-
Induktives Inhalts-Fernanzeige-Gerät für Flüssigkeiten Die Erfindung
betrifft ein Inhalts-Fernanzeige-Gerät für Flüssigkeiten aller Art in Behältern
mit Stetiganzeige der Füllhöhe.
-
Inhalts-Anzeige-Geräte sollen mit hinreichender Genauigkeit den Vorrat
und damit den Verbrauch an Flüssigkeit anzeigen, möglichst für alle technischen
Flüssigkeiten geeignet sein, nach einem einfachen, technisch überschaubaren Verfahren
arbeiten, nicht durch äußere Einflüsse gestört werden, für Fernübertragung der Meßwerte
gebaut sein und möglichst keine Verschleißteile aufweisen. Auch die Eichung der
Geräte muß bei jeder Füllhöhe möglich sein.
-
Man hat versucht, die bekannten Schwimmergeräte für Direktanzeige
auch für Fernübertragung einzurichten; dies scheiterte aber daran, daß die vom Schwimmer
aufzubringenden Kräfte für die Betätigung z.B. von Potentiometern, nicht ausreichen.
Auch die erforderlichen Untersetzungsgetriebe verursachen Reibungskräfte, die die
Anzeige verfälschen. Die viel verwendeten pneumatischen Inhaltsanzeigegeräte, die
darauf beruhen, daß mittels einer Handluftpumpe die Flüssigkeit in einem bis zum
Behälterboden reichenden Schlauch verdrängt und der Gleichgewichtsdruck angezeigt
wird, zeigen nur so lange an, wie gepumpt wird. Zur Stetig-Fernanzeige wäre eine
automatische Pumpe erforderlich, die ständig liefe; eine übertragung des Drucks
mittels Schlauchleitung ist wegen des Druckabfalls in der Leitung nur bis zu etwa
15 m möglich; sie scheiden daher auch bei größeren Entfernungen aus.
-
Bekannt sind auch Inhalts-Anzeige-Geräte, die auf kapazitiver Basis
arbeiten, wobei die gegenüber Luft größere Dielektrizitätskonstante der Flüssigkeiten
mit steigender Flüssigkeitssäule stetig wachsende Kapazitätswerte ergibt. Bei einigen
Ausführungen wird von einem Elektrodenstab aus die Kapazität gegenüber dem metallischen
Behälter, bei anderen wieder die Kapazität einer zentralen
Elektrode
gegen einige sie umgebende, parallel laufende Elektroden gemessen und bei einer
weiteren Ausführung die Kapazität eines koaxialen Leiters (Drahtes) in einem Metallschlauch.
-
Die letzte Ausführung hat gegenüber den anderen den Vorteil totaler
Abschirmung gegen Störkapazitäten, aber mit allen anderen den Nachteil, daß solche
kapazitiven Meßsysteme nur bei homogenen Flüssigkeiten zuverlässig arbeiten. Bei
Heizöl und Dieselöl z.B. ergeben sich wegen der unvermeidlichen Kondenswasseranteile
mitunter beträchtliche Fehler, da Öl eine Dielektrizitätskonstante t= 2,2 und Wasser
ein g von 80 bis 88 besitzt und beim Befüllen der Behälter der Kondenswassersumpf
aufgewirbelt wird. Schon sehr geringe Wasseranteile verfälschen daher die Anzeige
erheblich.
-
Bei einer anderen Ausführung werden stegleitungsartige Meßsonden verwendet.
Diese haben neben den genannten Nachteilen den weiteren Mangel, daß die Kapazitäten
äußerst klein sind, da nur die außerhalb der Kunststoff-Ummantelung streuenden Feldlinien
die Flüssigkeit durchdringen und Störkapazitäten daher großen Einfluß haben.
