DE3004369A1 - UNIVERSAL MEASURING DEVICE FOR LIQUID LEVEL, FLOW RATE AND PRESSURE FOR DANGEROUS LIQUIDS - Google Patents
UNIVERSAL MEASURING DEVICE FOR LIQUID LEVEL, FLOW RATE AND PRESSURE FOR DANGEROUS LIQUIDSInfo
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Description
Dipl.-Ing. H. Leinweber Dipl.-Ing. Heinz Zimmermann Dipl.-Ing. A. Gf. v. WengerskyDipl.-Ing. H. Leinweber Dipl.-Ing. Heinz Zimmermann Dipl.-Ing. A. Gf. v. Wengersky
Rostntal 7 · D-8000 München 2 Rostntal 7 D-8000 Munich 2
2. Aufgang (Kustermann-Passage) Telefon (089) 2603989 Telex 528191 lepatd Telegr.-Adr. Leinpat München2. Ascent (Kustermann-Passage) Telephone (089) 2603989 Telex 528191 lepatd Telegr. Addr. Leinpat Munich
de° 6. Februar 1980 de ° February 6, 1980
Unter Zeichen Wv/Mü/ CUnder the sign Wv / Mü / C
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NIRANUCLEARE ITALIANAREATTORI AVANZATI S.p.A., Genua, ItalienNIRANUCLEARE ITALIANAREATTORI AVANZATI S.p.A., Genoa, Italy
UniTersalmeßvorrichtung für Flüssigkeitsstand, Durchflußmenge und Druck bei gefährlichen FlüssigkeitenUniTersal measuring device for liquid level, flow rate and pressure with hazardous liquids
Die Erfindung bezieht sich auf eine Universalmeßvorrichtung für Flüssigkeitsstand (im folgenden "Füllstand"), Durch-""" flußmenge (im folgenden "Durchsatz") und Druck bei gefährlichen Flüssigkeiten.The invention relates to a universal measuring device for liquid level (hereinafter "fill level"), through- "" " Flow rate (hereinafter "throughput") and pressure for hazardous liquids.
Zur Füllstandsmessung wird der Füllstand mit handelsüblichen Sonden als Funktion des Widerstandes (diskontinuierlich und kontinuierlich messende "U"-Sonden) und als Funktion der Induktion (kontinuierlich messende Sonden) gemessen.To measure the level, the level is measured using commercially available probes as a function of the resistance (discontinuous and continuously measuring "U" probes) and measured as a function of induction (continuously measuring probes).
Bekannterweise ergeben sich bei der Messung mit Sonden aufgrund von Widerstandsänderungen Fehler als Funktion von Temperaturänderungen in der Flüssigkeit, in die die Sonden eingetaucht sind. Diese Fehler müssen durch Schaltungen kompensiertIt is known that when measuring with probes, errors arise as a function of due to changes in resistance Changes in temperature in the liquid in which the probes are immersed are. These errors must be compensated for by switching
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werden, die die elektronische Signalaufnehmeschaltung kompensieren, so daß die Betriebssicherheit der ganzen Vorrichtung beeinträchtigt wird.which compensate the electronic signal pickup circuit, so that the operational safety of the entire device is impaired.
Ferner werden diskontinuierlich messende Widerstandssonden, durch die Reinheit des flüssigen Leiters beeinflußt, in den sie eingetaucht sind. Kontinuierlich messende Sonden dagegen benötigen eine Eichung, die in der Flüssigkeit, in der sie betrieben werden sollen, und bei den jeweiligen Betriebstemperaturen ausgeführt werden muß. Insbesondere bei der Verwendung von kontinuierlich messenden MUH-Sonden in flüssiges Natrium enthaltenden Tanks oder Röhren ist es außerordentlich schwierig, eine Benetzbarkeit zu erhalten, die die Meßgenauigkeit gewährleistet.Furthermore, discontinuously measuring resistance probes are influenced by the purity of the liquid conductor in which they are immersed. Continuously measuring probes, on the other hand, require calibration, which must be carried out in the liquid in which they are to be operated and at the respective operating temperatures. Particularly when continuously measuring M U H probes are used in tanks or tubes containing liquid sodium, it is extremely difficult to obtain a wettability which ensures the measurement accuracy.
