DE3780230T2 - Differentialdruck-fluessigkeitspegelmesser. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft einen Differentialdruck- Flüssigkeitspegelmesser zur Verwendung mit einem Meßgefäß und insbesondere einen Differentialdruck-Flüssigkeitspegelmesser, mit welchem Flüssigkeitspegelmessungen van hoher Genauigkeit für verschiedenste und große Mengen von Flüssigkeiten durchgeführt werden können.
• Es ist bekannt, für industrielle Messungen Differenzdruckmesser zu verwenden, um die Menge einer solchen Flüssigkeit, z.B. industrielle Lösungen, Öle und dergleichen, welche in einem Aufnahmebehälter enthalten sind, zu messen, indem der Druckunterschied zwischen einem von der Flüssigkeit ausgeübten Druck und einem Referenzdruck, z.B. dem Umgebungsdruck, gemessen wird.
• US-A-4,394,346 beschreibt eine Vorrichtung zum Messen des Wasserstandes in einem Atomreaktor, durch das Vergleichen der Druckwerte des Wasserstandes und einem unveränderlichen Referenzwasserstand mittels eines Differenzdruckdetektors. Diese herkömmliche Vorrichtung weist eine Konstruktion auf, um zu verhindern, daß das Wasser kocht durch Einrichtungen, in welchen das Wasser in dem Atomreaktor mittels eines Wärmeaustauschers gekühlt wird, wobei das Wasser durch das Rohr zu dem Differenzdruckdetektor nach außen fließt.
• Aus der US-A-3,999,435 ist ein Differentialdruckübertrager bekannt mit einer empfindlichen Trennwand, welche dadurch Korrektionen durchführt, daß der Einfluß der Temperaturänderung von der Flüssigkeit in Frage entfernt wird.
• Ein Gehäuse mit einem durch eine empfindliche Trennwand bedecktem Gehäuse wird aus einem Material mit einem sehr hohen Ausdehnungskoeffizient (wie rostfreier Stahl) gebildet. Ein aus einem Material mit einem niedrigeren Ausdehungskoeffizienten (wie INVAR) geformter Einsatz ist in das Gehäuse eingepaßt, um die in der Trennwand eingeschlossene Flüssigkeit zu umgeben. Die einflußreichen Variationen in der Temperatur des flüssigen Gegenstandes werden automatisch in der Struktur des Drucksensors in Kombination mit solch einem Gehäuse und einem Einsatz durch die Variation der Aufnahmefähigkeit des zwischen dem Einsatz und der empfindlichen Trennwand abgegrenzten Gehäuses korrigiert.
• Ein bestimmter Differentialdruck-Flüssigkeitspegelmesser ist in Fig. 5 dargestellt. Dieser Differentialdruck-Flüssigkeitspegelmesser umfaßt ein Meßgefäß 10 mit einer Meßdruckzelle 16 an dem Boden des Flüssigkeitspegelmessers, einer Referenzdruckzelle 22 und einem Druckunterschiedsdetektor 18, welcher mit den Druckzellen 16 und 22 über die Leitungen 20 und 25 in Verbindung steht. Das Meßgefäß 10 wird durch eine Trennwand 14 in zwei Kammern unterteilt, eine obere den flüssigen Gegenstand 12 enthaltende Kammer 11 und eine untere Kammer als Druckzelle 16. Auf der anderen Seite ist die Referenzdruckzelle 22 von einer Trennwand 24 abgeschlossen, welche der Luft ausgesetzt ist. Zwischen jeder Trennwand 14, 23 und dem Druckunterschiedsdetektor 18 befindet sich Flüssigkeit 16A, 22A, welche in jeder Druckzelle 16, 22 und der Leitung 20, 25 eingeschlossen ist. Durch die Druckzelle 16, 22 wird ein auf jede Trennwand 14, 23 ausgeübter Druck über die eingeschlossenen Flüssigkeiten 16A, 22A auf den Druckunterschiedsdetektor 18 übertragen. In dem Druckunterschiedsdetektor kann der Druckunterschied zwischen den auf die jeweiligen Trennwände 14 und 23 ausgeübten Drucke ermittelt werden.
