DE2450790A1 - Detektor zur feststellung der standhoehe eines fluessigen metallbades - Google Patents

Description

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HÖGER - STELLRECHT - GRIESS3ACH - HAECKER

PAVJNT^NWi.tE IN STUTTGART

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21. Oktober 1974

Mine Safety Appliances.Company 400 Penn Center Boulevard Pittsburgh, Pa. 15 235 / USA

Detektor zur Feststellung der Standhöhe eines flüssigen Metallbades

Die Erfindung bezieht sich auf einen Detektor zur Feststellung der Standhöhe eines flüssigen Metallbades und benutzt zwei ständig miteinander gekoppelte Induktivitäten, die aus zwei spiralig oder schraubenförmig auf einen langen röhrenförmigen Trägerkörper gewickelten Spulen gebildet sind. Die eine Spule ist dabei mit einer Wechselstromversorgungsspannung verbunden, während von der anderen oder Sekundärspule eine von der ersten Primärspule induzierte Spannung abgenommen wird. nie Gegenwart des umgebenden Metallbades verändert die Kopplung zwischen den beiden Spulen und beeinflußt auf diese Weise die elektromotorische Kraft oder das Potential über der zweiten sekundären

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Spule. Selbstverständlich ist es erwünscht, daß dieses Potential eine lineare Funktion ausschließlich der Flüssigkeitstandhöhe ist"; in der Praxis ist'diese an der Sekundärspule abgenommen Spannung jedoch nicht linear innerhalb der gewünschten Grenzwerte, außerdem gleichzeitig auch noch eine Funktion der Temperatur. Es sind bisher schon verschiedene Möglichkeiten zur Temperaturkompensation ergriffen,worden, beispielsweise indem identische, kompensierende Induktivitäten verwendet worden sind, die der gleichen Temperatur unterworfen wurden oder indem eine die Temperatur abtastende Hilfsschaltung verwendet wurde, um das Ausgangssignal zu korrigieren. Es versteht sich jedoch, daß ein solches Vorgehen die Kosten und den umständlichen Aufbau und Einbau einer solchen Anordnung beträchtlich vergrößern.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde-, eine Vorrichtung oder einen Detektor zur Feststellung der Standhöhe eines flüssigen Metallbades zu schaffen, der keine getrennten Systeme zur Temperaturkompensation benötigt und ein absolut lineares Ausgangssignal ausschließlich der Standhöhe zur Verfügung stellen kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung aus von dem eingangs genannten Detektor und besteht erfindungsgemäß darin, daß zwei miteinander induktiv gekoppelte Spulen vorgesehen sind, deren Kopplung von der Gegenwart des umgebenden Metallbades verändert wird, daß eine mit der einen der Spulen verbundene Wechselstromquelle vorgesehen ist und von dieser ersten Spule ein erstes sich als Funkton der Spannung über dieser Spule veränderndes Signal (T_) und über der anderen Spule ein zweites, sich als Funktion der Metallbadhöhe (L) veränderndes Signal (L^) gewonnen werden, die einer Verknüpfungsschaltung in der Weise zugeführt werden, daß durch elektronische Synthetisierung ein der Flüssigkeitsstandhöhe proportionales Ausgangssignal ge-

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wonnen wird, welches eine nichtlineare Punktion der Amplituden des ersten und zweiten Signals (Temperatursignal T₅, Standhöhensignal L) ist.

Erfindungsgemäß v/ird also ein induktiver Standhöhensensor für ein Metallbad geschaffen, der keine Kompensationsspulen oder Hilfseinrichtungen oder Hilfsschaltungen zur Temperäturabtastung benötigt. Im Gegenteil gelingt es nämlich, die Induktivität des Sensors so zu gestalten, daß sie als ihr eigener Temperatursensor arbeitet. Dies ist deshalb möglich, da Sensoren für Flüssigkeitsstandhöhen aufgrund der ihnen eigenen Natur nur sehr niedrige Induktivitäten aufweisen. Tatsächlich führt der geringe Durchmesser und der hochwiderstandstemperaturfeste Draht, der für solche Induktivitäten verwendet werden muß,dazu, daß sich ein sehr hoher Widerstand, verglichen mit der induktiven Reaktanz, bei solchen Sensoren ergibt. Dies führt so weit, daß die Induktivität auch als ein aus Draht gewickelter Widerstand angesehen werden kann. Indem eine Spule aus einem hochtemperaturfesten Draht gewickelt wird, der einen nennenswerten Temperaturgang oder einen beträchtlichen spezifischen Temperaturkoeffizienten aufweist, läßt sich die gleiche Spule auch als Temperaturmeßgerät verwenden. Eine lineare Beziehung zwischen dem spezifischen Widerstand oder dem Widerstand allgemein und der Temperatur ist nicht erforderlich,da die Erfindung Mittel vorsieht, um die Temperatur- und Standhöhensignale getrennt zu verarbeiten, so daß Nichtlinearitäten und Temperatureinflüsse korrigiert werden können.