Deshalb ist es notwendig, vor dem Füllen der Anlage die Entgasung bis zum Vakuum fortzusetzen und das Erreichen von Temperaturen abzuwarten, die sonst nicht erforderlich sind.It is therefore necessary to continue degassing up to and including vacuum before filling the system wait for temperatures that are otherwise not required.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung behebt diese Nachteile. In diesem Fall wird die Messung des Füllstandes in die Messung einer Kraf,^ überführt,, genauer gesagt in die Messung Archimedischer Druckkraft. Diese Kraft beaufschlagt eine Universalmeßvorrichtung, in der sie mittels einer elektrodynamischen Waage in ein elektrisches Signal, insbesondere einen elektrischen Strom umgewandelt wird.The device according to the invention overcomes these disadvantages. In this case, the level measurement is included in the measurement a force, ^ transferred, more precisely into the measurement of Archimedean Compressive force. This force is applied to a universal measuring device in which it is measured by means of an electrodynamic Scales are converted into an electrical signal, in particular an electrical current.
Aufgrund dessen gibt es keine elektronischen Bauteile, deren Ausgangssignale mit der Temperatur schwanken: Der elektronische Aufbau ist folglich einfacher und damit betriebssicherer. Because of this, there are no electronic components whose output signals fluctuate with temperature: the electronic one The structure is consequently simpler and therefore more reliable.
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Zusätzlich können diese Sonden in einer anderen als der Arbeitsflüssigkeit getestet werden. Eine Eichung in Wasser bei Baumtemperatur ermöglicht somit eine Beduzierung des Kosten- und Zeitaufwandes. Dabei isles natürlich notwendig, alle infrage kommenden KOrrekturfaktoren (beispielsweise die Abhängigkeit der Dichte von der Temperatur etc.) in Betracht zu ziehen.In addition, these probes can be tested in a fluid other than the working fluid. A calibration in Water at tree temperature thus enables a reduction in costs and time. Of course it is necessary all possible correction factors (for example the Dependence of the density on the temperature etc.) should be taken into account.
Auf die in die Flüssigkeit eingesetzte Sonden wirkt nur der in der Flüssigkeit herrschende Druck. Das Problem der Benetzbarkeit bei Natrium tritt nicht auf, die Entgasung der Anlage vor dem. Füllen kann wie üblich durchgeführt werden.Only the pressure prevailing in the liquid acts on the probes inserted in the liquid. The problem of wettability in the case of sodium does not occur, the degassing of the system before. Filling can be done as usual.
Der Durchsatz insbesondere von aggressiven Flüssigkeiten (und leitfähigen Flüssigkeiten) (wie Metallschmelzen) ist bis jetzt unter Verwendung von magnetischen oder elektromagnetischen Meßvorrichtungen gemessen worden.The throughput of aggressive liquids (and conductive liquids) (such as molten metal) in particular is up to has now been measured using magnetic or electromagnetic measuring devices.
Die prinzipielle Arbeitsweise ist bekannt: In jeden Teil der Mtfähigen Flüssigkeit, die das magnetische Feld passiert, ■Wird eine elektromotorische Kraft induziert, deren Wert proportional zu der Geschwindigkeit der Flüssigkeit selbst und somit (unter der Annahme eines konstanten geometrischen Querschnittes) zum Durchsatz ist. Das Fühlglied ist erfindungsgemäß ein geeignet geformter Körper, der in das Zentrum der Flüssigkeitsströmung eingesetzt ist.The basic way of working is known: in every part of the capable liquid that passes through the magnetic field, ■ An electromotive force is induced, the value of which is proportional to the velocity of the liquid itself and thus (assuming a constant geometric cross-section) to throughput is. According to the invention, the sensing element is a suitably shaped body which is positioned in the center of the liquid flow is used.
