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DE2423415A1 - Liq. gas level monitoring device - uses positive temperature coefficient resistor as sensor for level detection - Google Patents

Liq. gas level monitoring device - uses positive temperature coefficient resistor as sensor for level detection

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DE2423415A1
DE2423415A1 DE2423415A DE2423415A DE2423415A1 DE 2423415 A1 DE2423415 A1 DE 2423415A1 DE 2423415 A DE2423415 A DE 2423415A DE 2423415 A DE2423415 A DE 2423415A DE 2423415 A1 DE2423415 A1 DE 2423415A1
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Abstract

The liquid gas may be nitrogen and a PTC resistor is used as a sensor for both the upper and lower levels of the desired range. A voltage divider consisting of the PTC resistor and a fixed resistor delivers a voltage depending on the liquid level, applied to various programmed threshold stages which when tripped light a lamp indicating their states; threshold stages output levels are applied to a logic circuit which controls a filling valve through an amplifier. Three states are monitored and displayed: shorting of the PTC resistor, too low liquid level and the PTC normal resistance; an inverter is inserted between the short-circuit threshold stage and the AND logic circuit.

Description

Niveauabtasteinrichtung zur Niveauüberwachung von flüssigen Gasen.Level sensing device for level monitoring of liquid gases.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Niveauabtasteinrichtung zur Niveauüberwachung von flüssigen Gasen, insbesondere flüssigem Stickstoff.The present invention relates to a level sensing device for Level monitoring of liquid gases, especially liquid nitrogen.

Sowohl in aer Forschung als auch in der Industrie werden zur Tiefkühlung in immer größerem Umfang flüssige Gase, insbesondere Stickstoff verwendet. Beispielsweise seien die Vorkühlung zur Erreichung tiefster Temperaturen zwecks Ausnutzung der Supraleitung und die Materialuntersuchungen für die Raumfahrt genannt. Der Umgang mit flüssigen Gasen erfordert eine zuverlässige Uberwachungseinrichtung des FUllniveaus in den Behältern, wobei eine bewegliche Vorrichtung wegen der Einfriergefahr ausscheidet.In both research and industry, deep freezing is being used Liquid gases, in particular nitrogen, are being used to an ever greater extent. For example be the pre-cooling to achieve the lowest temperatures in order to utilize the Called superconductivity and the material research for space travel. Dealing with liquid gases requires a reliable monitoring device of the fill level in the containers, whereby a movable device is ruled out because of the risk of freezing.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Angabe einer auch bei tiefen Temperaturen zuverlässigen Niveauabtasteinrichtung.The object of the present invention is to specify an even at depths Temperatures reliable level sensing device.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß als FUhler für die Füllhöhe ein Kaltleiter verwendet wird.This object is achieved according to the invention in that as a sensor a PTC thermistor is used for the filling level.

Weiterhin wird diese Aufgabe durch die Verwendung eines Kaltleiters in einer Schaltung zur Niveauüberwachung erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß durch eine Spannungsteilerschaltung zwischen Kaltleiter und einem Festwiderstand Je nach Betriebszustand der Einrichtung ein bestimmter Spannungspegel gebildet wird, der verschieden programmierten Grenzwertstufen zugeführt wird, die nach Kippen über ein Lämpchen ihren Betriebszustand anzeigen, und daß dieAusgangspegel an ein Und-Verknüpfungsglied geführt werden, das über einen Verstärker das Füllventil ansteuert.Furthermore, this task is achieved through the use of a PTC thermistor solved in a circuit for level monitoring according to the invention that by a voltage divider circuit between PTC thermistor and a fixed resistor depending on Operating state of the device a certain voltage level is formed, the different programmed limit value levels is supplied, the display their operating status via a lamp after tilting, and that the output level to an AND logic element, which is the filling valve via an amplifier drives.