-
Es gibt auch Inhalts-Anzeige-Geräte, die den Flüssigkeitsdruck auf
eine Membran mit aufgeklebtem Dehnungsmeßstreifen erfassen und auswerten. Sie sind
sehr empfindlich und sehr teuer. Weiter sind Inhalts-Anzeige-Geräte bekannt geworden,
die mit Ultraschall arbeiten, wobei die Höhe der Flüssigkeitssäule eine entsprechende
Dämpfung der Schallwellen bewirkt, die von einem Empfänger ausgewertet und in eine
Anzeige umgesetzt werden. Diese Anzeigegeräte sind sehr teuer und nicht bei allen
Medien zu verwenden, da Ultraschall zu Entmischungen oder Zersetzung führen kann.
Auch die mit radioaktiven Strahlen in ähnlicher Weise arbeitenden Geräte sind nur
beschränkt in Industriebetrieben und nur unter besonderen Sicherheitsmaßnahmen einsetzbar,
ebenfalls sehr teuer und nur für Spezialzwecke vorgesehen.
-
Schließlich sind Geräte mit induktiven Gebern bekannt, bei denen der
Weg eines Schwimmers in eine proportionale Spannung umgesetzt wird. Dabei muß für
möglichst reibungsfreie Bewegung gesorgt werden, was bei Flüssigkeiten, z.B. öl,
das zum Verharzen neigen kann,
Schwierigkeiten bereitet oder gar
zum völligen Versagen führen kann. Solche induktive Geber sind sehr teuer und von
einer im allgemeinen nicht erforderlichen Genauigkeit und vor allem für größere
Behälterhöhen nicht erhältlich. Auch sind diese Geber entsprechend der Höhe des
Füllgutes sehr lang und nur bei freistehenden Behältern unterzubringen.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein hinreichend genaues
Gerät zu bauen, das möglichst für alle Flüssigkeiten verwendbar ist, nach einem
leicht überschaubaren Prinzip arbeitet und unabhängig von den elektrischen Eigenschaften
der Flüssigkeit ist, sowie eine Übertragung der Meßwerte über größere Entfernungen
zuläßt. Auch die Eichung der Inhaltsanzeigegeräte, die besonders bei kapazitiven
Geräten große Schwierigkeiten macht und z.T. nur bei leeren Behältern durchgeführt
werden kann, soll einfach und bei jeder Behälterfüllung möglich sein.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch Verwendung des an sich bekannten
Auftriebsprinzips in Verbindung mit einem einfachen induktiven Geber gelöst. Dabei
wird das um den jeweiligen Auftrieb verminderte Gewicht eines schlauchförmigen,
in die Flüssigkeit fast bis zum Boden des Behälters reichenden Auftriebskörpers
über eine Feder ausgewogen und der dadurch hervorgerufene Hub zur Verschiebung eines
Eisenkerns in einer Induktionsspule benutzt. Der Auftriebskörper ist an dem Weicheisenkern
der Spule über einen Federteller an einer Druckfeder reibungsfrei aufgehängt, wobei
der Weicheisenkern über ein nicht magnetisches Material mit dem Federteller verbunden
ist. Der induktive Geber besteht aus einer Spule mit konzentrischer Anordnung der
Erreger- und Geberwicklung, die eine gute magnetische Kopplung bewirkt, während
die Streuflüsse konstant gehalten werden und nur der magnetische Fluß durch den
Kern stetig geändert wird. Dies geschieht in der Weise, daß der Kern nur einen Teilweg
innerhalb der Spule zurücklegt, etwa von Mitte Spule bis kurz vor Spulenende. Würde
der Kern ganz aus der Spule gezogen werden, würde sich der Streufluß ändern und
damit der proportionale Spannwgsswerlauf.
-
Umgekehrt wird das proportionale Verhalten geändert, wenn der Kern
weiter in die Spule eindringt, da dann keine merkliche Vergrößerung des magnetischen
Flusses erreichbar ist.