Weitere Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche und in diesen niedergelegt.

Im folgenden v/erden Aufbau und Wirkungseise eines Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren im einzelnen näher erläutert. Dabei zeigen:

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Figur 1 In einer seitlichen Darstellung einen typischen Standhöhenanzeiger für ein flüssiges Metallbad, gebildet aus kontinuierlich gekoppelten Induktivitäten,

Figur IA zeigt einen vergrößerten Ausschnitt mit

teilweise weggebrochenen Teilen des dualen Spulenaufbaus der Sonde oder des Tastgebers der Figur 1,

Figur 2 zeigt eine der Darstellung der Figur 1 äquivalente Schaltungsdarstellung,

Figur 3 zeigt als schematisches Schaltbild eine Schaltungsanordnung zur Korrektur der Temperatur und sonstiger nichtlinearer Einflüsse mit Hilfe analoger Verarbeitungstebhniken und

Figur 4 zeigt ein Schaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels zur Korrektur von Nichtlinearitäten und Temperatureinflüssen.

Wie die Zeichnung und insbesondere die Figuren 1 und IA zeigen, ist ein Tank oder Behälter 10 teilweise mit einem flüssigen Metallbad 12 bis zur Höhe L angefüllt. In das Metallbad 12 hinein erstreckt sich ein Tastgeberoder eine Sonde 14, die von geeigneten, nicht dargestellten Mitteln getragen ist. Wie der Figur IA entnommen werden kann, besteht die Sonde 14 aus einom Kern 16, um den ein Paar induktiver Spulen oder Spulenwicklungen und 20 herumgewickelt sind. Bei dem speziellen Ausführungnbeispiel der Figur IA weist die innere Spule 20 einen kleineren Durchmesser auf als die äußere'Spule 18, die beiden Spulen können

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jedoch auch ineinandergreifen, und zwar über eine solche Länge, wie sie induktiv miteinander gekoppelt sind, über Zuleitungen 22 und 24 (Figur 1) sind die beiden Spulen 18 und 20 mit noch zu beschreibenden Treiber- und Anzeigeschaltungen 26 verbunden.

In Figur 2 ist nun dargestellt, wie die beiden Spulen 18 und 20 in Reihe mit Widerständen 28 und 30 geschaltet sind, die die den Spulen eigenen Widerstände umfassen. Die Spule 18 ist aus einem Material hergestellt, welches einen hohen Temperaturkoeffizienten des spezifischen Widerstandes aufweist und ist mit der Sekundärwicklung 32 eines Transformators 34 verbunden. Die Primärwicklung 36 dieses Transformators 34 ist an den Ausgang eines Operationsverstärkers 38 angeschlossen. Der eine Eingang des Operationsverstärkers 38 ist mit einer Wechselspannungsquelle 40, der andere Eingang ist zusammen mit dem unteren Anschluss der Primärwicklung 36 des Transformators 34 über einen Widerstand 42 mit Masse verbunden. Die Sekundärwicklung 2O der Sonde 14 liegt an beiden Eingängen eines zweiten Operationsverstärkers 44.

Der erste Operationsverstärker 38, der den Stromabtastenden Shunt oder Parallelwiderstand 42 als Rückführelement verwendet, arbeitet als Konstantstromquelle für den hochfrequenten Wechselstrom. Das heißt mit anderen Worten, daß der die Primärwicklung 18 der Sonde 14 zugeführte Strom über den Arbeitsbereich gesehen unabhängig von ihrer Impedanz ist. Die Primärwicklung 18 ist dabei dargestellt in der Form, daß sie zwei Anschlußsätze aufweist , nämlich einmal Stromanschlüsse c und Potential- oder Spannungsanschlüsse p. Das Potential über den Potentialanschlüssen ρ ist eine Funktion der Spulenimpedanz und wird von einem geeigneten Detektor 43 in ein Gleichstroms.!gnal umgewandelt. Der Ausgang des Detektors 4 3 bildet ein Temperatursignal T_o. Es ist eine bekannte Tatsache, daß die Primärwicklung eines Sensors oder einer Sonde dieser Art weitgehend ohmisch ist,

