DE3721164C2

DE3721164C2 - Füllstandsmeßgerät

Info

Publication number: DE3721164C2
Application number: DE3721164A
Authority: DE
Inventors: Mitsuru Uchida
Original assignee: SAKURA ENDRESS CO
Current assignee: Endress and Hauser Japan Co Ltd
Priority date: 1986-07-09
Filing date: 1987-06-26
Publication date: 1996-01-25
Anticipated expiration: 2007-06-27
Also published as: GB2192461B; FR2601447A1; DE3721164A1; FR2601447B1; JPH0531928B2; GB8715045D0; GB2192461A; JPS6316226A; US4786846A

Description

Die Erfindung betrifft ein Füllstandsmeßgerät, das insbesondere zur Niveaumessung eines Flüs sigkeitspegels oder zur Bestimmung des Niveaus einer Grenzfläche unterschiedlicher Flüssigkei ten (wie Wasser und Öl) innerhalb eines Behäl ters geeignet ist.

Aus der DE 28 53 360 A1 ist ein Flüssigkeitsniveaumesser mit einem Verdrängungskörper bekannt. Dieser Verdrän gungskörper ist mit einem Draht versehen, der auf einer Trommel auf- bzw. abgewickelt werden kann. Die Trommel wird durch eine Welle mit Hilfe eines Motors angetrie ben, wobei eine Einrichtung zur Ermittlung der Verände rung des auf die Welle ausgeübten Drehmoments vorgese hen ist.

In der DE 26 59 416 A1 wird eine Vorrichtung zum Messen eines Flüssigkeitsspiegels beschrieben, bei welcher die Änderung des Flüssigkeitsspiegels in eine Drehbewegung umgesetzt wird. Ferner ist ein Magnetkopf an einem Arm vorgesehen, der sich entsprechend der Änderung des Flüssigkeitsspiegels dreht und dabei Magnetfelder abta stet, die durch am Umfang einer Scheibe angeordnete elektrische Leiter hervorgerufen werden.

Die DE 24 01 486 B2 offenbart ein Füllstand-Anzeigege rät, bei dem ein Seil auf einer Trommel ab- oder aufge wickelt wird, wobei eine Zählscheibe mitgedreht wird und dabei über Schutzgas-Kontaktschalter eine fortlau fende Impulsserie erzeugt, die ein Maß der gespendeten Seillänge ist.

Ein aus der Praxis bekanntes Füllstandsmeßgerät ist in perspek tivischer Darstellung in Fig. 1 veranschaulicht.

Es enthält einen Schwimmer 1, der an einem Draht 2 aufgehängt ist und auf der Oberfläche einer nicht veranschaulichten Flüssigkeit schwimmt. Der Draht 2 ist auf einer Trommel 3 aufgewic kelt und kann auf diese Trommel aufgespult oder von ihr abgespult werden. Mit dem Boden 3a der Trommel 3 ist eine Meßwelle 8 verbunden. Ändert sich das Flüssigkeitsniveau, auf dem der Schwim mer 1 schwimmt, so ändert sich damit auch die vom Draht 2 auf die Trommel 3 ausgeübte Span nung. Diese Änderung der vom Draht 2 ausgeüb ten Spannung wird über einen als Kupplungsteil wirkenden äußeren Magnetring 4 in ein Drehmoment der Meßwelle 8 umgesetzt. Der äußere Magnetring 4 ist an seinem einen Ende mit dem Boden 3a der Trom mel 3 verbunden, die koaxial zur Meßwelle 8 ange ordnet ist. Als weiterer Kupplungsteil ist ein innerer Magnetring 5, der innerhalb des äußeren Magnetringes 4 angeordnet ist, zentral mit der Meßwelle 8 verbunden. Durch das Drehmoment der Meßwelle 8 werden über einen auf der Meßwelle 8 angebrachten Metallteil 9 Federn 11 ausgelenkt, die jeweils mit ihrem einen Ende an dem Metall teil 9 befestigt sind. Zum besseren Verständnis der Konstruktion sind in Fig. 1 der Metallteil 9 und die Federn 11 in einem gewissen Abstand von einem zum Antrieb einer Schnecke dienenden Zahn rad 13 veranschaulicht, das drehbar auf der Meß welle 8 angeordnet ist. Tatsächlich ist der Me tallteil 9 jedoch an der einen Breitseite des Zahnrades 13 befestigt. Die anderen Enden der Federn 11 sind über L-förmige Metallteile 12 mit derselben Breitseite des Zahnrades 13 ver bunden.

