DE2242723A1 - Vorrichtung zur bestimmung von fluessigkeitsstaenden, insbesondere zur bestimmung der grenzschichten zweier in einem gefaess einander ueberlagernder fluessigkeiten - Google Patents

Vorrichtung zur bestimmung von fluessigkeitsstaenden, insbesondere zur bestimmung der grenzschichten zweier in einem gefaess einander ueberlagernder fluessigkeiten

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DE2242723A1 DE2242723A DE2242723A DE2242723A1 DE 2242723 A1 DE2242723 A1 DE 2242723A1 DE 2242723 A DE2242723 A DE 2242723A DE 2242723 A DE2242723 A DE 2242723A DE 2242723 A1 DE2242723 A1 DE 2242723A1
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    • G01F23/22—Indicating 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 measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water
    • G01F23/28—Indicating 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 measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring the variations of parameters of electromagnetic or acoustic waves applied directly to the liquid or fluent solid material
    • G01F23/284—Electromagnetic waves

Description

Datum 1. September 1972 E/He
Vorrichtung zur Bestimmung von fflüssigkeitsständen, ins~ "besondere zur Bestimmung der Grenzschichten zweier in einem Gefäss einander überlagernder Flüssigkeiten
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung von Flüssigkeitsspiegeln, insbesondere zur Bestimmung der ■Grenzschichten zweier einander überlagernder Flüssigkeiten mit unterschiedlichen Dielektrizitätskonstanten.
Und zwar werden bei der erfindungsgemässen Vorrichtung Widerstandsänderungen, Änderungen der Impedanz, längs des Pfades eines elektrischen Signals gemessen. Die Widerstandsänderungen längs eines an einem Impulsgenerator angeschlossenen koaxialen Kabels werden gemessen und durch diese Messungen werden die Abstände bestimmt zwischen einem Fest-
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ρ unkt an dem Kabel und demjenigen Punkt, an welchem die Widerstandsänderung auftritt.
Bei Anschluss eines koaxialen Kabels an einen Impulsgenerator werden bekanntlich die Signale längs des Kabels übertragen, unter dem Einfluss der Ausbreitungs-Kennwerte des Kabels wie folgt:
1) α » Neper-Dämpfung pro Längeneinheit
2) ß ■ Phasenverschiebungswinkel in Radianten
3) Z » charakteristische Impedanz des Kabels.
Jede Widerstandsänderung längs des Kabels bewirkt eine Heflektion des Eingangssignals und folglich erfährt das Signal eine Änderung an der Stelle der Heflektion, welche Änderung positiv oder negativ ist, je nachdem, ob das reflektierte Signal gleichphasig oder gegenphasig zu dem Eingangssignal ist.
Der Beflektionsfaktor kann mit jedem passenden Gerät, insbesondere Oszilloskop gemessen werden, welches an den Impulsgenerator angeschlossen und entsprechend geeicht ist, so dass auf der Ordinate der Beflektionsfaktor ρ und au<fι der Abszisse das Zeitintervall abgelesen werden kann. Der Beflektionsfaktor ist dabei das Grössenverhältnis zwischen reflektiertem Signal und Eingangssignal; der Zeitintervall ent-
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spricht der Entfernung, die das reflektierte Signal zurückgelegt hat.
Mit dieser Anordnung kann die Widerstandsänderung und insbesondere ihr Ort längs des Messkabels "bestimmt werden.
Eine Widerstandsänderung (Impedanz-Änderung) wird verursacht entweder durch Änderung der Dielektrizitätskonstanten längs des Kabels oder durch strukturelle Änderungen.
Die Impedanz Z eines koaxialen Kabels ist gegeben durch die J'ormel Z ** (138/ F e^lg^ ~ , dabei bedeuten: e die Dielektrizitätskonstante des übertragenden Mediums, b der innere Durchmesser des äusseren Leiters, a der äussere Durchmesser des inneren Leiters (Hg. 1 innerer Leiter 2, äusserer Leiter 3).
Pur ein bestimmtes koaxiales Kabel mit gleichbleibendem Querschnitt und gleichbleibender Dielektrizitätskonstanten kann ein bestimmter Widerstandswert bzw. Impedanz ZQ als charakteristische Impedanz bzw. Kenn-Impedanz festgestellt werden.
