DE4107785A1 - Vorrichtung zum messen der dichte bzw. der konzentration mehrerer komponenten einer fluessigkeit magneto-sensorisch nach dem archimedischen prinzip - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen der Dichte von Flüssigkeiten bzw. der Konzentration mehrerer Komponenten einer Flüssigkeit nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Unter den verschiedensten Detektionssystemen eines zu erfassenden bewegten Mediums wurde unter anderem schon vorgeschlagen, eine optische Ablesung über einen Lichtstrahl und Lichtsensoren vorzunehmen. Andere Vorschläge ruhen auf dem Prinzip der Detektierung über induktive oder kapazitive Meßsysteme, u. a. auf Wirbelstrombasis, oder als weitere Variante auf dem linear induktiven Differential-Transformator-Prinzip. Am Beispiel induktiver Näherungsschalter sei dessen Funktionsweise umrissen und auf Schwachpunkte hingewiesen:

Ein zu detektierender Bereich kann mit einer Induktionsspule in bevorzugter räumlicher Anordnung abgegrenzt werden. Diese ist wechselstromdurchflossen, aufgrund der Erfassung eines sich nicht bewegenden Körpers in der Spule, wobei diese an einer Strom- oder Spannungsquelle angeschlossen sein kann. Abhängig davon, ob sich in ihrer Nähe oder in dem von ihr umgebenen Bereich Metall befindet oder nicht, ändert sich die Selbstinduktion der Spule, was bei konstant anliegender Spannung eine Veränderung des Stromflusses und bei vorliegender Konstantstromquelle eine Veränderung der über sie abfallenden Spannung bewirkt. Diese Veränderung kann als Signal dafür verwendet werden, ob - in Anwendung unseres bevorzugten Falles, nämlich einer Dichtemeßeinrichtung nach dem Schwebekörperprinzip des Archimedes - ein Auftriebskörper sich im Bereich der Spule befindet oder nicht. Dabei steigt der Auftriebskörper in bekannter Weise im Meßrohr auf und ab, je nachdem ob seine Dichte unter oder über der Dichte der ihn tragenden Flüssigkeit ist. Dieses System bietet jedoch nur eine unbefriedigende Zwei-Punkt-Regelung mit Ein- und Aus-Schaltverhalten.

Ein weiteres Wegdetektionssystem ist aus dem DE-Gebrauchsmuster G 88 13 065.7 bekannt. Dieses System basiert ebenfalls wie nachfolgende erfindungsgemäße Vorrichtung auf einer magneto-sensitiven Empfängeranordnung mit einem magnetischen Geber im Auftriebskörper. Kennzeichnend ist hier die Arbeitsweise mit einer stationären Empfängeranordnung, aufgebaut aus eine Vielzahl von aufeinanderfolgenden magneto-sensitiven Empfängern, die durch eine aufwendig vernetzte Auswerteelektronik abfragbar sind. Nachteile des aufwendigen Materialeinsatzes mit verbundener Verkabelung und Auswertung und zusätzlich begrenztem Anpassungsspielraum bei zudem geringerer Auflösbarkeit einer zu detektierenden Wegstrecke soll Fig. 4 vor Augen führen auf die nachfolgend näher eingegangen wird.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, die eine aufwandlosere, kostengünstigere und gleichzeitig höher auflösende Dichteüberwachung ermöglicht.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 erfindungsgemäß durch die in dessen kennzeichnenden Teil enthaltenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung vermag den Nachteil des Dichtemeßsystems nach dem DE-Gebrauchsmuster, G 88 13 065.7, mit magneto-sensitiver Arbeitsweise zu umgehen, bei dem bestenfalls eine Detektierung, beispielsweise eines Eintauchwertes eines Schwimmers, nur über eine große Anzahl von - von dem Magneto-Sender angesprochenen - magneto-sensitiven Empfängern erfolgen kann (Fig. 4), die sogar bei ideell eng aufeinanderfolgender Anordnung immer noch durch die Schaltgrenze zweier engst benachbarter digitaler Sensoren (Empfänger) zueinander getrennt sind. Eine analoge Sensorsignalaufnahme unter mehreren aneinandergekoppelten Wegstrecken abgedeckenden Sensoren, um eine kleinst möglich auflösbare Wegstreckendetektierung zu erreichen, ist schaltungstechnisch uninteressant aufwendig. Diese Nachteile werden durch die erfindungsgemäße Vorrichtung in einfacher Weise überwunden. Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung, in der ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung unter der Bezugnahme auf die Zeichnungen im Einzelnen erläutert ist.

Eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in den Fig. 1-3 dargestellt, wobei Fig. 4 eine mögliche Auslegung des DE-Gebrauchsmusters, Nr. G 88 13 065.7, aufzeigt. Gleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen wie in vorher erläuterten Figuren ersichtlich.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung (Fig. 1) zur Überwachung der Dichte oder der Komponentenzusammensetzung einer Flüssigkeit weist ein Gefäß 11 zur Aufnahme der Flüssigkeit auf. Das Gefäß 11 steht im wesentlichen senkrecht und hat einen unteren Einlaß 6 sowie einen in seinem oberen Bereich befindlichen Auslaß 7. In das Gefäß mit Flüssigkeit 11 ist ein Schwimmkörper 5 eingetaucht, der als solcher in Form eines herkömmlichen Taucharäometers ausgebildet ist. In Fig. 2 weist dieser einen mehr länglich ausgebildeten Geber 4 auf, wodurch ein relativ großer Detektionsraum geschaffen wird. In der Ausgestaltung in Fig. 2 ist seitlich des Flüssigkeitsgefäßes 11 in geeigneter Justierung auf den Dichteschwankungsbereich der interessierenden Flüssigkeit bei Betriebsbedingungen ein stationärer magneto-sensitiver Sensor vorgesehen, der mit einer nach Fig. 5 dargestellten Auswerteeinrichtung versehen ist, oder aber, wie in Fig. 3 gezeigt ist, mit einer Auswerteelektronik 9, vorzugsweise mit einem Mikroprozessor 15, verbunden ist. Die Auswertung der durch den in Fig. 2 symbolisierten (siehe Zeichenadressierung) stationären Empfänger aufgenommenen Meßwerte kann auf zweierlei Art geschehen. Die erste Variante verwendet die schon in Fig. 5 dargestellte Auswerteeinrichtung, wobei über den gesamten Flußdichteverlauf des im Schwimmkörper 5 befindlichen Permanentmagneten 4 eine linear verlaufende Ausgangsspannung des Sensors erhaltbar ist. Damit kann auf eine beliebige Variable (z. B. Dichtegehalt oder Konzentration der Lösung) durch ein Summationsglied (bestimmte Spannung additiv beaufschlagt) zur Nullpunkteinstellung und durch elektrische Verstärkerschaltung zur Anpassung der Sensorsteilheit ein Abgleich erfolgen. Bei der zweiten Variante kann bei Verwendung der Auswerteelektronik 9 mittels einem zu dieser gehörenden Speicher 16, wie ROM oder EPROM, die Meßwertverteilung bei einer bestimmten Eintauchtiefe des Schwimmkörpers mit einer hierin in einem Kalibriervorgang erstellten und festgehaltenen Zuordnungstabelle verglichen werden. Damit kann jedem Sensormeßwert eine Dichte oder Konzentrationsangabe zugeordnet werden.

Kernpunkt der erfindungsgemäßen Dichtemeßeinrichtung bildet die in Fig. 3 symbolisierte Kombination eines Magneto-Senders mit einem magneto-sensitiven Empfänger, der sich durch eine variable Verstelleinrichtung 8 auf einen definierten Senderpunkt, hier der Schwankungsbereich einer vertikalen Schwimmerbewegung, einreguliert. Der Vorteil gegenüber der in Fig. 2 gezeigten Darstellung, bei der der maximale Detektionsbereich von der Länge des Gebers 4(1₁) festgelegt ist, da der Sensor bzw. Empfänger 2 nach der Festlegung auf einen definierten Justierpunkt auf der Verstelleinrichtung 8, z. B. einer Gewindestange 12, stationär feststeht, liegt in dem in Fig. 3 symbolisierten weiträumigeren Detektionsbereich der nur durch die Grenzen der empfängertransportierenden Gewindestange 12 eingeschränkt wird (1₂). Damit muß der Empfänger bzw. Sensor 2 entweder auf der Justiereinrichtung 8 auf den zu detektierenden Dichteschwankungsbereich der interessierenden Flüssigkeit stationär auf ein Lageoptimum eingestellt werden (Fig. 2, Unteranspruch 3) oder aber der Empfänger 2 versucht sich aktuell einer veränderten Schwimmerstellung 5 auf einer ihn transportierenden Gewindestange 12 nachlaufend anzupassen. Die wegstreckenmessende Einheit bildet vorzugsweise ein mit pro Impuls definiertem Drehwinkel antreibender Schrittmotor, durch Verstelleinheit 10 symbolisiert, der den über eine Gewindestange 12 laufenden Empfänger 2 genau an den Ort transportiert, an welchem sich der Geber bzw. Sender 4 zu erkennen gibt.