Die Auslenkung der Federn 11 wird über einen mit dem Metallteil 9 verbundenen Magnet 10 und einen elektromagnetischen Wandler 14 in ein elektrisches Signal umgewandelt. Der Wandler 14 ist am Zahnrad 13, dem Magnet 10 benachbart, angeordnet. Das elektrische Signal des Wandlers 14 wird über einen mit der Meßwelle 8 verbundenen Schleifring 16 einem Servoverstärker 17 zugeleitet und durch diesen verstärkt. Das verstärkte elektrische Sig nal wird einem Motor 18 zugeführt, der über eine Welle 19 und eine auf dieser Welle 19 angebrach te Schnecke 20 das Zahnrad 13 betätigt, das mit der Schnecke 20 in Eingriff steht. Je nach der Änderung des Flüssigkeitspegels (steigend oder sinkend) erfolgt die Drehbewegung des Zahnrades 13 in dem einen oder anderen Drehsinn. Ändert sich das Flüssigkeitsniveau und damit die Höhenlage des Schwimmers 1 nicht mehr, so hört die genannte Drehbewegung auf; der dann erreichte Gleichge wichtszustand wird beibehalten. Die Drehbewe gung der Welle 19 betätigt über einen Riemen 21 einen Niveaustandszähler 22. Wenn der Schwimmer 1 zur Ruhe gekommen ist, kann daher der gerade vorhandene Niveaustand am Zähler 22 abgelesen werden. Zur drehbaren Aufnahme der Meßwelle 8 sind zwei Lager 6, 7 vorgesehen. Ein Kugella ger 15 ermöglicht ferner eine freie Drehbewe gung der Meßwelle 8 und des Zahnrades 13 rela tiv zueinander.

Bei dieser bekannten Ausführung muß die freie Drehbewegung der Meßwelle 8 und des Zahnrades 13 (relativ zueinander) durch Verwendung eines Kugellagers 15 gewährleistet werden. Hierdurch ergibt sich ein verhältnismäßig komplizierter und aufwendiger Aufbau des bekannten Füllstands meßgerätes. Es ergibt sich ferner eine gewisse mechanische Reibung zwischen der Meßwelle 8 und den Lagern 6 und 7, die die Meßwelle 8 aufneh men, ferner auch eine mechanische Reibung zwi schen der Meßwelle 8, dem Kugellager 15 und dem Zahnrad 13. Durch diese Reibungseinflüsse wird bei einer Änderung des Flüssigkeitsniveaus und einer dadurch bedingten Änderung der vom Draht 2 auf die Trommel 3 ausgeübten Spannung die me chanische Empfindlichkeit des Füllstandsmeßge rätes beeinträchtigt. Der Empfindlichkeit die ser bekannten Ausführung sind daher Grenzen ge setzt. Das bekannte Füllstandsmeßgerät kann fer ner die modernsten Servoverstärker, die sehr sta bil sind und einen hohen Verstärkungsfaktor be sitzen, nicht wirksam ausnutzen. Eine Verbesse rung der mechanischen Meßempfindlichkeit ist da her mit dem bekannten Füllstandsmeßgerät nicht zu erreichen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung der Mängel der bekannten Ausfüh rungen ein Füllstandsmeßgerät zu schaffen, das sich durch einen einfachen Aufbau und niedrige Fertigungskosten auszeichnet, das eine wesent lich verbesserte mechanische Meßempfindlichkeit besitzt, das keinen negativen Einflüssen, wie Hysterese, zeitlicher Änderung einer Feder usw., ausgesetzt ist, das wirksam einen Servoverstär ker einsetzen kann, der eine hohe Stabilität und einen großen Verstärkungsgrad besitzt, das wei terhin eine hohe Meßgenauigkeit aufweist und das mit einem wesentlich kleiner ausgebildeten Schwimmer als bisher üblich auskommt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merk male des Anspruches 1 gelöst.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

In der Zeichnung zeigen

Fig. 1 eine teilweise auseinandergezogene perspek tivische Darstellung eines bekannten Füll standsmeßgerätes,

Fig. 2 eine teilweise auseinandergezogene per spektivische Darstellung eines Ausfüh rungsbeispieles des erfindungsgemäßen Füllstandsmeßgerätes,

Fig. 3A bis 3C Stirnansichten zur Erläuterung der Funktion des Ausführungsbei spieles gemäß Fig. 2,

Fig. 4 eine Perspektivansicht eines Ausführungs beispieles eines in dem erfindungsgemäßen Füllstandsmeßgerät verwendeten elektromag netischen Wandlerelementes.