Wenn längs des Kabels eine Änderung eintritt, sei es der Dielektrizitätskonstanten beispielsweise wegen Änderung des Mediums, in dem bzw. durch das hindurch sich das Signal aus-
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breitet, oder wegen Änderungen der Abmessungen des koaxialen Kabels, so findet sich statt des Kennwertes Z ein anderer Vert Z1 es tritt sodann eine Änderung des Reflektionsfaktors und folglich eine Änderung in der Stärke des Signals ein.
Jede auf dem Bildschirm des Oszillographen erscheinende Änderung des Reflektionsfaktors erlaubt es, die entsprechende Impedanzänderung längs des Kabels zu lokalisieren. Wenn insbesondere das koaxiale Messkabel zwei bestimmte Medien mit unterschiedlichen Dielektrizitätskonstanten durchsetzt, so kann auf diese Weise die Grenzschicht zwischen den beiden Medien lokalisiert werden. Da ferner eine Impedanzänderung durch Änderung der Dielektrizitätskonstanten verursacht wird, kann die Dielektrzitätekonstante eines anderen Mediums (als Luft) bestimmt werden durch Messung der Änderung an der Grenzfläche Luft/Medium.
Venn f die Grosse der Änderung der Dielektrizitätskonstanten ist, so errechnet sich die Dielektrizitätskonstante e des besagten anderen Mediums nach der Formel
e - C-I+
ferner errechnet sich die Länge bzw. der Weg, den ein Signal in einem anderen Medium als Luft, aber mit unveränderlicher Dielektrizitätskonstante zurücklegt, nach der Formel
309810/0825
D. 13A
D^ die Weglänge des Signals in Luft pro Zeiteinheit (Ausbreitungsgeschwindigkeit in Luft) ist; e die Dielektrizitätskonstante des durchsetzten Mediums ist.
Die obigen Formeln können nun angewednet werden zur Bestimmung der die Dielektrizitätskonstanten einer Flüssigkeit, der Niveauhöhe einer Flüssigkeit in einem Behälter, und zwar ruhend in einem Behälter oder fliessend durch einen Kanal, oder schliesslich die Grenzschichten zwischen zwei oder mehr Flüssigkeiten oder Gasen mit unterschiedlichen Dielektrizitätskonstanten. Insbesondere kann die Dicke einer Emulsion bestimmt werden, welche eine andere Flüssigkeit überlagert.
Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere eine Vorrichtung zur genauen Bestimmung der Höhenlage einer Grenzfläche zwischen zwei Flüssigkeiten sowie der Dielektrizitätskonstanten der Flüssigkeiten.
Dank der besonderen Ausgestaltung der Erfindung können diese Messungen sowohl mit organischen wie mit anorganischen Flüssigkeiten vorgenommen werden. Ferner kann die Brfindungsgemässe Vorrichtung sowohl bei stationären Flüssigkeiten in einem Behälter wie bei fliessenden Flüssigkeiten in einem Kanal ■' · 309810/0825
oder ßohrleitung verwendet werden. Beispielsweise kann die erfindungsgemässe Vorrichtung eingesetzt werden zur Bestimmung der Grenzfläche zwischen zwei Flüssigkeiten, in dem Mixer-Absetzbehälter einer Extraktionsbatterie einer Anlage zur Bearbeitung bzw. Wiedergewinnung nuklearer Brennstoffe.
Zu diesem Zweck ist die erfindungsgemässe Vorrichtung im wesentlichen wie folgt aufgebaut:
Es ist ein koaxiales Hesskabel vorgesehen, bestehend im wesentlichen aus einem äusseren, zylindrischen Leiter und koaxial zu diesem ein innerer, zylindrischer bzw. stabförmiger Leiter, die starr zueinander auf Abstand gehalten sind, und welches Kabel angeschlossen ist an ein Instrument zur Messung reflektierter Signale in der Grössenordnung von GHz; dabei sind insbesondere diese beiden Leiter an ihrem unteren Ende miteinander verbunden durch ein Verbindungselement geringen Widerstandes, wodurch ein Kurzschluss gegeben ist für elektrochemische Spannungen, welche längs dieser Messvorrichtung auftreten.
Nachfolgend wird ein nicht-beschränkendes Ausführungsbeispiel zur näheren Erläuterung der Erfindung beschrieben, wobei weitere wesentliche Erfindungsmerkmale ersichtlich werden.