Es ist zwar bekannt, Kaltleiter als Fühler für Flüssigkeitsstände zu benutzen, Jedoch liegt die bekannte Verwendung in einem anderen Bereich der Widerstands-Temperatur-Kennlinie des Kaltleiters. Kaltleiter bestehen bekanntlich aus Erdälkalititanaten, welche durch geeignete Dotierung halbleitend gemacht sind. Die Widerstands-Temperatur-Kennlinie dieser Halbleiter verläuft derart, daß der Widerstand oberhalb der Curietemperatur innerhalb eines engen Temperaturbereiches um einige Zehnerpotenzen zunimmt. Durch Abänderungen der stofflichen Zusammensetzung des Kaltleitermaterials läßt sich der Beginn des Widerstandsanstiegs innerhalb eines Bereiches von -30 bis +1600 C frei wählen. Die bekannten Anwendungen liegen in dem Temperaturbereich, in welchem dieser Widerstandsanstieg stattfindet.It is known to use PTC thermistors as a sensor for liquid levels to use, However, the known use lies in a different area of the resistance-temperature characteristic of the PTC thermistor. PTC thermistors are known to consist of Erdälkalitanaten, which are made semiconducting by suitable doping. The resistance-temperature curve this semiconductor runs in such a way that the resistance is above the Curie temperature increases by a few powers of ten within a narrow temperature range. By Changes to the material composition of the PTC thermistor material can be Beginning of the increase in resistance within a range from -30 to +1600 C free Select. The known applications are in the temperature range in which this Resistance rise takes place.

Bei der Anwendung als Flüssigkeitsstandsfühler beispielsweise wird der Kaltleiter durch die angelegte Meßspannung bis in den Temperaturbereich des Widerstandsanstiegs aufgeheizt. Im Strom-Spannungs-Diagramm liegt dieser Betriebszustand im Gebiet fallender Strom-Spannungs-Kennlinie. Dabei ist bei gleichgehaltener Spannung der Strom durch den Kaltleiter in der Flüssigkeit ungefähr doppelt so groß wie der Strom, der durch ihn in Luft fließt. Dies ist darauf zurUckzufUhren, daß der Kaltleiter in Flüssigkeit mehr Wärme abgeben kann, d.h. stärker abgekühlt wird als in Luft; stärkerer Abkühlung und damit kleinerer Temperatur entspricht, aber kleinerer Widerstand und damit höherer Strom.When used as a liquid level sensor, for example the PTC thermistor through the applied measuring voltage up to the temperature range of the Heated resistance increase. This operating state is in the current-voltage diagram in the area of falling current-voltage characteristics. In doing so, the voltage is kept the same the current through the PTC thermistor in the liquid is about twice as large as that Electricity flowing through it in air. This is due to the fact that the PTC thermistor can give off more heat in liquid, i.e. it is cooled more strongly than in air; corresponds to greater cooling and thus lower temperature, but lower resistance and thus higher current.

Bei der erfindungsgemäßen Niveauabtasteinrichtung für flüssige Gase befindet man sich in einem ganz anderen Gebiet der Kaltleiterkennlinie. Bei sehr tiefen Temperaturen weisen die Kaltleiter ein ausgeprägtes. Heißleiterverhalten auf, d.h. ihr Widerstand nimmt mit sinkenden Temperaturen weiter zu.In the level sensing device according to the invention for liquid gases you are in a completely different area of the PTC thermistor curve. at PTC thermistors have a pronounced effect at very low temperatures. NTC behavior up, i.e. their resistance increases with decreasing temperatures.

Zum Unterschied von der bekannten Anwendung von Kaltleitern als Flüssigkeitsstandsfühler sieht die Strod-Spannungs-Kennlinie nun derart aus, daß durch den Kaltleiter bei Eintauchen in die FlUssigkeit bedeutend weniger Strom fließt als im gasförmigen Medium.In contrast to the well-known use of PTC thermistors as liquid level sensors the current-voltage characteristic now looks like that through the PTC thermistor at Immersion in the liquid significantly less current flows than in the gaseous Medium.

Beispielsweise ist in Fig.1 die Strom-Spannungs-Kennlinie eines Kaltleiters der Nenntemperatur -30° C in gasförmigem (Kurve 1) und in flüssigem (Kurve 2) Stickstoff angegeben. Bei einer Spannung zwischen 15 und 20 V am Kaltleiter fließen im gasförmigen Stickstoff etwa 40 mA und im flüssigen Stickstoff unter 1OO'uA durch den Kaltleiter.For example, the current-voltage characteristic of a PTC thermistor is shown in FIG the nominal temperature -30 ° C in gaseous (curve 1) and in liquid (curve 2) nitrogen specified. With a voltage between 15 and 20 V on the PTC thermistor, flow in the gaseous Nitrogen about 40 mA and in liquid nitrogen below 1OO'uA through the PTC thermistor.