Eine senderspezifische Eigenschaft kann die Polteilung (Nord-Süd) eines Permanentmagneten als Geber bzw. Sender 4 sein. Damit läßt sich jede von dem transportierten Empfänger 2 zurückgelegte Wegstrecke, je nach Anzahl der Gewindegänge der transportierenden Stange 12 und nach Größe des Schrittwinkels des bis zu 500schrittigen Motors auf eine 360°-Drehung des Rotors 10, kleinst detektierbar aufteilen. Fig. 6 zeigt die bevorzugte Ausgestaltung der in Fig. 3 symbolisierten Verstelleinheit 10 am Beispiel eines Prinzipschemas eines zweipoligen 4-Strang-Schrittmotors. Fig. 6a zeigt einen 4-Strang-Schrittmotor, dessen Stränge P und R gespeist werden. Dabei nimmt der Rotor die gezeichnete Position ein. Nach Umschalten von Schalter S1 (Speisung der Stränge Q und R, vgl. Fig. 6b) dreht sich der Rotor um 90°. Bei Betrieb des Motors mit abwechselnder Umschaltung von S1 und S2 macht der Motor dann 90°-Schritte. Die Drehrichtung kann durch abwechselndes Umschalten in anderer Reihenfolge umgekehrt werden. Dabei entspricht die Position, die von der Welle des Schrittmotors eingenommen wird, der Beziehung zwischen der Anzahl der Magnetpole des Rotors. Da der Rotor Permanentmagnete besitzt, sind dadurch die Pole festgelegt. Der Statoraufbau besteht immer aus zwei oder mehreren Polpaaren, wobei jeder Pol von einer Wicklung umgeben ist, die zur Bildung eines Magnetpols von einem Strom durchflossen wird. Durch Umkehrung der Stromrichtung in den Magnetwicklungen läßt sich auch eine Umkehrung des Magnetfeldes erreichen. Wird die Umkehrung in den Statorspulen nacheinander in einer Richtung vorgenommen, so entsteht ein rotierendes magnetisches Feld, dem die Permanentmagnete des Rotors folgen. Die Drehgeschwindigkeit wird dadurch bestimmt, mit welcher Geschwindigkeit die Statorspulen umgeschaltet werden. Jede Statorspule eines für Unipolar-Betrieb entwickelten Schrittmotors ist mit einem Mittelabgriff versehen, welcher mit einer Versorgungsleitung (z. B. Plus) verbunden ist. Die Richtung des Stromes durch die Statorspule ist abhängig von der Spulenhälfte, die über den Steuerschalter mit der Minus-Versorgungsleitung verbunden ist. Durch Umschalten der Spulenhälften wird in den Magnetpolen des entsprechenden Stators eine Umpolung des Magnetfeldes erreicht. Um langfristigen Verschleißerscheinungen eines ewig des Abgleichs versuchten Motors, verursacht durch eine schwingende Schwimmerbewegung, entgegenzuwirken, wird die Schwellwertgrenze der Schrittmotoransteuerung variabel an eine gewünschte Detektionsempfindlichkeit angepaßt. Somit wird erst durch Erreichen dieses festgelegten Schwellwertes bei einer Messung ein Schaltpunkt ausgelöst, der über eine Zentralprozessoreinheit 15 den Schrittmotor ansteuert und die Gewindestange 12 in eine Richtung drehen läßt, bei der die Anzahl der Schritte durch eine Pulszählereinheit 13 in der jeweiligen Richtung mittels einer in der Auswerteelektronik 9 "abgelegten" (ROM, EPROM), sich pro Impuls ändernden Dichte oder anderen Konzentrationsangabe, die durch Kalibrierung darstellende Zuordnungsgröße, summativ verrechnet wird, und zwar solange bis die Empfängereinheit 2 sich mit dem Sender 4 nach vorgegebener Empfindlichkeit abgeglichen hat. Die durch die Pulszählereinheit 13 schrittgenau ermittelte zurückgelegte Wegstrecke wird durch diesen Zählerinhalt einer sich pro Impuls ändernden Zustandsgröße (Mengeneinheit) äquivalent zugeordnet, und somit von einem eingegebenen senderspezifischen Analysenwert als Null- oder Bezugspunkt nach dieser einmal ermittelten pro Wegänderung verbundenen Zustandsänderung je nach Richtung addiert oder vermindert, wodurch die augenblicklich angezeigte Dichte oder Menge durch diese veränderte Schwimmerbewegung neu bestimmt wird.