Die gemessene Kraft auf dem Körper ist proportional zu dem Durchsatz und wird an der Universalmeßvorrichtung abgelesen. The measured force on the body is proportional to the throughput and is read on the universal measuring device.
Der Hauptvorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Messung des Durchsatzes gegenüber schon bekannten Vorrichtungen ist, daß ihre Funktion nicht von der Leitfähigkeit der zu messenden Flüssigkeit abhängt.The main advantage of the device according to the invention for measuring the throughput over already known devices is that their function does not depend on the conductivity of the liquid to be measured.
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Die Eichung des Gerätes kann im Wasser bei fiaumtemperatur unter Verwendung geeigneter Gleichungen durchgeführt werden, die sowohl die Veränderung des Koeffizienten C bei Veränderung der Eeynoldszahl als auch die Beziehung zwischen der Dichte der Flüssigkeit und einer gegebenen Temperatur in JRechnung stellen.The calibration of the device can be carried out in water at fluid temperature using suitable equations which calculate both the change in the coefficient C with a change in the Eeynolds number and the relationship between the density of the fluid and a given temperature.
Bei derzeit erhältlichen bekannten Geräten wird der (absolut oder äifferentiell gemessene) Druck nittels einer üehnungsmeßbrücke bestimmt, die die an einen Balg oder eine Membran angelegte Kraft mißt.In currently available known devices, the (absolute or differential measured) pressure is measured by means of a üehnungsmeßbrücke determined, which measures the force applied to a bellows or a membrane.
Die große Vielseitigkeit der erfindungsgemäßen Universalmeßvorrichtung erlaubt es, das Gerät auch in diesem Falle unter Vermeidung der durch die Verwendung von üehnungsmeßbrücken entstehenden Nachteile zu benützen.The great versatility of the universal measuring device according to the invention allows the device to be used in this case as well, avoiding the problems caused by the use of measuring bridges to use the resulting disadvantages.
Der Aufbau für die Druck/Kraftumwandlung weist eine aus einem gegen die Flüssigkeit beständigen Material bestehende geeignete Membran auf, die fest mit dem Meßarm der in der erfindungsgemäßen Universalmeßvorrichtung enthaltenen elektrodynamischen Waage verbunden ist.The structure for the pressure / force conversion has one consisting of a material resistant to the liquid suitable membrane, which is fixed to the measuring arm contained in the universal measuring device according to the invention electrodynamic balance is connected.
Erfindungsgemäß wird zunächst die zu messende Größe (Füllstand, Durchsatz, Druck) im eine zu deren Entstehungsursache proportionale Kraft umgewandelt, und diese Kraft in das Innere des Meßkopfes übertragen.According to the invention, the variable to be measured (level, throughput, pressure) is first converted into a force proportional to its cause, and this force is converted into transferred to the inside of the measuring head.
Diese Kraft wirkt auf eine elektrodynamische Waage mit drei Hauptbauteilen, einem Hebelarmlager, einem Hebelarm und einem Elektromagneten.This force acts on an electrodynamic balance with three main components, a lever arm bearing, a lever arm and an electromagnet.
Die erfindungsgemäße Universalmeßvorrichtung ist mit Sicherheitsfaktoren ausgelegt, die eine Verwendung sogar in Flüssigkeiten hoher Aggressivität ermöglichen.The universal measuring device according to the invention is with Safety factors designed that allow use even in highly aggressive liquids.
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Dies wird durch den Aufbau mit einem Doppelbehälter und zusätzlich mit als Durchführungen ausgebildeten elektrischen Ausgangsanschlüssen erreicht, die so vollständig leckgedichtet sind.This is made possible by the construction with a double container and additionally with electrical feedthroughs Reached output connections that are completely leak-tight.