Ein derart hohes Signalverhältnis (400 : 1) läßt einfache Auswertschaltungen zu und gestattet bereits die direkte Ansteuerung eines Kleinrelais. Dabei ist lediglich zu berücksichtigen, daß der Widerstand des Relais unterhalb eines bestimmten Grenzwertes liegen muß.Such a high signal ratio (400: 1) allows simple evaluation circuits and already allows the direct control of a small relay. There is only to take into account that the resistance of the relay is below a certain limit must lie.

Beispielsweise ist für einen Kaltleiter der Nenntemperatur von -30° C und mit einem Widerstand von 800 Ohm bei der Nenntemperatur eine Relaisspule des Widerstandes von ungefähr 70 Ohm erforderlich.For example, the nominal temperature for a PTC thermistor is -30 ° C and with a resistance of 800 ohms at the nominal temperature a relay coil of the Resistance of approximately 70 ohms required.

In Fig.2 ist das Prinzipschaltbild eines Kaltleiters in Reihe mit einer Relaisspule dargestellt, wobei eine Spannungsversorgung von 24 V bei der vorstehend aufgeführten Kombination erforderlich ist.In Fig.2 is the basic circuit diagram of a PTC thermistor in series with a relay coil, with a voltage supply of 24 V in the case of the above combination listed is required.

Bei der in Fig.2 dargestellten Schaltung wird das Relais, welches das Füllventil steuert, erregt, wenn sich der Kaltleiter in Gas befindet, und es fällt ab, wenn er in flüssigen Stickstoff eintaucht.In the circuit shown in Fig.2, the relay, which the filling valve controls, energizes when the PTC thermistor is in gas, and it falls off when immersed in liquid nitrogen.

Bei diesem Betrieb ergibt sich eine gewisse Eigensicherheit der Schaltung dadurch, daß bei Leitungsunterbrechung im Fühlerkreis das Relais abfällt, weil der Zustand " Niveau erreicht n vorgetäuscht wird und damit eine Überfüllung des Behälters verhindert wird.This operation results in a certain intrinsic safety of the circuit in that the relay drops out when there is a line break in the sensor circuit because of the Condition "level reached n is simulated and thus an overfilling of the container is prevented.

Die Niveaukontrolle mit nur einem Fühler führt allerdings zu einem gewissen Schwingverhalten der Füllanlage mit häufigem, aber nur kurzzeitigem Nachfüllen.The level control with only one sensor, however, leads to one certain vibration behavior of the filling system with frequent, but only brief, refilling.

In Fig.3 ist die prinzipielle Anordnung für eine Zweipunktregelung dargestellt. In einem Behälter 5 sind zwei Kaltleiter 3 angeordnet, die den Flüssigkeitsstand zwischen einem unteren Niveau 6 und einem oberen Niveau 7 regeln. Sobald der Flüssigkeitsstand das untere Niveau 6 erreicht hat, wird die Zufuhr von flüssigem Stickstoff angestellt, und sobald der obere Flüssigkeitsstand 7 erreicht ist, wieder abgestellt.The basic arrangement for a two-point control is shown in FIG shown. In a container 5, two PTC thermistors 3 are arranged, which the liquid level regulate between a lower level 6 and an upper level 7. Once the fluid level has reached the lower level 6, the supply of liquid nitrogen is turned on, and as soon as the upper liquid level 7 is reached, turned off again.

Wird die Eigensicherheit der Niveauüberwachung auch hinsichtlich Unterfüllung verlangt, so muß auch ein Fühlerkurzschluß überwacht werden. Dies ist z.B. erforderlich, wenn das Ausfallen des Kühlmittels zur Zerstörung von Anlagen führen könnte (Suprakabel). In diesem Fall käme eine Schaltung in Frage, wie sie in Fig.4 als Blockschaltbild einer volleigensicheren Niveaukontrolleinrichtung für Flüssigstickstoff wiedergegeben worden ist. Damit wird der Fühler auf Leitungsunterbrechung und Kurzschluß überwacht.Is the intrinsic safety of the level monitoring system also with regard to underfilling required, a sensor short-circuit must also be monitored. This is e.g. necessary if the failure of the coolant could lead to the destruction of systems (super cable). In this case, a circuit such as that shown in FIG. 4 as a block diagram would come into question a fully intrinsically safe level control device for liquid nitrogen has been. This means that the sensor is monitored for line interruptions and short circuits.

