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Vorrichtung zur selbsttätigen, kontinuierlichen Messung und Anzeige
der Änderungen eines Flüssigkeitsspiegels Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung
zur selbsttätigen, kontinuierlichen Messung und Anzeige der Änderungen eines Flüssigkeitsspiegels,
einer Füllhöhe o.dgl., mit einer in einen elektrischen Meßkreis geschalteten Sonde,
die eine oszillierende Bewegung ausführt und dabei den Flüssigkeitsspiegel durchbricht,
derart, daß die Sonde an dem einen Ende ihrer Bewegung sich in der Atmosphäre oberhalb
des Flüssigkeitsspiegels befindet und an dem anderen Ende ihrer Bewegung in die
Flüssigkeit eingetaucht ist, sowie mit einer einen Stellmotor aufweisenden Eiurichtung
zur nachführung der Sonde bei wechselnden Flüssigkeitsständen, welche gleichzeitig
die Anzeige bewirkt.
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Es ist eine Vorrichtung dieser Bauart bekannt (USA-Patentschrift 2
698 539), bei welcher die Sonde von einer sogenannten Vibrierspitze gebildet wird,
die infolge ihrer
Oszillation abwechselnd in die Flüssigkeit eingetaucht
und wieder aus ihr herausgezogen wird. Befindet sich die Vibrierspitze in der Flüssigkeit,
die elektrisch leitend sein muß, dann wird der elektrische Meßkreis geschlossen;
wird die Vibrierspitze aus der Flüssigkeit herausgezogen, dann wird dieser Meßkreis
unterbrochen, nachden die Flüssigkeit einen leitenden Bestandteil des elektrischen
Meßkreises bildet.
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Wie man leicht entnimmt, entsteht somit unter dem Einfluß der Oszillation
ein Impulsstrom, der zwischen dem Wert Null und einem bestimmten Stromstärkevert
schwankt. Aus diesen Werten läßt sich ein Mittelwert der Stromstärke bilden.
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Steigt nun der Flüssigkeitsspiegel, während der Punkt, um den die
Vibrierspitze nach oben und unten oszilliert, im Ruhe bleibt, dann wird die verweilzeit
der Vibrierspitze in der Flüssigkeit gegenüber ihrer Verweilzeit in der Atmosphäre
größer. Notwendigerweise steigt damit auch der Mittelwert der Stromstärke, da die
Zeitspanne, in der ein Strom fließt, größer wird gegenüber der Zeitspanne, in der
der Stromkreis unterbrechen ist. Der Anstieg der mittleren Stromstärke bildet somit
ein Maß für den Anstieg des Flüssigkeitsspiegels. Das gleiche gilt im entsprechenden
Sinne bei einem Absinken des Flüssigkeitsspiegels, bei dem die Verweilzeit der Vibrierspitze
in der Flüssigkeit geringer und die verweilzeit in der Atmosphäre größer @@@d, der
Mittelwert der Stromstärke also sinken muß.
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J nachdem, ob der Mittelwert der Stromstärke sinkt oder steigt, bewirkt
die Einrichtung zur Nachführung der Sonde bzw. Vibrierspitze ein Absenken oder ein
Anheben derselben.
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Die Einrichtung bewirkt gleichzeitig die Anseige des geänderten bzw.
sich ändernden Flüssigkeitsspiegels, beispielweise mittels einer in entsprechender
Weise vertikal bewegten Schreibepitze, die beispielsweise auf einem Papierband entlang
gleitet, das mit gleichmäßiger Geschwindigkeit
horizontal an der
Schreibspitze vorbeigeführt wird. Auf dem Papierband können Zeitmarkierungen o.dgl.
angeordnet sein.
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Der wesentliche Nachteil dieser bekannten Vorrichtung der eingangs
genannten Bauart besteht darin, daß sie sich nur für die kertinuierliche Messung
und Anzeige der Änderungen der Flüssigkeitsspiegel von Flüssigkeitenverwenden läßt,
die elektrisch leitend sind. Fermer ist die Messung mittels einer solchen bekannten
Vorrichtung auf die dauer auch nicht hinreichend genau, da die elektrischen Eigenschaften
beispielsweise von Wasser, je nach Maßgabe des Salzgehaltes o.dgl. schwankt, so
daß Fehlanzeigen unterlaufen können, wenn nicht rechtzeitig eine Nachjustierung
erfolgt.