• Unter der Voraussetzung, daß p und h eine Dichte des flüssigen Gegenstandes 12 und einen Pegel der in dem Meßbehälter 10 zu messenden Flüssigkeit 12 repräsentieren, wird der gesamte Druck P, welcher auf die Trennwand 14 in solch einem Differentialdruck-Flüssigkeitsmesser ausgeübt wird, durch folgende Gleichungen angegeben:
• P = p x H + Umgebungsdruck ... (1)
• Daher kann der Pegel h der Flüssigkeit 12 in dem Gefäß 10 aus dem Ergebnis der Subtraktion des Umgebungsdrucks von dem sich ergebenden Gesamtdruck P, welcher tatsächlich auf die Trennwand 14 ausgeübt wird, ermittelt werden. Für diese Subtraktion wird der gegenwärtige Umgebungsdruck über den Detektor 18 durch die Druckzelle 22 ermittelt. Basierend auf die tatsächlich auf die Trennwände 14 und 23 ausgeübten Drucke wird der Druckunterschied zwischen den beiden Drucken in dem Detektor 18 berechnet. Der Pegel h der Flüssigkeit 12 in dem Meßgefäß 10 wird dadurch erhalten, daß der resultierende Druckunterschied durch die Dichte der Flüssigkeit 12 geteilt wird.
• Es sind in diesem Fachgebiet verschiedene Arten zur Ermittlung des Druckunterschiedes bekannt, wie ein mechanisches Gleichgewichtsverfahren, ein Verdrängungsübertragungsverfahren ect.. Vielfach werden elektrische Verdrängungsübertragungsermittlungsverfahren verwendet, die als Dehungsmesserverfahren, Kapazitätsverfahren, Induktivitätsverfahren usw. bekannt sind.
• Es tritt jedoch bei den herkömmlichen Druckunterschiedsflüssigkeitspegelnmesser das Problem auf, daß Temperaturänderungen des flüssigen Gegenstands und/oder einer Umgebung Temperaturänderungen der eingeschlossenen Flüssigkeit (welche im allgemeinen ein Silikonöl ist) 16A, 22A erzeugen, insbesondere der in der Druckzelle 16 eingeschlossenen Flüssigkeit 16A, welche in der Nähe der Meßzelle 10 angeordnet ist. Diese Probleme führen zu Fehlern in den Messungen.
• Ändert sich der Druck des flüssigen Gegenstands 12 oder der Atmosphäre, welcher auf die eingeschlossene Flüssigkeit 12 oder 24 über die Trennwand 14 oder 23 ausgeübt wird, und beträgt die Volumenänderung der eingeschlossenen Flüssigkeit 16A, 22A ΔP bzw. ΔV, wenn die Temperaturänderung der eingeschlossenen Flüssigkeit 16, 24 unendlich klein ΔT ist, wird die Druckänderung ΔP durch die folgende Gleichung dargestellt:
• ΔP= ΔV /Φ ... (2)
• wobei Φ eine Nachgiebigkeit (mm/kg) oder eine natürliche Konstante kennzeichnet. Diese natürliche Konstante entspricht einer äquivalenten Volumenänderung, die dadurch erzeugt wird, daß die Trennwand eine Druckeinheit empfängt. Die Nachgiebigkeit ist von der Dicke und dem Material der Trennwand abhängig.
• Die Volumenänderung ΔV der eingeschlossenen Flüssigkeit 16A, 22A wird durch die folgende Gleichung dargestellt:
• ΔV= α x ΔT x ΔV ... (3)
• wobei V das Volumen der eingeschlossenen Flüssigkeit darstellt, welches im allgemeinen 3 bis 15 cc beträgt und wobei α der Ausdehungskoeffizient der eingeschlossenen Flüssigkeit ist. Der Ausdehungskoeffizient der experimentell verwendeten eingeschlossenen Flüssigkeit beträgt 8 x 10&supmin;&sup4; pro Grad.
