DE1243891B - Geraet zum kontinuierlichen Messen des Fluessigkeitsstandes elektrisch leitfaehiger Fluessigkeiten - Google Patents

Description

• Gerät zum kontinuierlichen Messen des Flüssigkeitsstandes elektrisch leitfähiger Flüssigkeiten Die Erfindung beziehf:slch auf-ein Gerät zum kontinnierlichen Messen des Flüssigkeitsstandes von. paramagnetischen, elektrisch leitfähigen Flüssigkeiten, insbesondere von flüssigen - Alkalimetallen, mit Hilfe einer aus einer -Wecllselspannungsquelle .gespeisten Primärspule und einer mit einem Voltmeter verbundenen- Sekundärspule, die mindestens so lang wie der Meßbereich und konzentrisch angeordnet sind, so daß die Flüssigkeit zwischen die beiden Spulen gelangt, 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 mechänischen Übertragung der - S.chwimmerbewegung--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-Strählenquellen 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 Strahlungsmessung müssen hier auch Strahlenschutzvorschriften beachtet werden, die einem universellen Einsatz diesesVerfahrens im Wege stehen.
• Neuerdings wurde die Verwendung von Ultraschall vorgeschlagen und erprobt Doch auch hierist 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 usw.) ab, so daß eine kontinuierliche Widerstandsmessung 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 beschränkte sich das vorgeschlagene Gerät- auch darauf, an kleinen Einzeltransformatoren in verschiedenen Tiefen des Gefäßes die Ändemug der Transförmatoreigenschaften 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 auszuhalten.
• Zur Lösung der vorgenannten Aufgaben wird für ein Meßgerät der eingangs genannten Gattung vorgeschlagen, daß die innere Spuie einen stabförmigen Weicheisenkern aufweist, während die äußere Spule auf einen Spezialkern gewickelt ist, der aus einem Zylinderrohr mit einer Vielzahl von Weicheisen-Einzelkernen in Form von Ringsegmenten besteht, die mit einem gewissen Abstand voneinander im wesentlichen entlang von Umfangslinien des Zylinders angeordnet sind.
• Das Zylinderrohr besteht vorzugsweise aus dünnem, paramagnetischem Stahlblech, auf dem die Eine zelkerne durch Schweißen od. ä. 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 Ausgangs spannung unmittelbar ohne Verstärkung zur Anzeige verwendbar ist.
• Die Erfindung ist an Hand zweier Ausführungsbeispiele erläutert, die in den Fig. 1 und 2 gezeigt sind; F i g. 3 gibt Eichkurven für die Anordnung gemäß Fig. 1 bei verschiedenen Temperaturen wieder.
• Fig. 1, a zeigt im Schnitt ein zylinderförmiges Gefäß mit Seitenwänden 1 aus dünnem, rostfreiem Stahlblech. Eine leitfähige Flüssigkeit 2, insbesondere ein Alkalimetall, 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 Innern 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 Sekundärspule 4 sind mit einem Voltmeter 6 verbunden, an dem das Niveau ablesbar ist.
• Fig. 1, b zeigt in einem waagerechten Schnitt durch das Gefäß nochmals die Lage des stabförmigen Kerns 5, die ihn umschließende Hülse 3 und die Gefäßwandung 1. Diese Gefäßwandung dient zugleich als Träger für die Einzelkerne 8 der äußeren Spule. In der bevorzugten 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 od. ä. verbunden werden können. Die Kerne liegen entlang von Umfangslinien des zylinderförmigen Gefäßes derart, daß die Stoßfugen 7 (F i g. 1, b) zwischen den Kernen zwei Mantellinien beschreiben, die zueinander bezüglich der Gefäß achse symmetrisch liegen.
• Auf der linken Seite in F i g. 1, a sind acht solcher Einzelkerne 8 im Schnitt gezeigt. Sie liegen den acht Kernen 9 auf der rechten Seite nicht unmittelbar gegenüber, d. h. auf denselben Umfangslinien, son- dern sie 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 Kemformation 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 auf viele Einzelkerne anstatt einer einzigen Kernhülse wird ein kontinuierliches Abfallen 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 nach dem Beispiel der F i g. 1 der Erfindung.
• 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 Primär- oder Sekundärspule beseitigt werden.
• Auf diese Weise läßt sich der Anwendungsbereich des erfindungsgemäßen Geräts bis zum Curie-Punkt des verwendeten Kernmaterials erstrecken, bei dem 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 Abwandlung des Meßgeräts gemäß der Erfindung ist in F i g. 2 gezeigt. Es unterscheidet sich von dem erläuterten Gerät nur darin, daß die äußere Spule nicht auf den 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 F i g. 1 bestehen, genügt es, durch gleiche Bezugszeichen die Parallelen zu obiger Beschreibung herzustellen.
• 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 benachbarten 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.

Claims (7)

1. Patentansprüche: 1. 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, die mindestens so lang wie der .Meßbereich und konzentrisch angeordnet sind, so daß die Flüssigkeit zwischen die beiden Spulen gelangt, von denen mindestens eine senkrecht in ein Gefäß mit der zu messenden Flüssigkeit hineinragt, dadurch gekennzeichn e t, daß die innere Spule (4) einen stabförmigen Weicheisenkem (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 mit einem gewissen Abstand voneinander im wesentlichen entlang von Umfangslinien des Zylinders angeordnet sind.
2. 2. Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Zylinderrohr (1) aus dünnem, paramagnetischem Stahlblech besteht, auf dem die Einzelkerne (8, 9, 10) durch Schweißen od. ä. befestigt sind.
3. 3. Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der stabförmigen Einzelkerne (8j 9, 10) annähernd tIn des Zylinderumfangs beträgt (n = 2, 3, 4...) 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.
4. 4. Meßgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß benachbarte Kerne auf Umfangslinien angeordnet sind, die einen geringeren Abstand voneinander aufweisen, als die Kerne breit sind.
5. 5. Meßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärspule die außenliegende Spule (11) ist.
6. 6. Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beide Spulen, gegen Eindringen der Flüssigkeit gesichert, in das Gefäß derart hineinragen, daß rauch rund um die äußere Spule die Flüssigkeit aufsteigt (F i g. 2).
7. 7. Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein temperaturabhängiger Widerstand (12) im Kreis der Primär- (11) oder der Sekundärspule (4) eingefügt ist.