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Die der Erfindung zugrundeligende Aufgabe wird darin gesehen, eine
Vorrichtung der eingangs genannten Bauart zu schaffen, die auch bei elektrisch nichtleitenden
Flüssigkeiten verwendbar ist und im übrigen auch bei Schwankungen der chemischen
Zusammensetzung der zu mezzenden Flüssigkeit ihre genauigkeit besser beibehält.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Sonde ein
Meiß- oder ein Kaltleiter und der Meßstromkreis ständig geschlossen ist.
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Bei Verwendung eines Heißleiters wird dieser mit einem konstanten
Straum aufgeheist, wodurch sein @@@@cher Widerstand stark von der Wärmeleitfähigkeit
des ibn umgebenden Mediums abhängig ist. Da die Wärmenbleitung in Flüssigkeiten
wie Wasser oder Öl wesentlich größer ist als in Luft, stellt sich bei der Oszillation
der Sonde bzw. des Heißleiters in Abhängigkeit von der Tiefe des Eintauchers in
die Flüssigkeit und von der thermischen Trägheit des Heißleiters ein mittlerer @huscher
Widerstand ein, der als elektrische
Spannung abgenommen wird. Ist
der Heißleiter (NTC) während einer Hälfte der Schwingungsperiodendauer eingetaucht
und während der anderen Hälfte ausgetaucht, so liegt die Spannung etwa in der Mitte
zwischen den beiden Extremspannungen, die jeweils der Stellung "vollständig eingetaucht"
bzw. "vollständig ausgetaucht" entsprechen. Obgleich die Schwingungsamplitude der
Sonde nur wenige Millimeter beträgt, ergibt sich eine erhebliche Spannungsänderung,
so daß sich eine bis auf etwa 0,1 mm genaue Positionsmessung des Flüssigkeitsspiegels
durchführen läßt.
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Um die Zeiten, in denen eine Widerstandsänderung erfolgt, möglichst
klein zu halten, soll der Heiß- bzw. Kaltleiter möglichst klein sein, da dies seine
Trägheit bezüglich des Wärmeübergange herabsetzt.
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Fermer ist es vorteilhaft, einen zweiten Heiß- oder Kaltleiter zwecks
Kompensation von Temperaturschwankungen in der Flüssigkeit anzuordnen, wie weiter
unten mäher erläutert werden wird.
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Es hat sich besonders zweckmäßig erwiesen, den Heiß-bzw. kaltleiter
am freien Ende eines Vibrierstabs anzuordnen, wobei dieser Vibrierstab verteilhaft
hakenförmig zurückgebogen ist, derart, daß der Heiß- bzw. keltleiter dem Flüssigkeitsspiegel
von unten her durchbricht.
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Um einerseits von der Schwerkraft unabhängig zu sein, die bei der
bekannten, ein Seil verwendenden nachführung bedeutsam ist, wobei die Vibrierspitze
an diesem Seil aufgehängt ist, und andererseits auch die Möglichkeit zu haben, einen
zum Flüssigkeitsspiegel schrägen Einbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung vornehmen
zu können, ist der Vibrierstab vermugsweise an einer Zahnstange angeordnet, in die
ein
vom Stellmotor nach Maßgabe der Flüssigkeitsstandsänderung angetriebenes
Ritzel eingreift.
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Um schließlich trotz der verhältnismäßig großen thermischen Trägheit
der Heiß- bzw. kaltleiter einerseits und der Forde rungen nach hoher Nachführgeschwindigkeit
und hoher Meßgenauigkeit andererseits ein dynamisch besonders ausgeglichenes Verhalten
zu erreichen, weist die Einrichtung zur nachführung eine Impulspositionierungsschaltung
auf, die sich im der Praxis besonders bewährt hat.
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Die Erfindung und ihre vorteilhafte Ausgestaltung ist im folgenden
anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels mäher erläutert.
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Es zeigt: Fig. 1 die Anordnung @ eines Heißleiters an einer Vibrierspitze
in vergrößerten Maßstab; Fig. 2 eine schematische darstellung einer bevorzugten
Ausführungsform der Erfindung unter Verwendung einer Vibrierspitze gemäß Fig. 1;
Fig. 3 das Schaltschema einer sur Nachfahrq der Sende bevorzugten Impulspositionierungsschaltung;
Fig. 4 eine im wesentlichen der Fig. 1 entsprechende zweite Ausführungsform mit
geänderter Temperaturkondensation.
