DE2242723C2 - Vorrichtung zur Niveamessung - Google Patents

Vorrichtung zur Niveamessung

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DE2242723C2
DE2242723C2 DE2242723A DE2242723A DE2242723C2 DE 2242723 C2 DE2242723 C2 DE 2242723C2 DE 2242723 A DE2242723 A DE 2242723A DE 2242723 A DE2242723 A DE 2242723A DE 2242723 C2 DE2242723 C2 DE 2242723C2
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Massimiliano Dipl.-Ing. Dr. Roma Carolis
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Agenzia Nazionale per le Nuove Tecnologie lEnergia e lo Sviluppo Economico Sostenibile ENEA
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Comitato Nazionale per lEnergia Nucleare CNEN
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F23/00—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
    • 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

a) die beider» Leiter (2,3) der Sonde sind an ihren ι unteren Enden durch ein Kurzschlußstück miteinander verbunden;
b) eine Meßeinrichtung zur Bestimmung des Reflexionsfaktors zur Ermittlung der Dielektn zitätskonstante £ ist an den Eingang (7) der Sonde angeschlossen:
c) eine Einrichtung zur Impulslaufzeit-Messung für die Bestimmung der Dicke des Meßmedium> ist mit dem Eingang (7) der Sonde verbunden
2. Vorrichtung nach Anspruch !.dadurch gekenn zeichnet, daß das Kurzschlußstück durch eine." zylindrischen stopfen (6) gebildet ist. welcher mehrere zueinandc, parallele Bohrungen aufweist
3. Vorriciuung nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß !er äuC re zylindrische Leiter (3) regelmäßig über seinen Umfang verteilte Perfonerungen (4) aufweist
4. Vorrichtung nach Anspruch i, dadurch geken: zeichnet, daß oberhalb des perforierten Abschnitte^ des äußeren Leiters (3) ein Verschlußglied zum Abschließen des Räume·- /wischen den beider: Leitern und zjm Zentrieren <le>> inneren Leiters gegenüber dem äußeren Leiter vorgesehen is;
Die Erfindung betrifl; eine Vorrichtung ';,■ Vvea.. messung gemäß dem Oberbegriff des l'a'rni.irispruc1· 1.
Eine Vorrichtung zur Niveaumessung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs I ist au«, tier IS PS 13 439 bekannt, die sich allerdings mehl zur Niveaumessung bei Flüssigkeiten eignet Mit der bekannten Vorrichtung wird die Einhaltung eines vorbestimmten Niveaus von Feststoffen liberwach;
Der I rfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vcrriihiung drr eingangs genannten Art zu schaffen, mit welcher durch Eintauchen der Sonde in f lussigkei ten das Niveau von Flüssigkeiten feststellbar ist und mit der insbesondere die Niveaumessung bei unterschiede chen Flüssigkeiten möglich ist. ohne daß eine Nacheichung erforderlich wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Vorrichtung zur Niveaumessung weist ein "JCUrüschtußstuclc aufrweichercHe■bcidenJL·citcr miteinander verbindet und auf diese Weise eine Nacheichung überflüssig macht, wenn an unterschiedlichen Arten von Flüssigkeiten Niveaumessungen ausgeführt werden sollen Du Niveaumessiingcn werden dadurch ermog lichi. dal! zur liiipuKlaiifzeu-Messung elektrische Impulse erzeug' werden, die aufgrund einer Änderung der Dielekiriziiaiskonstante im Medium reflektiert werden. Zur Bestimmung des Reflexionsfaktors ist eine Meßeinrichtung vorgesehen, die zur Ermittlung der Dielektrizitätskonstante dient und an den Lingang tier Sonde angeschlossen ist.
Mit der Vorrichtung ist die Bestimmung der Höhenlage der Grenzfläche zwischen zwei Flüssigkeiten, d- h. zwischen zwei Flüssigkeiten mit unterschiedlichen Dielektrizitätskonstanten möglich. Die Messungen können sowohl an organischen als auch an anorganischen Flüssigkeiten vorgenommen werden sowie bei stationären Flüssigkeiten in einem Behälter und bei fließenden Flüssigkeiten in einem Kanal oder einer Rohrleitung.
