DE4442059A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Lageregelung freibeweglicher Auftriebskörper - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vor­ richtung zur Lageregelung freibeweglicher Auftriebskörper innerhalb eines Meßrohres nach dem Oberbegriff des Patent­ anspruches 1.

In vielen technischen Prozessen werden flüssige oder gas­ förmige Medien durch Leitungssysteme gepumpt, um weitere Änderungen bzgl. ihrer physikalischen Eigenschaften vorzu­ nehmen. Häufig ist dabei die Dichte des jeweiligen Mediums ein für den Prozeß wichtiger Parameter.

Zur einfachen Ermittlung der Dichte oder der Durchfluß- Durchsatzmenge einer Flüssigkeit bzw. eines durch eine Meßküvette strömenden Gases, hat sich der Einsatz von Auf­ triebs- oder Verdrängungskörpern, auch als Senk-, Tauch-, Schwebe-, Schwimm-, Strömungs- und Aräometerkörper bekannt, bewährt. Hierbei wird der Dichte-, Durchfluß- oder Füll­ standsmeßwert von Flüssigkeiten bzw. Gasen durch die Ein­ tauchtiefe bzw. Axialposition im Meßrohr bestimmt. Durch diese einfache Handhabung und relative Unempfind­ lichkeit gegenüber Störgrößen, wie Verunreinigungen in Industrieumgebung fand diese hydrostatische Meßmethode zwar weite Verbreitung, ist jedoch nach bisherigem Stand der Technik unzureichend verfeinert worden.

Dies liegt zum einen darin, daß empfindlich gestaltete Auf­ triebskörper nur einen sehr kleinen speziellen Meßbereich abdecken können oder sonst zu unhandlich für den praktischen Einsatz werden, zum anderen an dem zusätzlichen Material­ einsatz der Meßeinrichtungen, um eine erweiterte axiale Laufbewegung im Meßrohr hoch auflösbar zu erfassen.

Unter den für verschiedenste Meßzwecke geeigneten Auftriebs­ körpern unterscheidet man bei flüssigen Medien teilweise und völlig untertauchende Formen. Letztere Formen werden bei Einsatz unterschiedlicher Fluide im Bereich der Grenz­ fläche von dem dichteren getragen.

Diese niemals aus der Flüssigkeit austauchenden reinen Schwimmer können durch Volumenvergrößerung, d. h. großes Verhältnis von Volumen zu dem vorbestimmten mindest­ spezifischen Gewicht und durch äquivalenten Schwimmer­ eigengewichtswert zu vorbestimmtem Minimum an spezifischem Gewicht der Lösung empfindlich gemacht werden. Der Unter­ schied zwischen Schwimmerdichte und Dichtigkeit des gerade erfühlten Mediums ist hier minimal, d. h., kleine Änderungen der Mediumsdichte sind mit großen Stellungsänderungen des Schwimmers verbunden. In dieser besonderen Axialposition im Meßrohr ist die größte Empfindlichkeit - also die bei Änderung der Mediumsdichte maximal erzielbare Laufstrecke - nur auf den einzig entsprechenden spezifischen Dichtewert einer Lösung gegeben, und erlaubt somit bestenfalls eine Überwachung unter vorbestimmten Minimumbedingungen für das spezifische Gewicht mit anpassungslosem Ein-Aus-Regelver­ halten.

Dieser für eine Stellung empfindlich gemachte Auftriebs­ körper kann somit auch nur einen für diese Stellung spezi­ fischen Dichtewert repräsentieren. Gering darüber oder darunter liegende Dichtewerte verursachen ein völliges Auftauchen oder Absinken. Dieses extreme Verhalten er­ schwert bei verbreiteten stationären, auf ein Lageoptimum justierten Meßaufnehmern eine genaue Vorgabe von Schwankungsgrenzen innerhalb welcher kein Schaltvorgang er­ folgen soll, und verursacht einen sehr unruhigen Betrieb, was sich nicht nur negativ auf die erzielbaren Ergebnisse, sondern auch auf die Beanspruchung der entsprechenden Ein­ richtungen auswirkt.

