DE2803912C3 - Device for obtaining an electrical measurement signal proportional to the density of an electrically conductive liquid - Google Patents
Device for obtaining an electrical measurement signal proportional to the density of an electrically conductive liquidInfo
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Description
ίοίο
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Gewinnung eines der Dichte einer elektrisch leitenden Flüssigkeit proportionalen elektrischen Meßsignals.The invention relates to a device for obtaining one of the density of an electrically conductive Liquid proportional electrical measurement signal.
Zur Messung der Dichte von Flüssigkeiten ist das sehr genau arbeitende Aräometerverfahren bekannt, bei welchem die Eintauchtiefe bzw. die Stellung eines Auftriebs- bzw. Verdrängungskörpers gemäß dem archimedischen Prinzip ein Maß für die Dichte ist.The very precise hydrometer method is known for measuring the density of liquids, at which the immersion depth or the position of a buoyancy or displacement body according to the Archimedean Principle is a measure of density.
Um das Verfahren auch in der industriellen Meßtechnik einsetzen zu können, ist es erforderlich, ein der Stellung des Verdrängungskörpers und damit der Dichte entsprechendes, vorzugsweise elektrisches Signal zur Verfügung zu haben.In order to be able to use the method in industrial measurement technology, it is necessary to have a the position of the displacement body and thus the density, preferably an electrical signal available.
Es besteht demgemäß die Aufgabe, eine Einrichtung zur Dichtemessung nach dem archimedischen Prinzip so auszubilden, daß ein vorzugsweise linear von der Dichte abhängiges elektrisches Signal gewonnen werden kann.There is accordingly the task of providing a device for density measurement according to the Archimedean The principle should be designed in such a way that an electrical signal that is preferably linearly dependent on the density is obtained can be.
Eine solche Einrichtung ist erfindungsgemäß gekennzeichnet durch zwei gleichförmige Flüssigkeitssäulen, in denen Verdrängungskörper nach dem archimedischen Prinzip dichteabhängig beweglich derart angeordnet sind, daß die Volumen und damit die elektrischen Widerstände der Flüssigkeitssäulen gleichmäßig gegensinnig veränderbar sind sowie durch eine Schaltungsanordnung zur Messung der Widerstände und zur Bildung eines dem Verhältnis der Widerstände entsprechenden, dichteproportionalen Meßsignals.Such a device is characterized according to the invention by two uniform columns of liquid, in which displacement bodies according to the Archimedean principle can be moved in such a way as a function of density are arranged that the volume and thus the electrical resistances of the columns of liquid can be changed uniformly in opposite directions and by a circuit arrangement for measuring the resistances and to form a density proportional to the ratio of the resistances Measurement signal.
In einer bevorzugten Ausführungsform bilden die von der Stellungder Verdrängungskörper gegensinnig veränderlichen Widerstände der Flüssigkeitssäulen zwei benachbarte Brückenzweige einer Widerstandsmeßbrücke. Damit ist das sehr empfindliche Aräometerverfahren mit der ebenfalls empfindlichen Brükkenschaltung kombiniert. Die Brückenschaltung kann nach dem Ausschlags-Verfahren oder nach einem Kompensationsverfahren arbeiten.In a preferred embodiment, the positions of the displacement bodies form in opposite directions variable resistances of the liquid columns two adjacent bridge branches of a resistance measuring bridge. This is the very sensitive hydrometer method combined with the equally sensitive bridge circuit. The bridge circuit can work according to the deflection method or a compensation method.
Im ersteren Falle sind die Verdrängungskörper mechanisch gefesselt, derart, daß bei der gegensinnigen Veränderung der Flüssigkeitswiderstände ihr Summenwiderstand konstant bleibt.In the former case, the displacement bodies are mechanical tied up in such a way that when the fluid resistances change in opposite directions, their sum resistance remains constant.