-
Dieser einfache induktive Geber liefert in dem genannten Hubbereich
des Kerns eine dem Weg proportionale Induktionsspannung (siehe Fig. 2). Die auf
dem Markt angebotenen, sehr genauen Weggeber für solche Zwecke, konnten aus Preisgründen
für das Inhalts-Anzeige-Gerät nicht verwendet werden, da deren Preis ein Vielfaches
des erfindungsgemäßen vollständigen Gerätes beträgt und außerdem wird bei solchen
nur in besonderen Fällen die mögliche hohe Genauigkeit gefordert. Zweck der Erfindung
ist es aber, einen einfachen induktiven Geber zu entwickeln, der den gestellten
Anforderungen genügt. Bei Inhalts-Anzeige-Geräten, die nach dem Auftriebsprinzip
arbeiten, muß Bodenberührung vermieden werden, es ist also eine gewisse Bodenfreiheit
erforderlich, wodurch sich bereits eine Abweichung vom Sollwert ergibt, die größer
ist als die erreichbare Genauigkeit bei käuflichen induktiven Gebern. Auch der zwangsläufig
nötige Hub für einen induktiven Geber verursacht eine weitere Verfälschung der Werte,
darf daher im Hinblick auf die zulässigen Fehler nicht beliebig vergrößert werden,
um etwa ein besseres Auflösungsvermögen zu erhalten. Fehler in der Abbildungsgenauigkeit
bei kleinen Hüben stehen bei größeren Hüben, also besserer Auflösung, den Fehlern
gegenüber, die sich mit dem Verhältnis Hub zu Behälterhöhe zwangsläufig ergeben.
Demzufolge muß der Hub so gewählt werden, daß das Verhältnis Hub zu Behälterhöhe
einen in der Praxis noch zulässigen Fehler und andererseits die Auflösung möglichst
den gleichen Fehler ergibt. Bei solchen Hüben aber genügt die erfindungsgemäße induktive
Anordnung. Die im Geber erzeugte wegproportionale Spannung wird gleichgerichtet,
verstärkt und auf ein getrenntes Anzeigeinstrument, das einige hundert Meter entfernt
sein kann, übertragen. Die Induktionsspule arbeitet mit Netzspannung und weit unterhalb
der Eisensättigung.
-
Die Meßfeder, an der über den Kern der Auftriebskörper aufgehängt
ist, ist so gestaltet, daß seitliches Ausknicken nicht möglich ist. Die erfindungsgemäße
Anordnung ist in der senkrechten
Betriebslage völlig reibungsfrei
und auch beim schnellen Befüllen und Entleeren des Behälters steigt und fällt der
Spiegel so langsam, daß kaum ein seitliches Pendeln auftritt, wobei der Kern in
einer mit viel Spiel versehenen Führung, z.B.
-
aus Teflon, abgefangen wird. Der Auftriebskörper kann ein beidersits
verschlossenes Alu- oder Edelstahlrohr oder ein Kunststoffschlauch sein, der zur
Erreichung der senkrechten Lage z.T. mit Bleischrot oder Stahlkies gefüllt und auf
genaues Gewicht austariert ist. Vorzugsweise wird aber ein kunststoffisolierter,
zusammenrollbarer Stahlgliederschlauch deshalb verwendet, weil starre, lange Rohre
für den Transport zu sperrig sind und manche Behälter in Räumen mit geringer Decken
freiheit stehen und daher starre Rohre gar nicht eingeführt werden könnten.
-
Bei dem erfindungsgemäßen Inhaltsanzeigegerät soll das Verhältnis
von Gewicht des Auftriebskörpers zum Auftrieb in einem gewissen Rahmen bleiben,
damit auch bei vollem Auftrieb, also vollem Behälter, der Auftriebskörper noch so
schwer ist, daß seine senkrechte Lage in der Flüssigkeit gewährleistet ist. Dies
wird dadurch erreicht, daß der max. Auftrieb etwa 30 - 50 % des Auftriebskörpergewichts
beträgt. Damit wird erreicht, daß der Auftriebskörper, der beim Befüllen der Behälter
durch Wirbelbildung aus der senkrechten Lage kommt, sich nach Beruhigung der Flüssigkeit
wieder in die senkrechte Lage einstellt. Eine Erhöhung des Gewichtes des Auftriebskörpers
ist nicht zu empfehlen, da dann - wie die nachstehende Rechnung zeigt - und die
Federcharakteristik-Figur 3, der Hub zu klein wird.