• Daher kann die Änderung ΔP des auf die Trennwand ausgeübten Drucks aus den Gleichungen (2) und (3) über die folgende Berechnung gewonnen werden:
• ΔP= α x ΔT V/Φ
• = 8 x 10&supmin;&sup4; x ΔT x 4 x 10³ / 8 x 10&sup6;
• = 4 x 10&supmin;&sup7; x ΔT (kg/mm²)
• = 0,4 x ΔT (mmH&sub2;O)
• Unter Verwendung eines Wassers mit einem flüssigen Säulenpegel h von 100 mm für den zu messenden flüssigen Gegenstand und unter der Annahme, daß ΔT 3 ºC beträgt, wird der eingeschlossenen Flüssigkeit eine Druckänderung ΔP von 1,2 mm H&sub2;O erzeugt. Aus dieser Berechnung ist es offensichtlich, daß Wasser mit einem Flüssigkeitspegel von 100 mm mit einem Fehler von ungefähr 1,2 % gemessen wird. Daher führen Temperaturänderungen der eingeschlossenen Flüssigkeit zu wesentlichen Meßfehlern des Flüssigkeitspegels.
• Obwohl gesagt wird, daß eine genaue Messung bewirkt werden kann, wenn sichergestellt wird, daß die zu messende Flüssigkeit und/oder Umgebungen eine konstante Temperatur aufweisen, ist es tatsächlich sehr schwer, die Temperatur der zu messenden Flüssigkeit zu steuern, da verschiedene chemische Flüssigkeiten abwechselnd in den Meßbehälter zum Messen eingeführt werden.
• Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Differentialdruck-Flüssigkeitspegelmesser für die Verwendung in einem Meßbehälter zu schaffen, mit welchem die Menge der Flüssigkeit mit hoher Genauigkeit unabhängig von der Temperatur der zu messenden Flüssigkeit und/oder der Atmosphäre gemessen werden kann.
• Die obige Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst.
• Die isothermischen Einrichtungen bzw. Mittel aus Anspruch 1 können verschiedenste, dem Fachmann bekannte Formen aufweisen, z.B. warmes Wasser, ein elektrisches Heizgerät, warme Luft, warmes Öl usw..
• Da gemäß eines Merkmals der vorliegenden Erfindung die Temperatur der eingeschlossenen Flüssigkeit sich kaum mit der Temperatur der zu messenden Flüssigkeit ändert, wird die Genauigkeit der Messung wesentlich verbessert.
Kurze Beschreibung der Figuren
• Es zeigen:
• Fig.1 einen Querschnitt eines Differentialdruck-Flüssigkeitspegelmesser gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
• Fig.2 einen Querschnitt eines Meßbehälters, welcher mit dem Differentialdruck-Flüssigkeitspegelmesser aus Fig. 1 verwendet wird;
• Fig.3 ein Diagramm, welches die experimentellen Ergebnisse der Messung mittels eines herkömmlichen Differentialdruck-Flüssigkeitspegelmessers zeigt;
• Fig.4 ein Diagramm ähnlich dem Diagramm aus Fig. 3, welches die experimentellen Ergebnisse der Messungen mittels des erfindungsgemäßen Differentialdruck- Flüssigkeitspegelmessers darstellt; und
• Fig.5 eine schematische Darstellung, welche die Grundzüge eines Differentialdruck-Flüssigkeitspegelmessers zeigt.