Soweit das erfindungsgemäße Füllstandsmeßgerät gemäß Fig. 2 gleiche Bauteile wie die bekannte Ausführung gemäß Fig. 1 enthält, sind diese Tei le mit denselben Bezugszeichen bezeichnet und werden im folgenden nicht näher erläutert.

Der zylindrische äußere Magnetring 4 ist im Inne ren der Trommel 3 mit dem Boden 3a verbunden. Mag netpole N und S sind in Umfangsrichtung des äuße ren Magnetringes 4 abwechselnd angeordnet (vgl. Fig. 3). An dem mit der Meßwelle 8 verbundenen inneren Magnetring 5 sind magnetische Pole N und S in gleicher Anzahl wie am äußeren Magnetring 4 abwechselnd ausgebildet. Ein elektromagnetischer Wandler 14′ ist am äußeren Umfang des inneren Mag netringes 5 im Grenzbereich zwischen unter schied lichen Magnetpolen angeordnet (vgl. Fig. 3). Zum besseren Verständnis ist in Fig. 2 der äußere Magnetring 4 teilweise aufgebrochen, so daß der elektromagnetische Wandler 14′ sichtbar ist. Vier Anschlußdrähte des elektromagnetischen Wandlers 14′ sind auf der Außenseite der Meß welle 8 zum Schleifring 16 geführt. In der Pra xis werden diese Anschlußdrähte jedoch im Innern der Meßwelle 8 zum Schleifring 16 geführt, wie dies in Fig. 2 durch eine gestrichelte Linie veranschaulicht ist. Das Zahnrad 13 ist direkt mit der Meßwelle 8 verbunden (das bei der be kannten Ausführung gemäß Fig. 1 vorhandene Ku gellager 15 kommt somit in Fortfall).

Anhand der Fig. 3A bis 3C wird im Folgenden die Funktion des erfindungsgemäßen Füllstandsmeßge rätes gemäß Fig. 2 erläutert.

Fig. 3A zeigt die Position des äußeren und inne ren Magnetringes 4 bzw. 5, wenn die durch den Draht 2 ausgeübte Zugkraft F nicht geändert wird. Fig. 3B veranschaulicht die Positionen der Mag netringe 4, 5, wenn vom Draht 2 eine Zugkraft F + ΔF ausgeübt wird. Fig. 3C zeigt schließlich die Positionen der Magnetringe 4, 5, wenn auf den Draht 2 eine Zugkraft F - ΔF wirkt.

Befindet sich der Schwimmer 1 im Gleichgewicht bzw. im Ruhezustand, so liegen die Magnetpole S und N des äußeren Magnetringes 4 und des in neren Magnetringes 5 einander gegenüber, d. h. auf einem Radius, der durch das gemeinsame Zen trum O verläuft (vgl. Fig. 3A). Die Kupplungs kraft verläuft hierbei in radialer Richtung zwi schen den beiden Magnetringen, die sich demge mäß im Ruhezustand befinden. Sinkt nun bei spielsweise das Flüssigkeitsniveau ab und be wegt sich dabei der Schwimmer 1 nach unten, so daß sich eine Zugkraft F + ΔF ergibt (vgl. Fig. 3B), so wirkt auf den äußeren Magnetring 4 ein Drehmoment in Richtung des Pfeiles A. Da der innere Magnetring 5 seine Position beibehält, solange die Schnecke 20 und das Zahnrad 13 durch den Motor 18 nicht gedreht werden, wird der äußere Magnetring 5 relativ zum inneren Mag netring 5 um einen kleinen Winkelbetrag δ in Richtung des Pfeiles A (Fig. 3B) durch die Än derung ΔF der Zugkraft gedreht. Der magneti sche Fluß, der durch den mit dem inneren Mag netring 5 verbundenen elektromagnetischen Wand ler 14′ fließt, ändert sich im Vergleich zum Zu stand gemäß Fig. 3A. Der elektromagnetische Wand ler 14′ liefert daher an seinem Ausgang ein elektrisches Signal entsprechend der Änderung ΔF der vom Draht 2 ausgeübten Zugkraft. Ist der elektromagnetische Wandler 14′ so justiert, daß sein Ausgangssignal in der Position gemäß Fig. 3A gleich Null wird, so erzeugt der Wandler 14′ ein elektrisches Signal entsprechend der Ände rung ΔF der vom Draht 2 ausgeübten Zugkraft. Dieses elektrische Signal wird über den Schleif ring 16 dem Servoverstärker 17 zugeführt (Fig. 2); das verstärkte Signal gelangt zum Motor 18. Der Motor 18 dreht über die Welle 19, die Schnecke 20 und das Zahnrad 13 die Meßwelle 8 und demge mäß den inneren Magnetring 5 im Sinne der Dreh bewegung des äußeren Magnetringes 4 aufgrund der Änderung ΔF der vom Draht 2 ausgeübten Zugkraft. Wird die Winkeldifferenz 6 zwischen dem äußeren und inneren Magnetring 4 bzw. 5 gleich Null, so wird auch das Ausgangssignal des elektromagneti schen Wandlers 14′ gleich Null. Zu diesem Zeit punkt ist das Flüssigkeitsniveau und damit der Schwimmer 1 zur Ruhe gekommen; der Motor 18 bleibt stehen und hält den nun erreichten Gleichgewichts zustand aufrecht. Bis zum Erreichen des Gleichge wichtszustandes betätigt der Motor 18 über die Welle 19 und den Riemen 21 den Niveaustandszäh ler 22. Dieser zeigt daher den erreichten Flüs sigkeitsstand an, wenn der innere und äußere Mag netring 5 bzw. 4 wieder ihre Ruhelage erreichte haben.

Steigt das Flüssigkeitsniveau beispielsweise ge genüber dem Gleichgewichtszustand und bewegt sich damit der Schwimmer 1 nach oben, so wird durch den Draht 2 eine Zugkraft F - ΔF ausgeübt. Auf den äußeren Magnetring 4 wirkt damit ein Dreh moment in Richtung des Pfeiles B (Fig. 3C), d. h. entgegengesetzt zum Pfeil A (Fig. 3B). Es tritt nun infolgedessen eine Auslenkung -δ zwischen den beiden Magnetringen 4, 5 ein, d. h. in entgegen gesetzter Richtung gegenüber der Auslenkung ge mäß Fig. 3B. Der magnetische Fluß, der den Wand ler 14′ durchsetzt, ändert sich daher entgegen gesetzt zu Fig. 3B. Der Wandler 14′ liefert so mit in diesem Falle ein elektrisches Signal mit entgegengesetzter Polarität gegenüber dem Fall gemäß Fig. 3B. In entsprechender Weise, wie oben bereits erläutert, erfolgen nun alle Bewegungen in entgegengesetzter Richtung (verglichen mit dem Fall der Fig. 3B), bis schließlich erneut ein Gleichgewichtszustand erreicht ist.

Als elektromagnetischer Wandler 14′ kann ein Hall- Element, ein magnetoresistives Element oder eine sogenannte Suchspule Verwendung finden. Im Fol genden wird anhand von Fig. 4 die Verwendung eines Hall-Elementes als elektromagnetischer Wandler 14′ erläutert. Fig. 4 zeigt eine perspek tivische Darstellung der Prinzipstruktur eines Hall-Elementes He.

Für das Hall-Element He sind Eingangsanschlüsse a, b und Ausgangsanschlüsse c, d vorgesehen. Wird ein Steuerstrom IC über die Eingangsanschlüsse a, b des Hall-Elements He zugeführt, so daß ein Mag netfeld C senkrecht zur Oberfläche des Hall-Ele ments He erzeugt wird, so entsteht eine Hall-Span nung V_H proportional dem Produkt des Magnetfeldes C und des Steuerstromes IC an den Ausgangsanschlüs sen c und d. Wird ein konstanter Steuerstrom IC gewählt,so wirkt die Hall-Spannung V_H proportio nal zum Magnetfeld C. Wird daher die im Falle der Fig. 3A, d. h. im Gleichgewichtszustand, er zeugte Hall-Spannung V_H gleich Null gemacht, so ergibt sich im Falle der Fig. 3B beispielsweise eine negative Hall-Spannung V_H. Im Falle der Fig. 3C tritt dagegen eine positive Hall-Spannung V_H auf. Wird diese Spannung durch den Servoverstär ker 17 verstärkt und bewirkt der Motor 18 eine Drehbewegung in positiver oder negativer Rich tung, so wird die Hall-Spannung V_H wieder gleich Null, selbst wenn sich das Flüssigkeitsniveau ver lagert und die Zugkraft F zeitweise geändert hat; die Gleichgewichtsbedingung kann unverzüglich und automatisch wiederhergestellt werden.

Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde angenommen, daß das Füllstandsmeßgerät zur Mes sung eines Flüssigkeitsniveaus benutzt wird. Das erfindungsgemäße Gerät ist jedoch auch in ande ren Fällen verwendbar, in denen der Pegel einer Grenzfläche zwischen unterschiedlichen Flüssig keiten, wie Öl, Wasser usw. ermittelt werden soll.