Im folgenden wird die Vorrichtung zur Niveaumessung von Grenzflächen zwischen Flüssigkeiten anhand der Zeichnung näher criauier L. Es zeigt
F i g. 1 eine Seitenansicht der Vorrichtung, teilweise in Längsschnittansicht.
Fig la eine Schnittansicht enilang der Linie I-l in Fig.l.
Fi g 2 eine schcmatisthe D.ir.:elliu.£ eines Behälters mit zwei übereinanderliegenden verschiedenen Flüssigkeiten, nämlich einer wäßrigen Pha-e. die von einer organischer Phase überlagert ist.
Fi e 3 eine auf einem Oszillographen erscheinende Kurve eines Signals wenn sich de. Widersland entlang des Meßkabels nuh: ander:.
Fig. 3a eine Kurve bei π den Behälter nach F t g. 2 eingetauchter Meßsonde. u"d
Fi a. 4 cine schematise!.· Dar' teilung eines entsprechender· Diagramms tür c!i. Flüsigkeiten im Behälter nach ( ι g 2
Y \ £ I zeigt eine Vorrichtung mr Niveaumessung von Grenzflächen zwischen Flu· sigkciie- Die Vorrichtung enthalt einen zylindrischen leiter 2 vorzugsweise aus rostfreiem Stahl /ir Vor«,. r.K.ii! m Mauren Der Leitei κ'..^..in.·:!, /vi'.J" isehen Leiter 3. .· ι·· S' ' . :.i'c"oii. Der l.enei J ist
i is: vor ein·"·*;
ebenfalls aus r im'i .
per'oi:er! so .:.i ' ,
Raum /wischen !e
und sich iniierr.···
wie außerhalb ,icssci">
Der Leiter 1 ·λ· ζ
oberen Lndt vorgese
. · ·.· ;de I lussiekei! 'ei iri dev ic·, ;.c:'o-ii 2, 3 eintreten kan' ·.· \ ex glevhe Flüssigkeit : c lid·:ι
er, Leiter 3 mittels eines am lien«.η keramischen Ringes oder
dergleichen zentriert, wobei in f- . g 2 nur der Sitz 5 für diesen Ring gezeigt ist Dieser Ring stellt gleichzeitig „■ine Flüssigkeit* und gasdichte Dichtung dar.
Am unteren Ende der Leiter 2. 3 ist ein Kur/schlußstuck vorgesehen, welches aus einem perforierten Stopfen 6 aus rostfreiem Stahl besteht Der Stopfen hat die Form einps zylindrischen Ringes oder Blockes, dessen innerer Durchmesser dem Leiter 2 und dessen äußerer Durchmesser dem Leiter 3 entspricht, so daß der Stopfen 6 den Boden unten abschließt. Ein Kranz vcriikiiler Bohrungen 6 entlang längs eines Kreises ist in dem Stopfen 6 ausgebildet. Durch diese Bohrungen 6' läuft die gesamte Flüssigkeil nach unten aus, wenn die Sonde aus einem Behälter mit zu messenden Flüssigkeiten 21,22 herausgezogen wird.
Durch den Stopfen 6 als Kurzschlußstück ist die
Verwendung der-Vorrichtung-sowohlän. organischen.
wie in anorganischen Flüssigkeiten möglich, da das Kurzschlußstück eine Beeinflussung der Vorrichtung durch elektrische Ladungen innerhalb der zu messenden
60
Flüssigkeiten ausschließt und außerdem keine neuen Eichungen bei Messungen in verschiedenen Flüssigku ten. d. h. bei Änderung der Flüssigkeiten, erforderlich sind
Die Vorrichtung ist über ein Koaxialkabel 1 an ein Instrument zur Messung des Reflexionsfaktors hochfre quenter Signale im GHz-Bereich angeschlossen.
Die Abmessungen des Koaxialkabels 1 und der Sonde sind derart gewählt, daß das Koaxialkabel 1 und die Sonde bei einem gegebenen Dielektrikum, beispielsweise Polyäthylen bezüglich des Koaxialkabels 1 und beispielsweise Luft bezüglich der Sonde, die gleiche Impedanz haben.
