DE3347606C2

DE3347606C2 -

Info

Publication number: DE3347606C2
Application number: DE3347606A
Authority: DE
Inventors: Graham Peter Auckland Nz Sealey; Andrew Cedric Khandallah Wellington Nz Corney
Original assignee: TRU TEST DISTRIBUTORS Ltd AUCKLAND NZ
Current assignee: TRU TEST DISTRIBUTORS Ltd AUCKLAND NZ
Priority date: 1982-12-31
Filing date: 1983-12-30
Publication date: 1988-12-15
Also published as: NO834879L; JPS59136623A; SE8307204L; CA1208453A; DE3347606A1; BE898582A; ZA839692B; FI74540C; IE54949B1; AU2277083A; FI834873A0; GB2134264A; IT8349591A0; DK608783D0; NO159420C; AU567529B2; FI74540B; GB8334576D0; IE833058L; IT1171898B

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung des Pegels einer elektrisch leitenden Flüssigkeit der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung.

Eine solche Vorrichtung geht aus der DE-OS 23 45 932 hervor und weist mindestens eine, zumindest teilweise in die Flüssigkeit vertikal eingetauchte Elektrode, eine an die Elektrode (n) angeschlossene Wechselspannungsquelle, eine zumindest teilweise in die Flüssigkeit eingetauchte, langgestreckte Spule, in der ein Strom induzierbar ist, sowie eine an die Spule angeschlossene Auswertschaltung zur Ermittlung und Anzeige des Flüssigkeits-Pegels auf. Dabei sind eine Primärspule und eine Sekundärspule vorgesehen, an die ein Spannungsmeßgerät angeschlossen ist, dessen Anzeige Aufschluß über den Umfang der Benetzung eines Füllrohres durch die Flüssigkeit und damit über den Grad der Füllung des Behälters gibt.

Weiterhin geht aus der DE-AS 12 43 891 eine Vorrichtung zum kontinuierlichen Messen des Flüssigkeitsstandes elektrisch leitfähiger Flüssigkeiten auf, bei der die innere Primärspule, die teilweise in die Flüssigkeit eingetaucht ist, einen stabförmigen Weicheisenkern aufweist, während die äußere Sekundärspule auf einen Spezialkern gewickelt ist, der aus einem Zylinderrohr mit einer Vielzahl von Weicheisen-Einzelkernen in Form von Ringsegmenten besteht, die mit einem gewissen Abstand voneinander im wesentlichen entlang von Umfangslinien des Zylinders angeordnet sind.

Solche Vorrichtung sind insbesondere zur Messung des Füllstandes von Milch in einem Behälter geeignet, wie es aus der US-PS 33 49 617 bekannt ist.

Nachteilig ist bei dem bekannten Füllstandsmesser nach der DE-OS 23 45 932, daß die Spulen auf einen gemeinsamen, stabförmigen Kern aus einem ferromagnetischen Material oder aus stenitischem Material gewickelt werden müssen, da sich hierdurch eine Einschränkung in der Flexibilität und den Anwendungsmöglichkeiten dieses Füllstandsmessers ergibt, insbesondere in Bezug auf die komplizierte und dementsprechend aufwendige Reinigung der Meßvorrichtung und des Behälters.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Messung des Pegels einer elektrisch leitenden Flüssigkeit der angegebenen Gattung zu schaffen, bei der sich die in die Flüssigkeit eingetauchten Elemente auf einfache Weise reinigen lassen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Zweckmäßige Ausführungsformen werden durch die Merkmale der Unteransprüche definiert.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile beruhen darauf, daß der Strom von der ersten Elektrode über die elektrisch leitende Flüssigkeit zu der zweiten Elektrode fließt und dadurch im Bereich zumindest der ersten Elektrode ein elektromagnetisches Feld erzeugt wird, das in der langgestreckten Spule einen Strom erzeugt, der wiederum ausgewertet werden kann, so daß aus diesem Strom und damit schließlich aus dem elektromagnetischen Feld ein Maß für den Flüssigkeitspegel gewonnen wird.

Die Spulen müssen also nicht über einen massiven Körper geführt werden, sondern es ergibt sich ein einfacher Aufbau aus mehreren, leicht voneinander trennbaren Teilen, die sich problemlos reinigen lassen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden, schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine Ansicht eines Behälters mit einer elektrisch leitenden Flüssigkeit, in die eine Vorrichtung zur Messung des Pegels der Flüssigkeit eingetaucht ist,

Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie A-A von Fig. 1,

Fig. 3 eine Darstellung einer aus mehreren Windungen gewickelten Spule,

Fig. 4 eine Darstellung des eigentlichen Meßteils mit den beiden Elektroden und der langgestreckten Spule im zusammengebauten Zustand, und

Fig. 5 ein Blockschaltbild der Auswertschaltung.