Wie aus der obigen Beschreibung hervorgeht, zeich net sich das erfindungsgemäße Füllstandsmeßgerät durch einen einfachen Aufbau und eine preisgün stige Fertigung aus. Eine mechanische Reibung wird nur auf der Drahtseite der Trommel erzeugt; daraus ergibt sich eine wesentlich verbesserte mechanische Empfindlichkeit.

Da das erfindungsgemäße Füllstandsmeßgerät keine Federn enthält, entfallen alle Hysterese-Einflüs se sowie zeitliche Änderungen der Federkonstan ten usw.

Bei dem erfindungsgemäßen Füllstandsmeßgerät kön nen hochmoderne Servoverstärker eingesetzt wer den, die sich durch eine hohe Stabilität und einen großen Verstärkungsfaktor auszeichnen. Der Flüssigkeitsstand kann daher mit großer Empfindlichkeit und hoher Genauigkeit ermit telt werden.

Durch die wesentlich verbesserte Empfindlichkeit des erfindungsgemäßen Füllstandsmeßgerätes kön nen die Abmessungen des Schwimmers gegenüber be kannten Ausführungen erheblich verkleinert wer den.

Claims

1. Füllstandsmeßgerät, enthaltend

a) einen mittel eines Drahtes (2) aufgehängten Schwimmer (1), der auf dem zu messenden Flüssigkeitsspiegel schwimmt,
b) eine Meßwelle (8),
c) eine drehbar auf der Meßwelle (8) gelagerte Trommel (3) zur Aufnahme des den Schwimmer (1) tragenden Drahtes (2),
mit folgenden weiteren Merkmalen:
d) mit der Trommel (3) ist eine äußerer, im Inneren der Trommel (3) angeordneten Magnetring (4) fest verbunden,
e) mit der Meßwelle (8) ist ein innerer Magnetring (5) fest verbunden, der sich konzentrisch innerhalb des äußeren Magnetrings (4) befindet,
f) am äußeren Umfang des inneren Magnetrings (5) ist ein elektromagnetischer Wandler (14′) befestigt,
g) es ist eine Einrichtung vorgesehen, die die Meßwelle (8) in Abhängigkeit vom Ausgangssignal des elektromagnetischen Wandlers (14′) dreht und einen Niveaustandszähler (22) betätigt,
h) wird durch eine Änderung des zu messenden Flüssigkeitsniveaus eine Kraft erzeugt, die eine Drehung des äußeren Magnetrings (4) verursacht, so bewirkt die durch die Drehung erzeugte Änderung des zwischen dem äußeren und inneren Magnetring vorhandenen magnetischen Flusses im elektromagnetischen Wandler (14) ein elektrisches Signal, durch das die Meßwelle (8) und damit der innere Magnetring (5) so gedreht wird, daß die Relativbewegung zwischen dem inneren und äußeren Magnetring wieder auf Null zurückgeführt und hierbei ein Meßwert des erreichten Flüssigkeitsstandes gewonnen wird.

2. Füllstandsmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere und innere Magnetring jeweils mit Nord- und Südpolen versehen sind, die durch abwechselnde Magnetisierung der beiden Ringe in Umfangsrichtung erzeugt sind.

3. Füllstandsmeßgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der elektromagnetischen Wandler (14′) am äußeren Umfang des inneren Magnetringes (5) im Grenzbereich zwischen Nord- und Südpolen angeordnet ist.

4. Füllstandsmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Drehung der Meßwelle (8) einen Motor (18), eine vom Motor (18) angetriebene Welle (19), eine auf der Welle (19) angeordnete Schnecke (20) und ein mit der Meßwelle (8) fest verbundenes, in Eingriff mit der Schnecke (20) befindliches Zahnrad (13) enthält.

5. Füllstandsmeßgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Servoverstärker (17) zur Verstärkung des dem Motor (18) zugeführten elektrischen Signales vorgesehen ist.

6. Füllstandsmeßgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Niveaustandszähler (22) vorgesehen ist, der von der Welle (19) über einen Riemen (21) angetrieben wird und den bei Stillstand des Schwimmers (1) erreichten Flüssigkeitsstand anzeigt.

7. Füllstandsmeßgerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der elektromagnetische Wandler (14) durch ein Hall-Element gebildet ist.

8. Füllstandsmeßgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schleifring (16) vorgesehen ist, über den das Ausgangssignal des elektromagnetischen Wandlers (14) dem Servoverstärker (17) zugeführt wird.

9. Füllstandsmeßgerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Hall-Element mit zwei Eingangsanschlüssen und zwei Ausgangsanschlüssen versehen ist.

10. Füllstandsmeßgerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsanschlüsse des Hall-Elementes mit einem Steuersignal gespeist werden.