CH420652A - Gerät zum kontinuierlichen Messen des Flüssigkeitsstands von paramagnetischen elektrisch leitfähigen Flüssigkeiten - Google Patents

Description

  
 



  Gerät zum   kontinuierlichen    Messen des   Flüssigkeitsstands    von paramagnetischen elektrisch leitfähigen   Flüssigkeiten   
Die Erfindung bezieht sich auf ein Gerät zum kontinuierlichen Messen des Flüssigkeitsstands von paramagnetischen, elektrisch leitfähigen Flüssigkeiten, insbesondere von flüssigen Alkalimetallen, mit Hilfe einer aus einer Wechselspannungsquelle gespeisten Primärspule und einer mit einem Voltmeter verbundenen Sekundärspule, von denen mindestens eine senkrecht in ein Gefäss mit der zu messenden Flüssigkeit hineinragt.



   Zur Messung des Flüssigkeitsstandes sind mehrere Verfahren bekannt, die auf verschiedenen physikalischen Prinzipien beruhen. Das übliche Prinzip mit einem Schwimmer eignet sich für die vorliegende Aufgabe nicht wegen der Gefahr von Ablagerungen von Metalloxyden auf dem Schwimmer, die die Messung verfälschen. Ausserdem muss man wegen der mechanischen Übertragung der   Schwimmerbewegung    aus dem Messgefäss auf einen luftdichten Verschluss des Gefässes verzichten, durch den Oxydationsprozesse verhindert werden könnten.



   Denselben Nachteil weist auch das Kontaktmessprinzip auf, bei dem eine bewegliche Elektrode von oben in die Flüssigkeit eingetaucht wird und im Eintauchmoment einen Stromkreis schliesst. Dieses Verfahren ist darüberhinaus nur zur diskontinuierlichen Messung geeignet.



   Weiterhin werden Gamma-Strahlenquellen verwendet, die aussen an dem Gefäss entlanggeführt werden und mit deren Hilfe die Absorbtionsraten des Gefässes gemessen werden. Abgesehen von der teueren Apparatur für die Strahlenmessung müssen hier auch   S, trahlenschutzvorschriften    beachtet werden, die einem universellen Einsatz dieses Verfahrens im Wege stehen.



   Neuerdings wurde die Verwendung von Ultraschall vorgeschlagen und erprobt. Doch auch hier ist zur Auswertung der Messgrössen eine sehr komplizierte Apparatur nötig. Schliesslich sind noch drei elektrische Verfahren zu nennen, die Veränderungen der elektrischen Eigenschaften des Gefässes bei Niveauschwankungen auswerten. Der Widerstand der Flüssigkeitssäule ändert sich bei leitenden Flüssigkeiten leider nur wenig und hängt zudem von vielen Randbedingungen (wie Feuchtigkeit, Betriebsspannung etc.) ab, so dass eine kontinuierliche   Wider-    standsmessung für die vorliegende Aufgabe nicht in Frage kommt. Auch die Kapazitätsmessung ist mit wesentlichen Nachteilen verbunden, denn es ist eine umfangreiche und schwer zu eichende Apparatur nötig.



   Die Erfindung geht von der Messung der Induktivität aus. An sich wurde dieses Prinzip schon früher zur Niveaumessung vorgeschlagen, doch eignet es sich nicht ohne weiteres für eine kontinuierliche Messung. Deshalb beschränkt sich das vorgeschlagene Gerät zweckmässig auch darauf, an kleinen Einzeltransformatoren in verschiedenen Tiefen des Gefässes die Anderung der Transformatoreigenschaften unter dem Einfluss der Flüssigkeit zu registrieren.



   Die Erfindung soll jedoch eine kontinuierliche Messung über einen Grossteil der Gefässhöhe ermöglichen. Weiter sollen keine mechanisch bewegten Teile in das Gefäss ragen, so dass man das Gefäss luftdicht abschliessen kann und so eine Verunreinigung der Messflüssigkeit vermeidet. Schliesslich sollen alle Teile, die mit der Messflüssigkeit in Berührung kommen, aus rostfreiem Stahl gefertigt sein, um Korrosionsprobleme auszuschalten.



