DE3117477A1

DE3117477A1 - Vorrichtung zur fortlaufenden bestimmung der fuellstandshoehe

Info

Publication number: DE3117477A1
Application number: DE19813117477
Authority: DE
Inventors: Arnold Georg 2401 Zarpen Rothe
Original assignee: KB NORD
Current assignee: KB NORD
Priority date: 1981-05-02
Filing date: 1981-05-02
Publication date: 1982-11-18

Description

Vorrichtung zur fortlaufenden Be-
stimmung der Füllstandshöhe Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur fortlaufenden Bestimmung der Füllstandshöhe in einem Flüssigkeitsbehälter, insbesondere für Flüssiggas- und Druckwasser-Behälter, mittels elektromagnetischer Strahlung auf die Flüssigkeitsoberfläche.
Es sind bislang vielfach Vorrichtungen üblich, zu denen auf der Flüssigkeitsoberfläche befindliche Schwimmer gehören, deren Abstand von einer mit Null bezeichneten Mindestfüllhöhe mit Hilfe von mechanisch oder elektrisch, meist kapazitiv oder induktiv, wirkenden Übertragern bestimmt wird. Sie haben jedoch den Nachteil, daß sie durch eine mit der Zeit zunehmende Verschmutzung störanfällig werden und ungenau anzeigen und deshalb ständiger, aufwendiger Wartung bedürfen. Weiterhin ist es nicht möglich, den elektrischen Teil von dem Behälterinnenraum zu trennen.
Es sind auch Vorrichtungen zur Bestimmung der Füllstandshöhe bekannt, die Schallortungsverfahren anwenden und über eine Laufzeitmessung die Füllhöhe bestimmt wird. Diese Geräte sind relativ aufwendig, so daß sie nur für entsprechend große Anlagen infrage kommen.
Die Aufgabe der Erfindung wird darin gesehen, eine einfache Anordnung zu schaffen, die unabhängig von den eingefüllten Stoffen einsetzbar ist und relativ unempfindlich auf Schmutzablagerungen reagiert. Darüber hinaus soll der Einsatz für explosionsgefährdete Anlagen ermöglicht werden.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Sender mit einer Strahlung im Infrarotbereich im wesentlichen senkrecht zur Flüssigkeitsoberfläche angeordnet ist, wobei die Strahlung in einem eine Flüssigkeitssäule abteilenden und mit einer reflektierenden Wandung versehenem Rohr bis zur Flüssigkeitsoberfläche geführt ist und die an der Flüssigkeitsoberfläche reflektierten Strahlen über das Rohr auf einen Empfänger zurückgeführt werden.
Der Meßvorrichtung liegt dabei die Gesetzmäßigkeit zugrunde, daß die Bestrahlungsstärke einer Empfängerfläche bei gleichbleibender Strahlungsstärke des Senders sich umgekehrt verhält wie das Quadrat des Abstandes der Empfängerfläche vom Sender und der Strahlungsempfänger bestimmte Helligkeitsveränderungen, die durch die Änderung der Füllstandshöhe auftreten, erfaßt. Hierbei bleibt, unabhängig von der Füllstandshöha, die Grundfläche entsprechend dem Durchmesser des Rohrstücks als Reflexionsfläche konstant.
Es zeigt sich, daß durch die Wahl einer im optischen Bereich liegenden Frequenz für den Strahlungssender die Messung der auf der Flüssigkeitsoberfläche erzeugten Beleuchtungsstärke von den Eigenschaften der Flüssigkeit unabhängig ist.
Eine günstige konstruktive Ausführungsform wird dadurch geschaffen, daß Sender und Empfänger außerhalb des Flüssigkeitsbehälters hintereinander angeordnet sind und der Sender eine Durchtrittsfläche für die reflektierten Strahlen zur Aufnahme durch den Empfänger freiläßt.
Die Wirkung der Vorrichtung läßt sich dadurch verbessern, daß der Sender eine kegelförmige Strahlungsquelle mit einem konstanten Raumwinkel aufweist.
Um eine Trennung des elektrischen Teils vom Behälter und eine günstige Ausbildung als explosionsgeschützte Anordnung zu schaffen, wird vorgeschlagen, daß der Flüssigkeitsbehälter über ein druckfestes optisch durchlässiges Trennelement, wie mit einem optischen Quarz, gegenüber dem Sender und Empfänger getrennt ist.
Zur Erzielung günstiger optischer Verhältnisse wird vorgeschlagen, daß der Quarz als Trennelement eine Entspiegelung für den Infrarotbereich aufweist.
UmBnterferenzerscheinungen auszuschalten und den Strahlungskegel des Senders aus dem Trennelement austreten zu lassen bevor eine Reflektion durch das Rohr erfolgt, wird vorgeschlagen, daß der Durchmesser des Rohres geringfügig größer als der Austrittsdurchmesser des Strahlungskegels des Senders aus dem Trennelement ist.
Weiterhin ist vorgesehen, daß die Strahlung des Senders mit einer Trägerfrequenz im Bereich von 25 kHz moduliert ist und durch Impulsbetrieb betrieben wird. Hierdurch werden Fremdeinflüsse ausgeschaltet, und es erfolgt durch den Impulsbetrieb eine Erhöhung der Energiedichte.
Um eine Erhöhung der Lichtintensität vor dem Empfänger vorzunehmen wird vorgeschlagen, daß die reflektierten Strahlen vor dem Empfänger über eine Hülse mit einer logarithmisch verlaufenden Einengung des Durchmessers über seine Länge und eine anschließende Sammellinse geführt sind und der Empfänger sich im Brennpunkt einer Linse befindet.
Zur Erzielung einer beruhigten Meßoberfläche im Rohr ist vorgesehen, daß das Rohr an seinem dem Behälterboden zugewandten Ende mit einem Drahtnetz abgeschlossen ist.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt. Es zeigen: Fig. 1 eine Gesamtansicht einer Meßvorrichtung und Fig. 2 eine Schnittdarstellung einer Meßvorrichtung.
Die Gesamtansicht einer Meßvorrichtung in Fig. 1 zeigt ein Gehäuse 1 mit einem Leitungsanschluß 2, für ein nicht näher dargestelltes Anzeigegerät für den Füllstand, das über einen Gehäuseflansch 3 und einem Zwischenflansch 4 an einen Behälter 5 mit einem angedeuteten Füllstandsniveau angeschlossen ist.