Fig. 1 ist eine Seitenansicht der erfindungsgemässen Messvorrichtung, teilweise längs geschnitten; 309810/0 8 25
Fig.1a zeigt einen Querschnitt nach der Linie I-I in S1Ig. 1; Tig. 2 zeigt schematisch einen Behälter mit zwei einander überlagernden unterschiedlichen Flüssigkeiten, insbesondere eine wässrige Phase überlagert von einer organischen Phase, wobei die Grenzfläche bestimmt werden soll;
Fig. 3 zeigt die auf dem Oszillographen erscheinende Kurve eines Signals, wenn sich der Widerstand längs des Messkabels nicht ändertj
Fig.3a zeigt die Kurve, wenn das Messkabel bzw. die Messr sonde eingetaucht wird in den Behälter nach Fig. 2;
Fig. 4 ist ein schematisches Referenz-Diagramm.
Die Vorrichtung nach Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 zeigt eine zentrale Leiterstange 2 vorzugsweise aus rostfreiem Stahl für Verwendung in Säuren, welche Leiterstange 2 von einem koaxialen, zylindrischen Leiter 3j ebenfalls aus rostfreiem Stahl, umgeben ist. Das Leiterrohr 3 ist perforiert, so dass die umgebende Flüssigkeit frei in den Raum zwischen den beiden Leitern 2, 3 eintreten kann, so dass sich innerhalb Leiter 3 die gleiche Flüssigkeit wie ausserhalb befindet.
Die Stange 2 ist gegenüber dem Rohr 3 zentriert am oberen Ende mittels eines keramischen Ringes o.dgl., wobei nur der Sitz 5 für diesen Ring in der Fig. 2 gezeigt ist, wobei eine flüssigkeits- und gasdichte Dichtung erreicht ist.
309810/0825 :
Am unteren Ende dee Messkabele 2, 3 ist ein Kurzechlues vorgesehen mittels eines perforierten Stöpsels 6 aus rostfreiem Stahl. Der Stöpsel 6 hat die Form eines zylindrischen Ringes oder Blockes, dessen innerer Durchmesser der Stange 2 und dessen äusserer Durchmesser dem Rohr 3 entspricht, so dass der Stöpsel 6 den Boden unten abschliesst. Ein Kranz vertikaler Bohrungen 6' ist in dem Ringstöpsel vorgesehen längs eines Kreises. Durch diese Bohrungen 6' soll sämtliche flüssigkeit nach unten auslaufen, wenn die Meesonde aus dem Behälter mit den zu messenden Flüssigkeiten 21, 22 herausgezogen wird.
Der mit Stöpsel 6 erreichte Kurzschluss ist ein wesentliches Merkmal der Erfindung: wie später noch ausführlich beschrieben, erlaubt dieser Kurzschluss die Verwendung der Messvorrichtung sowohl in organischen wie in anorganischen Flüssigkeiten, da dank des Kurzschlusses die Vorrichtung nicht beeinflusst wird durch irgendwelche elektrische Änderungen innerhalb der zu messenden Flüssigkeiten, wobei ferner keine neuen Eichungen bei diesen Änderungen erforderlich sind.
Die insoweit beschriebene Vorrichtung, nachfolgend "Sonde" genannt, ist angeschlossen an ein koaxiales Kabel 1, an ein herkömmliches Instrument zur Messung der Eeflektions-Parameter hochfrequenter Signale in der Grössenordnung von GHz-Bereich.
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Die Abmessungen des Kabels und der Songe sind derart, dass Kabel und Sonde die gleiche Impedanz haben bei einem gegebenen Dielektrikum, beispielsweise Polyäthylen, beim Kabel und einem gegebenen Dielektrikum, beispielsweise Luft, an der Sonde.
Das Kabel 1 wird an die Sonde angeschlossen mittels Verbindungsstück 71 wobei eine letzte Impedanzänderung an dem Funkt der Verbindung zwischen den homogenen Leitern des Kabels und der Sonde vorliegt. Tatsächlich wird die Verbindung 7 immer eine leichte Widerstandsänderung mit sich bringen.
Das reflektierte Signal erhält man mittels einer Leseeinheit, insbesondere mit einem Oszilloskop.
Am Schirm der Kathodenstrahlröhre des Oszilloskops können die Eeflektionswerte auf der Ordinate abgelesen werden. Zu diesem Zweck wird das Oszilloskop so geeicht, dass eine Strecke von 10 cm längs der Ordinate einer Einheit des Reflektionsfaktors entspricht. An der Abszisse kann die Zeitspanne abge lesen werden zwischen dem Moment, an welchem das Signal ausgesendet wird und dem Moment, an welchem das reflektierte Signal ankommt.