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insbesondere wenn kein Magnetkern verwendet wird. So ist in dieser Hinsicht ein Widerstand/Reaktanzverhältnis von 700 : 1 gemessen worden. Wenn dies der Fall ist, dann ist das Potential über der Primärwicklung 18 nahezu gleich dem öhmschen Spannungsabfall über dem mit dem Bezugszeichen 28 bezeichneten Spulenwiderstand. Wenn dieser Spulenwiderstand seinerseits nun, wie schon erwähnt, einen hohen spezifischen Temperaturwiderstandskoeffizienten aufweist, dann ist dieser Spannungsabfall gleichzeitig auch eine Funktion der Spulentemperatur. Aufgrund der Erregung mittels einer Konstantstromquelle werden die primären Amperewindungen durch diese Widerstandsänderung nicht beeinflußt. Die sekundäre Windung oder Wicklung 20 blockiert nun den großen öhmschen Spannungsabfall an der Primärspule und überträgt lediglich die kleine quadratische Spannung, die eine Funktion der Standhöhe der metallischen Flüssigkeit in dem Bad ist. Da der Operationsverstärker 44 in der Weise geschaltet ist, daß er als Detektor mit hoher Eingangsimpedanz arbeitet,wird der Abschwächeffekt des sekundären Spulenwiderstandes R stark reduziert. Von einem weiteren Detektor 45 wird der Ausgang des Operationsverstärkers 44 in ein Gleichstromsignal umgewandelt; dieser zweite Detektor 45 besteht ebenfalls aus einem Operationsverstärker> einem phasenempfindlichem Detektor oder einem sonstigen geeigneten Schaltungselement. Der Ausgang des Detektors 45 stellt das unkompensierte Standhöhensignal L der Flüssigkeit dar.

Signale von solchen induktiven Sensoren werden üblicherweise mit Hilfe eines elektronischen Verstärkers verarbeitet, der eine lineare übertragungsfunktion hat. In diesem Falle ist jedoch das verarbeitete Ausgangssignal eine nichtlineare Funktion zweier Eingangsvariabler, des Temperatursignals T und des Standhöhensignals L . Die nichtlineare l'bertragungsfunktion

f (T , L) kann elektronisch synthetisiert werden, also zu-

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sammengesetzt werden entweder digital, indem die beiden er-

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wähnten Signale T und L in digitale Signale umgewandelt werden oder durch eine analoge Signalverarbeitung.

Analoge Systeme zur elektronischen Zusammensetzung der nichtlinearen Übertragungsfunktion sind in den Figuren 3 und 4 ge- · zeigt. In der Schaltung der Figur 3 werden die erwähnten Temperatur- und Standhöhensignale T und L über Leitungen 46 und 48 an Potentiometer P₂ und P₃ angelegt; die gleichen Signale werden in Multiplizierschaltungen Xl, X2, X3 und X4 multipliziert. Die Ausgänge der Multiplizierschaltungen sind ihrer- seits an Potentiometer P4, P5, P6 und P7 angelegt. Mit einem Potentiometer Pl ist eine Batterie 58 oder eine sonstige ähnliche Quelle für Gleichstrom verbunden; die Abgriffe sämtlicher Potentiometer Pl - P7 werden einem Summierverstärker 6O zugeführt, dessen Ausgang eine nichtlineare übertragungsfunktion f(T ,L ) bildet. Mit der Schaltung der Figur 3 läßt sich die übertragungsfunktion wie folgt festlegen:

^{f {T}s 'V ^=Cl^+C2^Ls^+C3^Ts^+C4^Ls^2+C5^Ts^2+C6^Ls^Ts^+C7^Ls^2rrs '' '

Die Anzahl der benötigten Betriffe oder Terme hängt von dem gewünschten Korrekturwert ab. Die Potentiometer Pl - P? und die ihnen zugeordneten Widerstände bestimmen den Wert der Koeffizienten Cl - C7 in der vorhergehenden Gleichung. Bei der Eichung werden die Signale T und L gemessen und tabellenmäßig über den gewünschten Temperaturarbeitsbereich festgelegt. Dabei wird das Temperatursignal T aufgezeichnet und nicht die tatsächliche Temperatur. Auf diese Weise läßt sich jede Nichtlinearität der Temperaturmessung herauseichen. Diese Daten werden dann, mit Hilfe eines digitalen Rechners weiterverarbeitet, der bekannte Kurvenanpassungstechniken verwendet, um die Werte der Koeffizienten Cl - C7 zu berechnen und festzulegen. Die Potentiometer Pl - P7 werden dann entsprechend

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diesen Werten eingestellt.

