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Elektrische Füllstandsmeßvorrichtung Die Erfindung bezieht sich auf
eine elektrische Füllstandsme#vorrichtung, durch die es moglich ist, mettels induktiver
Abtastung der'Füllstand von schwach leitenden Flüssigkeiten gemessen werden kann.
Die Füllstandshohe von in einem Meßrohr oder in einem Behälter stehenden gut leitenden,
beispielsweise metallischen Flüssigkeiten kann bekanntlich in einfacher Weise dadurch
gemessen werden, daß ein'magnetisches Feld durch die zu messende Flüssigkeit abgeschirmt,
oder daß der Ohmsche Widerstand der Flüssigkeitssäule gemessen wird.
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Es bietet jedoch Schwierigkeiten, solche Flüssigkeiten mittels induktiver
Abtastung zu messen, die eine sehr geringe elektrische Leitfähigkeit aufweisen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Meßvorrichtung für die Füllstandsmessung
zu schaffen, die auch für schwach leitende FlUssigkeiten geeignet ist und brauchbare
Me#ergebnisse ergibt. Insbesondere soll die Vorrichtung auch unter erschwerten Betriebsbedingungen
verwendbar sein, beispielsweise wenn das zu messende Medium unter hohem Druck steht
oder eine hohe Betriebstemperatur aufweist. Besondere Anforderungen an die me#vorrichtung
liegen dann vor, wenn die Flüssigkeitsstandshöhe in einem Behälter oder einem Gefäßsystem
gemessen werden soll, welches nicht stationär gelagerte sondern auf einem Fahrzeug,
insbesondere auf einem Schiff angebracht ist. Unter diesen Betriebsbedingungen können
Meßvorrichtungen zu Störungen neigen, bei denen Schwimmer in Verbindung mit mechanischen
Ubertragungselementen fUr die Me#anzeige verwendet werden.
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Die erfindungsgemäße Lösung entspricht den oben erlauterten besonderen
Anforderungen und sie besteht darin, daß sich in einem vertikal angeordneten, von
der Flüssigkeit erfUllten Rohrabschnitt tus nicht ferromagnet'ischem Werkstoff,
eine als Schwimmerkörper ausgebildete Hohlkugel aus ferromagnetischem Werkstoff
befindet, und daB der Rohrabschnitt von einer ringförmigen, aus zwei oder mehr achsial
hintereinanderliegenden, wechsel-oder drehstromgespeisten Wicklungen bestehenden
Erregerspule und von einer die dem FUllstand entsprechende Phasenlage der Kugel
anzeigenden MeBspule konzentrisch umgeben ist.
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Die Verwendung einer Kugel als Schwimmer hat den Vorteil, daß auch
bei Schräglage des Meßrohres keine Störung der Schwimmerbewegung durch Reibung an
der Rohrwandung oder durch Verkanten auftreten kann, weil sich die Kugel an den
Rohrwandungen abrollt. Die Kugel wirkt zugleich als induktiver Geber für die jeweilige
Flüssigkeitsstandhdhe, und bewirkt die Induktion einer Spannung in der Meßspule,
welche ein Maß fUr die momentane Lage der Kugel darstellt, und die mittels bekannter
elektrischer Schaltungen-ausgewertet werden kann. Die Kugel verbessert die magnetische
Leitfahigkeit der Spulenanordnung jeweils an der Stelle, wo sie sich befindete so,
daß durch ortliche Vergrößerung des magnetischen Flusses die induzierte Meßspannung
ebenfalls vergrö#ert wird.
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Die Erfindung bietet die Möglichkeit, eine derartige Me#-vorrichtung
mit Wechsel-oderDrehspannungzubetreiben....
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Wenn lediglich die Aufgabe gestellt ist, Abweichungen von einem Sollwert
der Füllstandshöhe zu melden und beispielsweise einen Regelimpulsauszulosen,danngenügt.esnach
einer einfachen Ausbildungsform der Erfindung, die in zwet symmetrisohe, gegenseitig
in Reihe geschaltete, Wicklungen unterteilte Erregerspule mit Wechselstrom zu speisen,
wobei
die Phasenlage der in der Meßspule induzierten Spannung der
Richtung der Auslenkung'der Kugel entspricht.