   Das erfindungsgemässe Messgerät besitzt zwei Spulen von denen mindestens eine in die Flüssigkeit hineinragt. Beide Spulen sind mindestens so lang wie der Messbereich. Die Spulen sind konzentrisch ange  ordnet, derart, dass die Flüssigkeit zwischen die beiden Spulen gelangt. Die innere Spule ist auf einem stabförmigen Weicheisenkern gewickelt, während die äussere auf einen Spezialkern gewickelt ist, der aus einem Zylinderrohr mit einer Vielzahl von   Weieh-      eisen-Einzelkernen    in Form von   Ringsegmken, ten    besteht, die in axialem Abstand voneinander praktisch entlang von Umfangslinien des Zylinders angeordnet sind.



   Das Zylinderrohr besteht vorzugsweise aus dünnem paramagnetischen Stahlblech, auf dem die Einzelkerne z. B. durch Schweissen befestigt sind. Aus demselben Material besteht auch eine Umhüllung für die Spulen, die ein Eindringen der Flüssigkeit in die Wicklungen selbst und damit eine Verunreinigung der Flüssigkeit verhindert.



   Vorzugsweise dient die äussere der beiden Spulen als Primärspule und wird aus einem Wechselspannungsgenerator gespeist.



   Besonders günstige Ergebnisse erhält man, wenn die Länge der Einzelkerne annähernd halb so lang wie der Umfang des Zylinderrohrs gewählt ist und wenn auf einer Umfangslinie stets nur ein Kern angeordnet ist, wobei Kerne auf benachbarten Umfangslinien zueinander in Form einer Staffel angeordnet sind, derart, dass sich die Stossfugen zwischen den Kernen auf zwei Mantellinien des Zylinderrohrs befinden, die zueinander bezüglich der Zylinderachse symmetrisch liegen. Der Abstand zweier benachbarter mit Einzelkernen besetzter Umfangslinien ist dabei vorzugsweise kleiner gewählt als die Breite eines Kerns.



   Mit einer solchen Anordnung lassen sich über einen weiten Messbereich konstante Spannungsänderungen in der Grössenordnung von   0,2 V/cm    erreichen, was bedeutet, dass die Ausgangsspannung unmittelbar ohne Verstärkung zur Anzeige verwendbar ist.



   Im folgenden wird die Erfindung anhand zweier Ausführungsbeispiele erläutert, die in den Fig. 1 und 2 gezeigt sind. Fig. 3 gibt Eichkurven für die Anordnung gemäss Fig. 1 bei verschiedenen Temperaturen wieder.



   Fig. la zeigt im Schnitt ein zylinderförmiges Gefäss mit Seitenwänden 1 aus dünnem, rostfreiem Stahlblech. Eine leitfähige Flüssigkeit 2, z. B. ein   Alkalimetail,    befindet sich in dem Gefäss und soll bezüglich ihres Niveaus überwacht werden. Konzentrisch sitzt in dem Gefäss eine ebenfalls zylinderförmige Hülse 3 aus dünnem, rostfreiem Stahlblech, in deren Innerem sich die Sekundärspule 4 befindet.



  Diese Spule ist auf einen stabförmigen Weicheisenkern 5 gewickelt und erstreckt sich über den ganzen Bereich der Niveaumessung. Die Anschlüsse der Primärspule 4 sind mit einem Voltmeter 6 verbunden, an dem das Niveau ablesbar ist.



