DE4324268A1 - Vorrichtung zum Erfassen zweier Pegel einer elektrisch leitenden Flüssigkeit - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erfassen zweier Pegel einer elektrisch leitenden Flüssigkeit mittels Elektroden, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Dabei haben die Elektroden mit der Flüssigkeit Kontakt, um bei Flüssigkeitsständen zwischen diesen beiden Pegeln automatisch Maßnahmen zum Absenken oder Anheben des Flüssigkeitsstandes auszulösen.

Die nach diesem Prinzip arbeitenden bekannten Vorrichtungen haben drei Elektroden und drei Verbindungsdrähte zum Steuerungssystem, wobei letztere gegenüber der Flüssigkeit durch eine dichte Trennwand, durch die die Drähte hindurchgeführt sind, geschützt ist. Wenn diese Trennwand aus Metall ist und als Sammelelektrode für die Potentiale dient, sind es oft auch nur zwei Drähte, die durch diese Trennwand hindurchgeführt sind. Diese beiden Drähte sind weiterhin erforderlich, um die beiden Elektroden für den oberen und den unteren Pegel miteinander zu verbinden. Außer dem Problem der Drahtdurchführung durch die Trennwand gibt es auch noch die Schwierigkeit, die Elektroden an der richtigen Stelle anzuordnen und in ihrer Höhenposition zu verändern, um einen Pegel in bezug auf den anderen zu ändern.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind bei einer Vorrichtung der genannten Art die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale vorgesehen.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird somit nur noch ein Draht benötigt, um die beiden Elektroden für den oberen und unteren Pegel miteinander zu verbinden und die entsprechenden Signale an das Steuerungssystem weiterzuleiten. Ihr wesentliches Merkmal sind Elektroden aus verschiedenen Metallen mit unterschiedlichen elektrochemischen Normalpotentialen bei Berührung mit einer wäßrigen Lösung, so daß das elektronische Steuerungssystem mit Hilfe desselben Drahtes erkennen kann, ob die Flüssigkeit mit der Elektrode des oberen oder des unteren Pegels Berührung hat.

Zum besseren Verständnis der Funktionsweise sei daran erinnert, daß nach der Theorie von NERNST ein Metall in einer wäßrigen Lösung (in bezug auf eine Wasserstoff-Elektrode) ein umso positiveres Normalpotential hat, je besser es der Oxidation widersteht, was sich bzgl. seiner atomaren Struktur durch den Verlust seiner Valenzelektronen äußert. Dies ist bei den Edelmetallen wie Kupfer, Silber und Gold der Fall. Am anderen Ende der elektrochemischen Spannungsreihe hat ein Metall ein umso negativeres Potential, je leichter es oxidiert, wie es z. B. bei Zink oder Magnesium der Fall ist. Letztere werden als elektropositiver als die zuvor genannten bezeichnet, da sie viel leichter ihre Elektronen in einer chemischen Reaktion verlieren. Genau dieser Vorgang im galvanischen Element, der auch in einer elektrischen Batterie abläuft, wird in der vorliegenden Erfindung genutzt.

Eine interessante Besonderheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, Metall-Kombinationen so wählen zu können, daß die zum Steuergerät weitergeleiteten Potentialunterschiede nur dann als Informationen über den oberen oder unteren Pegel erfaßt werden, wenn sie einen Schwellenwert von ungefähr + 0,4 Volt übersteigen. Dadurch bleibt das Steuergerät unempfindlich gegenüber jeder störenden Potentialänderung, die sich während des Stromdurchgangs durch die Flüssigkeit aufgrund von Polarisationsvorgängen an den Elektroden einstellt, wobei diese Vorgänge in Abhängigkeit von den Eigenschaften der in Lösung gehenden Gegenstände, der Elektroden-Oberflächen und ihrer Abstände voneinander sehr veränderlich sind. Diese Auswahl einer Schwellenspannung in der Größenordnung von 0,4 bis 0,5 Volt entspricht auf einfache Weise der Emitter/Basis-Spannung eines zur Pegelerfassung im Steuergerät benutzten Transistors, unterhalb der der Transistor praktisch keinen Strom mehr durchläßt.