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In weiterer Ausbildung dieser Schaltungsweise ist es auch mUglich,
das Maß der Auslenkung der Kugel vom Sollwert festzustellen, und zwar durch Messung
der GröBe der in der MeB-spule induzierten Spannung.
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Eine Vereinfachung der erfindungsgemäßen Anordnung ist dann möglich,
wenn sich der Meßbereich nicht in Richtung auf ein tuber-odeur Unterschreiten eines
Sollwertes zu erstrecken braucht, sondern lediglich innerhalb eines gewissen begrenzten
Bewegungsbereiches der Kugel aufgrund von FUllstandsänderungen eine fortschreitende,
nur positiv gerichtete Anderung der MeBwerte erforderlich ist.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß bei
Wechselstromspannung der Erregerspule der Bewegungsbereich der Kugel auf den einen
Wicklungsteil der Erregerspule mechanisch begrenzt ist, und die Wechselspannung
an der Meßspule als Maß fUr den Auslenkuhgsweg der Kugel dient. Es wird also bei
dieser Ausbildungsweise nur die Amplitude der Spannung und nicht die Phasenlage
gemessen.
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Bei den oben behandelten Meßanordnungen ist zu beachten, da# die an
der Meßspule abgenommene Spannung nicht proportional dem Auslenkungsweg der Kugel
ist und damit auch keine ProportionalitAt zur Xnderung der FUllstandshohe besteht
; vielmehr zeigt der Spannungsverlauf über dem Weg eine Kurve, deren Funktion von
der geometrischen Auslegung der MeBanordnung abhängig ist. Es ist daher erforderlich,
das AnzeigegerSt fUr die Füllstandsänderung : entsprechend dem Verlauf der spannungskurve
zu eichen. Weiterhin ist bei dieser Me#anordnung zu
beachten, daß
die Me#ergebnisse bei Ausnutzung der Amplitude der Meßspannung von der Betriebstemperatur
der zu messenden Flüssigkeit beeinflußt werden, weil sich die elektrischen Widerstandswerte
der sich im Meßraum befindenden Elementitemperaturabhängig ändert.
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Die oben beschriebenen Meßanordnungen eignen sich in der dargestellten
Ausbildungsweise nur für kleinere Me#bereiche, etwa in der Größenanordnung des Kugeldurchmessers,
weil bei grbberer Auslenkung der Kugel diese in den homogenen Bereich des Feldes
der Spulenanordnung gelant. Um die Wicklungen nicht so stark verlängern zu musse,
daß homogene Felder entstehen, kann zur Erweiterung des Meßbereiches auf größere
Niveauunterschiede des Flüssigkeitsspiegels die Ausbildungsweise so getroffen werden,
daß die Spulenanordnung axial zum Rohrabschnitt verschiebbar und der zur Ermittlung
der Füllstandshöhe durch Verschieben der Spulenanordnung die Spannung auf Null abgleichbar
ist. Damit ist es möglich, durch Nachführen der Spulenanordnung die jeweilige Standhöhe
zu ermitteln, die dann erreicht ist, wenn die gegebene Spannung auf Null absinkt.
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Nach einem weiteren Erfindungsmerkmal kann das Nachführen der Spulenanordnung
mittels eines Servomotors geschehen, der in Abhängigkeit von einer den Verstellantrieb
stets auf die Ausgangsspannung Null einregelnde Koinzidenzschaltung steuerbar ist.
Auf diese Weise wird eine kontinuierliche FUllstandmessung an einem größeren MeBbereich
ermöglicht, ohne daß das me#ergebnis von der Beeinflussung des magneti-. schen Flusses
aufgrund von Temperaturschwankungen oder dergl. abhangig ist, da die Niveauanzeige
mechanisch erfolgt.