   Fig.   lb    zeigt in einem waagerechten Teil-Schnitt durch das Gefäss nochmals die Lage des stabförmigen Kernes 5, die ihn umschliessende Hülse 3 und die Gefässwandung 1. Diese Gefässwandung dient zugleich als Träger für die Einzelkerne der äusseren Spule. In dieser   Ausführungsform    bilden die Einzelkerne Ringsegmente mit rechteckigem Querschnitt; ihre Länge entspricht knapp der Hälfte des Gefässumfangs und sie sind so gekrümmt, dass sie sich der Aussenform des Gefässes anschmiegen und mit dieser durch Schweissen, Kleben o. ä. verbunden werden können. Die Kerne liegen entlang von Umfangslinien des zylinderförmigen Gefässes derart, dass die Stossfugen (7 in Fig.   lb)    zwischen den Kernen zwei Mantellinien beschreiben, die zueinander bezüglich der Gefässachse symmetrisch liegen.



   Auf der linken Seite der Fig. la sind acht solcher Einzelkerne 8 im Schnitt gezeigt. Sie liegen den acht Kernen 9 auf der rechten Seite nicht unmittelbar gegenüber, d. h. auf den selben Umfangslinien, sondern   sie e sind gegen diese derart versetzt, dass stets nur ein    Kern auf einer Umfangslinie liegt. Die dabei entstehenden Lücken am rechten unteren und am linken oberen Ende werden durch entsprechend schmalere Ringsegmente 10 aufgefüllt.



   Auf die so ausgebildete Kernformation wird die Primärspule 11 gewickelt, die beispielsweise mit 24 V aus einem 50-Hz-Generator gespeist wird.



   Die Funktion der beschriebenen Anordnung ist folgende:
Wenn das Gefäss leer ist, tritt die Luftkopplung zwischen den beiden Spulen trotz der abschirmenden Wirkung der Gefäss- und Hülsenwände verhältnismässig stark in Erscheinung. Es wird eine grosse Ausgangsspannung, z. B. 8 V, gemessen. Steigt das flüssige Metall, dann wird ein Teil der magnetischen Energie in Verlustströme umgesetzt und vernichtet.



  Die davon betroffenen Windungen der Primärspule tragen nicht mehr zur Kopplung bei; die Ausgangsspannung sinkt ab. Durch die Aufteilung wird ein kontinuierliches Ansteigen der Spannung mit dem Niveau erreicht. Die Linearität wird noch erhöht durch die gegenseitige Versetzung von Kernen benachbarter Umfangslinien. Sie liegt nun im Bereich der Messgenauigkeit und ist damit für alle Fälle hinreichend.



   Fig. 3 zeigt die Eichkurven für ein erprobtes Modell gemäss der Erfindung und gemäss Fig. 1. Es wurde die Abhängigkeit der Ausgangsspannung von der tatsächlichen Höhe bei zwei verschiedenen Temperaturen gemessen. Dabei zeigt sich, dass die Linearität im Rahmen der Messgenauigkeit liegt und dass der Temperaturgang in weiten Grenzen vernachlässigbar ist. Selbstverständlich kann auch diese Abhängigkeit noch durch Einfügen eines temperaturabhängigen Widerstandes 12 in den Kreis der Pri  mär- oder    Sekundärspule beseitigt werden.



   Auf diese Weise lässt sich der Anwendungsbereich des erfindungsgemässen Gerätes bis zum Curie Punkt des verwendeten Kernmaterials erstrecken, wo die Kerne ihre ferromagnetischen Eigenschaften verlieren. Es empfiehlt sich aber bei so hohen Temperaturen, anstatt der üblichen organischen Isolierung der Spulendrähte keramische Isolationsperlen  zu verwenden, die auf die blanken Drähte aufgefädelt werden und die notwendige Isolierung gewährleisten.



  Diese Art der Isolierung eignet sich besonders auch bei radioaktiven Messflüssigkeiten.