-
Es bedeuten: LO = Länge der Druck feder entspannt fl = Federweg bei
leerem Behälter f2 = Federweg bei vollem Behälter f3 = Federweg = Hub des Auftriebskörpers
zwischen voll und leer = fl - f2 241 = Dichte der Flüssigkeit 6)t2 = mittlere Dichte
des Auftriebskörpers J
A = Auftrieb, G = Gewicht L = Länge des Auftriebskörpers
(= Höhe der Behälterfüllung) d = Durchmesser des Auftriebskörpers 1. A = . L . Ql
2. G = d2,L . L .
-
4 BcL 3. f2 = G-A = /2 -fl G 2 4. fl - f2 = f3 5. fl - f2 =dl fl
6. f3 = fl n Aus Gleichung 6 ergibt sich, daß der Hub f3 umso kleiner wird, je größer
t2 wird./92 vergrößert sich aber bei gleichbleibenden Abmessungen bei Erhöhung des
Gewichts. Der Hub f3 hängt also nur von der Federkonstanten und dem Verhältnis der
Dichten des Mediums und des Auftriebskörpers ab. Aus fertigungstechnischen Gründen
wird das Gewicht des Auftriebskörpers konstant gehalten und immer die gleiche Feder
verwendet. Damit ergeben sich unterschiedliche Hübe f3. Bei den häufig vorkommenden
Flüssigkeiten mit Dichten zwischen o,7 und l,o ergibt sich also eine Hubänderung
f3 = fl . (o,4o - o,55), bei einer angenommenen Dichte von 1,8 des Auftriebskörpers.
So ist es möglich, das Inhalts-Anzeige-Gerät für alle häufig vorkommenden Flüssigkeiten
zu verwenden. Die Anpassung an die unterschiedlichen Hübe erfolgt durch Eichung.
Bei einer bestimmten Flüssigkeit, aber unterschiedlichen Behälterhöhen und gleichem
Durchmesser des Auftriebskörpers wächst der Auftrieb mit der Füllhöhe des Behälters
und das Verhältnis G - A wird kleiner, G was ebenfalls eine Hubhöhenvergrößerung
bewirkt, die wiederum durch Eichung im elektrischen Teil ausgeglichen wird.
-
Die Vorteile der Erfindung liegen in der Anpassung an alle praktisch
vorkommenden Flüssigkeiten, unabhängig von deren Zusammensetzung und elektrischen
Eigenschaften, in der Einfachheit und überschaubarkeit der Konstruktion, in der
Zusammenrollbarkeit für Transport und Einführung in Behälter mit geringer Deckenfreiheit,
der Ungefährlichkeit in explosionsgefährdeten Bereichen, da in der Induktionsspule
mit kleinen Strömen und Spannungen gearbeitet wird und in der verschleißfreien Ausführung
ohne Alterungserscheinungen sowie im Fehlen einer Hysterese. Auch die Störanfälligkeit
ist infolge der wenigen Bauteile minimal, der elektrische Übertragungs- und Verstärkungsteil
einfach, die Eineichung problemlos. Die Übertragung der Meßwerte über größere Entferung
ist gegeben.
-
Ein Vorwiderstand im Erregerstromkreis von einem Vielfachen des Spulenwiderstandes
verhindert einen Temperaturgang.
-
Beschreibung: Die Fig. 1 stellt ein schematisches Beispiel des erfindungsgemäßen
Inhaltsanzeige-Gerätes bei vollem Behälter im Schnitt dar. Die Fig. 2 zeigt die
Abhängigkeit der Geberspannung vom Hub, der Feder und des Auftriebskörpers, Fig.
3 die Feder-Charakteristik.