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Eine weitere Ausbildung der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung besteht
darin, daß bei Drehstromspeisung der Erregerspule diese mit einer durch drei teilbaren
Zahl von Hauptwicklungen
versehen ist, wobei an jeder Spulenseite
noch je eine zusätzltche Abschlußwicklung angeordnet ist9 und daß die Wicklungen
von einer in einem Vorschalttransformator erzeugten Drehspannung von einer der Anzahl
der Hauptwicklungen entsprechenden Phasenzahl beaufschlagt sind, wobei der Phasenwinkel
4 der in der Me3spule induzierten Spannung der Füllstandshohe proportional ist.
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FUr den Hall., daß sich die Kugel nicht in dem MeBraum befindet, heben
isch die in der Sekundärwicklung induzierten Spannungen auf, da die vektorielle
Summe der induzierten Spannungen Null ist; befindet sich die Kugel nun an : i. er
be. eb3gsn. °e. . . a. : es : . . . . . e. einer grö#ere Spannung übertragen. Da
dieser nicht voll eine größere Spannung übertrageneDadiesernichtvoll p, n. . c 'la.
, . a a3v .- °, a. v : Ber . c. . : ° . g. b° : . , °se.' . ^ : °. : La hoher Phasenzahl
ist die Phasenlage der Ausgangsspannung praktisch proportional dem Füllstand.
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Durch diese Ausbildungsweise wird eine Me#vorrichtung geschaffen,
die einen gro#en Me#bereich ermöglicht und die den Vorteil aufweistj daß sie außer
der Kugel nur mittels ruhenden Elementen aufgebaut und in ihrer Funktionsweise nicht
durch Temperaturschwankungen der zu messenden Fliissigkeit beeinflußbar ist.
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Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Meßeinrichtung sind in
der Zelchnung chematisch dargestellt und im folgenden beschrieben.
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Es zeigen Fig. la die Me#einrichtung innerhalb eines Behälters; Fig.
lb go sens Fig. 2 einen Längsschnitt durch das Me#rchr;
Figo 3 einen
Querschnitt durch das Meßrohr ; Fig. 4 den schematischen Aufbau der Spulenanordnung
; Fig. 5 ein Ausfuhrungsbeispiel fUr die MeSschaltung ; Fig. 6 den Verlauf der gemessenen
Spannungskurve über den Weg bei Schaltung nach Flg.5j Fig. 7 den schematischen Aufbau
der Spulenanordnung bei Drehspannungsspeisung; Fig. 8a und 8b eine schematische
Darstellung der Phasenverschiebung bei einem Tüllstand von 25 % und 75 % ; Fig.
9 den schematischen Aufbau der Transformatoranordnung zur Drehstromspannung der
Vorrichtung nach Fig. 7.
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In den Tiguren la, 1b ist ein Behälter B dargestellt, der in Fig.
la la mit einem Me#rch@ 1 versehen ist, welches bis zum Behälterboden reic@ Er Me$rohr
1 ist eine Hohlkugel 2 nach der Erfindung gef@@@@ die zur Anzeige der Füllstandshöhe
dient. Der Me4ch@@orper 1 enthält innerhalb eines Schutzrohres die nieht Ander dargestellten
Spulenkörper.
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In Fig. 1b ist dargestlat, wie das Me4rohr 1 mittels der Leitungen
b1, b2 an den Behälter B angeschossen werden kann., In Fig. 2 ist das Meßrohr 1
mittel der Leitungen la, lb angeschlossen und enthält die Hohlkugel 2. Die Hohlkugel
ist mit geringem SpSel in dem Me3rohr 1 geführt. Dieses ist von den axial hintereinanderliegenden
Erregerspulen Da, 3b konzentrisch umgeben. Ebenfalls konzentrisch um die Erregerspulen
3a,3b ist die Me#spule 4 angebracht.
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Aus Fig. 3 ist im Querschnitt diese Anordnung ersichtlich, wobei die
Meßspule 4 und die Erregerspule 3 in einem geringstmöglichen Abstand voneinander
um das Me#rohr 1 ge@@ sind welches die Hohlkugel 4 enthält.
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Fig. 4 zeigt den schematischen Aufbau einer derartigen Anordnung gemäB
Fig. 3, wobei an den Primärklemmen 23, 24 die Versorgungswechselspannung Wp anliegt,
während an den Klemmen 21, 22 der Me#spule 4 die Sekundärspannung U2 abgenommen
werden kann.