Weitere Einzelheiten der Erfindung sind der folgenden Beschreibung zu entnehmen, in der die Erfindung anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher beschrieben und erläutert ist.

Fig. 1 zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung in ihren wesentlichen Bestandteilen: die drei Elektroden in Seitenansicht, den mittels der horizontalen gestrichelten Linie dargestellten Flüssigkeitsstand, über den die Elektrode 2 übersteht, und die Pfeile, die die Richtung der elektrischen Ströme zwischen den Elektroden und in den elektrischen Leitern angeben.

Fig. 2 zeigt eine besonders einfache Ausführung einer Baueinheit mit oberer und der unterer Pegelelektrode.

Gemäß Fig. 1 besitzt die Vorrichtung die Bezugselektrode 1 für die unteren Pegelpotentiale, die über einen Stromleiter 3 mit dem Anschluß 9 eines elektronischen Steuergerätes 7 verbunden ist. Die Elektrode 1 kann auf herkömmliche Weise das Gehäuse des die Flüssigkeit auf nehmenden Behälters oder jedes andere bei Kontakt mit der Flüssigkeit stromleitende Gebilde sein. Die Elektrode 3 befindet sich ebenfalls am unteren Pegel, und zwar unwesentlich oberhalb oder unterhalb der Elektrode 1, so daß diejenige der beiden, die zuerst den Kontakt zur absinkenden Flüssigkeit verliert, den Strom zwischen beiden unterbricht, was das Signal für den unteren Pegel ist. Die für diese beiden Elektroden verwendeten Metalle sind dieselben. Sind sie aber unterschiedlich, dann sind es solche, bei denen der Unterschied zwischen den Normalpotentialen unterhalb der vorgesehen Schwellenspannung liegt. Diese Elektroden, die oft mit Wasser in Berührung kommen, wird man vorzugsweise in Edelmetall ausführen, wie z. B. Kupfer oder rostfreiem Stahl.

Die am oberen Pegel plazierte Elektrode 2 besteht im Hinblick auf das Normalpotential aus einem ganz anderen Metall als dem der Elektrode 1, nämlich aus einem leicht oxidierenden, wie z. B. Zink oder Magnesium. Sie ist durch einen Stromleiter 4 mit dem Stromleiter 5 verbunden, der die Elektrode 3 mit dem Anschluß 6 des Steuergerätes 7 verbindet.

Die bei einem Wasserstand bis zum oberen Pegel gleichzeitig im Wasser befindlichen drei Elektroden bilden zusammen drei elektrische Batterien:

• - die Batterie zwischen den Elektroden 2 und 3, deren Stromfluß aufgrund des Stromleiters 5, der gegenüber der Flüssigkeit isoliert ist, und des Stromleiters 4 kurzgeschlossen ist, wobei diese äquipotentiale Verbindung einen Wert unterhalb des Normalpotentials der beiden Metalle dieser Elektroden hat, vorzugsweise jedoch nahe dem Normalpotential der Elektrode 2, was mittels einer Elektrode 3 mit geringerer Oberfläche als der der Elektrode 2 erreichbar ist,
• - zwei weitere Batterien, nämlich zwischen den Elektroden 2 und 1 einerseits und 3 und 1 andererseits, vereinen ihre Ströme mittels der Sammelelektrode 1, von der der Summenstrom über den Anschluß 9 in das Steuergerät 7 fließt und über den Anschluß 6 und die Stromleiter 5 und 4 zu den Elektroden 3 und 2 wieder zurückfließt.

Das Steuergerät 7 besitzt eine Gleichstromquelle 10, zwei Transistoren 11 und 12 mit komplementärer Polung NPN und PNP, ihre miteinander verbundenen Widerstände 14 bis 17, eine Diode 13 zum Schutz des Eingangs des Transistors 11 und einen Ausgangs-Anschluß 18, um Signale an nicht dargestellte andere herkömmliche Steuerglieder übertragen zu können.