Hauptproblematik eines weitgehend automatisierten, hoch­ empfindlichen Meßverfahrens mit Auftriebskörpern für industriellen Einsatz bereitet die widersprüchliche Forderung, daß nicht nur geringste Änderungen der Ein­ tauchtiefe in einer vorbestimmten Axialposition hoch­ empfindlich überwacht, sondern auch erweitert über einen großen Meßbereich mitverfolgt werden können.

Für diesen Zweck nutzvoll sind teilweise eintauchende Auf­ triebskörper ersterer Form, bekannt als Aräometer oder Tauchspindeln, mit einem aus der Flüssigkeit niemals aus­ tauchenden Tauchkörper mit einer von diesem nach oben ab­ stehenden Stange, die den Flüssigkeitsspiegel durchstößt. Der Durchmesser dieser Stange ist gegenüber dem Durchmesser des Tauchkörpers sehr klein und über der gesamten Höhe der Stange konstant. Hierdurch ergeben sich einfache, ein­ schließlich von der Eintauchtiefe abhängige, geometrische Verhältnisse zur Bestimmung des spezifischen Gewichts oder Konzentration einer Lösung.

Diese Eintauchtiefe hängt ihrerseits vom spezifischen Ge­ wicht der Flüssigkeit ab, da die am Aräometerkörper an­ greifende Auftriebskraft, d. h. das Gewicht der über die Stangenvolumina verdrängten Flüssigkeit, mit dem Eigenge­ wichtswert des Aräometers im Gleichgewicht sein muß. Auf diese Weise werden mit einem kleinen Stangenquerschnitt auch kleinste Veränderungen der Mediumsdichte durch große Eintauchwege bzw. Laufstrecken des Aräometers ausgeglichen. Eine zusätzliche Empfindlichkeitsverbesserung ist auch hier durch eine Vergrößerung des Eigengewichts und Volumens zu erreichen. Die Zunahme der Empfindlichkeit ist hinsichtlich der Wirkung eines langen, als Kapillare ausgebildeten, nach oben abstehenden Aräometerhalses relativ gering.

Die bekannten Lageregelungssysteme verfügen nicht über ge­ eignete Mittel und Einrichtungen, um eine Arbeitsweise mit empfindlichen Auftriebskörpern zu ermöglichen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Meß­ verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zu schaffen, damit auf einfache Weise die Gleichgewichtseinstellung von Auftriebskörpern empfindlich gemacht werden kann. Vorzugs­ weise soll es auch möglich sein, die gemessenen Positions- Ist-Werte zur Bewegungssteuerung für den Auftriebskörper zu nutzen.

Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Oberbegriffs­ merkmalen erfindungsgemäß durch die Merkmale des kenn­ zeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteil­ hafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Zweck der vorliegenden Erfindung ist die variable Lagebe­ einflussung eines freibeweglichen, magnetaufweisenden Auf­ triebskörpers innerhalb der Grenzen von stirnseitig am Meßrohr angeordneten Magneten, die durch anpassungsfähige Einwirkung bisher unumgängliche Beeinträchtigungen beim Messen mit Auftriebskörpern beseitigen.

Aus der GB-PS 13 07 530 ist eine Vorrichtung zum Anzeigen der Dichte eines flüssigen oder gasförmigen Mediums be­ kannt, die von entgegengesetzt wirkenden Permanentmagneten zum Ergänzen oder Verändern des Auftriebs eines Schwimmers Gebrauch macht, um die Empfindlichkeit der Vorrichtung hin­ sichtlich Änderungen der Dichte des Mediums zu ändern. Diese Konstruktion hat den Nachteil einer unvermeidlichen Änderung der Empfindlichkeit. Das heißt, daß die Effek­ tivität der Magneten mit Bezug auf die Empfindlichkeit streng von der relativen Entfernung zwischen dem Magneten im Schwimmer und dem permanent angebrachten Magneten ab­ hängt. Deshalb tritt eine Ungleichmäßigkeit des empfind­ lichkeitsändernden Effekts bei den Lehren des Standes der Technik auf, und der Effekt ist nur für eine bestimmte Stellung des Schwimmers am größten.