Da die Geschwindigkeit des Impulses (in Luft gleich,300 000 km pro Sekunde) bekannt ist, kann die zurückgelegte Strecke entsprechend der Zeitspanne bestimmt warden· Dementsprechend
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kann die X-Achse auch gleich in Entfernungen geeicht werden.
Der Verlauf des Signals am Bildschirm bei völligem Eintauchen bzw. bei völliger Umgebung mit Luft ist in Fig. 3 dargestellt. Auf der Abszisse erscheinen die Entfernungen von dem Punkt.O, von dem die Signale herrühren, bis zum Funkt C, wo das Kurzschlussignal lokalisiert wird.
Die Kurve nach Fig. 3 zeigt eine kleine Unstefcgkeit (M). Diese rührt her von der relativ geringfügigen Widerstandsänderung an dem Verbindungsstück 7· Diese Unstetigkeit M zeigt die Entfernung zwischen Signelgeber und Verbindungsstück 7·
Vor und nach diesem Peak M erscheint derselbe Wert. Dies rührt daher, dass dank der besonderen Abmessungen die gleiche Impedanz vorliegt am Kabel einerseits und an der Sonde andererseits, obwohl als Isolierung für die Leiter des Kabele Polyäthylen vorgesehen ist, während die Leiter der Sonde durch Luft voneinander isoliert sind.
Zur Bedeutung des Kurzschlusstücks 6: Ohne dieses Kurzschlussstücks 6 würde die Funktion des Gerätes gestört und würden sich Fehlmessungen ergeben beim Eintauchen der Sonde in ionische Flüssigkeiten, da Spannungsdifferenzen zwischen den beiden getrennten Teilen der Vorrichtung, d. h. der Stange 2 und der Röhre 3 auftreten würden. Solche Spannungen, Streuspannungen, erscheinen völlig unbeständig und zufällig bzw.
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unwiederholbar. Versuchsweise haben sich Messwerte solcher Spannungen ergeben zwischen Null und einigen tausenden Millivolt.
BeVor ein stetiger Wert erreicht wird, können Spitzenwerte bis zu einigen 100 Millivolts durch die Streuspannungen auftreten.
Eine Verschiebung der Absczisse der Kurve auf dem Bildschirm wäre die Folge solcher Streuspannungen. Die Grosse bzw. das Ausmass solcher Verschiebungen ändert sich mit der Änderung der Streuspannungen selbst, also mit jeder- zu messenden Flüssigkeit.
Es würde daher sehr schwierig und umständlich sein, die Kurve an dem Oszillographen zu zentrieren und bei einer bestimmten Flüssigkeit konstant zu halten. Auch können die Streuspan-, nungen die Vorrichtung gefährden. Durch das Eurzschlusstück am Ende der Sonde werden diese Schwierigkeiten überwunden und es können Messungen trotz sehr hoher Frequenzen ausgeführt werden.
Als nicht-beschränkendes Ausführungsbeispiel für die Arbeitsweise der Vorrichtung wird nachfolgend die Operation beschrieben bei der Messung der Grenzfläche zwischen zwei Flüssigkeiten in einem Mixer-Settler (Mischer-Absetzgefäss) einer Ex-
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traktionsbatterie in. einer Anlage zur Berarbeitung bzw. Wiedergewinnung nuklearen Brennstoffs.
In dem Gefass (Fig. 2) ist gewöhnlich eine organische Phase 22 vorhanden, welche eine wässrige Phase 21 überlagert. Die Sonde, welche zuvor an das Messinstrument angeschlossen wurde, muss nun geeicht werden. Zu diesem Zweck wird die Sonde an dem Gefasε in einer vorbestimmten Höhe angebracht; insbesondere wird der Abstand zwischen Verbindungsstück 7 und einen Festpunkt an dem Gefäss festgestellt.
Auch das KurzSchlusstück 6 kann als solchees Referenzniveau vorgesehen werden, welches einen scharfen Sprung bzw. Unbeständigkeit des fieflektionsfaktors auf der Kurve des Oszillographen anzeigt und welche leicht messbar ist. Dies gilt aber nicht für alle Flüssigkeiten.
Der Verlauf des Signales längs der Sonde ist in Fig. 3a gezeigt. Ein Peak (Schwingung) zwischen O1 und A1 wird - wie gesagt - durch das Verbindungsstück 7 hervorgerufen.