Im letzteren Fall wird ein für beide koaxial aufeinanderfolgend angeordnete Flüssigkeitssäulen gemeinsamer Verdrängungskörper in einer Mittellage elektromagnetisch festgehalten, wobei in bekannte Weise der aus der Meßdiagonale der Brücke gesteuerte Erregerstrom für den Elektromagnet das Meßsignal ist.In the latter case, a column of liquid arranged coaxially one behind the other is common to both Displacement body held electromagnetically in a central position, in known Way the excitation current controlled from the measuring diagonal of the bridge for the electromagnet, the measuring signal is.
Die Abgriffe der Flüssigkeitswiderstände in einer die Flüssigkeitssäulen enthaltenden rohrförmigen Sonde sind üblicherweise fest angeordnete Elektroden, die in galvanischem Kontakt mit der Flüssigkeit stehen.The taps of the fluid resistances in a tubular containing the fluid columns Probes are usually fixed electrodes that are in galvanic contact with the liquid stand.
Ist die Meßflüssigkeit jedoch ein starker Elektrolyt und/oder chemisch aggressiv, besteht die Gefahr, daß die Elektroden angegriffen werden. In solchen Fällen läßt sich mit Vorteil eine elektrodenlose Meßeinrichtung verwenden, die aus der bekannten induktivenHowever, if the measuring liquid is a strong electrolyte and / or chemically aggressive, there is a risk that the electrodes are attacked. In such cases, an electrodeless measuring device can be used with advantage use that from the well-known inductive
Leitfähigkeits-Meßeinrichtung abgeleitet ist. Die Flüssigkeitssäulen, in denen ein Verdrängungskörper in der bereits angegebenen Weise wirk*, werden hierbei durch die zylindrischen Mittelöffnungen von zwei mit Abstand koaxial in der Meßflüssigkeit angeordneten induktiven Leitfähigkeitsgeben: bekannter Bauart definiert. Aus den Ausgangssignalen der beiden Leitfähigkeitsgeber wird ein Quotient gebildet, der ein Maß für die Dichte ist.Conductivity measuring device is derived. The columns of liquid in which a displacement body acting in the manner already indicated, are here through the cylindrical central openings of two Inductive conductivity arranged coaxially at a distance in the measuring liquid: known design Are defined. A quotient is formed from the output signals of the two conductivity sensors, which is a Measure of density is.
Vorteiihafe Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Einrichtung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Advantageous refinements of the device according to the invention result from the subclaims.
Mit den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen wird die Erfindung näher erläutert. The invention is explained in more detail with the exemplary embodiments described below.
Fig. 1: Eine rohrförmige Sonde 1 aus nichtleitendem Material taucht senkrecht in die hier nicht dargestellte Meßflüssigkeit ein. Um störende Vertikalströmungen der Flüssigkeit innerhalb der rohrförmigen Sonde 1 zu vermeiden, ist diese am unteren Ende mit einer porösen oder siebartig ausgebildeten Platte 2 abgeschlossen, so daß der Innenraum der eintauchenden Sonde mit Meßflüssigkeit gefüllt ist. In der Wand der rohrförmigen Sonde 1 sind in vorzugsweise gleichem Abtand Ringelektroden El, El und £3 eingelassen, die in axialer Richtung Flüssigkeitssäulen begrenzen, nämlich eine erste Flüssigkeitssäule 3 zwischen den Elektroden £1 und El und eine zweite Flüssigkeitssäule 3' zwischen den Elektroden El und Ei. Die Volumen der Flüssigkeitssäulen 3 und 3' und damit ihre elektrischen Widerstände Rl und RS sind durch die lichte Querschnittsfläche der rohrförmigen Sonde 1 und den Abstand der Elektroden El und El bzw. El und £3 gegeben. Innerhalb der koaxial aufeinanderfolgenden Flüssigkeitssäulen 3 und 3' ist ein Hohlkörper aus nichtleitendem Material als Verdrängungskörper 5 angeordnet, dessen Länge gleich der Länge einer Flüssigkeitssäule zwischen den Elektroden £1, El bzw. El und £3 ist und dessen Durchmesser gleich oder größer ist als die halbe lichte Weite der rohrförmigen Sonde 1.Fig. 1: A tubular probe 1 made of non-conductive material is immersed vertically in the measuring liquid, not shown here. In order to avoid disturbing vertical flows of the liquid inside the tubular probe 1, the latter is closed at the lower end with a porous or sieve-like plate 2, so that the interior of the immersing probe is filled with measuring liquid. In the wall of the tubular probe 1 ring electrodes El, El and £ 3 are preferably the same Abtand inserted, the limit in the axial direction of liquid columns, namely a first liquid column 3 between the electrodes £ 1, and El and a second column of fluid 3 'between the electrodes El and egg. The volume of the liquid columns 3 and 3 'and thus their electrical resistances Rl and RS are given by the internal cross-sectional area of the tubular probe 1 and the distance between the electrodes El and El, or El and £. 3 Within the coaxially successive liquid columns 3 and 3 ', a hollow body made of non-conductive material is arranged as a displacement body 5, the length of which is equal to the length of a liquid column between the electrodes £ 1, El or El and £ 3 and the diameter of which is equal to or greater than the half the inside width of the tubular probe 1.