-
In der Fig. 1 ist z.B. der oben und unten geschlossene Auftriebskörper
1 in Form eines mit einem gefrierfesten Glyzerin-Wasser-Gemisch z.T. gefüllten Schlauches,
der zur Austarierung und Beschwerung unten Bleischrot oder Stahlkies 3 enthält,
über einen Weicheisenkern 4, ein nichtmagnetisches Zwischenstück 5, den Federteller
6 an der Druckfeder 7 aufgehängt. Die Feder 7 umfaßt die Induktionsspule 8 mit der
Erregerwicklung 9 und der Geberwicklung lo. Infolge des Auftriebs nimmt der Auftriebskörper
1 und damit der Kern 4 die dargestellte Lage bei gefülltem Behälter ein. Der Kern
befindet sich mit seinem oberen Ende in der Stellung V etwa zur Hälfte in der Spule
8. Mit der Entleerung des Behälters wird der Auftrieb immer geringer und bei leerem
Behälter ist der Auftriebskörper 1 um den Hub h gesunken und der Kern befindet sich
in der Stellung L. Eine kleine Bodenfreiheita h muß noch vorhanden sein, da der
Auftriebskörper sonst nicht durch die Feder 7 ausgewogen werden könnte. Die Erregerwicklung
9 mit den Zuleitungen 11 und 12 wird mit Netzspannung betrieben und erzeugt in der
konzentrischen Geberwicklung lo mit den Anschlüssen 13 und 14 eine Induktions-Wechselspannung,
die in einem gewissen Bereich proportional dem Hub ist. Voraussetzung ist, daß der
Kern etwa zur Hälfte eintaucht und auch bei leerem Behälter noch mit einem Ende
innerhalb der Spule steht.
-
Andernfalls, wie Fig. 2 zeigt, verläuft die Spannung als Funktion
des Hubes nicht mehr linear, da beim Austauchen des Kerns der Streufluß größer wird,
bei zu tiefem Eindringen aber keine wesentliche Spannungserhöhung mehr möglich ist.
In diesem Bereich sind die Streuflüsse konstant. Die elektrischen Daten sind so
bemessen, daß wesentlich unterhalb der Eisensättigung
gearbeitet
wird. Die Geberspannung wird in nicht dargestellter Weise gleichgerichtet und verstärkt
auf das Fern-Anzeige-Gerät übertragen. Die Feder 7 ist ausknicksicher und das Material
weit unterhalb der Streckgrenze beansprucht, um Genauigkeit und Lebensdauer ohne
Ermüdung zu gewährleisten.
-
Um bei Verwendung von Kunststoffschlauch als Auftriebskörper eine
Verformung durch den äußeren Flüssigkeitsdruck zu verhindern, ist er bis zur wirksamen
Länge mit einem gefrierfesten Glyzerin-Wasser-Gemisch gefüllt, da im Freien stehende
Behälter im Winter tiefen Temperaturen ausgesetzt sind, und unten mit Bleischrot
oder Stahlkies beschwert. Damit wird das senkrechte Hängen gewährleistet und das
erforderliche Gewicht je nach der Dichte der Flüssigkeit erreicht. Der freie Luftraum
über dem Gemisch ermöglicht das Zusammenrollen des Schlauches für den Transport
und die Einführung des Auftriebskörpers im Behälternmit geringer Deckenfreiheit
z.B. bei Kellertanks. Der Höhenverlust h isc so bemessen, daß die Ist-Anzeige nur
wenig vom Sollwert abweicht. Bei vollem Behälter ist die Abweichung h + A h, bei
leerem BehälterOh, d.h. daß der Anzeigefehler bei Teilfüllung nahezu gleich bleibt.
-
Bei Verwendung von kunststoffüberzogenen Stahlgliederschläuchen als
Auftriebskörper gemäß der Erfindung ist eine Glyzerin-Wasser-Füllung entbehrlich,
da der äußere Flüssigkeitsdruck keine Deformation verursacht. Der Auftriebskörper
hängt völlig reibungsfrei an der Feder, so daß keine Störkräfte die Anzeige beeinflussen.
Der Vorwiderstand 15 der Erregerwicklung beträgt ein Vielfaches des Spulenwiderstandes,
so daß praktisch kein Temperaturgang auftritt.