Der Intervall A±-B1 auf der X-Achse entspricht der Entfernung zwischen Oberseite Medium 22 und Grenzfläche der Medien 22, 21.
Da die Sonde bezüglich Luft geeicht ist, zei«t die AbBKi«se
° w zur
den wirklichen Vertnur, bis zur Stellung A1, also mix bis/. Grenz-
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fläche Luft-organische Phase 22 an. Venn also nur das Niveau der Oberseite der Phase 22 gemessen werden soll, so kann unmittelbar an der Abszisse dieser Wert abgelesen werden, wie ersichtlich. Jenseits dieses Grenzwertes A1 jedoch kann der Abstand nicht mehr unmittelbar gemessen werden, sondern es ist eine Korrektur erforderlich wegen der Änderung der Dielektrizitätskonstanten, und zwar nach folgender Formel:
(1) D
t/T
wobei D^ die in Luft zurückgelegte Strecke ist,
e die Dielektrizitätskonstante des Mediums ist. Die Dielektrizitätskonstante der organischen Phase kann mit der Vorrichtung selbst bestimmt werden. Und zwar nach folgender Formel:
wobei f der Eeflektionsfaktor ist.
Es sei nun eine praktische Messung angegeben insbesondere an Hand der schematischen Fig. 4.
In dem Behälter 20 ist eine wässrige Lösung überlagert von einer organischen Flüssigkeit 22, letztere ist 28 cm dick.
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Die Sonde wird an ein Instrument für Reflektionsmessungen angeschlossen. Eine Strecke von 52 cm ist gemessen worden zwischen dem oberen Spiegel des Mediums 22 und dem oberen Niveau der Flüssigkeit 21. Dieser Wert wird berichtigt mittels der Formel (1), wie zuvor erklärt. Da die Dielektrizitäts konstante der Flüssigkeit 22 unbekannt war, wurde sie bestimmt durch die Reflektionsmessung an dem Bildschirm, nämlich 0.296. Hieraus wurde der Wert j^e errechnet mittels Formel (2), wobei der Wert 1.84 gefunden wurde.
Mittels Formel (1) wird der Abstand bestimmt zwischen dem oberen Niveau des Mediums 22 und der Grenzschicht 22/21,
und zwar auf
Der Fehler von 3 mm zwischen dem wirklichen Wert (28 cm) und dem gemäss der Erfindung bestimmten liegt innerhalb des Messfehlers der Vorrichtung.
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Claims (4)

  1. - 15 Patentansprüche
    Vorrichtung für Niveaumessungen von Flüssigkeiten, insbesondere zur Bestimmung der Grenzflächen zwischen !Flüssigkeiten unterschiedlicher Dielektrizitätskonstanten, mit einer Sonde im wesentlichen aus zwei koaxialen, zylindrischen, starren Leitern mit vertikaler Achse, welche über ein Kabel· angeschlossen ist an ein Instrument für die Messung reflektierter Signale in der Grössenordnung von GHz, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden koaxialen zylindrischen Leiter (2, 3) an ihrem unteren Ende verbunden sind durch ein Kurzschlusselement geringen Widerstandes (6), so dass ein Kurzschluss erhalten wird für elektrochemische Ladungen, welche längs der Leiter auftreten wegen der sie umgebenden Flüssigkeiten.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kurzschlusselement gebildet wird von einem entsprechenden zylindrischen Stöpsel (6) am unteren Ende der Sonde zwischen den beiden koaxialen Leitern (2, 3) aus Metall, mit mehreren zueinander parallelen Bohrungen, durch welche Flüssigkeit beim Entnehmen der Sonde abläuft.
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der äussere zylindrische Leiter (3) mit Perforationen (4), die regelmässig über seinen Umfang verteilt sind, zwischen dem tiefsten und dem höchsten Bereich, die even-
    309010/082 5,
    - 16 tuell von der Sonde gemessen werden soll.
  4. 4. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 3> dadurch gekennzeichnet, dass oberhalb des perforierten Abschnittes des zylindrischen Leiters (3) ein Verschlussglied (5) zum Abschliessen des Baumes zwischen beiden Leitern und zum Zentrieren des inneren Leiters gegenüber dem äusseren Leiter vorgesehen ist.
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DE2242723A 1971-09-04 1972-08-31 Vorrichtung zur Niveamessung Expired DE2242723C2 (de)

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