche des Flüssiggases insbesondere dann sich ansammeln, wenn die Flüssigkeit unter dem Gefrieren bei adiabatischer Expansion abgekühlt wird.

Mit den mechanischen und elektromechanischen Flüssigkeitsfüllstandsdetektoren ist herausgefunden worden, daß das Ansammeln von Eispartikeln auf der Oberfläche des Flüssiggases häufig die mechanischen Vorrichtungen, wie die Schwimmer, blockiert, was zu ziemlich unzuverlässigen Funktionen des Füllstanddetektors führt. Zusätzlich sind dort, wo der Speicherzylinder aus Stahl gemacht wurde, feine Rostpartikel gefunden worden, die sich an dem Flüssigkeitsfüllstand ansammeln und den Füllstandsdetektionsfühler nachteilig beeinflussen. Dementsprechend waren Flüssigkeitsfüllstandsfühler von mechanischer oder sich bewegender Natur unzuverlässig.

Schwierigkeiten sind ebenso bei Flüssigkeitsfüllstandsdetektoren vom Stand der Technik für den Gebrauch des Bestimmens der Position einer Grenzfläche zwischen Fluiden von verschiedenen spezifischen Gravitäten aufgetreten gewesen. Fermentations - und Destillationsgefäße typifizieren die Situationen, worin die Positionen von einer oder mehreren Flüssigkeiten/Flüssigkeitsgrenzflächen notwendig sein kann bestimmt zu werden für den Zweck des Steuerns von kontinuierlichen Prozessen.

Eine typische Zylinderanordnung für CO&sub2; wird als Teil einer schematischen Ansicht, die in Fig. 4 gezeigt wird, von der australischen Patentanmeldung 67304/87 dargestellt. Solche Zylinder sind mit einem Erwärmungselement innerhalb des Tanks und benachbart zu dem Boden des Tankes, einem Kühlverdampfapparat innerhalb des Tanks und an einem oberen Ende davon, einer Flüssigkeitsfüllstanddetektionsvorrichtung, die sich in den Zylinder erstreckt und eine verlängerte Stange und einen festgehaltenen Schwimmer hat und Eingangs - und Ausgangsleitungen ausgestattet.

Andere Fluidfüllstands - und Überwachungseinrichtungen werden in der internationalen Patentanmeldung Nr. PCT/AU85/00265 (Veröffentlichungsnr. WO 86/02725), den US - Patenten 3911744, 2963908, 4203325, den australischen Patenten Nr.493224 und 407006 und in der DDR - Patentveröffenflichung Nr.220 203 beschrieben.

Die US - Patente 3911744 und 4203325 sind auf vertikal beabstandete Elektroden gerichtet, die, wenn sie in eine leitende Flüssigkeit versenkt werden, einen elektrischen Schaltkreis mit einer seitlich beabstandeten Referenzelektrode schließen.

Das US - Patent Nr.2963908 bezieht sich auf die Messung von Füllständen in Fluiden, einschließlich fließbaren Partikelfeststoffen und benutzt Kapazitätsmessungen, um die Veränderungen in der Dielektrizitätskonstante eines umgebenden Mediums zu detektieren.

Das australische Patent Nr.493224 beschreibt eine stangenähnliche Elektrodenstruktur, die alternierend leitende und isolierende Abschnitte für die Flüssigkeitsfüllstandsmessung oder die Pumpensteuerung umfaßt. Die Elektrode erfordert für ihren Betrieb, daß sie in eine leitende Flüssigkeit versenkt wird.

Die australische Patentanmeldung Nr.407006 beschreibt eine Vielzahl von beabstandeten Thermistoren, die bei einer normalen Temperatur von ungefähr 300 ºC betrieben werden. Das Versenken eines aufgeheizten Thermistors in einer Flüssigkeit verändert seinen elektrischen Widerstand und demzufolge die Funktionscharakteristiken eines Transistors, der mit dem Thermistor funktionell verbunden ist, um den Transistor zwischen einem nichtleitenden Zustand und einem leitenden Zustand umzuschalten.

Die DDR - Patentveröffentlichung Nr.220203 bezieht sich auf einen Füllstandsindikator für verflüssigte Gase mit niedrigem Siedepunkt, welche Füllstandssensoren beinhalten, die an einem Fluidbehälter an fünf verschiedenen Niveaus angebracht sind. Jeder Füllstandssensor umfaßt mindestens zwei Transistoren, die in einem Diodenschaltkreis verbunden sind und in Plastik eingekapselt sind. Ein Sensor ist immer in der Flüssigkeit versenkt und dient als eine Referenz.

