DE1548998A1 - Elektrische Fuellstandsmessvorrichtung - Google Patents

Elektrische Fuellstandsmessvorrichtung

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DE1548998A1
DE1548998A1 DE19661548998 DE1548998A DE1548998A1 DE 1548998 A1 DE1548998 A1 DE 1548998A1 DE 19661548998 DE19661548998 DE 19661548998 DE 1548998 A DE1548998 A DE 1548998A DE 1548998 A1 DE1548998 A1 DE 1548998A1
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DE
Germany
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coil
measuring
ball
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DE19661548998
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English (en)
Inventor
Leonid Jegoroff
Lauhoff Dipl-Ing Theo
Jansing Dipl-Ing Walter
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Interatom Internationale Atomreaktorbau GmbH
Original Assignee
Interatom Internationale Atomreaktorbau GmbH
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01FMEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F23/00Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm
    • G01F23/30Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by floats
    • G01F23/64Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by floats of the free float type without mechanical transmission elements
    • G01F23/72Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by floats of the free float type without mechanical transmission elements using magnetically actuated indicating means

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Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die Erfindung bietet die Möglichkeit, eine derartige Me#-vorrichtung mit Wechsel-oderDrehspannungzubetreiben....
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Meßeinrichtung sind in der Zelchnung chematisch dargestellt und im folgenden beschrieben.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • In der folgenden Halbwelle führen beide BasisansehlUsse der Transistoren Sperrspannung, so da# kein Strom durch das Ampere-Meter g1 fließen kann.
  • Auf diese Weise entsteht ein Strom, dessen GrUBe von der Lage der Kugel abhängig ist, wie in Fig. 6 schematisch dargestellt.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (5)

  1. Patentansprüche 1.
  2. Elektrische Füllstandsme#vorrichtung mittels induktiver Abtastung für schwach leitende Flüssigkeiten, gekennzeichnet, dadurch, daß sich in einem vertikal angeordneten, von der FlUssigkeit erfüllten Rohrabschnitt (l) aus nicht ferromagnetischem WerkstoffeinealsSchwimmerkorperausgebildeteHohlkugel(2) aus ferromanetischem Werkstoff befindet, und daß der Rohrabschnitt (1) von einer ringförmigen, aus zwei oder mehr achsial hintereinanderliengenden, wechsel- oder drehstromgespeisten Wicklungen (3a, 3b) bestehenden Erregerspule und von einer die dem Füllstand entsprechende phasenlage den Kugel (2) anzeigenden Me#spule (4) konzentrisch umgeben ist.
  3. Me#vorrichtungen nach Anspruch 1 dadurch geksnnge@chnet, 2r.MeßvoprietUMeR.a.ehAsürhl da# bei Wesseistroms@eisung die Erregerspule (3a, 3b) in zwei s;.'.\is.benl1Gibeescoltee"JiI;.?:He. s@@ei @@ gerens@mig in Beihe gerehaltete Wiehlungen unter ist die Pbasenlaer der in der Me#spule (4)
  4. 4, Meßvorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß bei Wechselstromspeisung der Erregerspule (3a, 3b) der Bewegungsbereich der Kugel (2) auf den einen Wicklungsteil der Erregerspule (3a, 3b) mechanisch begrenzt ist und die gemessene Wechselspannung (Us) an der Meßspule (ll) als MaB für den Auslenkungsweg der Kugel (2) dient.
  5. 5. Me#vorrichtung nach den Ansprüchen 1 - 3 dadurch gekennzeichnet. da# zur Erweiterung des Me#bereichs auf grö#ere Niveauunterschiede des Flüssigkeitsspiegels die Spulenanordnung (3a, 3b, zun, @l zum Rohrabschnitt (1) verschiebbar, und da# zur Er-Bar Fä@len Vshöhe durch Verschieben der Spulenan-.'cSp-.un'-'!'?)uf"p.''f'h".rist.
    Me#verrichtungen nach Anspruch 5 @@ u@ch gekennzeichnet, 'u.i-hgekennzeichnet.
    T'.'.'länsdeshhrabschnie(l)verschiebbareSpulenande r:"nu::'?(3a.;3b;-11.eine"evo-Motorantriebversehenist :;.hä'ng.-;-3"";eineroenVr;rstellantriebstetsauf .K9s.n/"11eirslLe''!oinxidenzschaltung t-'f @s ist 7. MeßvorrichtangnachAnspruchi dadurch gekennzeichnat, daß bei Drehstromspeisung der Erregerspule (3äg 3b) diese mit einer durch drei teilbaren Zahl von Eauptwicklungen (W1 bis W12) versehen ist, wobei an jeder Spulenseite noch je eine zusatzliche Abschlu#wicklung (W1', W12') angeordnet ist, und daß die Wicklungen von einer in einem Vorschalttransformator (Tr) erzeugten Drehspannung von einer der Anzahl der Hauptr. cklnger . R p. . . pxra. 'ez : l'. : af'sch3. agt sind, wobei der Phasenwinkel # der in der Me#spule (4) induzierten Spannung der Füllstandshöhe proportional ist.
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