DE2205419B2 - Vorrichtung zur selbsttätigen, kontinuierlichen Messung und Anzeige der Änderungen eines Flüssigkeitsspiegels - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur selbsttätigen, kontinuierlichen Messung und Anzeige der Änderungen eines Flüssigkeitsspiegels, einer Füllhöhe od. 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 ihre 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 Einrichtung zur Nachführung der Sonde bei wechselnden Flüssigkeitsständen, welche gleichzeitig die Anzeige bewirkt.

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, nachdem die Flüssigkeit einen leitenden Bestandteil des elektrischen Meßkreises bildet. Wie man. leicht entnimmt, entsteht somit unter dem Einfluß der Oszillation ein Impulsstrom, der zwischen dem Wert Null und einem bestimmten Stromstärkewert schwankt. Aus diesen Werten läßt sich ein Mittelwert der Stromstärke bilden. Steigt nun der Flüssigkeitsspiegel, während der Punkt, um dem die Vibrierspitze nach oben und unten oszilliert, in Ruhe bleibt, dann wird die Verweilzeit der Vibrierspitze in der Flüssigkeit gegenüber ihrer Verweilzeit in der Atmosphäre größen 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 unterbrochen 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 wird, der Mittelwert der Stromstärke also sinken muß.

Je nachdem, ob der Mittelwert der Stromstärke sinkt oder steigt, bewirkt die Einrichtung zur Nachführung der Sonde bzw. Vibrierspitze ein Absenken oder ein Anheben derselben. Die Einrichtung bewirkt gleichzeitig die Anzeige des geänderten bzw. sich ändernden Flüssigkeitsspiegels, beispielsweise mittels einer in entsprechender Weise vertikal bewegten Schreibspitze, die beispielsweise auf einem Papierband entlang gleitet, das mit gleichmäßiger Geschwindigkeit horizontal an der Schreibspitze vorbeigeführt wird. Auf dem Papierband können Zeitmarkierungen od. dgl. angeordnet sein.

Der wesentliche Nachteil dieser bekannten Vorrichtung der eingangs genannten Bauart besteht darin, daß sie sich nur für die kontinuierliche Messung und Anzeige der Änderungen der Flüssigkeitsspiegel von Flüssigkeiten verwenden läßt, die elektrisch leitend sind. Ferner 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 od. dgl.

schwankt, so daß Fehlanzeigen unterlaufen können, wenn nicht rechtzeitig eine Nachjustierung erfolgt.

Ferner ist bereits die Verwendung von Heißleiterwiderständen mit positivem Temperaturkoeffizienten und Kaltleiterwiderständen mit negativem Tempera-

turkoeffizienten für die Messung und Anzeige der Änderung eines Flüssigkeitsspiegels bekannt. Diese bekannten Vorrichtungen können jedoch lediglich feststellen, ob an dem Befestigungsort des Heiß- bzw. Kaltleiters die jeweilige Flüssigkeit vorhanden ist oder nicht. Nur in diesem eingeschränkten Sinne erfolgt ein Messen und Anzeigen. Die Trägheit und die Größe des verwendeten Heiß- bzw. Kaltleiters spielen dabei keine Rolle, da es relativ gleichgültig ist, wieviel Zehntelsse kunden vergehen, bis die Widerstandsänderung und da- mit eine Anzeige der Zustände »Flüssigkeit vorhanden« und »Flüssigkeit nicht vorhanden« ablesbar ist. Es handelt sich also bei den bekannten Verwendungen Iedigleich um sogenannte Niveauschalter. Eine kontinuierliche Messung eines Flüssigkeitsspiegels ist nicht möglich.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird darin gesehen, eine Vorrichtung der eingangs genannten Bauart zu schaffen, die auch bei elektrisch nichtlei-

tenden Flüssigkeiten verwendbar ist und im übrigen auch bei Schwankungen der chemischen Zusammensetzung der zu messenden Flüssigkeit ihre Genauigkeit besser beibehält

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Sonde in an sich bekannter Weise ein Heiß- oder Kaltleiter und der Meßstromkreis ständig geschlossen ist und daß der Heiß- oder Kaltleiter am freien Ende eines von einer Magnetspule betätigten Vibrierstabes angeordnet ist.