Die internationale Patentanmeldung Nr. PCT/AU85/00265 beschreibt einen Elektrodenzusammenbau ähnlich zu dem, der in dem australischen Patent Nr.493224 beschrieben wird, außer daß die beabstandeten leitenden Elektroden diskontinuierlich über die periphere Oberfläche des Elektrodenkörpers vorhanden sind.

Die internationale Patentanmeldung Nr. PCT/AU90/00017 (Veröffentlichungsnr. WO 90/08304) beschreibt einen Zusammenbau von temperaturabhängigen Füllstandssensoren und einem Referenzsensor. Die Füllstandssensoren sind innerhalb eines Fühlers angeordnet und eingebettet und haben einen Anteil an dem Sensor, der dazu imstande ist, mit dem Flüssiggas innerhalb des Zylinders in Kontakt zu kommen. Die Sensoren in solch einer Anordnung neigten dazu kaputtzugehen, welches wahrscheinlich während des Entfernens und Ersetzens des Fühlers während des Aufbaus, des Service - Durchführens oder des Auffüllens des Zylinders auftrat. Zusätzlich war ein Referenzsensor für den sauberen Betrieb des Zusammenbaus notwendig.

In der PCT/AU90/00017 verwendete der Aufbau Transistoren als Sensoren, um Flüssigkeiten und Gasfüllstände innerhalb eines Zylinders durch eine Kombination der Temperatur und der Abkühlungseffekte der Flüssigkeit und des Gases, welche zur Diskussion standen, zu detektieren. Bei Betrachtung der Substanzen wie CO&sub2; kann es Meine Temperaturunterschiede (wenn irgendwelche) zwischen dem flüssigen CO&sub2; und dem gasförmigen C&sub2;O geben. Die Empfindlichkeit der Sensoren, die in PCT/AU90/00017 offenbart sind, können nicht ausreichend sein, um flüssige und gasförmige Füllstände der Substanzen, wie CO&sub2; genau zu detektieren.

Die Transistoren sind ebenso als Füllstandssensoren in DD - A - 220203 verwendet worden.

Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Fluid - Füllstandssensor zu liefern, welcher mindestens einige der Nachteile, auf die sich oben bezogen wird, abschwächt oder minimiert.

OFFENBARUNG DER ERFINDUNG

Entsprechend einem Aspekt der Erfindung wird ein Füllstandsfühler zum Feststellen des Füllstandes eines Strömungsmittels geliefert, mit einem länglichen Gehäuse mit mehreren darin angeordneten, getrennten Darlington - Paartransistorkonfigurationen, von denen jede so in dem länglichen Gehäuse angeordnet und durch Vorspannungskomponenten unter Vorspannung gesetzt ist, daß die Leitfähigkeit jedes einzelnen der genannten Darlington - Paarkonfigurationen von der Kühlwirkung des Strömungsmittels abhängt, wobei durch Kühlwirkung des flüssig vorliegenden Strömungsmittels an jeder der genannten Darlington - Paartransistorkonfigurationen eine Potentialdifferenz, die zwischen der Potentialdifferenz zwischen der die Darlington - Konfiguration enthaltenden Schaltung und den Vorspannungskomponenten und oberhalb eines bestimmten Schwellenniveaus liegt, und durch Kühlwirkung des gasförmig vorliegenden Strömungsmittels eine unter dem bestimmten Schwellennivean liegende Potentialdifferenz geschaffen wird.

Geeigneterweise sind die Darlington - Paartransistorkonfigurationen in dem Gehäuse so stationiert, daß den Darlington - Paartransistorkonfigurationen es nicht möglich ist, in Kontakt mit dem Strömungsmittel zu kommen. Alternativ können die Darlington - Paartransistorkonfigurationen geeigneterweise in Öffnungen in dem Gehäuse positioniert werden, wodurch zumindest einem Teil von jedem der Darlington - Paartransistorkonfigurationen es ermöglicht wird, in Kontakt mit dem Strömungsmittel zu sein.

Vorzugsweise beinhalten die Vorspannungskomponenten einen ersten Widerstand auf dem Kollektorweg von jedem der Darlington - Paartransistorkonfigurationen und einen zweiten Widerstand auf dem Emitterweg von jedem der Darlington - Paartransistorkonfigurationen.

Die Vorspannungskomponenten können weiterhin einen veränderbaren Widerstand beinhalten, der mit der Basis von jedem der Darlington - Paartransistorkonfigurationen verbunden ist.