In Fig. 2 ist eine Ausführung einer Baueinheit mit zwei Elektroden mit einer mechanischen Positionshöhenreglung gezeigt. Die für den oberen Pegel vorgesehene Elektrode 2 ist ein Ring, hergestellt aus einem Abschnitt einer Stange aus Magnesium mit einer achsmittigen Längsbohrung, wodurch er längs einer Stange verschiebbar ist. Eine in ein Loch mit Innengewinde im Ring eingedrehte Schraube 4 aus rostfreiem Stahl bildet den Stromleiter 4 der vorstehend erwähnten äquipotentiellen Verbindung (Fig. 1). Eine kunststoffummantelte Stange aus Messing oder rostfreiem Stahl stellt den Stromleiter 5 dar, dessen oberes Ende elektrisch leitend mit dem Anschluß 6 des Steuergeräts 7 verbunden ist und dessen blankes unteres Ende 3 die Elektrode für den unteren Pegel darstellt. Jede Stelle der Stange 5 kann zur Plazierung der Elektrode 2 gewählt werden, da die Schraube 4 dort, wo sie festgezogen wird, die Kunststoffummantelung durchdringt.

Ausgehend von einem unteren Flüssigkeitsstand, bei dem die beiden Transistoren 11 und 12 keinen Strom führen, funktioniert die erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß Fig. 1 wie folgt. Bei zunehmendem Flüssigkeitsstand werden die Elektroden 1 und 3, die keinen wesentlichen Potentialunterschied aufweisen, überflutet, die Transistoren sperren weiterhin. Erst wenn die Flüssigkeit die Elektrode 2 erreicht, werden die elektrochemischen Batterien aktiviert und wird das Potential des Anschlusses 6 um einen 0,5 Volt übersteigenden Wert negativer als das des Anschlusses 9. Dies führt dazu, daß der Transistor 11 stromleitend wird, der seinerseits die Stromleitung des Transistors 12 regelt, mit Rückwirkung auf den Transistor 11 nach der Art eines selbststabilisierenden bzw. -haltenden Relais. Wenn der Flüssigkeitsstand abnimmt und dadurch die Elektrode 2 wieder freiliegt, verschwindet der Batterieeffekt. Es fließt jedoch weiterhin der Emitterstrom des Transistors 11 durch die Elektroden 3 und 1, und das Steuergerät 7 arbeitet weiter bis zum unteren Pegel, bei dem der Stromfluß des Transistors 11 durch den Kontaktverlust einer der unteren Elektroden zur Flüssigkeit unterbrochen wird und das Steuergerät 7 in den Ruhezustand zurückkehrt.

Die in den Elektroden fließenden Ströme sind sehr schwach und schwanken zwischen etwa 1 µA, wenn der Transistor 11 stromführend wird, und 80 µA, wenn er den Sättigungspunkt erreicht. Daraus ergibt sich, daß die Elektrolyse-Erscheinungen vernachlässigbar sind, zumal sich insbesondere das Magnesium der Elektrode 2 sehr langsam auflöst. Berechnete man bei dem oben erwähnten maximalen Strom für ein Elektrodenvolumen von 1 ccm den Verlust an Materialvolumen, so ergäbe sich ein Verlust in Höhe der Hälfte nach 2,6 Jahren, immer unter der Voraussetzung, daß die Vorrichtung mit ihren vom Wasser umspülten Elektroden ununterbrochen in Betrieb ist.

Die vorstehend anhand der Fig. 1 und 2 beschriebene Ausführungsform mag im Hinblick auf ihre Leistungsfähigkeit als am interessantesten erscheinen, doch könnten noch folgende, im Bereich der Erfindung liegenden Varianten erwähnt werden, die wie folgt aufgebaut sind:

• - Vertauschen der Polungen des elektronisches Steuergeräts, indem am Eingang ein Transistor 11 vom Typ PNP oder andere Halbleiter-Bauelemente zum Aufbau eines Selbsthalte-Relais benutzt werden,
• - Verwendung anderer Metalle als die erwähnten, die im Hinblick auf die elektrochemischen Potentiale gleichwertige Eigenschaften aufweisen,
• - Herstellen der äquipotentialen Verbindung 4 durch direkte Befestigung des Metalls der Elektrode 2 am Metall des Stromleiters 5 oder sogar durch galvanische Abscheidung, um einen absoluten Kontakt einer ortsunveränderlichen Elektrode 2 zu erzielen,
• - Oberflächenbereiche des Stromleiters 5 unisoliert lassen, um die Elektrode 2 an verschiedenen Stellen desselben fixieren zu können,
• - Verwendung eines Metallrohres als Stromleiter 5 und Einziehen eines isolierten Stromleiters 8 ins Innere des Rohres zur Verbindung der Elektrode 1 mit dem Steuergerät 7.

Die gewerblichen Anwendungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind bestens bekannt: alle denkbaren Wasserstands-Regelungen, sei es, um einen Wasserbehälter wieder aufzufüllen, der zur Entleerung neigt, sei es beim Abpumpen von Wasser aus einem Bohrloch, indem der abgesenkte Wasserstand durch die Pumparbeit überwacht wird, oder sei es, um Sickerwasser aus Räumlichkeiten ohne natürlichen Abfluß abzuführen.

Die herkömmlichen Apparate wie z. B. Pumpen, Elektroventile usw. können nunmehr mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Maximum an Genauigkeit und Zuverlässigkeit betätigt werden.

Claims (5)

1. Vorrichtung zum Erfassen zweier Pegel einer elektrisch leitenden Flüssigkeit, mit einer Referenzelektrode (1) für die Potentiale des unteren Pegels, einer am oberen Pegel angeordneten Elektrode (2) und einer weiteren Elektrode (3) am unteren Pegel, welche durch drei Stromleiter an ein elektronisches Gerät (7) angeschlossen sind, das die beiden Pegel durch die in der Flüssigkeit fließenden Ströme erfaßt, gekennzeichnet durch:

• - Elektroden (2) und (3) aus jeweils einem anderen Metall, wobei sich die Metalle bzgl. ihres elektrochemischen Normalpotentials unterscheiden,
• - einen Stromleiter (4) und einen Stromleiter (5), die die Elektroden (2) und (3) verbinden und eine kurzgeschlossene elektrische Batterie dann bilden, wenn sie gleichzeitig von Flüssigkeit umgeben sind,
• - eine Verlängerung des Stromleiters (5) oder des Stromleiters (4) zum Verbinden beider Elektroden mit einem Anschluß (6) des Gerätes (7),
• - eine Sammelelektrode (1), die an den Anschluß (9) des Gerätes (7) angeschlossen ist und aus einem Metall besteht, dessen Normalpotential sich von dem von den Stromleitern (4) und (5) von der äquipotentialen Verbindung zwischen den Elektroden (2) und (3) aufgenommenen Potential unterscheidet, wenn sie sich alle drei in der Flüssigkeit befinden, wobei diese Potentialdifferenz oberhalb eines Wertes von ungefähr 0,4 Volt liegt,
• - ein Steuergerät (7) mit einem elektronischen selbststabilisierenden Relais, das sich einschaltet, wenn die aufgrund des Kontaktes der Elektrode (2) mit der Flüssigkeit an den Anschlüssen (6) und (9) anliegende Spannung einen Schwellenwert von etwa 0,4 Volt übersteigt, und das an diesen Anschlüssen automatisch eine Spannung anlegt, die die der Batterie ersetzt, wenn der Flüssigkeitsstand absinkt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromleiter (4) ein zwischen der Elektrode (2) und dem Stromleiter (5) anzuordnendes metallenes Befestigungsteil ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine direkte Verbindung zwischen dem Metall der Elektrode (2) und dem Metall des Stromleiters (5), wodurch der Stromleiter (4) überflüssig wird.

4. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromleiter (5) eine Stange oder starres Rohr ist, entlang der oder dem eine Elektrode (2) verschiebbar und fixierbar ist.

5. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromleiter (5) auf dem größten Teil seiner Länge von einer Isolierung bedeckt ist, außer an seinem als Elektrode (3) dienenden unteren Ende und an den zur Fixierung der Elektrode (2) vorgesehenen Stellen.