Diese Vorrichtung erfüllt nicht die Voraussetzung einer im gesamten Laufbereich eines großen Meßraumes ausübbaren gesteigerten konstanten Empfindlichkeit.

Eingangs genanntes Verfahren hingegen vermag nicht nur das Ansprechverhalten bereits formbedingt empfindlicher Auftriebskörper zu steigern, oder einen nur durch die Grenzen einer Verstelleinrichtung bestimmten Meßraum zu schaffen, sondern beseitigt auch Beeinträchtigungen, ver­ ursacht durch Reibung, Eigengewichtsverfälschung und Fremdstoffanlagerung.

Bei herkömmlicher Arbeitsweise mit Aräometern besteht der Nachteil, daß diese beim Einführen in die zu bestim­ mende Flüssigkeit zu schnell eingebracht werden, und da­ her zunächst über ihrem Gleichgewichtsschwimmzustand zu weit in die Flüssigkeit eintauchen und einen gedämpften Schwingungsprozeß ausführen bis sie ihren stabilen Schwimmzustand erreichen. Hierbei wird dann der Außen­ umfang des teilweise eingetauchten Aräometers in einem Bereich benetzt, der im Gleichgewichtszustand oberhalb der Flüssigkeitsoberfläche liegt und hierdurch die vor­ zunehmende Messung verfälscht.

Weiteres Problem besteht in dem oftmals mehr oder weniger radialen Abstand des Schwimmkörpers zur Meßrohrwandung, der somit bei identischer Axialposition mit veränderter Signalstärke zum Tastkopf des Meßwertaufnehmers wirkt, und zusätzlich bei Berührung eine freibewegliche Gleich­ gewichtseinstellung stört und damit das Meßergebnis be­ einträchtigt.

Ein ebenso bekanntes Problem bereiten Anlagerungen von Fremdstoffen auf der Oberfläche des Schwimmkörpers, die sich ständig im Meßmedium befinden. Um den Schwimmkörper zu reinigen, wird das Meßrohr periodisch mit hoher Strömungsgeschwindigkeit durchflutet. Aräometer, die als Hohlglaskörper ausgebildet sind, werden durch diese er­ höhte Turbulenz stark beansprucht, und können zu Bruch gehen. Bei manchen sicherheitsrelevanten Anwendungen werden Hohlglaskörper daher ausgeschlossen, obwohl sie eine vorteilhaft geringe Anlagerungstendenz aufweisen.

Bei vorliegend erfindungsgemäßen Verfahren wird dies­ bezüglich Sorge getragen, indem der magnetaufweisende Hohlglaskörper zwischen stirnseitig gegenüberliegenden zum beinhaltenden entgegengesetzt gerichteten Magneten berührungslos in einem vom Abstand abhängigen Montage­ punkt gehalten wird (Fig. 3).

Bei dieser für Aräometer vorgesehenden erfindungsgemäßen Ausführungsform wird ein unterhalb des Schwimmermagneten am Umfang des Meßrohres befindlicher variabler Ringmagnet dazu benutzt, den bevorzugt empfindlichen Hohlglaskörper in Richtung eines stirnseitig entgegengesetzt gerichteten oberhalb stationär angebrachten Ringmagneten zu drücken. Während dieser Fixierungslage findet der Reinigungszyklus statt. Nach Einleitung des Meßvorgangs bewegt sich der variable Magnet nach unten und gibt den fixierten Hohl­ glaskörper aus seiner Schutzlage mit aufweisender Schutz­ hülse für den trockengehaltenen nach oben abstehenden bevorzugt schlanken Hals zunehmend frei.