Hautvorzug dieser in Fig. 3 symbolisierten erfindungsgemäßen Vorrichtung mit sich automatisch einregulierender Empfängereinheit 2 ist die auf den Benutzer anwenderfreundliche Bedienungsform und Korrekturmöglichkeit zur Ausschaltung vorhandener Störgrößen, die eine nichtfachmännische Prozeßüberwachung ermöglicht. Dies zeichnet sich durch den Wegfall einer notwendig gewordenen Nachstellung stationärer Empfänger von ihrer festgelegten Lage auf der Justiereinrichtung bei veränderlichen Betriebsbedingungen aus.

Grund ist der festgelegte Detektionsraum stationärer Empfängeranordnungen, der beispielsweise bei der in Fig. 2 symbolisierten Art durch die Geberlänge 4 bestimmt wird und in Fig. 4 nur durch eine Vielzahl aufeinanderfolgender Digitalsensoren flächenabdeckend auf eine erweiterte Schwimmerbewegung ausdehnbar wäre. Außerdem ist - der bei stationären Empfängeranordnungen so wichtige optimale Justierpunkt, der in Fig. 2 eine mögliche Schwimmerbewegung in eine vom Empfänger aus linear aufnehmbare Flußdichtenkennlinie legt, dargestellt in Fig. 5, und in Fig. 4 eine vom Schwimmkörper maximale vertikale Ausschlagbewegung durch minimalen aufeinanderfolgenden Sensorbedarf festlegt, zwar geeignet aufgenommene Meßwerte mit einer in einem zur Auswerteelektronik 9 gehörenden Speicher, wie ROM oder EPROM "abgelegten" im Kalibriervorgang erstellten Zuordnungstabelle zu vergleichen, um somit einem Sensorwert eine Dichteabgabe zuzuordnen, jedoch weniger geeignet eine Schwimmerbewegung auf die Änderung einer hauptvariablen Größe in der Lösung zu beziehen und gleichzeitig auch andere beeinflussende Faktoren, die ebenfalls die Schwimmerstellung beeinflussen zu berücksichtigen.

Diese Eignung erfüllt die erfindungsgemäße Vorrichtung, symbolisiert durch Fig. 3, die jede noch so große vertikale Schwimmerbewegung mitverfolgen kann, ohne dabei an einen begrenzten Detektionsbereich gebunden zu sein. Ist einmal mittels Kalibrieraräometer eine Konzentrationsänderung der interessierenden Größe mit einer definierten vertikalen Wegänderung ermittelt, so bedarf es nur noch der Eingabe einer aktuell analytisch ermittelten Mengenangabe, die als Bezugspunkt die aktuelle Schwimmerlage (5) repräsentiert. Des weiteren wird jede Veränderung der Schwimmerlage durch die des Abgleichs bestrebte Empfängereinheit als eine vom Bezugspunkt zurückgelegte Wegstrecke detektiert und somit mittels ermittelter Abhängigkeit auf die veränderte Konzentration der hauptvariablen Größe geschlossen. Wird bei der Prozeßüberwachung stichprobenartig die von der Auswerteelektronik 9 aktuelle angezeigte Konzentration einer interessierenden Stoffmenge in der Lösung durch eine Analyse überprüft, so kann bei einer Abweichung auf eine dichtemitbestimmende Störgröße geschlossen werden und diese weiterhin im Vorfeld mitberücksichtigen und eleminieren. Eine anwenderfreundliche Korrektur der Anzeige auf den aktuell ermittelten Wert bietet eine Tastatur mit Dualtasten, bei denen jeweils die "+" bzw. "-" Taste zu Erhöhung bzw. Verringerung eines Effektes solange gedrückt wird bis der Anzeigenwert mit dem aktuell ermittelten übereinstimmt. Mit dieser bedienungsfreundlichen Nachkorrektur vermindert sich erfahrungsgemäß der kontrollierende Stichprobenumfang, da in einer erfaßten Störgrößencharakteristik hauptvariabler Größen in einer zu untersuchenden Lösung diese problemlos durch den in der Auswerteelektronik 9 enthaltenen Speicher 16 mitberücksichtigt werden können.