Zwischen den Flanschen 3 und 4 befindet sich ein strahlungsdurchlässiges, den Meßteil gegen den Behälter 5 abdeckendes Trennelement 6, welches in diesem Fall aus einem optischen Quarz gebildet ist. Von dem Trennelement 6 wird ein Rohr 7 zum Behälterboden geführt.
Der Raum zwischen dem Anschluß für das Rohr 7 und dem Gehäuseflansch 3 ermöglicht Maßnahmen, um gegebenenfalls aus dem Rohr 7 austretenden Gasen einen freien Weg an dem Gehäuse 1 vorbei in die Umgebungsluft zu verschaffen. An seinem unteren Ende wird das Rohr 7 durch ein Drahtnetz 8 abgeschlossen. An seinem oberen Ende weist das Rohr 7 eine Reihe Entlüftungslöcher 9 auf.
Fig. 2 zeigt im Schnitt den oberen Teil der Gesamtanordnung mit dem sogenannten Meßkopf. In dem Gehäuseteil 1 ist die elektrische Schaltungsanordnung mit Verstärker, Wandler und dergl. angeordnet und mit einem Strahlungssender 12 und einem Strahlungsempfänger 13 untergebracht. Die strahlungsdurchlässige Abdeckscheibe 6 ist so ausgebildet, daß auf ihrer, von der zu bestrahlenden Flüssigkeit abgewandten Seite 61 der Senders 12 angebracht ist, wobei das Trennelement 6 einen wesentlich größeren Außendurchmesser als der Sender 12 hat.
Das Trennelement 6, das zwischen dem am unteren Teil des Gehäuses 1 befindlichen Gehäuseflansch 3 und dem das Meßkopfgehäuse 1 mit dem Behälter 5 verbindenden Zwischenflansch 4 angebracht ist und den Abschluß des Meßkopfes gegen die Flüssigkeit im Behälter bildet, ist durch entsprechende Bedampfung reflexionsarm gemacht und durch eine lichtundurchlässige Belegung der Mantelfläche 63 gegen Fremdlicht-Einflüsse geschützt.
Zwischen der Abdeckscheibe 6 und der Schaltungsanordnung 11 im Meßkopfgehäuse 1 befinden sich drei aneinanderstoßende Führungsstücke 14, 15 und 16.
Das Führungsstück 14 ist an dem Trennelement 6 abgestUtzt. Zwischen dem FührungsstUck 15 und dem mit einem Flanschvon innen am Gehäuse 1 befestigten Ftlhrungsstück 16 befindet sich eine beidseitig entspiegelte Linse 17. Der Empfänger 13 ist in dem Führungsstilck 16 achsial aufgenommen.
Das Rohr 7 mit den Entlüftungslöchern 9 ist mit einem Flansch 71 an der dem Behälter 5 zugewandten Seite des Zwischenflansches 4 befestigt.
Es wird ein gepulstes, Taktzeit vorzugsweise 30 bs, frequenzmoduliertes, Modulationsfrequenz vorzugsweise 20 bis 30 kHz, Infrarotstrahlenbündel, IR-Frequenz vorzugsweise 940 nm, vor dem Sender 12, der beispielsweise eine Infrarot-Diode mit konstantem Raumwinkel, durch das Trennelement 6, einen beidseitig entspiegelten Quarzblock (n =1,4-1,5), q im wesentlichen senkrecht zur Oberfläche der.Flüssigkeit ausgestrahlt, wobei der Sender 12 achsial auf der der Flüssigkeit abgewandten Seite des Quarzblockes 6 gelagert ist. Bei der Wahl der Abmessungen, z.B. der Stärke der Abdeckscheibe 6, sind vor allem die besonderen Betriebsbedingungen, wie hoher Druck, Explosionsgefahr usw., zu beachten. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel soll das Meßgerät bei einem Behälterinnendruck bis zu 70 bar unter Berücksichtigung der für einen Explosionsschutz notwendigen Maßnahme einsatzfähig sein.
Durch Reflexion an der Innenwand des Rohres 7, das aus einem Kunststoff oder Metall bestehen kann, wird der IR-Strahl in seinem Raumwinkel konstant gehalten. Daher steht der Durchmesser des Rohres 7 in direktem Verhältnis zum Öffnungskegel des Strahles. Das Drahtnetz 8 am Ende des Rohres 7 hilft die Messung störende Turbulenzen im Rohr zu vermeiden, die beim Befüllen des Behälters 5 auftreten könnten. Während der Befüllung sorgen Bohrungen 9 am oberen Ende des Rohres 7 für einen ständigen Druckausgleich.
Bei gleichbleibender Strahlungsstärke des Senders 12 verhält sich die mit dem Empfänger 13 bestimmte Bestrahlungsstärke des die Strahlung empfangenden und zum Empfänger 13 zurückreflektierenden im Rohr 7 befindlichen Oberflächenteils umgekehrt wie das Quadrat des Abstandes der empfangenden Oberfläche vom Sender 12.
Die Reflexionseigenschaften der Innenwand des Rohres 7 begünstigen die Messung. Das Rohr 7 sorgt durch Reflexion der aus dem abdeckenden Quarzblock 6 austretenden Strahlung fUr eine möglichst große Helligkeit bzw. Bestrahlungsstärke der empfangenden Fläche und dementsprechend vergrößerte Meßwerte nach Reflexion von der empfangenden, anzumessenden Oberfläche zum Empfänger 13.
Durch Vorsetzen einer zusätzlichen Beryllium-Kristall-Platte 64 zum Abblenden soll dafür gesorgt werden, daß keine Radioaktivität in das Meßgehäuse 1 oder ins Freie gelangen kann.
Die von der Flüssigkeitsoberfläche und die an den Rohrwänden reflektierte Strahlung tritt durch den abdeckenden Quarzblock 6 hindurch, am Sender 12 vorbei, durch die Führungsstücke 14, 15 und 16 hindurch, wobei das die Linse 17 haltende Führungsstück 16 als sogenannter "logarithmischer Verdichter" ausgebildet ist und intensitätsverstärkend wirkt.
Der die von der Linse 17 kommende Strahlung aufnehmende Empfänger 13 ist als Halbleiter-Empfänger ausgebildet. Empfänger 13 und Verstärker 11 sind, um störende Einflüsse auszuschalten, auf den vom Sender 12 ausgestrahlten Frequenzbereich abgestimmt.
Der Verstärker 11 kann die als Maß für die sich ändernde Füllstandshöhe bestimmten Strom/Spannungswerte an entsprechend angepaßte Qualog- oder Digital-Anzeiger weiterleiten.