   Eine vorteilhafte Weiterbildung des Messgerätes gemäss der Erfindung ist in Fig. 2 gezeigt. Es unterscheidet sich von dem in Fig. 1 dargestellten Gerät nur darin, dass die äussere Spule nicht auf dem äusseren Mantel des Gefässes montiert ist, sondern ebenfalls in das Gefäss eingetaucht ist, so dass die zu messende Flüssigkeit auch ausserhalb dieser Spule aufsteigen kann. Die relative Ausgangsspannung erhöht sich dadurch noch wesentlich, da nun auch die Feldenergie ausserhalb dieser Spule in Verlustströme überführt wird. Da sonst keine Unterschiede zu der ausführlich erläuterten Fig. 1 bestehen, genügt es, durch gleiche Bezugszeichen die Parallelen zu obiger Beschreibung herzustellen.   

Claims (1)

1. Wie bereits mehrfach betont stellen die dargestellten Ausführungsformen nur erprobte Beispiele dar, die nicht den Anspruch der einzig möglichen Ausführungsformen erheben. Vielmehr lässt sich insbesondere die Form des Kerns für die äussere Spule verbessern durch Verwendung noch kleinerer Ringsegmente, beispielsweise derart, dass auf vier benach- barten Umfangslinien gestaffelt vier Viertelringe angeordnet sind.

   Auch die verwendete Primärspannung und -frequenz ist nur beispielhaft zu verstehen ebenso wie die Anwendung auf flüssige Alkalimetalle. Ebensolche Ergebnisse wurden z. B. auch erzielt mit flüssigem Kupfermetall.

   PATENTANSPRUCH Gerät zum kontinuierlichen Messen des Flüssigkeitsstandes von paramagnetischen, elektrisch leitfähigen Flüssigkeiten, insbesondere von flüssigen Alkalimetallen, mit Hilfe einer aus einer Wechselspannungsquelle gespeisten Primärspule und einer mit einem Voltmeter verbundenen Sekundärspule, von denen mindestens eine senkrecht in ein Gefäss mit der zu messenden Flüssigkeit hineinragt, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulen (4, 11) mindestens so lang wie der Messbereich sind und konzentrisch angeordnet sind, derart, dass die Flüssigkeit (2) zwischen die beiden Spulen gelangt, und dass die innere Spule (4) einen stabförmigen Weicheisenkern (5) aufweist, während die äussere Spule auf einen Spezialkern gewickelt ist, der aus einem Zylinderrohr (1) mit einer Vielzahl von Weicheisen-Einzelkernen (8, 9, 10) in Form von Ringsegmenten besteht,

   die in axialem Abstand voneinander praktisch entlang von Umfangslinien des Zylinders angeordnet sind.

   UNTERANSPRÜCHE 1. Messgerät nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Zylinderrohr (1) aus dünnem paramagnetischem Stahlblech besteht, auf dem die Einzelkerne (8, 9, 10) z. B. durch Schweissen befestigt sind.

   2. Messgerät nach Patentanspruch oder Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der ringsegmentförmigen Einzelkerne (8, 9, 10) annähernd 1/n des Zylinderumfanges beträgt (n = ganzzahlig > 1) und dass auf einer Umfangslinie stets nur ein Kern angeordnet ist, wobei Kerne auf benachbarten Umfangslinien zueinander in Form einer Staffel angeordnet sind, derart, dass die Stossfugen zwischen den Kernen auf n Mantellinien des Zylinders liegen, die gleichmässig über den Umfang verteilt sind.

   3. Messgerät nach Unteranspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass benachbarte Kerne auf Umfangslinien angeordnet sind, die einen geringeren Abstand voneinander aufweisen, als die Kerne breit sind.

   4. Messgerät nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärspule die aussenliegende Spule (11) ist.

   5. Messgerät nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass beide Spulen, gegen Eindringen der Flüssigkeit gesichert, in das Gefäss derart hineinragen, dass auch rund um die äussere Spule die Flüssigkeit aufsteigt (Fig. 2).

   6. Messgerät nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass ein temperaturabhängiger Widerstand (12) im Kreis der Primär- (11) oder der Sekundärspule (4) eingeführt ist, der so gewählt und so angeordnet ist, dass durch ihn der Temperaturgang der übrigen Anordnung kompensiert wird.