DE4327521A1 - Verfahren zur Bestimmung des Flüssigkeitsniveaus in aggressiven und strömenden Medien - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Flüssig­ keitsniveaus bzw. des Füllstandes in chemischen Reaktoren, in denen aggressive Medien vor allem unter höheren Drücken und Tem­ peraturen strömen. Anwendungsgebiet ist die chemische Grund­ stoffindustrie, aber auch andere Gebiete, in denen Niveaukon­ trollen fluider Medien unter extremen Bedingungen vorzunehmen sind.

Es sind die verschiedensten Verfahren zur Bestimmung von Flüs­ sigkeitsniveaus in Gefäßen bekannt, die auf mechanischen, hydraulischen, optischen, strahlungsphysikalischen (Infrarot- und Gammastrahlung), Ultraschall- und kapazitiven Meßprinzipien beruhen.

Daneben haben sich Verfahren durchgesetzt, bei denen die Meßin­ formation aufgrund der Änderung des elektrischen Widerstandes (bzw. der elektrischen Leitfähigkeit) in Abhängigkeit von geome­ trischen Bedingungen sowie von Stoff- und Betriebsparametern gewonnen wird. Insbesondere nutzen diese Verfahren eine Wider­ standsänderung in Abhängigkeit von der Temperatur aus, die in verschiedenen, über ein Flüssigkeitsniveau aneinander angrenzen­ den Medien unterschiedliche Werte annehmen kann.

Zur Vergrößerung des Meßeffektes und zur Erhöhung der Empfind­ lichkeit bei der Bestimmung sich schnell ändernder Niveaus, wie in strömenden Medien, werden gewöhnlich spezielle Widerstands­ elemente eingesetzt, die absatzweise parallel oder in Reihe ge­ schaltet und in einer vertikalen Vorzugsachse angeordnet sind. Dabei hat sich gezeigt, daß beim Einsatz aggressiver chemischer Medien ein besonderer Oberflächenschutz für diese Elemente er­ forderlich wird, beispielsweise in Form einer Kapselung.

Die für aggressive Betriebsbedingungen verwendeten Schutzschich­ ten behindern jedoch einen schnellen und effektiven Wärmeaus­ tausch zwischen Widerstand und dem umgebenden Medium, wodurch Meßdynamik und -genauigkeit verringert werden, was sich insbe­ sondere bei schnell wechselnden Niveauunterschieden in instatio­ när strömenden Medien nachteilig auf die Güte des Meßergebnisses auswirkt.

So werden in DE-31 25 633 heiß- und kaltleitende Widerstände be­ schrieben, die für Füllstandsmessungen kettenförmig angeordnet sind. In der DE-OS-38 24 663 werden zu diesem Zweck spezielle PTC- und NTC-Materialien beansprucht, wobei der eintauchende Teil des Widerstandes durch die kühlende Flüssigkeit auf deren Temperatur gehalten wird, der austauchende Teil jedoch eine wesentlich höhere Temperatur aufweist. Auch bei einem weiteren Vorschlag werden Widerstände mit Halbleitercharakteristiken eingesetzt, die sich für Füllstandsmessungen in aggressiven Medien nur unter Verwendung wärmeübergangsverzögernder Schutz schichten eignen.

Zur elektrischen Fernanzeige des Grundwasserstandes im Locken­ gebirge werden in DD-1 55 207 geheizte, temperaturabhängige Wider­ stände als Sonden angeordnet, die Ummantelungen mit Öffnungen besitzen, so daß bei Wasserkontakt eine bessere Wärmeleitung er­ folgt. Da es sich um eine Anzahl von einzelnen Sensoren handelt, liegt eine diskontinuierliche Messung vor.

Es besteht das Bedürfnis der Entwicklung eines Verfahrens zur Bestimmung des Flüssigkeitsniveaus in Druckbehältern auf der Ba­ sis beheizter Widerstandselemente. Dabei sollte unter der Be­ rücksichtigung der Wirkung aggressiver und strömender Medien so­ wie hoher Temperaturen eine kleine Ansprechzeit, hohe Standzeit sowie der gleichzeitige Einsatz der Widerstandselemente als Heizelemente für die Aktivierung chemischer Reaktionen ange­ strebt werden.

