DE3347606C2 - - Google Patents
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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).
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:
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.
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 (10)
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.
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