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In Fig. 1 ist eine magnetspule 1 gezeigt, die über Zuleitungen 2 gespeist
ist. Diese magnetspule 1 führt eine Vibrierspitze 3, deren Vibration bzw. Oszillation
von dem mit einer feder 1a federnd gelagerten Weicheisenkern 1b der Magnetspule
1 erzeugt wird. Am freien Ende des Vibrierstabs 3 ist bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel
ein Heißleiter (NTC) 4 angeordnet. Der Heizstromkreis dieses Heißleiters
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ist mit dem Meßstromkreis identisch und über Zuleitungen 5 ständig geschlossen.
Zweckmäßig ist der Heißleiter 4 möglichst klein, um die thermische Trägheit dosselben
weitestgehend herabzusetzen.
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Um den Einfluß schwankender Umgebungs- bzw. Lufttemperaturen zu kompensieren,
ist ein zweiter Heißleiter 6 aufgeheist in der Atmosphäre angeordnet, dessen Zuleitungen
bei 7 angedeutet sind. Dort jedoch, wo mit Zugluft gerechnet werden muß, welche
Messung und Anzeige verfälschen kann, wird der zweite Heißleiter 6 zweckmäßig in
der Flüssigkeit angeordnet (Fig. 4). Dabei kann er von den Zuleitungen 5 mitgespeist
sein.
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Wie man leicht entnimmt, ist der Heißleiter 4 im seiner Mittellage
gezeigt, d.h. entweder ist die Magnetspule 1 nicht erregt, der Heißleiter 4 befindet
sich also im Ruhe, oder der Heißleiter 4 passiert soeben seine Mittellage während
der Oszillation.
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Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Vibrierstab 3 hakenförmig
zurückgebogen. Dies hat den Verteil, daß der Heißleiter 4 den Flüssigkeitsspiegel
der Flüssigkeit 8 bei der Oszillation bzw. beim Schwingen stets vom unten her durchbricht.
Wie festgestellt wurde, ergeben sich dabei genauere Meßergebnisse. Dies kann darauf
zurückzuführen sein, daß diese Anordnung ein zeitliches Abgleiten der Flüssigkeit
8 beim Austauchen des Heißleiters 4 begünstigt. Aus diesem Grunde ist es auch vom
Vorteil, die Spitze des Vibrierstabes, am der der Heißleiter 4 angeordnet ist, kemisch
zulaufend auszubilden. Demgegenüber besteht dann, wenn der Vibrierstab 3 gradlinig
ausgebildet ist und an seine freien Ende den Heißleiter 4 trägt, die Gefahr,daß
der Heißleiter 4 beim Austauchen aus der Flüssigkeit 8 einen kleinen Flüssigkeitstropfen
im die umgebende Atmosphäre mitnimmt, der zu einer Beeinträchtigung der Messung
und Anzeige beitragen h55Lte.
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Bei dem Schema nach Fig. 2 ist die Anordnung gemäß Fig. 1 aus Gründen
der Klarheit lediglich vereinfacht dargestellt.
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Um eine besonders exakte, vom der Schwerkraft unabhängige Führung
zu erreichen und im übrigen auch in einer vom der senkrechten abweichenden Lage
messen zu können, ist der Vibrierstab 3 bzw. die Magnetspule 1 an einer Zahnstange
9 angeordnet, im die ein vom Stellmotor 10 nach Maßgabe der Flüssigkeitsstandsänderung
angetriebenes Ritzel 11 eingreift.
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Der Steuerstrom für den Stellmotor 10 wird von einer Regeleinheit
12 geliefert, die ihrerseits von der am Heißleiter 4 über die Leitungen 5 anliegenden
Spannung abhängig ist.
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Die Anzeige erfolgt über die Zahnstange 9 und ein zweites Ritmel 13,
das über ein Potentiometer 14 einen Schreiber 15 e.dgl. betätigt. Es kann auch ein
elektronischer Impulsgeber mit nachgeschalteter Streifenlochereinheit verwendet
werden.
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Die Stromverssergung der Schwingspule 1 ist bei 16 angedeutet.