Aufgabe der Erfindung ist die zweckmäßige Anordnung eines Wider­ standsstranges über eine Höhe innerhalb eines zwei- oder mehr­ phasigen Mediums mit einer ausgebildeten Grenzschicht zur Erhö­ hung der Effektivität bekannter Verfahren.

Erfindungsgemäß wird das dadurch erreicht, daß ein Widerstands­ strang aus einem den aggressiven Prozeßbedingungen genügenden Material innerhalb eines Reaktors in einer Hauptströmungsrich­ tung angeordnet wird. Die Strömungsrichtung ist - beispielsweise in Abhängigkeit von einer Zirkulationsrichtung in einem Blasen­ säulenreaktor mit suspendierten Katalysatorpartikeln - aufwärts oder abwärts gerichtet, jedoch stets parallel zum Widerstands­ strang. Damit wird eine geringe abrasive Belastung des Wider­ standsstranges durch mitgerissene Partikel innerhalb der aggres­ siv wirkenden Medien erreicht und lediglich geringe Grenz­ schichtstärken für den Wärmeübergang zwischen dem Widerstands­ strang und der Suspensionsphase bzw. dem den Reaktor verlassen­ den Gas eingestellt. Der Widerstandsstrang wird aus einer Kon­ stantstromquelle gespeist und von dem ihn durchfließenden Strom aufgeheizt. Die unterschiedlich hohen Wärmeströme, die - bedingt durch unterschiedlich hohe Wärmeübergangszahlen - über die Ober­ fläche des Stranges einerseits in das flüssige und andererseits in das gasförmige Medium fließen, führen zu unterschiedlich hohen Temperaturen und damit Widerstandsänderungen in den je­ weiligen Strangabschnitten, die die Information über die jewei­ lige Füllstandshöhe enthalten.

Hohe Meßdynamik und -genauigkeit werden dadurch erreicht, daß die Widerstandssensoren keine den Wärmeaustausch hemmenden Schutzschichten besitzen, und dadurch, daß ihre geometrischen Abmessungen den Wärmeaustausch innerhalb der Sensoren in verti­ kaler Richtung erschweren, was durch ein sehr großes Länge-Quer­ schnitts-Verhältnis erreicht werden kann, beispielsweise durch Drähte. Gleichzeitig können die stromdurchflossenen Widerstands­ sensoren als Wärmequellen zur Aufheizung der Medien dienen.

Die Erfindung soll nachstehend ohne Einschränkungen an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.

Beispiel

In den zugehörigen Zeichnungen zeigt

Fig. 1 Ein Wirkschema eines Verfahrens zur Bestimmung des Flüssigkeitsniveaus nach dem Stand der Technik,

Fig. 2 Ein Wirkschema des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 3 Eine Ausführungsvariante des Verfahrens,

Fig. 4 Die Empfindlichkeit bezüglich der Meßspannung in Abhängigkeit von der Heizleistung.

Gemäß Fig. 3 ist im Inneren eines Reaktors 1 ein Widerstands­ strang 2 angeordnet, der über mehrere (im Beispiel: 6) Abgriffe 3.1 bis 3.6 verfügt. Diese sind an einen n-Kanal-Analogmulti­ plexer 4 angeschlossen, der über einen AD-Wandler 5 und dem Rechnerinterface 6 mit dem Steuerrechner 7 verbunden ist. Der n- Kanal-Analogmultiplexer wird vom Rechner über einen Kanaldekoder gesteuert. Die Stromversorgung des Widerstandsstranges 2 erfolgt über den Konstantstromregler 7.

Nachstehend wird die Wirkungsweise der Erfindung beschrieben. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die Temperaturabhän­ gigkeit des spezifischen elektrischen Widerstandes von Metallen sowie Unterschiede in den Wärmeübergangszahlen, die zwischen Me­ talloberfläche und den sie umgebenden, verschiedenen Medien wirksam sind, zur Füllstandsmessung ausgenutzt.