Zur Begrenzung des auftriebsbedingten Hubs des Verdrängungskörpers 5 ist dieser mittels einer an seinem unteren Ende angreifenden Gliederkette 8 gefesselt, so daß er sich beim niedrigsten Wert des vorgesehenen Dichtemeßbereichs in der unteren Flüssigkeitssäule 3' befindet. Steigt die Dichte der Meßflüssigkeit und somit der Auftrieb, so bewegt sich der Verdrängungskörper 5 nach oben, wobei der vermehrte Auftrieb durch das Gewicht der frei hängenden Kettenlänge der Gliederkette 8 ausgeglichen wird. Mit der Stellung des Verdrängungskörpers 5 ändern sich die Volumen der Flüssigkeitssäulen 3 und 3' und damit ihre Widerstände Rl und A3 gegensinnig, wobei jedoch die Summe der Widerstände Rl und /?3 konstant bleibt.To limit the lift-related stroke of the displacement body 5, it is tied up by means of a link chain 8 engaging at its lower end, so that it is in the lower liquid column 3 'at the lowest value of the intended density measuring range. If the density of the measuring liquid and thus the buoyancy increases, the displacement body 5 moves upwards, the increased buoyancy being compensated for by the weight of the freely hanging chain length of the link chain 8. With the position of the displacement body 5, the volumes of the liquid columns 3 and 3 'and thus their resistances Rl and A3 change in opposite directions, but the sum of the resistances Rl and /? 3 remains constant.
Die dichteabhängig veränderlichen Flüssigkeitswiderstände R1 und A3 bilden die benachbarten Zweige einer Widerstandsmeßbrücke 4, die, wie üblich, noch die weiteren Zweigwiderstände Rl und R4 aufweist. The liquid resistances R 1 and A3, which vary as a function of the density, form the adjacent branches of a resistance measuring bridge 4, which, as usual, also has the further branch resistances Rl and R4 .
Ist die elektrische Leitfäh'r-keit der Meßflüssigkeit relativ gering, so kann ^c Meßbrücke 4, wie gestrichelt angedeutet, über die die Brückenspeisediagonale α bis b bildenden Elektroden El und £3 mit einer konstanten Gleich- oder Wechselspannung Us gespeist werden. Das in der Meßdiagonale c, d der Meßbrücke 4 abnehmbare Brückenausgangssignal UM ist der Dichte der Meßflüssigkeit proportional.Is the electrical of the measuring liquid Leitfäh'r-ness relatively low, as can ^ c measuring bridge 4, as indicated by dashed lines, through which the bridge supply diagonal α-b-forming electrodes El and £ 3 at a constant DC or AC voltage U s is fed. The bridge output signal U M , which can be removed in the measuring diagonal c, d of the measuring bridge 4, is proportional to the density of the measuring liquid.