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Die Regelung zeitens der Regeleinheit 12, bzw. die Nachführung erfolgt
derart, daß die Zeitspanne, in der sich der Heißleiter 4 in der Flüssigkeit 8 befindet,
gleich derjenigen Zeitspanne ist, in der der sich in der Luft bzw. Atmosphäre befindet.
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Wie bereits eingangs erwähnt wurde, hat sich men Zwecke der Nachführungs
die Verwendung einer Impulspositionierungsschalttung in der Regeleinheit 12 bewährt.
Diese sell im folgenden anhand der Fig. 3 näher erläutert werden.
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Der die Sende bildende Heißleiter 4, der in folgenden als Meßeißleiter,
und der zweite, der Komposition dienende Heißleiter 6, der in folgenden als Kompositionsbeißleiter
bezeichnet
werden sollen, werden Jeder von einer gesonderten Quelle 17 bzw. 18 konstanten Stromes
gespeist. Die von den Heißleitern 4 und 6 abgenommenen Spannungen werden dem Strom-Summierungspunkt
A zugeführt. Die Summe aus beiden Spannungen ist der Eintauchtiefe des Meßheißleiters
5 proportional. Kit einem Potentiometer 19 wird dem Strom-Summierungspunkt A eine
zusätzliche Spannung zugeführt, deren Polarität und Größe so beschaffen ist, daß
ein nachgeschalteter Verstärker 20 bei Mittellage des Meßheißleiters 4 eine Ausgangsspannung
von Null Volt abgibt. Verändert sich der Spiegel der Flüssigkeit 8, so gibt der
Verstärker 20 entweder eine negative oder eine positiv Analogspannung ab. Diese
wird Triggerbausteinen 21 (bei positiver Spannung) und 22 (bei negativer Spannung)
zugeführt. Beide Triggerbausteine 21 und 22 besitzen eine mit Hilfe von Potentiometern
23 und 24 einstellbare Schwelle und mit Hilfe von Potentiometern 25 und 26 einstellbare
Hysterese. Bei Überschreiten z.B. des positiven Einschaltpunktes gibt der Trigger
21 ein Ausgangssignal ab.
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Dadurch wird ein Kondensator 28 aufgeladen, dessen Spannung ebenfalls
dem Strom-Summierungspunkt A zugeführt wird. Mit größer werdender Ladespannung dieses
Kondensators 28 wird das Ausgangssignal des Verstärkers 20 kleiner. Bei Erreichen
des positiven Abschaltpunktes schaltet der Trigger 21 wieder ab und der Kondensator
28 entlädt sich wieder. Steht seitens des Meßheißleiters 4 weiterhin ein Signal
an, das eine Abweichung von der Mittelage des Meßheißleiters 4 anne.gt, so wird
der positive Einschaltpunkt nach der Kondensatorentladung wieder erreicht und der
Vorgang beginnt von Neuen.
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Somit entsteht am Ausgang des Verstärkers 20 eine Sägezahnspannung
und am Ausgang des Triggers 21 eine Impulsfolge.
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Bei maximaler Eingangsspannung des meßheißleiters 4 ist die Impulsfrequenz
durch die Zeitkonstanten eines RC-Gliedes 27, 28, 29 gegeben. Bei negativer Ausgangsspannung
des Verstärkers 20 läuft der gleiche Vorgang über den Trigger 22 ab.
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Die von den Triggern 21 und 22 abgegebenen Impulse werden, verstärkt
durch Transistoren 30, 31, 32 und 33, dem Stellmotor 10 zugeführt. Eine Bremsschaltung,
bestehend aus Transistoren 34, 35, 36 und 37 sorgt dafür, daß der Stellmotor 10
im jeder Impulspause generatorisch abgebremst wird.
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Die bechriebene Impulspositionierungsschaltung ermöglicht besonders
große Nachführungeschwindigkeiten, so daß einer Flüssigkeitsspiegeländerung gefolgt
werden kann, die mit einer Geschwindigkeit von 5 cm/sec. erfolgt. Ferner wurde mit
der beschriebenen Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung auf 0,1 mm
genau gemessen, und zwar sowohl bei Wasser als auch bei Öl. Dabei ließen sich Niveauschwankungen
der Flüssigkeitsspiegel von 1 m beherrschen.