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In Figur 5 ist der Aufbau der Schaltung für die Auswertung des Meßergebnisses
in Verbindung mit der Anordnung nach Fig. 4 schematisch dargestellt. An den Klemmen
21, 22 liegt die an der Me#spule gewonnense Sekundärspannung U2 an, während an die
Klemmen 25, 26 des Anpassungssto#es T die gleiche Versorgungswechselspannung anliegt.
Die beiden Transistoren Pi und P2 werden in einer Halbwelle aufgesteuert. Je nach
Phasenlage der Sekundärspannung fließt in einer gewissen Halbwelle ein positiver
oder negativer Strom durch das Ampere-Meter g1.
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In der folgenden Halbwelle führen beide BasisansehlUsse der Transistoren
Sperrspannung, so da# kein Strom durch das Ampere-Meter g1 fließen kann.
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Auf diese Weise entsteht ein Strom, dessen GrUBe von der Lage der
Kugel abhängig ist, wie in Fig. 6 schematisch dargestellt.
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Augehend von einer mittleren Kugellage M/2 innerhalb eines gesamten
MeBbereichs M entspricht die gemessene Stromstärke A der Abweichung der Kugel aus
der Mittellage in positiver oder negativer Richtung. Dabei kann nach einer Eichkurve
jeweils die genaue Auswanderung der Kugel aus ihrer Mittelstellung abgelesen werden.
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Wenn ein größerer Meßbereich erfa#t werden soll, ist es zweckmäBig,
gemäß Fig. 7 das me#rohr mit einer in 14 Teilspulen unterteilten Primärwicklung
3 zu versehen. Dabei sind zwölf der Teilwicklungen der Primärspule 3 mittels einer
Drehspannung erregt, wobei die Phasenlage fUr jeden Wicklungstell um 30° verschoben
ist. Auf diese Weise wird erreicht, daß die Sekundärspannung an Spule 4 Null ist,
sofern die Kugel
noch nicht eingefüllt ist. Befindet sich die Kugel
innerhalb des Meßbereichs M zwischen den beiden Anschlägen C1, Cp so wird an der
betreffenden Stelle eine größere Spannung induziert. Es entsteht somit eine Sekundgrspannung,
deren Phasenlage proportional der Kugelhöhe ist. Die an beiden Enden des MeBbereichs
zusätzlich angeordneten Spulen 1' und 12' haben die Aufgabe, an den jeweiligen Enden
der-Sekundärwicklung 4 ein homogenes Feld aufrechtzuerhalten.
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Aus den Figuren 8a, 8b ist die Phasenlage der Primär-und Sekundärspannungen
ersichtlich, die sich bei einem billstand von 25 % (Fig. 8a) und einem füllstand
von 75 % (Fig. 8b) ergibt.
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Die Phasehlage der Sekundärspannung wird mittels eines bistabilen
Flipflops in der Weise gemessen, daß der positive Null-Durchgang der Spannung das
Flipflop zum Kippen bringt, so daB eine Ausgangsspannung entsteht. Geht die Sekundärspannung
ebenfalls positiv durch Null, so wird das Flipflop wieder in seine Ausgangslage
zurückgestellt, die proportional dem Verzögerungswinkel der Sekundärspannung ist.
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Aus Fig. 9 geht der Aufbau des Drehstromanschlusses der 12 um 30°
Phasenlage verschobenen Wicklungsabschnitte W bis W12 der Primärspule 3 hervor.
Der Netzanschluß erfolgt mittels eines Drehstromtraffos T e dessen eine im Stern
geschaltete Sekurdarwicklung mit den Klemmen R1, S1, T1 zu den Spulenwicklungen
WI, W3, », W-, W7, W11 führt, während die zweite im Dreieck geschaltete Sekundärwicklung
mit den Klemmen Sp, Tp zu den Entwicklungen der geradzahligen und ungeradzahligen
Wicklungegruppen sind noch die AbsohluB-wicklungen W1, und W12, geschaltet.