Bei höheren Leitfähigkeiten der MeßflüssigkeitWith higher conductivity of the measuring liquid
treten an den Elektroden El und £3 Polarisationsspannungen auf, die die an den Widerständen R1 und R3 abfallenden Spannungen verfälschen. Dies kann durch die Anordnung von zwei weiteren Elektroden £4 und £5 als Hilfselektroden verhindert werden, die mit Abstand beiderseits der die Flüssigkeitssäulen 3 und 3' begrenzenden Elektroden £1 und £3 angeordnet und an eine einstellbare, selbst regelnde Stromquelle 9 angeschlossen sind. Diese besteht aus einem Verstärker 10, der von einer einstellbaren Konstantspannung UK gesteuert, einen solchen Strom über die Elektroden £4 und £5 schickt, so daß zwischen den Elektroden £1 und £3 eine konstante Spannung herrscht. Die Meßbrücke 4 ist so ausgelegt, daß der Meßbereichsanfang eingestellt ist, wenn sich der Verdrängungskörper 5 in der unteren Flüssigkeitssäule 3' befindet, das Meßbereichsende ist durch seine Stellung in der oberen Flüssigkeitssäule 3 definiert, wenn seine obere Stirnfläche auf der Höhe der Ringelektrode El ist.polarization voltages occur at the electrodes E1 and E3, which falsify the voltages dropping across the resistors R1 and R3. This can be prevented by arranging two further electrodes £ 4 and £ 5 as auxiliary electrodes, which are arranged at a distance on both sides of the electrodes £ 1 and £ 3 delimiting the liquid columns 3 and 3 'and are connected to an adjustable, self-regulating power source 9. This consists of an amplifier 10 which, controlled by an adjustable constant voltage U K , sends such a current through electrodes £ 4 and £ 5, so that a constant voltage prevails between electrodes £ 1 and £ 3. The measuring bridge 4 is designed so that the start of the measuring range is set when the displacement body 5 is in the lower liquid column 3 '; the measuring range end is defined by its position in the upper liquid column 3 when its upper end face is at the level of the ring electrode El .
Um die vollständige Füllung der rohrförmigen Sonde 1 zur Bildung der Flüssigkeitssäulen 3 und 3' zu sichern, befinden sich oberhalb der Hilfselektrode £4 Öffnungen 11 in der Wand der Sonde 1.In order to completely fill the tubular probe 1 to form the liquid columns 3 and 3 ' There are openings 11 in the wall of the probe 1 above the auxiliary electrode £ 4.
In Fig. 2 ist eine Anordnung mit einer nach der Nullmethode arbeitenden Kompensationsbrücke dargestellt. In der rohrförmigen Sonde 1 sind wieder die die Flüssigkeitssäulen 3 und 3' sowie die Elektroden £1, £2 und £3 zu erkennen, an denen, wie im vorhergehenden Ausführungsbeispiel, die übrigen Teile der Widerstandsmeßbrücke 4 angeschlossen sind. Die Brückenspeisespannungen Us, die über die Elektroden £1 und £3 der Brücke zugeführt wird, braucht in dem vorliegenden Fall nicht konstant gehalten werden. Die Widerstandsmeßbrücke 4 ist abgeglichen, wenn Rl = /?3 ist, d. h. der Verdrängungskörper 5 mit den im vorhergehenden Beispiel angegebenen Abmessungen befindet sich in einer Mittelstellung zwischen den Elektroden £1 und £3. Ändert sich die Dichte der Meßflüssigkeit und damit die auftriebsbedingte Stellung des Verdrängungskörpers 5, so wird das Widerstandsverhältnis Rl zu R3 ungleich 1, das dann auftretende Brückenausgangssignal UM wird dem hochohmigen Eingang eines Kompensatioiisverstärkers 12 aufgeschaltet. Dieser speist eine in der Rohrwand der Sonde 1 angeordnete Induktionsspule 13, deren beweglicher Eisenkern 14 mit dem Verdrängungskörper 5 starr verbunden ist. Der im Meßgerät 15 angezeigte Kompensationsstrom lK durch die Induktionsspule 13 zieht über den Eisenkern 14 den Verdrängungskörper 5 in die Mittellage, kompensiert also dessen Auftrieb und ist somit der Dichte der Meßflüssigkeit proportional.2 shows an arrangement with a compensation bridge operating according to the zero method. In the tubular probe 1, the liquid columns 3 and 3 'as well as the electrodes £ 1, £ 2 and £ 3 can be seen, to which, as in the previous embodiment, the remaining parts of the resistance bridge 4 are connected. The bridge supply voltages U s , which is fed to the bridge via the electrodes £ 1 and £ 3, need not be kept constant in the present case. The resistance measuring bridge 4 is balanced when Rl = /? 3, ie the displacement body 5 with the dimensions given in the previous example is in a central position between the electrodes £ 1 and £ 3. If the density of the measuring fluid changes and thus the buoyancy-related position of the displacement body 5, the resistance ratio Rl to R3 is not equal to 1, and the bridge output signal U M which then occurs is connected to the high-impedance input of a compensation amplifier 12. This feeds an induction coil 13 arranged in the tube wall of the probe 1, the movable iron core 14 of which is rigidly connected to the displacement body 5. The compensation current I K displayed in the measuring device 15 through the induction coil 13 pulls the displacement body 5 into the central position via the iron core 14, thus compensating its buoyancy and is therefore proportional to the density of the measuring liquid.