Gemäß Fig.4 wird ein Kaltleiter 3 und ein Festwiderstand 8 in Spannungsteilerschaltung betrieben. Je nach Betriebszustand ergeben sich unterschiedlich hohe Spannungspegel, die verschieden programmierten Grenzwertstufen 9, 10, 11 zugeführt werden. Bei angeschlossenem und in den flüssigen Stickstoff eingetauchtem Kaltleiterfühler 3 wird die Grenzwertstufe 9 angesteuert. Da der durch den Kaltleiter fließende Strom in diesem Fall nur sehr gering ist, wird ein spezieller Verstärker 12 vorgeschaltet. Ein Anzeigelämpchen 13 gibt an, daß der Fühler angeschlossen ist.According to Figure 4, a PTC thermistor 3 and a fixed resistor 8 in a voltage divider circuit operated. Depending on the operating status, the voltage levels vary, the differently programmed limit value levels 9, 10, 11 are supplied. When connected and PTC thermistor immersed in liquid nitrogen 3 limit value stage 9 is activated. Because the current flowing through the PTC thermistor in this case is only very low, a special amplifier 12 is connected upstream. An indicator light 13 indicates that the sensor is connected.

Sobald der Flüssigkeitsstand so weit abgefallen ist, daß der Kaltleiter aus der Flüssigkeit auftaucht, flieht ein größerer Strom durch den Kaltleiter, so daß die Grenzwertstufe 10 angesteuert wird und durch ein Lämpchen 14 angezeigt wird, daß das Niveau unterschritten wurde.As soon as the liquid level has dropped so far that the PTC thermistor emerges from the liquid, a larger current escapes through the PTC thermistor, so that the limit value stage 10 is activated and indicated by a lamp 14, that the level was undercut.

Im Falle eines -Kurzschlusses des Kaltleiters wird die Grenzwertstufe 11 angesteuert und das Lämpchen 15 zeigt an, daß ein Kurzschluß vorliegt.In the event of a short circuit in the PTC thermistor, the limit value stage 11 is activated and the lamp 15 indicates that there is a short circuit.

Durch das Und-Verknüpfungsglied 16 wird über einen Verstärker 17 das Füllventil 18 angesteuert, wobei gleichzeitig durch das Lämpchen 19 angezeigt wird, daß der Behälter wieder aufgefüllt wird.The AND logic element 16 is via an amplifier 17 that Filling valve 18 is activated, and at the same time it is indicated by the lamp 19, that the container is refilled.

Das Nachfüllen erfolgt nur, wenn der Fühler 3 angeschlossen ist, das Niveau im Behälter so weit abgesunken ist, daß der Fühler außerhalb der Flüssigkeit ist und wenn kein Kurzschluß vorhanden ist.Refilling only takes place if sensor 3 is connected, the The level in the container has dropped so far that the sensor is outside the liquid and if there is no short circuit.

Deshalb muß zwischen Und-Verknüpfungsglied und Grenzwertstufe 11, die bei Kurzschluß anspricht, ein Invertierungsglied 20 angeordnet werden.Therefore, between the AND logic element and limit value stage 11, which responds in the event of a short circuit, an inverting element 20 can be arranged.

Weiterhin ist in der Schaltung eine Störungsanzeige durch das Lämpchen 21 eingebaut, das über ein Oder-Verknüpfungsglied 33 angesteuert wird. Das Lämpchen 21 zeigt an, wenn entweder ein Kurzschluß und/oder eine Leitungsunterbrechung vorhanden ist. Damit in Jedem Fall die richtige Anzeige erfolgt, muß ein Invertierungsglied 23 zwischen Oder-Verknüpfungsglied und Grenzwertstufe 9 eingeschaltet werden.There is also a malfunction indicator in the circuit using the lamp 21 installed, which is controlled via an OR link 33. The lamp 21 indicates when there is either a short circuit and / or an open circuit is. An inversion element must be used to ensure that the display is correct in every case 23 between the OR logic element and limit value stage 9 can be switched on.

Ein bevorzugtes Ausführungsbei spi el ergibt sich, wenn ein Kaltleiter 3 mit der Nenntemperatur -300 C (RN=800 #) und einem Widerstand von 4002Q bei -50° C sowie Widerstand 8 ein solcher mit einem Widerstandswert von 68# verwendet werden.A preferred Ausführungsbei spi el results when a PTC thermistor 3 with a nominal temperature of -300 C (RN = 800 #) and a resistance of 4002Q at -50 ° C and resistor 8 can be used with a resistance value of 68 #.