Bei Verwendung eines Heißleiters wird dieser mit einem konstanten Strom aufgeheizt, wodurch sein ohmscher Widerstand stark von der Wärmeleitfähigkeit des ihn umgebenden Mediums abhängig ist. Da die Wärmeableitung 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 Eintauchens in die Flüssigkeit und von der thermischen Trägheit des Heißleiters ein mittlerer ohmscher 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.

Um die Zeiten, in denen eine Widerstandänderung erfolgt, möglichst klein zu halten, soll der Heiß- bzw. Kaltleiter möglichst klein sein, da dies seine Trägheit bezüglich des Wärmeübergangs herabsetzt.

Ferner ist es vorteilhaft, daß ein zweiter Heiß- oder Kaltleiter zwecks Kompensation von Temperaturschwankungen in der Flüssigkeit angeordnet und über eine Kompensationsschaltung mit dem die Sonde bildenden Heiß- oder Kaltleiter verbunden ist. Es hat sich als besonders zweckmäßig erwiesen, den Heiß- bzw. Kaltleiter hakenförmig zurückzubiegen, derart, daß der Heiß- bzw. Kaltleiter den Flüssigkeitsspiegel von unten her durchbricht

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 vorzugsweise an einer Zahnstange angeordnet, in die ein vom Stellmotor nach Maßgabe der Flüssigkeitsstandsänderung angetriebenes Ritzel eingreift.

Um schließlich trotz der verhältnismäßig großen thermischen Trägheit der Heiß- bzw. Kaltleiter einerseits und der Forderungen nach hoher Nachführgeschwindigkeit und hoher Meßgenauigkeit andererseits ein dynamisch besonders ausgeglichenes Verhalten zu erreichen, weist die Einrichtung zur Nachführung eine Impulspositionierungsschaltung auf, die sich in der Praxis besonders bewährt hat.

Die Erfindung und ihre vorteilhafte Ausgestaltung ist im folgenden an Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 die Anordnung eines Heißleiters an einer Vibrierspitze in vergrößertem Maßstab,

F i g. 2 eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung und Verwendung einer Vibrierspitze gemäß F i g. 1,

F i g. 3 das Schaltschema einer zur Nachführung der Sonde bevorzugten Impulspositionierungsschaltung,

F i g. 4 eine im wesentlichen der F i g. 1 entsprechende zweite Ausführungsform mit geänderter Temperaturkondensation.

In F i g. 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 Xa federnd gelagerten Weicheisenkern \b erzeugt wird. Am freien Ende des Vibrierstabs 3 ist ein Heißleiter (NTC) 4 angeordnet Der Heizstromkreis dieses Heißleiters 4 ist mit dem Meßstromkreis identisch und über Zuleitungen 5 ständig geschlossen. Zweckmäßig ist der Heißleiter 4 möglichst klein, um die thermische Trägheit desselben weitestgehend herabzusetzen.

x Um den Einfluß schwankender Umgebungs- bzw. Lufttemperaturen zu kompensieren, ist ein zweiter Heißleiter 6 aufgeheizt 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 (F i g. 4). Dabei kann er von den Zuleitungen 5 mitgespeist sein.

Wie man leicht entnimmt, ist der Heißleiter 4 in seiner Mittellage gezeigt, d. h. entweder ist die Magnetspule 1 nicht erregt, der Heißleiter 4 befindet sich also in Ruhe, oder der Heißleiter 4 passiert soeben seine Mittellage während der Oszillation.

Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Vibrierstab 3 hakenförmig zurückgebogen. Dies hat den Vorteil, daß der Heißleiter 4 den Flüssigkeitsspiegel der Flüssigkeit 8 bei der Oszillation bzw. beim Schwingen stets von unten her durchbricht. Wie festgestellt wurde, ergeben sich dabei genauere Meßergebnisse. Dies kann darauf zurückzuführen sein, daß diese Anordnung ein seitliches Abgleiten des Flüssigkeit 8 beim Austauchen des Heißleiters 4 begünstigt. Aus diesem Grunde ist es auch von Vorteil, die Spitze des Vibrierstabes, an der der Heißleiter 4 angeordnet ist, konisch zulaufend auszubilden. Demgegenüber besteht dann, wenn der Vibrierstab 3 gradlinig ausgebildet ist und an seinem freien Ende den Heißleiter 4 trägt, die Gefahr, daß der Heißleiter 4 beim Austauchen aus der Flüssigkeit 8 einen kleinen Flüssigkeitstropfen in die umgebende Atmosphäre mitnimmt, der zu einer Beeinträchtigung der Messung und Anzeige beitragen könnte.