Der Widerstandsstrang 2 wird von dem ihn durchfließenden Strom aufgeheizt. Aufgrund der sehr hohen Differenzen in den Wärme­ übergangszahlen zwischen der Widerstandsoberfläche und der sie umgebenden Flüssigkeit (α_F ≈ 3000 W m^-2K^-1) bzw. der sie umhül­ lenden Gasphase (αG ≈ 20 W m^-2K^-1) wird in den betroffenen Ab­ schnitten des Widerstandsstranges ein unterschiedlich hoher Auf­ heizungseffekt eintreten. Für Draht der Sorte X8 Cr Ni Mo Ti 18.11 mit einem Durchmesser von 1 mm beträgt bei einem Heizstrom von I = 1 A die Temperaturerhöhung für den eingetauchten Strang­ abschnitt 0,23°C und für den austauchenden Abschnitt 37,8°C. Infolge der Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstandes treten in beiden Teilabschnitten unterschiedlich große Wider­ standsänderungen und an den Teilstrecken zwischen den Abgriffen unterschiedlich große Spannungsabfälle auf, die von einem Steuerrechner nacheinander zur Berechnung der Füllstandshöhe ab­ gefragt werden, wobei die Spannungsmeßwerte an den Teilstrecken, die vollständig eingetaucht, und an denen, die vollständig aus­ getaucht sind, Bezugsgrößen für die Berechnung darstellen.

Bei dem erfindungemäßen Verfahren (Wirkschema Fig. 2) wird in Abhängigkeit vom Heizstrom gegenüber bekannten Verfahren (Wirk­ schema Fig. 1) eine wesentliche Erhöhung der Empfindlichkeit ge­ währleistet (Fig. 4).

Bezugszeichenliste

1 Reaktor
2 Widerstandsstrang
3 Abgriff (3.1 bis 3.6)
4 n-Kanal-Analogmultiplexer
5 AD-Wandler
6 Rechnerinterface
7 Konstantstromregler
8 Steuerrechner
9 Kanaldekoder
α_F, α_G Wärmeübergangszahl
H Heizung
I Strom
M Messung
R Widerstand
t Temperatur
U Spannung

Claims (4)

1. Verfahren zur Bestimmung des Flüssigkeitsniveaus, insbesondere in aggressiven und strömenden Medien, auf der Basis eines elek­ trischen, temperaturabhängigen Widerstandsstranges (2), der von einem konstanten, ihn durchfließenden elektrischen Strom aufge­ heizt wird, und der sich durchgängig über eine Phasengrenzfläche hinweg in mindestens zwei Phasen unterschiedlicher Zustände be­ findet und mit Abgriffen (3) versehen ist, dadurch gekennzeich­ net, daß die Richtung des Stranges mit einer Hauptströmungsrich­ tung übereinstimmt, diese vorzugsweise parallel angeströmt wird, dabei ein hoher Wärmeübergang über seine Oberfläche senkrecht zur Strömung erfolgt und die Änderung der Widerstandscharakteristik durch die Niveauhöhe bevorzugt durch eine Änderung der in den Medien unterschiedlichen Wärmeübergangszahlen bedingt ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstandsstrang (2) aus einem gegenüber aggressiven Medien re­ sistenten, elektrisch leitfähigen Material besteht, ein besonde­ rer Oberflächenschutz nicht vorgesehen ist und der Strang gleich­ zeitig ein elektrisches Heizelement zur Aufheizung der Medien zum Zweck der chemischen Reaktionsführung darstellt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Strang durch mehrere elektrisch leitende Abgriffe (3) in Streckenabschnitte unterteilt wird, so daß bei konstantem Heiz­ strom durch den Widerstandsstrang (2) die zwischen den Abgriffen liegenden Teilspannungen ein Maß für die zugehörigen effektiven Teilwiderstände und damit für die Füllstandshöhe sind.

4, Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die über den Streckenabschnitten auftretenden Teilspannungen nachein­ ander von einem Steuerrechner abgefragt und bezüglich der Füll­ standshöhe ausgewertet werden, wobei die Teilspannungen über den Teilstrecken, die während des Meßvorganges nur von einem der ver­ schiedenen Medien umschlossen sind, als Bezugsgrößen dienen.