Das Koaxialkabel 1 wird mittels eines Kupplungsstükkes 7 an die Sonde angeschlossen, wobei eine letzte Impedanzänderung an dem Punkt der Verbindung zwischen den homogenen Leitern des Koaxialkabels 1 und der Sonde vorliegt Tatsächlich wird das Kupplungsstück 7 immer eine leichte Widerstandsänderung mit sich hnngen.
Das reflektierte Signal erhält man beispielsweise mittels eines Oszilloskops. Am Schirm der Kathodenstrahlröhre des Oszilloskops wird der Reflexionsfaktor entlang der Ordinate abgelesen Zu diesem Zweck wird das Oszilloskop so geeicht, daß eine Strecke von IO cm auf der Ordinate einer Einheit des Reflexionsfaktors entspricht. An der Abszisse kann die Zeitspanne abgelesen werden zwischen dem Moment, an welchem das Signal erzeugt wird und dem Moment an welchem das reflektierte Signal ankommt
Da die Geschwindigkeit des Impulses (in Luft jji.ich 300 000 km pro Sekunde) bekannt is:, kann die zurückgelegte Strecke entsprechend der Zeitspanne bestimmt werden. Daher kann die X-Achse fur die Entfernungen geeicht werden
Der Verlauf des Signals am Bildschirm bei völligem Eintauchen bzw bei völliger Umgebung mit Luft ist in F ι g. 3 dargestellt. Auf der Abszisse erscheinen die Entfer unper. von dem Punkt O. von dem die Signale herrühre, bis zum Punkt C. wo das Kurzschlußsignal lokdlisu.-n wird.
I)ic r·'. :rve nach f- ι g. 3 zeigt eine kleine Unstetigkeit (M) '):o·.· ■ L'ibt sich infolge der relativ geringfügiger W iii(TX-jt Wanderung an dem Kupplungsstück 7. Diese l'nvt :ii?k ·ι· <V'zeigt die Fntfei.iung zwischen Signalge bc 'inJ K;ipplungsstück 7
Vor und nach diesem Peak M erscheint derselbe Wert, weil wegen der gewählten besonderen Abmes sungen die gleiche Impedanz vorliegt am Koaxialkabel 1 einerseits und an der Sonde andererseits, obwohl als Isolierung fur die Le.ter des Koaxialkabels 1 Polyäthy len vorgesehen ist, während die Leiter der Sonde durch Luft voneinander isoliert sind.
Ohne Kurzschlußstück 6 würde die Funktion der Vorrichtung gestört sein und es wüiden sich Fehlmessungen ergehen, wenn die Sonde in ionische Flüssigkeiten eingetaucht wird, da Spannungsdifferenzen zwi sehen den beiden getrennten Teilen der Vorrichtung, d h dem leiter 2 und dem Leiter 3. auftreten würden. Solche Spannungen (Streuspannungen) erscheinen völlig unbeständig und zufällig bzw. unwiderholbar. Im Versuch haben sich Meßwerte solcher Spannungen zwischen Null und einigen zehn Millivolt ergeben.
Bevor eir stetiger Wert erreicht wird, können Spitzenwerte bis zu einigen 100 Millivolt durch Streuspannungen auftrn'.en. Eine Verschieburig*3er Abszisse der Kurve auf dem Bildschirm wäre die Folge solcher Streuspannungen. Die Größe bzw. das Ausmaß solcher Verschiebungen andeit sich mn der Änderung der Streu^pannungen selbst, also mn jeder zu messenden Flüssigkeit Es ware daher sehr schwierig und umständlich, die Kurve aul dem Oszillographen, zu zentrieren und bei einer bestimmten Flüssigkeit konstant zu halten. Darüber hinaus wurden rfit Streuspannungen die Vorrichtung gefährden. Durch das Kurzschlufisiuck 6 am Ende der Sonde werden diese Schwierigkeiten beseitigt und es können Messungen mit sehr hohen Frequenzen ausgeführt werden.