• Bezug nehmend auf Fig. 1 zeigt diese eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Druckunterschieds- Flüssigkeitspegelmessers. An einem Flansch 34, welcher zur Befestigung an dem in Fig. 2 dargestellten Meßbehälter 10 bestimmt ist, ist eine Kammer bzw. ein Behälter 28 befestigt. An dem Oberteil dieser Kammer 28 ist eine Druckzellentigt. An dem Oberteil dieser Kammer 28 ist eine Druckzellenkammer 16 vorgesehen, welche zwischen einer Scheidewand 29 und einer Trennwand 14 mit einer Dicke von ungefähr 0,08 mm begrenzt wird, und in welcher eine Flüssigkeit 16A eingeschlossen ist. Die Druckzellenkammer 16 steht über ein Verbindungsrohr 20 mit einem Druckunterschiedsdetektor 38 in Verbindung. Das Verbindungsrohr 20 durchläuft das Innere der Kammer 28 und durchdringt den Flansch 34. Es sollte festgehalten werden, daß die Kammer 16 und die Leitung 20 mit der eingeschlossenen Flüssigkeit 16A aufgefüllt sind, ohne daß ein Leerraum entsteht, um so die Druckzelle zur Ermittlung eines auf die Trennwand 14 durch einen flüssigen Gegenstand ausgeübten Druck zu bilden. Warmes Wasser wird kontinuierlich durch einen Einlaß 30 in die Kammer 28 zugeführt und von dieser durch einen Auslaß 32 abgeleitet wird, wobei der Einlaß 30 und der Auslaß 32 in dem Boden der Kammer 28 vorgesehen sind. Der Auslaß 32 steht mit einem Ablaßrohr 32B in Verbindung, wobei das Ablaßrohr 32B in dem Inneren der Kammer 28 angeordnet ist und sich in der Nähe der Scheidewand 29 erstreckt, um so effektiv warmes Wasser in der Kammer 28 zu zirkulieren. Daher arbeitet die Kammer 28 als eine thermostatische Kammer.
• Wie in Fig. 2 dargestellt ist, ist der Druckunterschieds- Flüssigkeitspegelmesser über dem Flansch 34 an dem teilweise von einer Umhüllung 40 eingeschlossenen Flüssigkeitsbehälter 10 befestigt. Eine zu messende Flüssigkeit wird in dem Behälter 10 über einen Einlaß 42 eingeführt und über einen Auslaß 44 abgelassen. Unter dem Flansch 34 wird ein Drucksensor 38 von einem Abstützelement andauernd getragen. Bei dieser Ausführungsform wird ein Diffusionstyp-Dioden-Dehnungsmesser als Drucksensor 38 verwendet. Dieser Dehungsmesser bewirkt eine Umkehrung des auf die eingeschlossene Flüssigkeit 16A durch die Trennwand 14 ausgeübten Drucks in eine Widerstandwertänderung. Auf der anderen Seite wird auf die gleiche Weise wie in Fig. 5 dargestellt, der auf die eingeschlossene Flüssigkeit 23A durch die Trennwand 23 ausgeübte Umgebungsdruck als ein Bezugswiderstandswert ermittelt. Auf diese Weise wird, basierend auf dem Unterschied zwischen den Widerstandswerten des Drucksensors 38 und dem Bezugswiderstandsdruck, die Menge der Flüssigkeit in dem Meßbehälter 10 ermittelt. Der in dieser Ausführungsform verwendete Drucksensor 38 besitzt eine Ausgangsleistung von 4 bis 20 mA gemäß der Flüssigkeitspegels zwischen 0 und 1000 mm H&sub2;O.
