DE1178224B

DE1178224B - Anordnung zur Messung des Spiegelstandes einer Fluessigkeit

Info

Publication number: DE1178224B
Application number: DEL15321A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Paul Hochhaeusler
Original assignee: PAUL HOCHHAEUSLER DR ING
Current assignee: PAUL HOCHHAEUSLER DR ING
Priority date: 1953-04-23
Filing date: 1953-04-23
Publication date: 1964-09-17

Description

Anordnung zur Messung des Spiegelstandes einer Flüssigkeit Zur Messung des Spiegelstandes einer Flüssigkeit ist es bekannt, einen Schwimmer zu verwenden, der auf mechanischem Wege ein Meßgerät beeinflußt.
Die ebenfalls bekannte Spiegelstandsmessung mit Hilfe eines Schauglases ohne mechanisch bewegte Hilfsmittel ist aus verschiedenen Gründen nicht überall durchführbar oder ratsam.
Es ist bereits bekannt, zur Messung des Spiegelstandes einer Flüssigkeit eine Wechselstrombrückenschaltung zu verwenden. d. h. eine Schaltung, bei welcher die Abweichung des Stromes im Äquipotentialzweig der Brücke vom Werte Null ein Maß für den zu messenden Spiegelstand gibt. Hierbei handelt es sich um eine reine Kapazitätsmessung.
Es ist auch bekannt, den Spiegelstand von Brennstoff in einem Flugzeugtank od. dgl. mit Hilfe einer Wechselstrombrücke zu messen.
Es ist weiterhin bekannt, den Spiegelstand einer Flüssigkeit dadurch zu messen, daß ein Kondensator, derje nach der Höhe des Flüssigkeitsspiegels mehr oder weniger in die Flüssigkeit eintaucht, aus einer Gleichstromquelle aufgeladen wird, und daß der Entladestrom dieses Kondensators über ein Messinstrument geleitet wird.
Es ist außerdem bekannt, den Spiegelstand einer Flüssigkeit mittels eines Dynamometers, d. h. also mittels eines Produktmessers zu bestimmen. Der einen Spule dieses Produktmessers wird die Spannung einer Wechselstromquelle über einen Gleichrichter zugeleitet und der anderen Spule eine Spannung, welche von dem einen Meßkondensator, der in die Flüssigkeit eintaucht, durchsetzenden Strom abhängt. Diese letztere Spannung wird ebenfalls gleichgerichtet.
Es ist außerdem bekannt, zur Messung eines Spiegelstandes einer Flüssigkeit eine Wechselstrombrücke in der Weise zu verwenden, daß zwei Eckpunkte dieser Brücke mit einer Wechselspannung gespeist werden, und daß in den einen Zweig der Brücke ein Meßkondensator, welcher in die Flüssigkeit eintaucht, eingeschaltet wird. Die Ausgangsspannung der Brückenschaltung wird gleichgerichtet und die Gleichspannung über eine lange Fernleitung zu einem Meßinstrument übertragen.
Schließlich ist es bekannt, mit Hilfe eines Meßkondensators, der in eine Flüssigkeit eintaucht, das Gewicht dieser Flüssigkeitsmenge in dem betreffenden Behälter zu messen, wobei die Anzeige unabhängig von den dielektrischen Eigenschaften und von dem spezifischen Gewicht der Flüssigkeit sein soll. Für diese Messung wird ein Quoflentenmesser verwendet, und die beiden Wechselspannungen werden vor der Zu- leitung zu den beiden Spulen des Quotientenmessers gleichgerichtet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Spiegelstand einer Flüssigkeit, deren Dielektrizitätskonstante von 1 verschieden ist, oder einer Flüssigkeit, deren magnetische Subzeptibilität von 0 verschieden ist, zu messen und dabei eine Unabhängigkeit der Anzeige von der Spannung der die Meßeinrichtung speisenden Hilfsspannungsquelle und/oder von der Frequenz dieser Hilfsspannungsquelle und/oder von dem Verlustwinkel der Flüssigkeit zu erreichen.
Soweit sich die Erfindung auf Flüssigkeiten mit einer von 1 verschiedenen Dielektrizitätskonstante bezieht, wird ein in die Flüssigkeit eintauchender Kondensator verwendet und der diesen Kondensator durchsetzende Wechselstrom gleichgerichtet. Ferner wird dabei die Spannung der Hilfsspannungsquelle vor der Zuführung zu dem verwendeten Meßinstrument ebenfalls gleichgerichtet.
Unter diesen Voraussetzungen ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß - der elektrische Blindwiderstand des Kondensators mittels eines Quotientenmessers gemessen wird, dessen Meßkreis in an sich bekannter Weise der über den Kondensator fließende Strom und dessen Richtkreis der von der den Kondensator speisenden Spannungsquelle gelieferte Strom je über Gleichrichter zugeführt werden.
Ferner bezieht sich die Erfindung auf eine Anordnung zur Messung des Spiegelstandes einer Flüssigkeit, deren magnetische Suszeptibilität von 0 verschieden ist und ist dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Blindwiderstand einer in die Flüssigkeit eintauchenden Spule mittels eines Quotientenmessers gemessen wird, dessen Meßkreis der über die Spule fließende Strom und dessen Richtkreis der von der die Spule speisenden Spannungsquelle gelieferte Strom je über Gleichrichter zugeführt werden.
Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden an Hand der Zeichnung besprochen zusammen mit Ergänzungen und weiteren Ausgestaltungen der Erfindung bezüglich der frequenzunabhängigen bzw. verlustwiderstandsfreien Messung des Spiegelstandes.
F i g. 1 und 2 zeigen innerhalb des Gefäßes 10 einen Plattenkondensator 11 bzw. eine lange Spule 12.
Die Kapazität des Kondensators 11 in F i g. 1 ist von der Höhe S des Flüssigkeitsspiegels abhängig, wenn die Dielektrizitätskonstante der Flüssigkeit von 1 verschieden ist, und die Kapazitätsmessung liefert daher einen Anhaltspunkt für die Spiegelhöhe.
In Fig.2 ist die Induktivität der Spule ebenfalls von der Spiegelhöhe S abhängig, wenn die magnetische Suszeptibilität der Flüssigkeit von 0 verschieden ist, und man kann daher aus der Induktivität der Spule ebenfalls auf die Spiegelstandshöhe schließen.
Die Verwendung eines Quotientenmessers, dessen Richtkreis der über den Kondensator 11 bzw. der über die Spule 12 fließende Strom jeweils über Gleichrichter zugeführt wird, macht das Messergebnis in den Fällen nach F i g. 1 und 2 auch von den Spannungsschwankungen der Höhe der zur Messung verwendeten Hilfsspannung unabhängig.
Gemäß der weiteren Erfindung kann man die elektrische Meßschaltung auch so ausbilden. daß die Spiegelstandsmessung unabhängig von Frequenz schwankungen des Netzes wird, welches als Stromversorgungsquelle für die Meßeinrichtung benutzt werden kann.
Eine zu diesem Zweck bei der Kondensatoranordnung nach F i g. I verwendbare Schaltung ist in F i g. 3 dargestellt. In dieser ist mit 15 ein Quotientenmeßgerät mit der Richtspule Rs und der Meßspule, bezeichnet. Eine aus dem Netz abgeleitete Spannung für den Richtkreis ist mit UR und eine ebenfalls aus dem Netz abgeleitete Spannung für den Meßkreis mit U31 bezeichnet. Im Kreise der Spannung UR liegt ein fester Kondensator C, ein Gleichrichter GR, die Richtspule Rg und ein Ohmscher Widerstand RR.
Im Kreise der Spannung C½1 liegt der mehr oder weniger weit in die Flüssigkeit eintauchende Meßkondensator Cx, der dem Kondensator 11 in F i g. 1 entspricht, ein Gleichrichter GM und ein Ohmscher Widerstand RM In F i g. 3 haben der Richtstrom R und der Meßstrom iM des Quotientenmessers, wenn man die Gleichrichter GR und CM als widerstandslos voraussetzt, die Größen und somit wird der Ausiclllag X des Quotientenmessers Ändert sich nun die Frequenz des Netzes und damit die Kreisfrequenz r, beispielsweise von ) auf n (,). so muß, wenn kein Frequenzfehler auftreten soll, die folgende Gleichung erfüllt sein: Diese Gleichung ist für jeden Wert von n erfüllt. wenn RM RR (6) 1 1 (sc,9 c oder R.lr C (7) RR C1 wie man durch Einsetzen von Gleichung 7 in Gleichung 5 nachweisen kann. Wenn sich also die zu messende Kapazität Cx im Meßkreis zur festen Kapazität Cim Richtkreis wie der Ohmsche Widerstand RR des Richtkreises zum Ohmschen Widerstand RM des Meßkreises verhält, so ist der Ausschlag des Quotientenmessers unabhängig von der Meßfrequenz.
Nach Gleichung 7 ist diese Unabhängigkeit aber nur für einen bestimmten Wert von Cm zu erfüllen. Man sieht jedoch, nach einer Umformung von Gleichung 7 in die folgende Gleichung RMCx = RR C; (8) daß man nur dafür zu sorgen braucht, daß mit veränderlichem Cx sich auch RM so ändert, daß das Produkt beider Größen auf der linken Seite von Gleichung 8 konstant bleibt, um für den ganzen Bereich von Cm die Gleichung 8 zu erfüllen und damit die Frequenzunabhängigkeit der Anzeige sicherzustellen. Dies läßt sich offenbar durch Wahl einer geeigneten Stromabhängigkeit des Widerstandes RM erreichen, undloder unter Benutzung einer Stromabhängigkeit des Durchlaßwiderstandes des Gleichrichters GM.
Somit kann man also im ganzen zu beherrschenden Meßbereich die Anzeige des Spiegelstandes unabhängig von der Frequenz der Stromversorgungsquelle machen. Allerdings ist es zu diesem Zueck notwendig, die Spannung UR und UM mittels an sich bekannter Spannungsregler konstant Zu kalten, da die Frequenzfehlerkompensation auf einer bewußt eingeführten Stromanhängigkeit des Widerstandes RM beruht und bei gleichbleibender Spiegelhöhe, also bei gleichbleibendem Cx der Widerstand RM sich nicht etwa infolge einer durch Änderung von UM hervorgerufenen Stromänderung verändern darf.
Die an Hand der F i g. 3 angestellte Berechnung läßt sich auch für den Fall durchführen, daß an Stelle von C und Cx in F i g. 3 ein L und ein Lx tritt, d. h. für die Anordnung nach F i g. 2. Man erhält also dann die Schaltung nach F i g. 4.