Die Verbindung mit/Tank oder/Bohre . wird entweder durch einen mit metallischen O-Bingen versehenen Flansch oder durch direktes Anschweißen der Sonde an die Bohre hergestellt. The connection with / tank or / drilling. will either produced by a flange provided with metallic O-rings or by welding the probe directly to the drill hole.
Der besondere Aufbau der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung ermöglicht den Zugriff auf die elektromagnetischen Bauteile ohne die Flüssigkeit in der Bohre anzuhalten oder abzulassen. The special structure of the measuring device according to the invention enables access to the electromagnetic components without stopping or draining the fluid in the well.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und der Zeichnung, auf die bezüglich der Offenbarung aller im Text nicht näher erläuterten Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird. Es zeigen:Further details, advantages and features of the invention emerge from the following description and the drawing, not all of which are referred to in the text with regard to the disclosure further details are expressly referred to. Show it:
Fig. 1 einen vertikalen Längsschnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform der Unirersalmeßvorrichtung, 1 shows a vertical longitudinal section through a preferred embodiment of the Unirersal measuring device,
Fig. 2 einen horizontalen Teilschnitt bei der Linie H-II in Fig. 1,Fig. 2 is a horizontal partial section on the line H-II in Fig. 1,
Fig. 3 eine Endansicht der iUischlußseite der Vorrichtung, 3 is an end view of the final side of the device;
Fig. 4 einen Schnitt bei der Linie IV-IV in Fig. 2,Fig. 4 shows a section on the line IV-IV in Fig. 2,
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Fig. 5 vereinfacht einen Schaltplan der Kapazitätsmeßstufe der Signalverarbeitungsschaltung der Universalmeßvorriehtung,Fig. 5 simplifies a circuit diagram of the capacitance measuring stage the signal processing circuit of the universal measuring device,
Fig. 5A, 5B und 5C schematisch die Spannungen an denFIGS. 5A, 5B and 5C schematically show the voltages across the
Punkten (A), (C) und (B) der in Fig. 5 gezeigten Schaltung,Points (A), (C) and (B) of the circuit shown in Fig. 5,
Fig. 5D schematisch den Elektromagneten der Meßvorrichtung mit den Verbindungen zu der in Fig. 5 gezeigten Schaltung,5D schematically shows the electromagnet of the measuring device with the connections to the circuit shown in Fig. 5,
Fig«· 6 vereinfacht einen Schaltplan der Stromverstärker/Linealisierungsstufe der Universalmeßvorriehtung, Fig. 6 simplifies a circuit diagram of the current amplifier / ruler stage the universal measuring device,
Fig. 6A, 6B und 6ß schematisch die Spannungen an6A, 6B and 6B schematically indicate the voltages
den Punkten (E), (F) und (G) der -;in Fig. 6 gezeigten Schaltung , undthe points (E), (F) and (G) of the -; in Fig. 6 circuit shown, and
Fig. 7 vereinfacht einen Schaltplan der Integrationsstufe der Universalmeßvorriehtung. Fig. 7 simplifies a circuit diagram of the integration stage of the universal measuring device.
Die in den vorstehend vorgestellten Figuren gezeigte Universalmeßvorriehtung weist im wesentlichen eine elektrodynamische Waage mit drei Hauptbauteilen, nämlich einem Hebelarmlager 10, einem Hebelarm 20 und einem Elektromagneten auf.The universal measuring device shown in the figures presented above has essentially an electrodynamic one Balance with three main components, namely a lever arm bearing 10, a lever arm 20 and an electromagnet on.
Die elektrodynamische Waage ist mit einem Gehäuse aus Stahlblech versehen, das durch eine Wand 11 aus Uymonic oder einem ähnlichen Material in zwei Kammern geteiltThe electrodynamic balance is provided with a housing made of sheet steel, which is supported by a wall 11 made of Uymonic or a similar material divided into two chambers
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und
ist,/die das oben erwähnte Helebarmlager 10 bildet.and
which forms the Helebarm bearing 10 mentioned above.
Eine erste oder äußere Kammer 41 nimmt einen SpulenkernA first or outer chamber 41 houses a bobbin
42 des Elektromagneten und einen ersten Teil des Hebelarms 20, nämlich einen Anker-Haltearm 43 auf, dessen freies Ende als Anker 46 für den darunter liegenden Spulenkern 42 wirkt und mit diesem den Elektromagneten 30 bildet. Der Haltearm42 of the electromagnet and a first part of the lever arm 20, namely an armature holding arm 43, the free end of which acts as an armature 46 for the coil core 42 below and forms the electromagnet 30 with it. The holding arm
43 aus kastenförmigem Stahlblech ist in sich starr und bildet so eine starre Verbindung mit der als Drehpunkt wirkenden Wand 11.43 made of box-shaped sheet steel is inherently rigid and thus forms a rigid connection with the one acting as a fulcrum Wall 11.
Die Kammer 41 ist an ihrem hinteren Ende von einem abnehmbaren Deckel 44 verschlossen, der eine Inspektion des Elektromagneten 30 ermöglicht, und den Verbindungskabel in einer Durchführung 45 durchsetzen.The chamber 41 is closed at its rear end by a removable cover 44, which allows inspection of the electromagnet 30 enables, and enforce the connecting cable in a bushing 45.
Eine zweite oder innere Kammer 51 steht einerseits mit dem Inneren des Behälters für die Flüssigkeit in Verbindung, in der der Druck, der Durchsatz oder der Füllstand gemessen werden sollen.A second or inner chamber 51 communicates on the one hand with the interior of the container for the liquid, in which the pressure, the throughput or the level are to be measured.
Die Kammer 51 endet in einem Flansch 52, der eine dichte Verbindung zu der Außenwand des Behälters der Flüssigkeit herstellt, in der die oben erwähnten Messungen ausgeführt werden sollen.The chamber 51 ends in a flange 52, which is a tight connection to the outer wall of the container of the liquid in which the above-mentioned measurements are to be carried out.
Die Kammer 51 hat eine rechtwinklige Form, die es ermöglicht, daß ein Anlenkpleuel 54, an die di« zu messende Kraft angreift, kraftschlüssig mit einem Aufnehmehebel 53 verbunden ist. Der Aufnehmehebel 53 ist starr mit dem Haltearm 43 verbunden und fluchtet mit letzterem. Diese Kraft muß auf geeignete Weise senkrecht zur Achse des Hebelarms wirken, und,ohne daß ein Torsionsdrehmoment entsteht, auf den Hebelarm 20 übertragen werden. Zu diesem Zweck ist derThe chamber 51 has a right-angled shape, which makes it possible that a connecting rod 54, to which di «to be measured Force engages, frictionally with a pick-up lever 53 connected is. The pick-up lever 53 is rigid with the holding arm 43 connected and aligned with the latter. This force must be appropriately perpendicular to the axis of the lever arm act, and are transmitted to the lever arm 20 without a torsional torque occurring. For this purpose is the
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Anlenkpleuel 54 an beiden Enden an den benachbarten Teilen angelenkt (Anlenkösen 55 und 56).Articulation connecting rods 54 hinged at both ends to the adjacent parts (articulation eyes 55 and 56).
Um eine sichere Abdichtung zwischen der Kammer 41 und der Kammer 51 zu erhalten, ist eine den Aufnehmehebel mit Abstand umgebende Manschette 61 am.Gehäuse festgeschweißt. Eine zweite Manschette 62 ist an dem Aufnehmehebel 53* ein Faltenbalg 63 zwischen beiden Manschetten festgeschweißt.In order to obtain a secure seal between the chamber 41 and the chamber 51, one is the pick-up lever at a distance surrounding sleeve 61 welded to the housing. A second sleeve 62 is welded to the pick-up lever 53 *, a bellows 63 between the two sleeves.