In den Fig. 3 und 4 ist eine Meßeinrichtung dargestellt, die unter Verwendung von Baugruppen einer induktiven Leitfähigkeits-Meßeinrichtung aufgebaut ist. Ein induktiver Leitfähigkeits-Meßgeber 16 bekannter Bauart besteht aus zwei konzentrisch um eine zylindrische Mittelöffnung angeordnete und in Isoliermaterial eingebettete Ringkernspulen als Erregerwicklung 17 und als Abgriffswicklung 18, deren Funktion später anhand von Fig. 4 näher erläutert wird.In Figs. 3 and 4, a measuring device is shown using assemblies of a inductive conductivity measuring device is constructed. An inductive conductivity sensor 16 is known Construction consists of two concentrically arranged around a cylindrical central opening and made of insulating material embedded toroidal core coils as excitation winding 17 and as tap winding 18, their function will be explained in more detail later with reference to FIG.
Ein zweiter Leitfähigkeits-Meßgeber 16' gleicher Bauart ist koaxial in einem Abstand zu dem ersten Geber 16 in einem gemeinsamen Isolierrahmen 19 angeordnet, derart, daß die nach dem Eintauchen in eine Meßflüssigkeit in den fluchtenden Mittelöffnungen der Leitfähigkeitsgeber 16 und 16' befindlichenA second conductivity measuring transducer 16 'of the same type is coaxially spaced from the first Encoder 16 arranged in a common insulating frame 19, such that the after immersion in a measuring liquid located in the aligned central openings of the conductivity sensors 16 and 16 '
Flüssigkeitsvolumen die Flüssigkeitssäulen 3 und 3' definieren.Liquid volume define the liquid columns 3 and 3 '.
Der Verdrängungskörper 5 ist hier hanteiförmig ausgebildet mit zwei zylindrischen Hohlkörpern als Endabschnittc 20, 20'.The displacement body 5 is here dumbbell-shaped with two cylindrical hollow bodies as End section c 20, 20 '.
Der Auftriebskörper 5 ist an seinem unteren Ende zur mechanischen Fesselung mit dem einen Ende einer Feder 6 verbunden, deren anderes Ende in einer axial verschiebbaren Lagerung 21 im Isolierrahmen 19 befestigt ist. Die Feder 6 wird so eingestellt, daß sich bei der niedrigsten Dichte des vorgesehenen Meßbereichs der untere Endabschnitt 20' des Verdrängungskörpers 5 vollständig innerhalb der von der Mittelöffnung des Gebers 16' definierten Flüssigkeitssäule 3' befindet, während sich die Stirnfläche des oberen Endabschnitts 20 in der unteren Eintrittsebene der Mittelöffnungdes oberen Leitfähigkeitsgebers 16 und damit an der unteren Begrenzung der Flüssigkeitssäule 3 befindet. Die Widerstände der Flüssigkeitssäulen 3 und 3' sind damit auch hier gegensinnig veränderlich. The float 5 is at its lower end for mechanical restraint with one end of a Spring 6 connected, the other end of which is fastened in an axially displaceable bearing 21 in the insulating frame 19 is. The spring 6 is adjusted so that at the lowest density of the intended measuring range the lower end portion 20 'of the displacement body 5 completely within that of the central opening of the encoder 16 'defined liquid column 3' is, while the end face of the upper End section 20 in the lower entry level of the central opening of the upper conductivity transmitter 16 and thus located at the lower limit of the liquid column 3. The resistances of the liquid columns 3 and 3 'are thus also variable in opposite directions here.