An Stelle von Gleichung 6 und 7 ergibt sich dann als Bedingung für die Frequenzunabhängigkeit des Q uotientenmesserausschlags RM ~~ RR (9) C,) LZ oder RM LX ( 10) RR L die wieder zunächst nur für ein bestimmtes LX gilt.
Auch hier kann man wieder durch Einführung einer Stromabhängigkeit von RM und/oder unter Benutzung der Strom abhängigkeit des Gleichrichterwiderstandes die Frequenzunabhängigkeit im ganzen Meßbereich sicherstellen, unter der Voraussetzung, daß UR und UM konstant sind.
Die Betrachtung der Ausdrücke 6 und 9 ergibt also, daß man zur Sicherstellung der Frequenzabhängigkeit bei der Anordnung nach F i g. 1 und 2 in der Schaltung nach F i g. 3 und 4 das Verhältnis des Ohmschen Widerstandes zum Blindwiderstand des Meßkreises gleich dem entsprechenden Verhältnis im Richtkreis zu machen hat. Geschieht dies nur für einen einzigen Punkt des Meßbereichs, so ist in diesem Punkt und in dessen Nähe die Spiegelstandsmessung frequenzunabhängig. Erfüllt man die Bedingungen in Gleichung 6 und 9 durch Einführung von stromabhängigen Widerständen im Meßkreis für den ganzen Meßbereich, so ist die Frequenzunabhängigkeit im ganzen Meßbereich gewährleistet, allerdings nur unter der Voraussetzung, daß die Stromversorgungsquelle konstante Spannung besitzt.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung bezieht sich auf die Beseitigung des Meßfehlers, der vom Verlustwiderstand der Flüssigkeit im Kondensator 10 in F i g. 1 herrührt. Zur Erläuterung dieses Fehlers ist in F i g. 5 der Meßkreis aus F i g. 3 getrennt herausgezeichnet, und zwar unter Parallelschaltung eines Nebenschlußwiderstandes R1 zu Cx und unter Einschaltung einer Induktivität LM.
Der endliche Widerstand R1 vergrößert den über die Meßspule fließenden Strom und fälscht dadurch die Messung von C. Man kann aber zeigen, daß der Fehler für einen Wert von Cx vollständig beseitigt werden kann. Erfahrungsgemäß wird er dann im übrigen Meßbereich so klein, daß er zu vernachlässigen ist.
Soll der durch den Verlustwiderstand R1 in F i g. 5 hervorgerufene Fehler vermieden werden, so darf der Strom durch die Meßspule Me nicht ansteigen, wenn parallel zu Cx der Nebenschlußwiderstand R1 gelegt wird. Dies kann man, wie im folgenden gezeigt werden soll, erreichen, wenn man die Induktivität LM so bemißt, daß man in der Nähe der Resonanz arbeitet. Bei vollständiger Resonanz zwischen LM und Cx tritt, wie nachstehend gezeigt wird, eine Stromerniedrigung ein, die ebenfalls bedeutet, daß der Verlustwiderstand R1 zu einem Meßfehler führt. Der Scheinwiderstand des Kreises in Fig. 5 ist: oder umgerechnet in reellen Werten: Wird der (Verlust-)Widerstand R1 = cc, so erhält Gleichung 11 die Form Durch Gleichsetzen der Ausdrücke 11 und 12 können die Größen von LM und RM, bei denen die Einschaltung von R1 in den Kreis nach F i g. 5 keine Stromänderung hervorruft, grundsätzlich bestimmt werden. Da die Rechnung wegen der großen Anzahl der Glieder und ihrer Potenzen aber schwierig und unübersichtlich wird, werden in der Praxis die Widerstände RM und C9LM experimentell bestimmt.
Man sieht aus folgender Betrachtung, daß für einen endlichen Wert von LM bei einem vorgegebenen Wert von RM die Einschaltung von R1 bei konstant bleibendem Strom in Me möglich ist. Ist nämlich LM = 0, so steigt in F i g. 5 der Strom mit Einschaltung von R1 an. Wird dagegen LM auf Resonanz mit Cx abgestimmt, d.h. ist w LM = Cx SO fließt der Resonanzstrom -- . Der Strom nimmt also einen Maximalwert RM an, der bei Einschaltung von R1 sinkt, da hierbei die Resonanz gestört wird. Der Wert LM, bei dem die Einschaltung von R1 keine Stromänderung verursacht, liegt zwischen LM = 0 und LM 1 und wird WCx experimentell bestimmt.
Die Kompensation des Frequenzfehlers und die Kompensation des Verlustfehlerstromes ist gleichzeitig möglich, obwohl der Ohmsche Widerstand RM des Meßkreises für beide Kompensationen der gleiche ist. Bei der Verlustfehlerkompensation (F i g. 5) müssen bestimmte Werte für den Ohmschen und den induktiven Widerstand im Meßkreis eingehalten werden. während bei der Frequenzfehlerkompensation (F i g. 3 und 4) dasselbe Verhältnis des Blindwiderstandes zum Ohmschen Widerstand vorhanden sein muß. Bei der Eichung wird also zunächst die Bedingung für verlustfehlerfreies Messen durch entsprechende Bemessung des Blind- und Wirkwiderstandes im Meßkreis erfüllt. Sodann wird im Richtkreis das gleiche Verhältnis von Blind- zu Wirkwiderstand wie im Meßkreis hergestellt, wodurch die Bedingungen für beide Kompensationen erfüllt sind.