• Im folgenden wird auf Figuren 3 und 4 Bezug genommen, welche verschiedene Diagramme zeigen. Die Diagramme weisen die experimentellen Ergebnisse der Flüssigkeitspegelmessungen auf, wobei die x-Achse die Zeit und die y-Achse die Temperatur der Trennwand 14, 23 oder die Ausgangsleistung des Druckdetektors 38, welcher äquivalent zu dem auf die Trennwand ausgeübten Druck ist, darstellt. Die Kurven (A) und (B) aus Fig. 3 zeigen die Ergebnisse von Messungen für den flüssigen Gegenstand bei einer Temperatur von 15 ºC, 22 ºC bzw. 30 ºC mit einem herkömmlichen Flüssigkeitsmesser, wobei die eingeschlossene Flüssigkeit auf 22 ºC (entsprechend der Raumtemperatur) gehalten wurde. Die Kurven (A) und (B) aus Fig. 4 zeigen die Ergebnisse von Messungen mittels des erfindungsgemäßen Flüssigkeitspegelmessers für ein flüssiges Objekt mit einer Temperatur von 30 ºC, 35 ºC, 37 ºC, 40 ºC und 45 ºC, wobei die eingeschlossene Flüssigkeit eine Temperatur von 37 ºC aufwies. Beim Vergleich der experimentellen Ergebnisse, welche mittels des herkömmlichen Flüssigkeitspegelmessers und des erfindungsgemäßen Pegelmessers erzielt worden, und insbesondere beim Vergleich der gemessenen Kurven 100A und 101A (welche die Temperaturänderung der Trennwand 14 darstellen, wenn der flüssige Gegenstand einen Temperaturunterschied von + 8 ºC relativ zu der Temperatur der eingeschlossenen Flüssigkeit 16 aufweist), und 100B und 101B (welche die Temperaturänderung der Trennwand 14 darstellen, wenn eine eingeleitete Flüssigkeit einen Temperaturunterschied von -7 ºC relativ zu der Temperatur der eingeschlossenen Flüssigkeit 16 aufweist), zeigt sich, daß kein wesentlicher Unterschied in der Temperaturänderung zwischen den zwei entsprechenden Kurven vorhanden ist.
• Entsprechend des Ausgangsstroms des Druckdetektors 38 tritt jedoch ein wesentlicher Unterschied zwischen den mittels dem herkömmlichen Pegelmesser gemessenen Kurven 200A und 201A und den mittels des erfindungsgemäßen Pegelmessers gemessenen Kurven 200B, 201B auf, wie in der folgenden Tabelle gezeigt: Unterschied des Ausgangsstroms Temperatur des flüssigen Gegenstandes vorliegende Erfindung herkömmlich normal (0 ºC)
• Aus der obigen Tabelle wird deutlich, daß ein Bereich, in welchem der Ausgangsstrom mit der Zeit konvergiert, im Fall des erfindungsgemäßen Pegelmessers enger ist als im Fall des herkömmlichen Pegelmessers.
• Es liegt auf der Hand, daß der herkömmliche Pegelmesser einen Meßfehler von ungefähr dem 1,63fachen, wenn der flüssige Gegenstand einen Temperaturunterschied von + 8 ºC relativ zu der Temperatur der eingeflossenen Flüssigkeit aufweist oder etwa das 1,67fache, wenn der flüssige Gegenstand einen Temperaturunterschied von - 7 ºC relativ zu der Temperatur der eingeschlossenen Flüssigkeit aufweist, im Vergleich mit dem erfindungsgemäßen Pegelmesser. In anderen Worten ausgedrückt, da der Druckdetektor 38 einen Strom von 4 mA bis 20 mA abgibt, entsprechend einem Flüssigkeitsdruck zwischen 0 und 1000 mm H&sub2;O, beträgt der meßbare minimale Druck des flüssigen Gegenstands mit einem restlichen Meßfehler von weniger als 1 % ungefähr 187,5 mm H&sub2;O bei dem herkömmlichen Pegelmesser, jedoch ungefähr 104,2 mm H&sub2;O für den erfindungsgemäßen Pegelmesser.
• In jeder Kurve (b) aus Figuren 3 und 4 geben die Schriftzeichen E und T einen Bereich an, in welchem 10 l Wasser und 20 l Wasser jeweils mit einem Meßfehler von weniger als 1 % gemessen werden können. Aus dem Vergleich der Kurven wird deutlich, daß die erforderliche Zeit, um eine Meßgenauigkeit von mehr als 1 % zu erhalten, sehr viel kürzer bei dem erfindungsgemäßen Pegelmesser als bei dem herkömmlichen Pegelmesser ist.