Die elektrische Schaltung der Meßeinrichtung nach Fig. 3 ist in Fig. 4 stark schematisiert dargestellt. Man erkennt die Leitfähigkeitsgeber 16 und 16' mit den Wicklungen 17, 17', 18, 18'. Gemäß dem bekannten Verfahren der induktiven Leitfähigkeitsmessung speist ein Oszillator 22 die Erregerwicklungen 17 und 17'mit konstanter Frequenz und Spannung. Sie bilden die Primärwicklungen von induktiven Übertragern, "' deren Sekundärwicklungen von den als Flüssigkeitsschleifen wirkenden, in den Mittelöffnungen befindlichen Flüssigkeitssäulen 3 und 3' gebildet werden. Die der Leitfähigkeit bzw. dem Widerstand der Flüssigkeitssäulen 3 und 3' proportionalen Ströme / und /'The electrical circuit of the measuring device according to FIG. 3 is shown in a highly schematic manner in FIG. Man detects the conductivity sensors 16 and 16 'with the windings 17, 17', 18, 18 '. According to the known In the inductive conductivity measurement method, an oscillator 22 feeds the excitation windings 17 and 17 'with constant frequency and voltage. They form the primary windings of inductive transformers, "'whose secondary windings are located in the central openings, which act as liquid loops Columns of liquid 3 and 3 'are formed. That of the conductivity or the resistance of the liquid columns 3 and 3 'proportional currents / and /'
ι» werden mittels der Abgriffswicklungen 18 und 18' abgenommen, in 23 bzw. 23' verstärkt und gleichgerichtet und einem Quotientenbildner 24 zugeführt, dessen Ausgangssignal der Dichte der Meßflüssigkeit proportional ist, die in dem entsprechend skalierten Meß-ι »are removed by means of the tap windings 18 and 18 ', amplified and rectified in 23 or 23 'and fed to a quotient generator 24 whose Output signal is proportional to the density of the measuring liquid, which in the correspondingly scaled measuring
r> gerät 25 angezeigt werden kann.r> device 25 can be displayed.
In den in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispielen sind die elektrischen Schaltungen, insbesondere ihre Leitungsführung, der Übersichtlichkeit halber stark schematisiert dargestellt.In the exemplary embodiments shown in the figures, the electrical circuits are, in particular their routing, for the sake of clarity, is shown in a highly schematic manner.
2(i In der Praxis finden sich die elektrischen Schaltungsanordnungen oder Teile davon im Kopf der rohrförmigen Sonde 1 oder des Rahmens 19, die Zuleitungen zu den Elektroden bzw. zu den Ringkernspulen liegen isoliert in oder an der Wand der Meß-2 (i In practice, the electrical circuit arrangements can be found or parts thereof in the head of the tubular probe 1 or of the frame 19, the supply lines to the electrodes or to the toroidal core coils are isolated in or on the wall of the measuring
2) sonde 1 bzw. des Rahmens 19.2) probe 1 or frame 19.
Hierzu 3 Blatt ZeichnungenFor this purpose 3 sheets of drawings
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| DE680040C (en) | Arrangement for the measurement of magnetic constant fields |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| OAP | Request for examination filed | ||
| OD | Request for examination | ||
| C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) | ||
| 8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
Owner name: MAURER, OTTO, DIPL.-PHYS.DR., 6729 WOERTH, DE |
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| 8320 | Willingness to grant licences declared (paragraph 23) | ||
| 8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |