DE3702640C2 - Kopfteil einer Niveauröhre zur hydrostatischen Druckmessung, sowie Drucksensor hiermit - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Kopfteil einer Niveauröhre zur hydrostatischen Druckmessung, sowie einen Drucksensor hiermit.

Der hydrostatische Druck in einer gegebenen Tiefe eines Fluides wie beispielsweise einer Flüssigkeit kann dadurch gemessen werden, daß das Ende einer Röhre in das Fluid bis zu der gegebenen Tiefe eingetaucht wird und dann ein Gas vom anderen Ende der Röhre in diese eingebracht wird. Der Druck des Gases wird erhöht, bis sich an dem eingetauchten Ende, an dem der Druck zu messen ist, eine Gasblase bildet. Es wird sodann angenommen, daß der Innendruck der Gasblase konstant und gleich dem hydrostatischen Druck des Fluides wird. Durch Messen des Gasdruckes in der Röhre an dem Ende außerhalb der Flüssigkeit läßt sich der Druck am eingetauchten Ende der Röhre, d.h. in der gegebenen Tiefe festlegen.

Es hat sich jedoch herausgestellt, daß aufgrund des sich ändernden Krümmungsradius der Gasblase, während diese aus dem eingetauchten Ende der Röhre herauswächst, eine genaue und zuverlässige Druckmessung schwierig zu bewerkstelligen ist.

Zunächst steigt bei einer sich vergrößernden Blase der Druck in der Blase an und der Krümmungsradius nimmt ab. Wenn die Blase groß genug ist, um als sphärisch betrachtet werden zu können, treten der kleinste Krümmungsradius und der maximale Druck dann auf, wenn die Blase eine Halbkugelform hat. Ein weiteres Wachstum bewirkt ein Abnehmen des Druckes, so daß die Blase instabil wird und von dem Ende der Röhre abreißt. Variationen des gemessenen Druckes und eine Instabilität der Blase werden eindeutig beobachtet.

Zusätzlich hat sich gezeigt, daß bei einer abreißenden Blase Druckoszillationen auftreten. Wenn sich dann eine neue Blase ausbildet, können Turbulenzen in dem umgebenden Fluid das Wachstum der Blase stören und diese wieder zum Abreißen bringen.

Bekannte Vorrichtungen, die Niveauröhren verwenden, weisen typischerweise Einrichtungen auf, mittels denen die Luftblase zum Abreißen gebracht wird, so daß ein konstanter Strom von kleinen Bläschen aus der Röhre austritt. Derartige Vorrichtungen sind beispielsweise aus den US-PSen 2,668,438 und 2,755,669 bekannt, wobei eine vertikale Röhre mit Öffnungen verschiedener Formgebung in ihrer Außenwand gezeigt ist, um ein leichtes Austreten des Gases innerhalb der Röhre zu bewirken. In diesen Patentschriften wird angenommen, daß das leichte Austreten des Gases und die Ausbildung eines Bläschenstromes ausreicht, genaue Druckmessungen durchzuführen.

Die DE-AS 12 34 041 zeigt einen pneumatischen Flüssigkeitsstandanzeiger, der am freien Ende des Tauchrohres einen blasenförmigen Hohlkörper in Form einer sehr weichen Polyethylenfolie ohne Eigensteifigkeit aufweist, wobei der Hohlkörper ballonförmig aufblasbar ist.

Bei der US-PS 1,964,253 ist am freien Ende des Tauchrohres eine Kolben/Zylinder-Anordnung vorgesehen, auf welche der hydrostatische Druck des Fluides wirkt.

Aus der DE-AS 10 80 789 ist ein Flüssigkeitsstandanzeiger bekannt, bei dem ein nahezu bis zum Boden eines Behälters reichendes Tauchrohr mit einer bestimmten Luftmenge beaufschlagt wird und der hierzu erforderliche Druck, der der jeweiligen Tauchtiefe des Rohres entspricht, an einem Manometer abgelesen wird. Beim Durchdrücken einer Membran, mittels der der Beschickungsdruck für das Tauchrohr erzeugt wird, wird mehr Luft verdrängt, als das sich im Behälter befindende Tauchrohr an Luft aufnehmen kann. Der Überschuß tritt am unteren freien Ende des Tauchrohres im Bereich einer dortigen Erweiterung in Form von Luftblasen aus.

Gerade das Austreten von Luftblasen am freien Ende des Tauchrohres während der Messung des Luftdruckes der Luftsäule innerhalb des Tauchrohres sollte jedoch unter allen Umständen vermieden werden, da hierdurch wieder die bereits erwähnten Meßungenauigkeiten auftreten.

Gegenüber dem Stand der Technik ist es daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Kopfteil einer Niveauröhre zur hydrostatischen Druckmessung sowie einen Drucksensor hiermit derart auszubilden, daß die Messung des hydrostatischen Druckes mit einem Höchstmaß an Genauigkeit möglich ist.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 bzw. 8 angegebenen Merkmale.

Die vorliegende Erfindung erlaubt eine bemerkenswert genaue Druckmessung. Das Ausbilden einer Luftblase am Ende einer Niveauröhre bis zu einer Größe, die bislang nicht erreicht werden konnte, wird bei der vorliegenden Erfindung wesentlich erleichtert. Der Effekt hierbei ist, daß der Krümmungsradius der Luftblase auf einen sehr hohen Wert angehoben und weiterhin das Auswachsen der Blase auf einen Radius erlaubt wird, der vordefinierbar und kontrollierbar ist. Wie noch erläutert werden wird, kann hierdurch eine Druckzunahme über die Blase hinweg im wesentlichen ausgeschaltet werden.

In einem erfindungsgemäßen Kopfteil einer Niveauröhre ist gemäß Anspruch 1 eine Platte mit einer ebenen unteren Oberfläche zur horizontalen Anordnung innerhalb eines Fluides oder einer Flüssigkeit vorgesehen, die eine erste Öffnung zur Einbringung eines Gases unter Druck von oberhalb der Platte aufweist, wobei das Gas unter der Platte innerhalb der Flüssigkeit eine Blase bilden kann. Die untere Oberfläche der Platte dient hierbei als Oberfläche, an der sich eine stabile aber dennoch freie Blase mit variabler Größe ausbilden kann. Dies bewirkt die Ausbildung einer Blase mit einem erheblich erhöhten Krümmungsradius an ihrer Grenzschicht, d.h. an dem Übergang von Gas zu Flüssigkeit an der Unterseite der Platte, was bisher nicht erzielbar war.

Erfindungsgemäß wird weiterhin das Material, aus dem die Bläschenplatte gefertigt wird, so ausgewählt, daß bei seiner Benetzung durch die Flüssigkeit der Kontaktwinkel der Blase mit der unteren Oberfläche der Platte unter 90° liegt. Hierdurch wird eine geeignete Blasenausbildung sichergestellt, d. h. der Krümmungsradius der Platte wird auf einen derart hohen Wert angehoben, daß ein Druckzuwachs über die Blase hinweg im wesentlichen vermieden ist. Beispielsweise wurde bei einer Druckmessung in Benzin experimentell gefunden, daß Teflon (eingetr. Warenzeichen) ein geeignetes Material für die untere Oberfläche der Platte ist.

Gemäß der vorliegenden Erfindung läßt sich somit der hydrostatische Druck in einem Fluid mittels einer Niveauröhre dadurch mit höchster Genauigkeit messen, daß eine einzelne zusammenhängende Blase am unteren freien Ende des Tauchrohres erzeugt wird, wobei diese Blase das hier vorgesehene Gehäuse oder dergleichen nicht ausfüllt. Wesentlich hierbei ist, daß die Blase so flach wie irgend möglich ist, d. h. die erzeugte Blase darf keine wesentliche Dicke haben, da sonst ein Druckzuwachs über den Blasenquerschnitt hinweg entstehen würde und der dann gemessene Druck nicht exakt wäre. Durch den Gegenstand der Erfindung wird jedoch sichergestellt, daß die sich an dem Kopfteil ausbildende Blase extrem flach ist. Die Ausbildung der Platte bzw. des Kopfteiles sowie die Benetzungseigenschaften der Platte ermöglichen die Ausbildung einer extrem dünnen Blase, die sich mit ihrer in Aufstiegsrichtung oberen Seite an die Bodenfläche der Platte anlegt, wobei die Dicke der Blase durch den Benetzungswinkel der Flüssigkeit um die Blase herum bedingt ist. Die erzeugte Blase wird in ihrer Größe während der Druckmessung konstant gehalten.

Ein erfindungsgemäßer Drucksensor weist gemäß Anspruch 8 eine Niveauröhre, an deren Eintauchende ein Kopfteil nach Anspruch 1 angeordnet ist, und Einrichtungen zum Messen des Gasdrucks innerhalb der Niveauröhre auf.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 7 bzw. 9 und 10.

Weitere Ausgestaltungen und Vorteile der vorlie­ genden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Be­ schreibung einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigt

Fig. 1 eine Niveauröhre nach dem Stand der Technik;

Fig. 2 eine Niveauröhre mit einem Kopfteil gemäß der Erfin­ dung;

Fig. 3A in perspektivischer Ansicht eine Draufsicht von oben auf die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung; und

Fig. 3B eine perspektivische Ansicht von unten auf die Ausführungsform gemäß Fig. 3A.

Gemäß Fig. 1 wird eine Röhre 1 in eine Flüssigkeit 2 eingetaucht, deren Druck in einer Tiefe entsprechend dem unteren Ende der Röhre bestimmt werden soll. Ein Gas, z.B. Luft, wird unter Druck von einer Quelle 20 dem äuße­ ren Ende der Röhre zugeführt. An dem unteren Ende der Röhre bildet sich hierdurch eine Luftblase 3 (als Halb­ kugel dargestellt) aus.

Wie bereits erwähnt, wächst zunächst der Druck in der Blase an, während die Blase wächst, und der Krümmungsra­ dius an der Trennfläche von Gas und Flüssigkeit an der Unterseite der Blase nimmt ab. Wenn eine Blase klein ge­ nug ist, um als sphärisch betrachtet werden zu können, treten der kleinste Krümmungsradius und der maximale Druck dann auf, wenn die Blase halbkugelförmig ist. Ein weiteres Blasenwachstum bewirkt ein Abnehmen des Druckes, so daß die Blase instabil wird und vom Ende der Röhre abreißt. Der Punkt, an dem der Druck maximal ist, ergibt sich aus:

P + ΔP = gh (D-d) + 2 γ/r,

wobei P=gh (D-d) der Druckanteil ist, der nötig ist, die Flüssigkeit, die sich zunächst in der Röhre befindet, bis in eine Tiefe h auszutreiben, wobei h die Tiefe am unteren Scheitelpunkt der Blase 3 unterhalb der Flüssigkeitsoberfläche ist, g die Erdbeschleunigung ist, D die Dichte des Fluides ist und d die Dichte des Gases in der Blase 3 ist.

Der verbleibende Teil Δ P ist der Druckzuwachs über die Blase hinweg, wobei γ die Oberflächenspannung ist und r der Blasenradius ist.

Gemäß Fig. 2, in der die vorliegende Erfindung schema­ tisch dargestellt ist, weist ein Kopfteil für eine Niveau­ röhre eine Platte 4 (im folgenden mit "Bläschenplatte" bezeichnet) mit einer ersten Öffnung 5 auf, an welcher die Röhre 1 angeschlossen ist. Wenn der Gasdruck von der Quelle 20 in der Röhre 1 anwächst, wird die Blase 3 aus­ gebildet. Die Bläschenplatte 4 dient als Oberfläche, an der sich eine stabile zusammenhängende Blase variabler Größe ausbilden kann. Der Gasdruck in der Röhre wird von einer Anzeige 21 oder dergleichen überwacht.

Aufgrund der Verwendung der Bläschenplatte ergibt sich eine starke Erhöhung des Krümmungsradius der Blase auf einen hohen Wert (um in der oben angeführten Gleichung den Summanden so klein wie möglich zu machen, in dem der Radiusfaktor vorhanden ist), so daß aus obiger Gleichung der Anteil ΔP im wesentlichen verschwindet.

Die Druckmessung ist somit im wesentlichen nur abhängig von der Tiefe, der Erdbeschleunigung und der Dichtedif­ ferenz zwischen der Flüssigkeit und dem Gas. Der Druck­ zuwachs über die Blase hinweg ist im wesentlichen ver­ schwunden.

Bei der Auswahl des Materials der Bläschenplatte, an der sich die Blase ausbildet, müssen gewisse Regeln beachtet werden. Das Material der Bläschenplatte muß der Benet­ zungseigenschaft des Fluides angepaßt werden, um eine geeignete Ausbildung der Luftblase und eine rasche Dämp­ fung nach dem Platzen der Blase sicherzustellen. Im all­ gemeinen sollte das Material derart ausgewählt werden, daß die Benetzungscharakteristik des Fluides eine Blase bildet, welche an der Bläschenplatte einen Kontaktwinkel von weniger als 90° hat.

Dies kann dadurch erzielt werden, daß das Material der Unterseite der Bläschenplatte entsprechend ausgewählt wird, oder indem eine Schicht eines Materials mit geeig­ neter Charakteristik auf die Unterseite der Bläschen­ platte aufgebracht wird. Für den Fall, daß die Flüssig­ keit Benzin ist, wurde herausgefunden, daß Teflon ein ge­ eignetes Material für die Bläschenplatte oder ein ge­ eignetes Material ist, welches als Schicht auf die Unter­ seite der Bläschenplatte aufgebracht wird.

Um sicherzustellen, daß die Blase zusammenhängend ist, sollte die Bläschenplatte während der Verwendung im we­ sentlichen horizontal angeordnet verbleiben. Zusätzlich sollte die Unterseite der Bläschenplatte (oder die darauf aufgebrachte Schicht, an der die Blase anliegt) eben sein.

Um die Größe der sich bildenden Blase steuern zu können, sollte eine zweite Öffnung 6 in der Bläschenplatte in einem bestimmten Abstand von der ersten Öffnung 5 vorgese­ hen werden. Wenn die Blasengröße ausreichend groß ist, so daß sie die zweite Öffnung 6 erreicht, wird die Blase durch diese Öffnung austreten.

Die zweite Öffnung kann loch- oder schlitzförmig sein, wobei der Schlitz auch eine Längsachse haben kann, deren Abstand von der ersten Öffnung konstant ist, oder es kann jede andere beliebige Form oder Größe für die zweite Öffnung gewählt werden.

Um zu verhindern, daß die Blase aufgrund von Turbulenzen in dem umgebenden Fluid zerstört oder sonstwie negativ beeinflußt wird, sollte sich die Blase vorzugsweise in einem Gehäuse 7 ausbilden. Das Gehäuse erstreckt sich von unterhalb der Bläschenplatte weg, d.h. die Platte bildet den oberen Deckel des Gehäuses.

Fig. 3A zeigt eine vorzugsweise Ausführungsform der Er­ findung in perspektivischer Ansicht von oben. Die erste Öffnung 5 weist einen Röhrenanschluß 7 zum Anschluß der Röhre 1 auf. Die zweite Öffnung 6 ist in Form eines ge­ krümmten Schlitzes ausgebildet, dessen Längsachse einen konstanten Abstand zur ersten Öffnung hat.

Fig. 3B zeigt in perspektivischer Ansicht die Ausfüh­ rungsform gemäß Fig. 3A von unten. Die untere Oberfläche der Bläschenplatte ist mit einer Teflonschicht 8 in dem Bereich bedeckt, in dem sich die Blase ausbilden soll. Das Gehäuse 7 weist Seitenwände 9 und eine Bodenkappe 10 auf, welche auf die freien Enden der Seitenwand aufge­ schraubt wird.

Im Betrieb wird der an die Röhre 1 angesetzte Kopfteil (ohne zugeführten Druck) in die Flüssigkeit eingetaucht. Die Flüssigkeit tritt durch die zweite Öffnung 6 ein und verdrängt jegliche Luft innerhalb des Gehäuses durch die Rohre 1 hindurch, so daß sich das Gehäuse und die Röhre mit der Flüssigkeit füllen. Wenn sich der Flüssigkeits­ pegel in der Röhre 1 stabilisiert hat, wird Gas (z.B. Trockenluft) vom freien Ende der Röhre 1 zugeführt, so daß die Flüssigkeit in der Röhre nach unten verdrängt wird, und durch das Gehäuse und die zweite Öffnung 6 austritt. Ein Druckmesser kann den angelegten Druck messen, der anwächst, wenn die Flüssigkeit aus der Röhre 1 verdrängt wird. Wenn das Gas das Ende der Röhre 1 er­ reicht, tritt es aus dieser aus und bildet eine Blase mit anwachsendem Radius, wie in Fig. 2 dargestellt. Zu diesem Zeitpunkt wird der Druck im wesentlichen konstant bleiben und gleich dem hydrostatischen Druck bei einer Höhe entsprechend der unteren Trennfläche zwischen Gas und Flüssigkeit sein.

Alternativ hierzu kann die Blase auch so groß gemacht werden, bis sie die zweite Öffnung 6 erreicht. Der Druck vor dem Austreten der Blase aus der zweiten Öffnung entspricht dann dem Flüssigkeitsdruck.

Claims (10)

1. Kopfteil einer Niveauröhre zur hydrostatischen Druckmessung, mit:
einer Platte (4) mit einer ebenen unteren Oberfläche zur horizontalen Ausrichtung innerhalb eines Fluides, wobei die Platte (4) eine Öffnung (5) für den Eintritt von unter Druck stehendem Gas von oberhalb der Platte aufweist, so daß das Gas unter der Platte (4) innerhalb des Fluides eine einzelne Blase bilden kann, wobei
die untere Oberfläche der Platte (4) aus einem Material besteht oder mit einem Material beschichtet ist, dessen Benetzung durch das Fluid derart ist, daß der Kontaktwinkel der Blase (3) mit der unteren Oberfläche der Platte (4) unter 90° liegt, so daß der Krümmungsradius der Blase (3) auf einen so hohen Wert angehoben wird, daß ein Druckzuwachs über die Blase (3) hinweg im wesentlichen vermieden ist.

2. Kopfteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (4) eine weitere Öffnung (6) in einem festgelegten Abstand von der Öffnung (5) aufweist, um das Ausbrechen der Blase zu erleichtern, wenn die Blase in ihrem Wachstum die weitere Öffnung (6) erreicht.

3. Kopfteil nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch ein hohles Gehäuse (7), welches die Platte (4) umgreift und sich von dieser aus nach unten erstreckt.

4. Kopfteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid Benzin ist, das Gas Luft ist und die untere Oberfläche der Platte (4) Teflon ist.

5. Kopfteil nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Öffnung (6) als Schlitz ausgebildet ist.

6. Kopfteil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsachse des Schlitzes zu der Öffnung (5) äquidistant ist.

7. Kopfteil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch ein Befestigungsteil für die Niveauröhre (1), welches an der Öffnung (5) ausgebildet ist.

8. Drucksensor zur hydrostatischen Druckmessung mit einer Niveauröhre (1), welche in ein Fluid einführbar ist, mit einer am Eintauchende der Niveauröhre (1) angeordneten Platte (4) mit einer ebenen unteren Oberfläche zur horizontalen Ausrichtung innerhalb des Fluides, wobei die Platte (4) eine Öffnung (5) für den Eintritt von unter Druck stehendem Gas von oberhalb der Platte aufweist, so daß das Gas unter der Platte (4) innerhalb des Fluides eine einzelne Blase bilden kann, wobei die untere Oberfläche der Platte (4) aus einem Material besteht oder mit einem Material beschichtet ist, dessen Benetzung durch das Fluid derart ist, daß der Kontaktwinkel der Blase (3) mit der unteren Oberfläche der Platte (4) unter 90° liegt, so daß der Krümmungsradius der Blase (3) auf einen so hohen Wert angehoben wird, daß ein Druckzuwachs über die Blase (3) hinweg im wesentlichen vermieden ist, und mit Einrichtungen (21) zum Messen des Gasdrucks innerhalb der Niveauröhre (1).

9. Drucksensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich­ net, daß die Platte (4) eine weitere Öffnung (6) in einem festgelegten Abstand von der Öffnung (5) aufweist, um das Ausbrechen der Blase zu erleichtern, wenn die Blase in ihrem Wachstum die weitere Öffnung (6) erreicht.

10. Drucksensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (4) von einem hohlen Gehäuse (7) umgriffen ist, welches sich von dieser nach unten erstreckt.