Im folgenden wird als Beispiel die Arbeitsweise der Vorrichtung bei der Messung der Grenzfläche zwischen zwei Flüssigkeiten in einem Mischer-Absetzgefäß einer ^traktionsbatterie in einer Anlage zur Bearbeitung bzw. Wiedergewinnung nuklearer Brennstoffe beschrieben:
In dem Gefäß (F i g. 2) ist gewöhnlich eine organische Phase 22 vorhanden, welche eine wäßrige Phase 21 überlagert Die Sonde, welche zuvor an das Meßinstrument angeschlossen wurde, mut .mn geeicht werden. Zu diesem Zweck wird die Sonde in uem Gefäß in einer vorbestimmten Höhe angebracht, insbesondere wird der Abstand zwischen dem Kupplungsstück 7 und einem Festpunkt an dem Gefäß festgestellt Das Kurzschlußstuck 6 kann ebenfalls den Referenzwert festlegen, vorausgesetzt, daß es eine starke Änderung des Reflexionsfaktors auf der Kurve des Oszillographen anzeigt welche leicht meßbar is'. Dies gilt aber nicht für alle Flüssigkeiten
Der Verlauf des Signals längs der Sonde ist in F i g. 3a gezeigt. Ein Peak zwischen O und A wird durch das Kupplungsstück 7 hervorgerufen. Das Intervall A-B auf der X-Achse entspricht der Entfernung zwischen Oberseite Medium 22 und Grenzfläche der Medien 22, 21.
Da die Sonde bezuglich Luft geeicht ist. zeigt die Abszisse den wirklichen Wert nuf bis zur Stellung A. also nur bis zur Grenzfläche zwischen LuIt und organischer Phase 22 Wenn also nur das Niveau der Oberseite der Phase 22 gemessen werden soll, so kann unmittelbar an der Abszisse dieser Wer; abgelesen werden jenseits dieses Grenzwertes A kann jedoch der Abstand nitht mehr unmittelbar gemessen werden, sondern es ist eine Korrektur erforderlich wegen der Änderung der Dielektrizitätskonstanten, und zwar nach folgender Formel
D '
(I ι
wobei
Da die in Luft zurückgelegte Strecke ist.
f die Dielektrizitätskonstante des Medium? ist
Die Dielektrizitätskonstante der organischen Phase kann mit der Vorrichtung nach folgender Formel bestimmt werden
^ ) ■
+ P J
wobei
Q der Reflexionsfaktor ist
Unter Bezugnahme auf Fig.4 wird eine praktische Messung erläutert:
In dem Behälter 20 ist eine wäßrige Lösung überlagert von einer organischen Flüssigkeit 22. letzlere ist 28 cm dick. Die Sonde wird an ein Instrument für RcflcxKjrisinessungen angeschlossen. Eine Strecke von 52 cm ist gemessen worden zwischen dem oberen Niveau des Mediums 22 und dem oberen Niveau der Flüssigkeit 21. Dieser Wert wird berichtigt mittels der Formel (I). Da die Dielektrizitätskonstante der Flüssigkeit 22 unbekannt war. wird sie bestimmt durch die Reflexionsmessung und am Bildschirm abgelesen, nämlich 0,296. Hieraus wird der Wert \ίε errechnet mittels Formel (2), wobei der Wert 1,84 gefunden wurde. Mittels Formel (I) wird der Abstand bestimmt zwischen dem oberen Niveau des Mediums 22 und der Grenzschicht 22/21,und zwarzu
52
1.84
= 28,3
Der Fehler von 3 mm zwischen dem wirklichen Wert (28 cm) und dem durch die Vorrichtung bestimmten Wert liegt innerhalb des Meßfehlers der Vorrichtung.
I licr/.u 3 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Ntveaumessung von Gren/ila chen zwischen Flüssigkeiten in einem Behälter, mit einer Sonde aus zwei koaxial zueinander angeordne ten zylindrischen Leitern, die vertikal im Behalte; angeordnet sind, mit einem an die Oberseite der Sonde angeschlossenen Koaxialkabel zur Messung welches mit einem Signalgenerator zur Erzeugung von Signalen im Frequenz-Bereich von GHz verbunden ist, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:
DE2242723A 1971-09-04 1972-08-31 Vorrichtung zur Niveamessung Expired DE2242723C2 (de)

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