Geeigneterweise ist der Kollektorausgang von jedem der Darlington - Paartransistorkonfigurationen mit einem Eingang eines Komparators verbunden und eine Referenzspannung ist mit einem zweiten Eingang des Komparators verbunden, worin der Komparator ein Anzeigegerät hat, welches mit seinem Ausgang verbunden ist, wobei das Anzeigegerät ein Signal liefert, welches die Ausgangsspannung des Komparators anzeigt.

Vorzugsweise ist die Referenzspannung ungefähr 12 V Gleichspannung.

Geeigneterweise wird jede der jeweiligen Darlington - Paartransistorkonfigurationen unter Vorspannung gesetzt, um eine Kollekturspannung von ungefähr 14 V Gleichspannung aufgrund der Kühlwirkungen des Strömungsmittels, wenn es in einer flüssigen Form ist, und eine Kollektorspannung von 9 bis 10 V Gleichspannung aufgrund der Kühlungswirkungen des Strömungsmittels, wenn es in einer gasförmigen Form ist, zu liefern.

Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nun mit Hilfe eines Beispiels mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben werden, in welchen:

Figur 1 ein Schaltdiagramm eines Darlington - Paarsensors und damit verbundener Schaltung entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung ist; und

Figur 2 eine Querschnittsansicht ist, die zeigt, wie Sensoren bei Gebrauch befestigt sein können.

In Figur 1 wird ein Darlington - Paarsensor 15 dargestellt, welcher kaskadenverbundene Emitterverstärker - Transistoren Q1 und Q2 in einem Darlington - Paarkonfigurations - Paket umfaßt. Der Widerstand R1 ist ein Strombegrenzungswiderstand in dem Kollektorweg (der Kollektorelektrode C) des Sensors 15. Der Widerstand R2 ist in dem Emitterpfad der Elektrode E des Sensors 15 angeschlossen und liefert einen kleinen Betrag an negativer Rückkopplung Ebenso ist der veränderbare Widerstand R mit der Basis der Elektrode B des Sensors 15 verbunden und setzt den Basisstrom in dem Sensor 15 fest.

Mit VCC von 24 V Gleichspannung werden die Widerstände R1 und R2 ausgewahlt und R wird so festgesetzt, daß die Kollektorelektrode C typischerweise auf einem Potential von ungefahr 14 V Gleichspannung ist, wenn der Sensor 15 unter dem Einfluß der Temperatur und der Kühlungswirkungen einer Flüssigkeit ist. Wenn der Darlington - Paarsensor 15 unter dem Einfluß der Temperatur und Kühlungswirkungen eines Gases ist, so erhöht sich seine Leitfähigkeit so, daß die Kollektorelektroden typischerweise auf einem Potential von 9 bis 10 V Gleichspannung sind. Die hohe Verstärkung des Darlington - Paarsensors 15, das Festsetzen von R und die Auswahl der Widerstände R&sub1; und R&sub2; ermöglichen das relativ schnelle und prazise Umschalten, wenn die Temperatur des Sensors 15 durch die Anwesenheit der Flüssigkeit oder des Gases beeinflußt wird.

Die Kollektorelektrode C ist mit einem Eingang VI des Komparators C1 verbunden. Ein Anzeigegerät, wie eine LED 16, ist mit dem Ausgang des Komparators C1 verbunden, welcher einen positiven Referenzspannungseingang VR hat, welcher typischerweise mit einer Referenzspannung von 12 V Gleichspannung verbunden sein kann. Dementsprechend liefert der Komparator C1 einen positiven Ausgang, wenn der Sensor 15 unter dem Einfluß von Gas ist, weshalb die LED 16 auf "ein" umschaltet. Wenn der Sensor 15 unter dem Einfluß der Flüssigkeit der Kollektorspannung über 12 V Gleichspannung ist und deshalb der Komparator C&sub1; einen Nullspannungsausgang liefert, so schaltet die LED 16 auf "aus". Die Größenordnung der Referenzspannung VR muß nicht 12 V Gleichspannung sein, jedoch ist dieser Wert für die Kollektorspannungsschwankungen zwischen ungefähr 14 V Gleichspannung bis 9 V Gleichspannungen vorzuziehen.

Wie in Figur 2 dargestellt wird, sind eine Vielzahl von Darlington - Paarsensoren 15, welche mit der Vorspannung und der Anzeigegeräte - Schaltung von Figur 1 verbunden sind, in Intervallen entlang des verlängerten Gehäuses 10 innerhalb eines Zylinders 17, der ein Strömungsmittel, wie CO&sub2; enthält, angeordnet. Die Sensoren 15 sind gegen die innere Oberfläche 11 des Gehäuses 10 positioniert und sind von dem Strömungsmittel durch das Gehäuse 10 getrennt und kontaktieren nicht physikalisch das Strömungsmittel.

Das Gehäuse 10 wird an seinem einen Ende von dem Stopfen 12 und an seinem anderen Ende von einem Stopfen 19 abgeschlossen, welche eine Windungsöffnung 20 hat, die eine Windungs - Stopfbüchse 18 aufnimmt. Ein Kabel 14 durchläuft die Stopfbüchse 13 und erreicht die elektrische Verbindung für jeden Sensor 15 mit ihren damit verbundenen Vorspannungen und Anzeigegeräte - Schaltungen (R&sub1;, R&sub2;, R, C&sub1; und LED 16).

Jeder der Sensoren 15 ist unter dem Einfluß der Flüssigkeit 18 oder des Gases 21 abhangig von dem Füllstand der Flüssigkeit 18 innerhalb des Zylinders 17. Die Wärme, die von den Sensoren 15 erzeugt wird, aufgrund des Stromflusses, der durch sie geht, wird durch die Wirkungen der Anwesenheit eines Strömungsmitteis in einer flüssigen oder gasförmigen Form gekühlt. Die Verbindungstemperatur von jedem Darlington - Paarsensor 15 wird deshalb sich verändern abhängig davon, ob oder ob nicht er durch eine Flüssigkeit oder ein Gas gekühlt worden ist. Dementsprechend wird jede LED 16 entweder auf "ein" oder "aus" sein, abhängig davon, ob oder ob nicht ihr damit verbundener Sensor 15 durch eine Flüssigkeit oder ein Gas gekühlt wird. Dies liefert eine Bedeutung beim Anzeigen des Füllstandes der Flüssigkeit 18 in dem Zylinder 17 durch die Kühlungswirkungen der Flüssigkeit.


Anspruch[de]

1.Füllstandsfühler zur Feststellung des Füllständs eines Strömungsmittels, mit einem länglichen Gehäuse mit mehreren darin angeordneten, getrennten Darlington - Paartransistorkonfigurationen, von denen jede so in dem länglichen Gehäuse angeordnet und durch Vorspannungskomponenten unter Vorspannung gesetzt ist, daß die Leitfähigkeit jedes einzelnen der genannten Darlington - Paarkonfigurationen von der Kühlwirkung des Strömungsmittels abhängt, wobei durch Kühlwirkung des flüssig vorliegenden Strömungsmittels an jeder der genannten Darlington - Paartransistorkonfigurationen eine Potentialdifferenz, die zwischen der Potentialdifferenz zwischen der die Darlington - Konfiguration enthaltenden Schaltung und den Vorspannungskomponenten und oberhalb eines bestimmten Schwellenniveaus liegt, und durch Kühlwirkung des gasförmig vorliegenden Strömungsmittels eine unter dem bestimmten Schwellennivean liegende Potentialdifferenz geschaffen wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Darlington - Paartransistorkonfigurationen in dem Gehäuse so angeordnet sind, daß sie mit dem Strömungsmittel nicht in Kontakt kommen können.

3. Vorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, bei der die Vorspannungskomponenten einen ersten Widerstand in dem Kollektorweg jeder der genannten Darlington - Paartransistorkonfigurationen und einen zweiten Widerstand in dem Emitterweg jeder der genannten Darlington - Paartransistorkonfigurationen umfassen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der die Vorspannungskomponenten ferner einen variablen Widerstand umfassen, der an die Basis jeder der genannten Darlington - Paartransistorkonfigurationen angeschlossen ist.

5. Vorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, bei der der Kollektorausgang jedes der genannten Darlington - Paartransistorkonfigurationen mit dem Eingang eines Komparators gekoppelt ist und eine Bezugsspannung an einem zweiten Eingang des Komparators liegt, wobei an den Ausgang des Komparators ein Anzeigegerät angeschlossen ist, das ein die Ausgangsspannung des Komparators anzeigendes Signal liefert.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der die Bezugsspannung etwa 12 Volt Gleichspannung beträgt.

7. Vorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, bei der jede der genannten Darlington - Paartransistorkonfigurationen unter Vorspannung gesetzt ist, um infolge der Kühlwirkungen des Strömungsmittels in flüssiger Form eine Kollektorspannung von etwa 14 Volt Gleichspannung und infolge der Kühlwirkungen des Strömungsmittels in gasförmiger Form eine Kollektorspannung von 9 bis 10 Volt Gleichspannung zu liefern.







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