Bei dem Schema nach F i g. 2 ist die Anordnung gemäß F i g. 1 aus Gründen der Klarheit lediglich vereinfacht dargestellt. Um eine besonders exakte, von der Schwerkraft unabhängige Führung zu erreichen und im übrigen auch in einer von der senkrechten abweichenden Lage messen zu können, ist der Vibrierstab 3 bzw. die Magnetspule 1 an einer Zahnstange 9 angeordnet, in die ein vom Stellmotor 10 nach Maßgabe der Flüssigkeitsstandsänderung angetriebenens Ritzel 11 eingreift. 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.

Die Anzeige erfolgt über die Zahnstange 9 und ein zweites Ritzel 13, das über ein Potentiometer 14 einen Schreiber 15 od. dgl. betätigt Es kann auch ein elektrischer Impulsgeber mit nachgeschalteter Streifenlochereinheit verwendet werden.

Die Stromversorgung der Schwingspule 1 ist bei 16 angedeutet.

Die Regelung seitens 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 er sich in der Luft bzw. Atmosphäre befindet.

Wie bereits eingangs erwähnt wurde, hat sich zum Zwecke der Nachführung der Verwendung einer Impulspositionierungsschaltung in der Regeleinheit 12 bewährt. Diese soll im folgenden an Hand der F i g. 3 näher erläutert werden.

Der die Sonde bildende Heißleiter 4, der im folgenden als Meßheißleiter, und der zweite, der Kompensation dienende Heißleiter 6, der im folgenden als Kompensationsheißleiter 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 Heißleiters 5 proportional. Mit 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 positive 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. 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 Meßleiters 4

ίο weiterhin ein Signal an, das eine Abweichung von der Mittellage des Meßheißleiters 4 anzeigt, so wird der positive Einschaltpunkt nach der Kondensatorentladung wieder erreicht und der Vorgang beginnt von Neuem. Somit entsteht am Ausgang des Triggers 21 eine Impulsfolge. Bei maximaler Eingangsspannung des Meßheißleiters 4 ist die Impulsfrequenz durch die Zeitkonstanten eines ÄC-Gliedes 27, 28, 29 gegeben. Bei negativer Ausgangsspannung des Verstärkers 20 läuft der gleiche Vorgang über den Trigger 22 ab.

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 in jeder Impulspause generatorisch abgebremst wird.

Die beschriebene Impulspositionierungsschaltung ermöglicht besonders große Nachführgeschwindigkeiten, 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.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur selbsttätigen, kontinuierlichen Messung und Anzeige der Änderungen eines Flüssigkeitsspiegels, einer Füllhöhe od. dgl., mit einer in einen elektrischen Meßkreis geschaitenen Sonde, die eine oszillierende Bewegung ausführt und dabei den Flüssigkeitsspiegel durchbricht, derart, daß die Sonde an dem einen Ende ihre 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 Einrichtung zur Nachführung der Sonde bei wechselnden Flüssigkeitsständen, welche gleichzeitig die Anzeige bewirkt, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde in an sich bekannter Weise ein Heiß- oder kaltleiter (4) und der Meßstromkreis ständig geschlossen ist und daß der Heiß- oder Kaltleiter am freien Ende eines von einer Magnetspule (1) betätigten Vibrierstabes (3) angeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Heiß- oder Kaltleiter möglichst klein ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Heiß- oder Kaltleiter (6) zwecks Kompensation von Temperaturschwankungen in der Flüssigkeit angeordnet und über eine Kompensationsschaltung mit dem die Sonde bildenden Heiß- oder Kaltleiter (4) verbunden ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Vibrierstab (3) hakenförmig zurückgebogen ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Vibrierstab (3) bzw. die Magnetspule (1) an einer Zahnstange (9) angeordnet ist, in die ein vorn Stellmotor (10) nach Maßstab der Flüssigkeitsstandsänderung angetriebenes Ritzel (U) eingreift.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Nachführung (10, 11, 12) eine Impulspositionierungsschaltung aufweist.