"Der an dem Ende des Haltearms 43 angebrachte Anker"The anchor attached to the end of the support arm 43
46 ist zusammen mit dem Hebelarm 20 frei bewegbar und schwingt frei zwischen zwei Endstellungen, von denen die eine durch den Spulenkern 42 und die andere durch eine Anschlagplatte46 is freely movable together with the lever arm 20 and swings freely between two end positions, one of which is through the bobbin 42 and the other by a stopper plate
47 bestimmt ist, die die Schwingungen des Hebelarmes 20 mechanisch begrenzen sollen. Insgesamt kai» sich der Anker 46 in der einen oder anderen Bichtung ungefähr einen Millimeter bewegen. Natürlich können bei anderen Ausführungsformen der Erfindung andere Werte auftreten. Der Spulenkern 42 besteht aus Weicheisen und trägt eine Wicklung aus einem Heizkabel hoher Leitfähigkeit, so daß sich eine gute Temperaturbeständigkeit und eine geringe Leistungsaufnahme ergeben.47 is determined, which are intended to mechanically limit the vibrations of the lever arm 20. All in all, the anchor quits 46 move about a millimeter in one direction or the other. Of course, in other embodiments of the Invention other values occur. The coil core 42 is made made of soft iron and bears a winding of a heating cable of high conductivity, so that it has a good temperature resistance and result in low power consumption.
Die obere Fläehe bildet die Polfläche des Elektromagneten und gleichzeitig die eine Platte eines in Schwebe gehaltenen Plattenkondensators, dessen andere Platte durch einen Anker gebildet wird, in dem der Hebelarm endet. Die obere Atischlagplatte 47 (aus antimagnetischem Material um Verzerrungen des Feldes vorzubeugen) und die obere Fläche des Ankers selbst bilden, wie in Fig. 5D gezeigt, einen zweiten Kondensator.The upper surface forms the pole face of the electromagnet and at the same time the one plate of one in suspension held plate capacitor, the other plate is formed by an armature in which the lever arm ends. the upper strike plate 47 (made of antimagnetic material around To prevent distortion of the field) and form the top surface of the anchor itself as shown in Fig. 5D second capacitor.
Durch die Veränderungen der Kapazitäten dieser Kondensatoren wird so die Stellung des Ankers gemessen und als Spannungsfehlersignal dargestellt. Dieses Signal, das geeignetDue to the changes in the capacities of these capacitors, the position of the armature is measured and used as a Voltage error signal shown. This signal that suitable
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in der in Fig. 5 gezeigten Kapazitätsmeßstufe verarbeitet wird, wird in der in Fig. 6 gezeigten folgenden Stufe stromverstärkt. Me letzte in Fig. 7 gezeigte Signalverarbeitungsstufe ist eine mit einem Potentiometer P/ zur Temperaturkompensation und einem Potentiometer Pc zur Nullstellung der Anzeige versehene Integrationsstufe.processed in the capacitance measuring stage shown in FIG is current-boosted in the following stage shown in FIG. The last signal processing stage shown in FIG. 7 is one with a potentiometer P / for temperature compensation and a potentiometer Pc for zero setting integration level provided on the display.
Aus Gründen der gebotenen Knappheit ist die Erfindung nur exemplarisch unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben worden. Es versteht sich von selbst, daß viele Modifikationen und Varianten in den Ausführungsformen möglich sind. Insbesondere bei den in Fig. 5 bis 7 gezeigten Signalverarbeitungsschaltungen sind viele mögliche Veränderungen und Ersetzungen durch andere Schaltungen möglich.For reasons of brevity, the invention is described only by way of example with reference to the drawing been. It goes without saying that many modifications and variations are possible in the embodiments. In particular, in the signal processing circuits shown in FIGS. 5 through 7, there are many possible changes and Replacements with other circuits are possible.
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