Im folgenden wird eine Vorrichtung für die Bestimmung des Pegels von Milch in einem Meßbehälter beschrieben. In gleicher Weise kann jedoch eine solche Vorrichtung auch für die Bestimmung des Flüssigkeitsstandes anderer elektrisch leitender Flüssigkeiten eingesetzt werden, sogar in Flüssigkeiten, die sich nicht in einem Behälter befinden.

Diese Meßvorrichtung kann insbesondere dort eingesetzt werden, wo eine genau abgemessene Milchprobe erhalten werden muß, wie bspw. bei einer Überprüfung und Kontrolle der Qualität und/oder Quantität einer Milchprobe. Solche Kontrollen sind in vielen Ländern von Gesetzes wegen vorgeschrieben, bspw. in Neuseeland, aber auch in den Vereinigten Staaten von Amerika und in vielen Ländern Europas. In diesem Fall kann diese Meßvorrichtung mit einem Gerät verwendet werden, wie es aus der US-PS 33 49 617 hervorgeht.

Als eigentliche Meßkammer für die Aufnahme der Milch dient eine längliche Kammer 1, die aus einem geeigneten isolierenden Material, wie beispielsweise Kunststoff, gebildet ist. Die Kammer 1 ist an ihrem unteren Ende geschlossen und langgestreckt ausgebildet. Für eine Messung wird eine bestimmte Milchmenge in die Kammer 1 geleitet.

Wie in den Figuren dargestellt, erstrecken sich zumindest zwei im Abstand voneinander angeordnete, langgestreckte erste und zweite Elektroden 2, 3 in die Kammer 1 und zwar im wesentlichen über die gesamte Länge. Bei der in den Figuren dargestellten Ausführungsform verlaufen die Elektroden 2 und 3 im wesentlichen parallel zueinander. Zur Erleichterung der Anordnung sind die Elektroden 2, 3 (und die noch zu beschreibende Spule) zu einer Wandlereinheit 8 zusammengefaßt, die an ihrem oberen und unteren Ende mit Stirnteilen 8 a versehen ist, durch welche die beiden Elektroden 2, 3 sicher in der richtigen Lage zueinander gehalten werden.

Die Elektroden 2 und 3 sind aus einem geeigneten Material hergestellt, beispielsweise aus rostfreiem Stahl, was z. B. für Molkereibetriebe vorteilhaft ist, wenn Milch zu messen ist. Denn Elektroden aus rostfreiem Stahl können problemlos sauber gehalten werden.

Die erste Elektrode 2 hat die Form eines langgestreckten Rohrs oder Stabs. Die zweite, im Abstand davon angeordnete Elektrode 3 kann eine beliebige Form haben; nach einer bevorzugten Ausführungsform hat sie eine langgestreckte Rohr-Form mit im wesentlichen quadratischem Querschnitt. Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist die zweite Elektrode 3 im wesentlichen hohl; in ihr ist eine längliche bzw. langgestreckte Spule 4 untergebracht.

Die Spule 4 ist bevorzugt in der zweiten Elektrode 3 angeordnet. Dies hat sich hinsichtlich der Herstellung und des Betriebsverhaltens als vorteilhaft erwiesen; jedoch kann die Spule 4 auch an irgendeiner anderen Stelle in der Kammer vorgesehen sein, solange sich die Spule 4 so nahe bei der ersten Elektrode 2 befindet, daß in der Spule 4 durch das um die erste Elektrode ausgebildete Feld ein Strom induziert wird.

Bei der beschriebenen Ausführungsform weist die langgestreckte Spule eine oder mehrere longitudinale Wicklungen 5 auf. Durch Versuche hat sich ergeben, daß eine Spule 4 mit einer oder mehreren longitudinalen Wicklungen besonders wirksam ein elektromagnetisches Feld aufnehmen und dadurch ein Strom induziert werden kann, der eine lineare Funktion des Pegels der Flüssigkeit, in der sich die Elektroden 2 und 3 und die Spule 4 befindet, umgewandelt werden können.

Die Spule 4 weist mehrere langgestreckte Wicklungen 5 auf, wie beispielsweise in Fig. 2 und 3 dargestellt ist. Diese Wicklungen 5 sind um einen im wesentlichen ′′H′′-förmigen Formkörper 6 gewickelt, wobei sich die Wicklungen 5 um den Quersteg oder die flache Seite 7 des Formkörpers erstrecken (siehe Fig. 2 und 3).

Die Spule 4 ist in der hohlen, langgestreckten zweiten Elektrode 3 untergebracht, die durch entsprechende Absperr- und Abdichtmaterialien und/oder mittels Stirnanschlägen 8 a abgedichtet, insbesondere wasserdicht gemacht ist, so daß die Elektroden und die Spule 4 zu einer Wandlereinheit 8 zusammengefaßt sind. Wie aus Fig. 1 und 3 zu ersehen, hat die Spule 4 in der zweiten Elektrode 3 in der Kammer 1 eine im wesentlichen vertikale, aufrechte Lage.

Das obere Ende der Elektrode 2 liegt frei, so daß es an eine Wechselstromquelle angeschlossen werden kann. Die Stirnanschläge 8 a sind aus einem geeigneten Kunststoff- oder Isoliermaterial hergestellt und nehmen die jeweiligen Enden der Elektroden abgedichtet auf, wie beispielsweise aus Fig. 4 zu ersehen ist.

Eine Einrichtung ist mit der Wandlereinheit 8 sowie der Elektrode 2 verbunden, um einen Wechselstrom durch die erste Elektrode 2 zu leiten. Der Wechselstrom fließt durch die elektrisch leitende Milch sowie durch die zweite Elektrode 3 und erzeugt ein elektromagnetisches Feld 10 um die erste Elektrode 2, wie beispielsweise in Fig. 1 dargestellt ist. Das elektromagnetische Feld 10 ist im wesentlichen horizontal ausgerichtet, liegt also in einer horizontalen Ebene. Das um die erste Elektrode 2 erzeugte, elektromagnetische Feld 10 wird von der Wicklung 4 aufgenommen und führt in dieser (4) zur Induktion eines Stromes, der in eine im wesentlichen lineare Funktion des Pegels der elektrisch leitenden Milch umgewandelt wird.

Bei der Benutzung ist das in der Wicklung 4 induzierte elektromagnetische Feld 10 im wesentlichen proportional zu der Länge des Stromwegs, der von der benachbarten oberen Seite der Spule 4 bis zu einer Stelle gemessen worden ist, die sich nach unten im wesentlichen auf der Hälfte der Länge der in die Flüssigkeit eingetauchten Spule 4 befindet.

Die langgestreckten Wicklungen der Spule 4 sind besonders vorteilhaft, da zwischen den Wicklungen 5 Zwischenräume vorhanden sind, wodurch ein Durchgang für das elektromagnetische Feld 10 ermöglicht ist und somit dieses Feld optimal von der Spule 4 erfaßt wird, um in ihr (4) einen Strom zu induzieren. Wie aus den Figuren zu ersehen ist, verläuft die Längsachse der Zwischenräume zwischen den Wicklungen 5 im wesentlichen unter einem rechten Winkel zu der im wesentlichen horizontalen Achse oder Ebene des elektromagnetischen Feldes 10, so daß das elektromagnetische Feld durch Zwischenräume (beispielsweise in Richtung des Pfeils 9 in Fig. 2) hindurchtreten kann.

Obwohl bei der beschriebenen Ausführungsform die beiden Elektroden 2 und 3 (und damit die in der zweiten Elektrode 3 angeordnete Spule 4) im wesentlichen koaxial oder parallel zueinander angeordnet sind, ist dies nicht wesentlich. Vorteilhaft ist jedoch, daß die Achse der ersten Elektrode und die langgestreckte Spule nicht unter einem rechten Winkel zueinander liegen. Wenn beispielsweise die Längsachse des Wechselstroms, der nach unten durch die erste Elektrode 2 fließt, unter einem rechten Winkel zu den Längsachsen der Wicklungen 5 der Spule 4 verlaufen würde, könnte ein weiteres elektromagnetisches Feld gebildet werden und damit eine ungünstige Wirkung entstehen.

Um eine verhältnismäßig gleichmäßige Auswertung zu ermöglichen, sollten die Abmessungen des Formkörpers 6 und des Steges 7, um welchen die Wicklungen 5 verlaufen, im wesentlichen gleichförmig sein, da dann der induzierte Strom eine lineare Funktion des Flüssigkeitspegels in der Kammer darstellt. Wenn es zu Änderungen in der Form oder den Abmessungen des Formkörpers kommt, können diese rechnerisch bei der Auswertung berücksichtigt werden (was nachstehend noch beschrieben wird).

Wenn beispielsweise die Elektroden 2 und 3 aus rostfreiem Stahl bestehen und die elektrisch leitende Flüssigkeit Milch ist, dann sollte die Betriebsfrequenz so gewählt werden, daß sie mit Milch und rostfreiem Stahl verträglich ist, also diese Materialien keine Sperre für das induzierte elektromagnetische Feld bilden. Es ist festgestellt worden, daß eine besonders geeignete Frequenz im Bereich von 3 bis 30 KHz liegt.

Der Kammer 1 ist beispielsweise ein Milchmeßgerät zugeordnet, wie es in der US-PS 33 49 617 beschrieben ist. Die beiden Elektroden 2 und 3 erstrecken sich durch die Kammer 1, so daß sie zumindest teilweise in die Milch 11 in der Kammer eingetaucht sind.

Gemäß Fig. 5 wird ein Taktsignal von einem Mikroprozessor 18 in Signale mit entsprechender Frequenz aufgeteilt, die durch einen Hochpaßfilter 30 gehen und zu einer Konstantstromquelle 31 gelangen. Ein Wechselstrom fließt dabei durch die elektrisch leitende Milch 11 und durch die zweite Elektrode 3 zu der ersten Elektrode 2. Der Durchgang des Wechselstroms erzeugt ein elektromagnetisches Feld 10 um die erste Elektrode 2, wie in Fig. 1 dargestellt ist. Dieses elektromagnetische Feld 10 wird von der Spule 4 aufgenommen und induziert in dieser einen Strom.

Der induzierte Strom wird von der Spule 4 über einen Vorverstärker 32 zu einem verstärkenden Tiefpaßfilter 13 geleitet. Das Signal wird dann durch einen Hochpaßfilter 15 gefiltert, durch einen Präzisonsgleichrichter 16 gleichgerichtet und schließlich durch einen Analog/ Digital-Umsetzer 17 digitalisiert. Die Signalspannungen von der Konstantstromquelle, einem Oszillator und der Spule werden beispielsweise über einen Vierkanal-Multiplexer 14 von dem Mikroprozessor 18 aus gesteuert. Diese Signale werden dann dazu verwendet, um eine Verhältnis- oder Quotientenmessung des induzierten Stromes zu erreichen. Das Grundsignal von dem Präzionsgleichrichter dient dann dazu, um die Flüssigkeitshöhe in der Kammer zu bestimmen. Dieses Signal ändert sich linear mit dem Pegel der Flüssigkeit.

Ein 8 Bit Mikroprozessor 18 bildet die Steuerung für die analogen Signale und für eine Flüssigkristallanzeige. Ein Realzeit-Taktgeber 27 ermöglicht das Ausschalten von nichtwesentlichen Schaltungsteilen, die Berechnung von Flußinformation und die automatische Abschaltung (beispielsweise nach einer vorbestimmten Nichtbenutzungsdauer von 20 min). Die niedrigeren acht Bits der Adressensammelleitung werden mittels eines 8 Bit-Adressenhalteglieds 24 dekodiert. Ein Speicherbelegungsverfahren kann verwendet werden, um einen RAM-Speicher 21, einen EPROM-Speicher 22, einen EEPROM-Speicher 25, einen Vierkanal-Multiplexer 14 und eine Anzeige-Ansteuerstufe 26 zu dekodieren. Die Analog/ Digital-Umsetzung erfolgt mittels eines Sechskanal 8 bis 10 Bit Analog- Digital/Umsetzers. Der Mikroprozessor steuert das Adressieren, den Zeitablauf, das Zählen sowie die Rechenoperationen, die für die Durchführung einer vollständigen Analog/Digital-Umsetzung erforderlich sind.

Eine entsprechende Software kann verwendet werden, um das digitalisierte Wandlersignal beispielsweise in den Milchertrag, angegeben in Kilogramm, Pfund oder Liter, umzusetzen. Außerdem können aus den verfügbaren Daten weitere Informationen, wie Milchleitfähigkeit, die Strömungsgeschwindigkeit, u. ä., erhalten werden.

Bezüglich der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung kann eine Näherungslösung für die Empfindlichkeit des Fühlers durch Vernachlässigen von Randeffekten hergeleitet werden. Das Magnetfeld von einem langen stromführenden Draht in einem Abstand r Meter beträgt:

Wenn die Spulenbreite W klein im Vergleich zu dem Abstand r ist, beträgt die in der Wicklung durch dieses Feld induzierte elektromagnetische Kraft (EMK)

e = B A N w

mit

A = Spulenfläche, N = Anzahl der Windungen und w = Kreisfrequenz.

Da die Spulenfläche A = L × W ist, beträgt die induzierte elektromagnetische Kraft (EMK)

Die Elektrode kann als Gegeninduktor mit einer maximalen Gegeninduktivität von

betrachet werden.

Die induzierte elektromotorische Kraft (EMK) ist dann

e = w · M · I (V).

Veränderliche Leitfähigkeit der Flüssigkeit

Die Elektrodenwirkung wird durch die Flüssigkeitsleitfähigkeit nicht beeinflußt, vorausgesetzt die Leitfähigkeit ist überall in der Kammer gleich. In der Praxis kann dies jedoch nicht angenommen werden. Beispielsweise nimmt bei Milch im Verlaufe des Melkens die Leitfähigkeit ab, da der Fettgehalt der späteren Milch höher ist. Die Abnahme von dem Anfangswert reicht üblicherweise von 10% bis 20% und könnte maximal bis zu 25% betragen.

Der allgemeine Ausdruck für die elektromotorische Kraft (EMK), die in der Spule infolge eines Elektrodenstroms 1 induziert worden ist, lautet:

mit

b= eine Konstante,L₀= die effektive Länge der Elektrode, h= die Höhe der Milchoberfläche über dem Boden der Kammer und σ _x= die Leitfähigkeit der Milch in der Höhe x über dem Boden der Kammer.

Lösungen für drei einfache Leitfähigkeitsprofile sind:

Gleichförmige Leitfähigkeit Stufenweise Leitfähigkeitsabnahme

Wenn die Leitfähigkeit in der Höhe h/2 gleichförmig ist, an dieser Stelle jedoch plötzlich auf das (1-a)-fache des Anfangswerts abnimmt und danach konstant ist, so wird die Lösung

Wenn a klein ist, ist der Fehler annähernd

Wenn die Abnahme 30% beträgt, ist der Fehler bei der Näherungslösung 7,5%, während die exakte Lösung 8,8% ergibt.

Lineare Leitfähigkeitsabnahme

Die Leitfähigkeit soll linear bis zu einer Höhe h abnehmen, so daß der Wert in der Höhe h das (1-a)-fache des Werts am Boden ist. In diesem Fall gilt dann:

Wenn a klein ist, ist der Fehler annähernd

Wenn die Leitfähigkeitsabnahme 30% beträgt, liegt der Fehler bei der Näherungslösung bei 5% oder bei der genauen Lösung bei 5,9%.

Claims

1. Vorrichtung zur Messung des Pegels einer elektrisch leitenden Flüssigkeit

a) mit mindestens einer ersten und einer zweiten, zumindest teilweise in die Flüssigkeit vertikal eingetauchten Elektrode,
b) mit einer an die Elektrode angeschlossenen Wechselspannungsquelle,
c) mit einer zumindest teilweise in die Flüssigkeit eingetauchten, langgestreckten Spule, in der ein Strom induzierbar ist, und
d) mit einer an die Spule angeschlossenen Auswertschaltung zur Ermittlung und Anzeige des Flüssigkeits-Pegels,

gekennzeichnet durch die Kombination der folgenden Merkmale:

e) die Wechselspannungsquelle (31) führt einen Wechselstrom von der ersten Elektrode (2) über die Flüssigkeit (11) zu der zweiten Elektrode (3) und erzeugt dadurch ein elektromagnetisches Feld (10) wenigstens um die erste Elektrode (2);
f) die langgestreckte Spule (4) ist parallel zur ersten Elektrode (2); angeordnet, so daß das elektromagnetische Feld (10) einen Strom in der Spule (4) induziert; und
g) die Auswertschaltung (13-18) wandelt das elektromagnetische Feld (10) in eine im wesentlichen lineare Funktion des Pegels der elektrisch leitenden Flüssigkeit (11) um.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

h) die Spule (4) mindestens eine longitudinale Wicklung (5) enthält.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß

i) die Spule (4) in einem langgestreckten Gehäuse untergebracht ist, das die zweite Elektrode (3) bildet.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß

j) die erste Elektrode (2) eine langgestreckte Stange oder ein langgestrecktes Rohr ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß

k) die beiden Elektroden (2, 3) aus rostfreiem Stahl hergestellt sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß

l) die langgestreckte(n) Wicklung(en) (5) um einen länglichen Formkörper (6) verläuft(verlaufen).

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß

m) die leitende Flüssigkeit (11) Milch ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß

n) die Elektroden (2, 3) und die Spule (4) miteinander verbunden sind.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß

o) die Längsachse der bzw. jeder Wicklung (5) im wesentlichen im rechten Winkel zu der Ebene des um die erste Elektrode (2) erzeugten elektromagnetischen Feldes (10) verläuft.