Claims

Patentansprüche rn Vorrichtung zur fortlaufenden Bestimmung der Füllstandhöhe in einem Flüssigkeitsbehälter, insbesondere für Flüssiggas- und Druckwasser-Behälter, mittels elektromagnetischer Strahlung auf die Flüssigkeitsoberfläche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sender (12) mit einer Strahlung im Infrarotbereich im wesentlichen senkrecht zur Flüssigkeitsoberfläche angeordnet ist, wobei die Strahlung in einem eine Flüssigkeitssäule abteilenden und mit einer reflektierenden Wandung versehenem Rohr (7) zur Flüssigkeitsoberfläche geführt ist und die an der Flüssigkeitsoberfläche reflektierten Strahlen über das Rohr (7) auf einen Empfänger (13) zurückgeführt werden.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Sender (12) und Empfänger (13) außerhalb des Flüssigkeitsbehälters (5) hintereinander angeordnet sind und der Sender (12) eine Durchtrittsfläche für die reflektierten Strahlen zur Aufnahme durch den Empfänger (13) freiläßt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sender (12) eine kegelförmige Strahlungsquelle mit einem konstanten Raumwinkel aufweist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitsbehälter (5) über ein druckfestes, optisch durchlässiges Trennelement (6), wie mit einem optischen Quarz, gegenüber dem Sender (12) und Empfänger (13) getrennt ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Quarz als Trennelement (6) eine Entspiegelung für den Infrarotbereich aufweist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Rohres (7) geringfügig größer als der Austrittsdurchmesser des Strahlungskegels des Senders (12) aus dem Trennelement (6) ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlung des Senders (12) mit einer Trägerfrequenz im Bereich von 25 kHz moduliert ist und durch Impulsbetrieb betrieben wird.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierten Strahlen vor dem Empfänger (13) über eine Hülse (ins) mit einer logarithmisch verlaufenden Einengung des Durchmessers über seine Länge und eine anschließende Sammellinse (17) geführt sind und der Empfänger (13) sich im Brennpunkt einer Linse befindet.
9. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (7) an seinem dem Behälterboden zugewandten Ende mit einem Drahtnetz (8) abgeschlossen ist.