In ähnlicher Weise wie in Fig.4 dargestellt läßt sich auch eine Zweipunktregelung mit voller Uberwachung von Leitungskurzschluß und Leitungsunterbrechung aufbauen.In a manner similar to that shown in FIG. 4, two-point control can also be used with full monitoring of line short circuits and line interruptions.

5 Patent ansprüche 4 Figuren.5 claims 4 figures.

Claims (5)

P a t e n t a n s p r ü c h eP a t e n t a n s p r ü c h e 1. Niveauabtasteinrichtung zur Niveauüberwachung von flüssigen Gasen, insbesondere Flüssigem Stickstoff, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t ,, daß als Fühler für die Füllhöhe ein Kaltleiter verwendet wird.1. Level sensing device for level monitoring of liquid gases, especially liquid nitrogen that a PTC thermistor is used as a sensor for the filling level. 2. Niveauabtasteinrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß je ein Kaltleiter als Fühler für ein oberes und unteres Niveau verwendet wird.2. level sensing device according to claim 1, d a d u r c h g e k e n n z e i n e t that a PTC thermistor is used as a sensor for an upper and a lower one Level is used. 3. Verwendung eines Kaltleiters in einer Schaltung zur Niveauüberwachung, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß durch eine Spannungsteilerschaltung zwischen Kaltleiter (3) und einem Festwiderstand (8) Je nach Betriebszustand der Einrichtung ein bestimmter Spannungspegel gebildet wird, der verschieden programmierten Grenzwertstufen (9, 10, 11) zugeführt wird, die nach Kippen über ein Lämpchen (13, 14, 15) ihren Betriebszustand anzeigen, und daß die Ausgangspegel der Grenzwertstufen (9, 10, 11) einem Und-Verknüpfungsglied (16) zugeführt werden, das über einen Verstärker (17) das Füllventil (18) ansteuert.3. Use of a PTC thermistor in a circuit for level monitoring, d a d u r c h e k e n n n z e i c h n e t that by a voltage divider circuit between PTC thermistor (3) and a fixed resistor (8) Depending on the operating status of the Device a certain voltage level is formed, the different programmed Limit value steps (9, 10, 11) are supplied, which after tilting via a lamp (13, 14, 15) indicate their operating status and that the output levels of the limit value stages (9, 10, 11) are fed to an AND-logic element (16), which via an amplifier (17) controls the filling valve (18). 4. Verwendung eines Kaltleiters in einer Schaltung nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß drei Betriebszustände - Kurzschluß des Kaltleiters, zu niedriges Flüssigkeitsniveau, angeschlossener Kaltleiter - überwacht und angezeigt werden und daß in die Leitung zwischen Kurzschluß-Grenzwert-Stufe (11) und Und-Verknüpfungsglied (16) ein Invertierungsglied (20) eingeschaltet wird.4. Use of a PTC thermistor in a circuit according to claim 3, D a d u r c h e k e n n n z e i c h n e t that three operating states - short circuit of the PTC thermistor, liquid level too low, connected PTC thermistor - monitored and are displayed and that in the line between short-circuit limit value stage (11) and AND logic element (16) an inverting element (20) is switched on. 5. Verwendung eines Kaltleiters in einer Schaltung nach Anspruch 3 oder 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß eine Störungsanzeige (21) erfolgt, daß diese Störungsanzeige über ein Oder-Verknüpfungsglied (22) von den Ausgängen der Grenzwertstufen für Kurzschluß (11) und angeschlossenen Fühler (9) angesteuert wird und daß zwischen der Grenzwertstufe für angeschlossenen Fühler (9) und dem Oder-VerknUpfungsglied (22) ein Invertierungsglied (23) eingeschaltet ist.5. Use of a PTC thermistor in a circuit according to claim 3 or 4, there is no indication that a fault display (21) takes place that this fault display via an OR link (22) of the Outputs of the limit value stages for short circuit (11) and connected sensors (9) is controlled and that between the limit value stage for connected sensors (9) and the OR link element (22) an inverting element (23) is switched on is.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE2645743A1 (en) * 1976-10-09 1978-04-13 Vdo Schindling LIQUID LEVEL MEASURING DEVICE
US4449404A (en) * 1981-04-18 1984-05-22 Telefunken Electronic Gmbh Thermoelectric level measuring device
EP0220618A2 (en) * 1985-10-26 1987-05-06 Messer Griesheim Gmbh Device for automatically limiting a cryogenic fluid filling level
US5197329A (en) * 1992-05-22 1993-03-30 White Consolidated Industries, Inc. PTC water level sensor and control

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