Die Schaltung der Figur 3 kann beträchtlich vereinfacht werden und wird lediglich zur Darstellung verwendet. Sind beispielsweise nur 6 Terme erforderlich, dann läßt sich die übertragungsfunktion so erneut ordnen, daß lediglich eine Multiplizierschaltung benötigt wird. Dies ist in der Schaltung der Figur gezeigt, bei welcher die Abgriffe der Potentiometer Pl und P3 dem Eingang eines Summierverstärkers 62 zugeführt v/erden, während die Abgriffe der Potentiometer P4 bis P6 den¹ Eingang eines Summierverstärkers 64 zugeführt sind. Die Ausgänge der beiden Summierverstärker 62 und 64 werden dann in der Multiplizierschaltung 66 multipliziert zur Erzeugung der gewünschten übertragungsfunktion in Übereinstimmung mit der Gleichung;

^f(Ts,^Ls^{)= (A}1 ^{+ A}2^Ts ^{+ A}3^Ls^{} (B}1 ^{+ B}2^Ts ^{+ B}3^Ls>

Wo eine größere Genauigkeit oder andere Umstände in Betracht gezogen werden müssen, können die Signale T und L auch in eine digitale Form umgewandelt und dann,wie erwähnt, mit Hilfe eines digitalen Rechners weiterverarbeitet v/erden. Es versteht sich auch, daß ein solches Verfahren nicht nur auf die beiden Variablen T und L beschränkt zu werden brauchen. Beispiels-

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v/eise kann auch eine dritte Variable t, die die Zeit darstellt, verwendet werden, um zeitabhängige Effekte zu korrigieren und zu kompensieren.

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Claims (6)

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   Patentansprüche

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   1.) Detektor zur Feststellung der Standhöhe eines flüssigen Metallbades, dadurch gekennzeichnet, daß zwei miteinander induktiv gekoppelte Spulen (18,20) vorgesehen sind, deren Kopplung von der Gegenwart des umgebenden Metallbades verändert wird, daß eine mit der einen der Spulen (18) verbundene Wechselstromquelle (40,38,34) vorgesehen ist und von dieser ersten Spule (18) ein erstes sich als Funktion der Spannung über dieser Spule veränderndes Signal (T ) und über der anderen Spule (20) ein zweites, sich als Funktion der Metallbadhöhe (L) veränderndes Signal (L_n) gewonnen werden,.die einer Verknüpfungsschaltung in der Weise zugeführt werden, daß durch elektronische Synthetisierung ein der Flüssigkeitsstandhöhe proportionales Ausgangssignal gewonnen wird, welches eine nichtlineare Funktion der Amplituden des ersten und zweiten Signals (Temperatursignal T , Standhöhensignal L„) ist.
2. 2. Detektor nach Anspruch l_f dadurch gekennzeichnet, daß die mit einer der Spulen (18) verbundene Wechselstromquelle (40,38,34) eine Konstantstromquelle ist.
3. 3. Detektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kopplung der Wechselspannung auf die eine Spule (18) ein Operationsverstärker (38) vorgesehen ist.
4. 4. Detektor nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die andere Spule (20) mit dem Eingang eines weiteren Operationsverstärkers (44) verbunden ist.

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5. 5. Detektor nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die auf elektronischem Wege ein der Flüssigkeitsstandhöhe proportionales Ausgangssignal synthetisierenden Schaltungen eine Reihe von auf das Temperatursignal (T ) und

   ' das Standhöhensignal (L) ansprechende Potentiometer (P1-P7) und Multiplizierschaltungen (X1-X4) umfassen.
6. 6. Detektor nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Spule (18) aus einem einen hohen spezifischen Widerstandstemperaturkoeffizienten aufweisendem Material be- - . steht.

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