• Es sollte festgehalten werden, obwohl in der obenbeschriebenen Ausführungsform warmes Wasser in der Kammer zirkuliert wird, das warme Wasser nicht nur durch warme Luft, warmes Öl oder dergleichen ersetzt werden kann, sondern daß auch ein elektrischer Erhitzer verwendet werden kann, um die eingeschlossene Flüssigkeit direkt zu erhitzen.
• Obwohl die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsformen und auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben wurde, sollte festgehalten werden, daß verschiedene Änderungen und Abwandlungen Fachleuten deutlich werden. Daher, sofern diese Änderungen und Abwandlungen nicht von dem Wesen der Erfindung, wie in den Ansprüchen beansprucht, wegleiten, sollten sie als umfaßt betrachtet werden.

Claims (4)

1. Differentialdruck-Flüssigkeitspegelmesser für das Messen einer Flüssigkeitsmenge, basierend auf einem Druckunterschied zwischen einem Flüssigkeitsdruck und einem Bezugsdruck, mit

einem Meßgefäß (10) zur Aufnahme einer Flüssigkeit, deren Menge zu messen ist:

einen Druckunterschiedsdetektor (38) und Einrichtungen für das Erzeugen eines Bezugsdruckes und für dessen Übertragung zu diesem Druckunterschiedsdetektor (38), dadurch gekennzeichnet, daß

dieser Differentialdruck-Flüssigkeitspegelmesser des weiteren umfaßt

Druckübertragungseinrichtungen, umfassend eine Trennwand (14) und eine zwischen dieser Trennwand (14) und diesem Druckunterschiedsdetektor (38) eingeschlossene Flüssigkeit (16A) zur Übertragung des Druckes dieser Flüssigkeit in diesem Gefäß (10) zu diesem Druckunterschiedsdetektor (38) und

isothermische Einrichtungen, um eine vorherbestimmte Temperatur dieser abgeschlossenen Flüssigkeit (16A) aufrecht zu erhalten, diese isothermischen Einrichtungen enthalten eine Kammer (28), welche wenigstens einen Teil dieser abgeschlossenen Flüssigkeit (16A) umschließt und Einrichtungen, um in dieser Kammer eine Heizflüssigkeit mit dieser vorherbestimmten Temperatur zu zirkulieren, diese Kammer weist ein die Kammer (28) verschließendes Bodenelement auf, diese Zirkulierungseinrichtungen umfassen einen Einlaß (30) für diese Heizflüssigkeit und einen Auslaß (32) für diese Heizflüssigkeit, welche beide durch dieses Bodenelement durchfließen, wobei sich dieser Einlaß (30) und Auslaß an entgegengesetzten Seiten dieser Kammer in die Kammer hinein öffnen und wobei ein aufrechtstehendes Ausflußrohr (32b) an seinem unteren Ende mit diesem Bodenelement verbunden ist und mit diesem Heizflüssigkeitsauslaß (32) in Verbindung steht, dieses Rohr endet an seinem oberen Ende unterhalb dem oberen Ende der Kammer (28), um als ein Überflußrohr zu dienen, durch welches diese Heizflüssigkeit, welche in diese Kammer (28) durch diesen Heizflüssigkeitseinlaß eingetreten ist, fließt, nachdem sie nach oben durch diese Kammer (28) und von einer Seite zur anderen Seite dieser Kammer (28) geflossen ist.

2. Differentialdruck-Flüssigkeitspegelmesser nach Anspruch 1, wobei dieser Bezugsdruck der atmosphärische Druck ist.

3. Differentialdruck-Flüssigkeitspegelmesser nach Anspruch 1, wobei diese Heizflüssigkeit warmes Wasser ist.

4. Differentialdruck-Flüssigkeitspegelmesser nach Anspruch 1, wobei diese Heizflüssigkeit warmes Öl ist.