Claims (10)

1. Vorrichtung zum Messen der Dichte von Flüssigkeiten, insbesondere der Konzentration der Anteile eines Flüssigkeitsgemisches, mit einem Flüssigkeitsgefäß zur Aufnahme der Flüssigkeit (11) und einem in die Flüssigkeit tauchenden Schwimmkörper 5, mit dem eine Sensoranordnung (1) berührungslos verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Flüssigkeitsgefäß (11) einen unteren Einlaß (6), und einen oberen Auslaß (7) aufweist, daß der Auslaß (7) mit einem Überlauf (14) versehen ist, und daß der Schwimmkörper (5) einen Geber (4) trägt, dem ein eine Auswerteeinheit (3) aufweisender varrierbarer Empfänger (2) auf einer Verstelleinrichtung (8) zugeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoranordnung (1) einen Geber oder Sender (4) beinhaltet und einen Ausgang zu einer Auswerteelektronik (9) aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Geber (4) ein Permanentmagnet ist und daß in bevorzugt seitlicher Annäherung des Flüssigkeitsgefäßes (11) ein einstellbar auf einer Verstelleinrichtung (8) stationärer Empfänger, in Form eines magneto-sensitiven Sensors (2) angeordnet ist, dem eine Auswerteelektronik (9) oder eine Auswerteschaltung der Auswerteeinheit (3) zugeschaltet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteelektronik (9) einen Anschluß an eine Zentralprozessor-Einheit (15) aufweist, die einen Zugriff auf einen elektronischen Speicher (16) steuert.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in bevorzugt seitlicher Annäherung des die zu untersuchende Flüssigkeit aufnehmenden Gefäßes (11) eine Verstelleinheit (10) in geeigneter Ausgestaltung Mittel schafft, durch die der magneto-sensitive Sensor (2) innerhalb der Grenzen der Verstelleinrichtung (8) beliebig variierbar wird.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstelleinheit (10) ein Schrittmotor ist, der durch eine einen Teil der Auswerteeinheit (3) bildenden Auswerteelektronik (9) mittels einer im elektronischen Speicher (16) liegenden Zuordnung in Verrechnung einer innewohnenden Pulszählereinheit (13) abfragbar ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (1, 10) zur Bestimmung einer Größe in der interessierenden Flüssigkeit des beherbergenden Gefäßes (11) einen der Auswerteelektronik (9) verbundenen Mikrocomputer (15) aufweisen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikrocomputer (15) eine Berechnung aus gemessenen Variationen des Schwimmers (5) über einen elektronischen Speicher (16) mit abgespeicherter Zuordnungsgröße und Pulszählereinheit (13) der impulsgebenden Verstelleinheit (10), auf eine tatsächliche Größe in der zu untersuchenden Flüssigkeit durchführt.

9. Vorrichtung nach den vorangegangenen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß im Flüssigkeitsgefäß (11) mit beinhaltender Flüssigkeit ein Temperaturfühler (17) angeordnet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das vom Magnetsensor (2) empfangene Meßsignal unter Berücksichtigung der durch den Temperaturfühler (17) gemessenen aktuellen Temperatur mittels Auswerteelektronik (9) mit geeigneten Mitteln auf eine Normtemperatur umrechenbar bzw. normierbar ist.