Claims

Patentansprüche: 1. Anordnung zur Messung des Spiegelstandes einer Flüssigkeit, deren Dielektrizitätskonstante von 1 verschieden ist. mit einem in die Flüssigkeit eintauchenden Kondensator und unter Gleichrichtung des diesen Kondensator durchsetzenden Wechselstromes sowie unter Gleichrichtung der Spannung der diesen Strom liefernden Hilfsspannungsquelle vor der Zuführung dieser Spannung zu einem Meßinstrument. d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß der elektrische Blindwiderstand des Kondensators (11. C) mittels eines Quotientenmessers gemessen wird, dessen Meßkreisspule (Me) in an sich bekannter Weise der über den Kondensator fließende Strom und dessen Richtkreisspule (Ri) der von der den Kondensator speisenden Spannungsquelle (UR) gelieferte Strom je über Gleichrichter (Glz. GR) zugeführt werden (F i g. 3).
2. Anordnung zur Messung des Spiegel standes einer Flüssigkeit, deren magnetische Suszeptibilität von 0 verschieden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Blindwiderstand einer in die Flüssigkeit eintauchenden Spule(l2,L) mittels eines Quotientenmessers gemessen wird. dessen Meßkreisspule (M.) der über die in die Flüssigkeit eintauchende Spule speisenden Spannungsquelle (C;a,) gelieferte Strom je über Gleichrichter (Gu, GR) zugeführt werden (F i . 4).
3. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet. daß das Verhältnis des Ohmschen Widerstardes(J?j)zum Blindwiderstand (###:#Lx) der Spule (M.) des Meßkreises für einen Punkt des Meßbereichs gleich dem entsprechenden Verhältnis (RR: ##) der Spule (R1)des Richtkreises ist.
4. Anordnung nach Anspruch I und 2, dadurch gekennzeichnet. daß das Verhältnis von Ohmschem Widerstand(RM)zum Blindwiderstand(###;#Lx) der Spule (mir) des Meßkreises durch Verwendung von stromabhängigen Widerständen (rom) im Meßkreis und/oder durch die Stromspannungskennlinie der in den Meßkreis und in den Richtkreis eingeschalteten Gleichrichter (CD, G.u) innerhalb des ganzen Meßbereichs gleich dem Verhältnis des Ohmschen Widerstandes (RR) zum Blindwiderstand <> der Spule (Ri) des Richtkreises ist (F i g. 3 und 4).
5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet. daß in den Meßkreis eine zusätzliche Induktivität (LM) eingeschaltet ist. der Meßkreis in der Nähe der Serienresonanz arbeitet und die zusätzliche Induktivität unter Berücksichtigung des Ohmschen Widerstandes (RM) des Meßkreises 1 zwischen #LM = 0 und #LM - #Cx liegt(Fig.5).

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 583 105. 703 920, 842554, 845713, 898565. 922929: österreichische Patentschrift Nr. 169 742: französische Patentschrift Nr. 1 023 725.