Durch dieses Vorgehen wird erreicht, daß die Glasröhre langsam bis zu ihrem durch das archimedische Prinzip be­ stimmten Einsinkwert in die Flüssigkeit eintaucht. Es wird vermieden, daß durch ein zu tiefes Eintauchen eine Benetzung oberhalb des durch das archimedische Prinzip bestimmten Werts der Meßstrecke erfolgt, wodurch das Meß­ ergebnis beeinträchtigt wird.

Ebenso vorteilig wird durch Wirkung des am Umfang ange­ ordneten Ringmagneten ein konstant radialer Abstand des Hohlglaskörpers zur Meßrohrwandung eingehalten.

Anhand vorausgehender Vorrichtung (DE 41 07 785) wird durch vorliegende Weiterentwicklung ein Verfahren ge­ schaffen, das eine weitgehend automatisierte Meßmöglich­ keit der Dichte einer Flüssigkeit bzw. Lageregelung eines Auftriebskörpers innerhalb eines Meßrohres mittels des archimedischen Prinzips erreicht, und damit das Messen mit Auftriebskörpern wesentlich verbessert.

Aus der vorgesehenen Meßeinrichtung der DE 41 07 785 ist eine echte Regelung bekannt, bei welcher der zurückgelegte Weg eines freibeweglichen Gebers bzw. Magneten in einem Auftriebskörper mittels eines Sensors nach laufend abge­ tastet, und der Antrieb der ihn transportierenden Verstell­ einrichtung dementsprechend geregelt wird.

Diese variable Ortungseinrichtung mit hochauflösender Weg­ messung ermöglicht zwar einen erweiterten Erfassungsraum von freibeweglichen Auftriebskörpern gegenüber den nur be­ grenzt einsetzbaren stationären Einrichtungen, weist jedoch hinsichtlich optimierten Einsatzes zum aufwandslosen Ver­ größern der Reagibilität bzw. zur Ansprechbeschleunigung speziell von völlig untergetauchten reinen Schwimmern keine Weiterentwicklung auf.

Eine solche Ausführungsform der Erfindung erhält man, wenn man die Mittel zur Sensitivierung, Zentrierung und Lagever­ schiebung derart einsetzt, daß sie in Kombination mit der aus der DE 41 07 785 bekannten variablen Abtastvorrichtung stirnseitig auf einen dazwischenliegenden geberbeinhal­ tenden Schwimmer je nach Stellung lagebeeinflussend wirken, und somit die vom Auftrieb abhängige Eintauchposition er­ gänzen oder soweit verändern, um zum einen den durch die zusätzlich beaufschlagte Kraft sich einstellende axiale Position zu messen und zu speichern, und den weiterhin bei Ausregelung dieses Montagepunktes notwendigen Weg des be­ weglichen Teils zur Ortung über die gesamte Laufstrecke abzutasten oder zum anderen den Schwimmermagneten innerhalb einer beeinflussungsfreien Zone an den Anfang oder an das Ende des linearen Kennlinienabschnittes des Sensors zu schieben, und den abgegrenzten Detektionsbereich bis zum Ende des Durchlaufens des Schwimmens konstant zu halten und erst bei Verlassen des linearen Bereich soweit nach­ zurücken, daß die ergänzte Auftriebsstellung des Schwimm­ körpers wieder zu Anfang des linearen Meßbereichs liegt.

Diese für völlig untergetauchte Schwimmer (Fig. 5-9) geeig­ nete Ausgestaltung bewirkt bei bekannter Bewegungsrichtung des Schwimmers etwa bei Verdünnungs- (Fig. 6) bzw. Aufkon­ zentrierungsprozessen (Fig. 7) eine Steigerung der Sensi­ tivität, wobei die kontrollierte Beaufschlagung der vom Ab­ stand der angenäherten Magnete abhängigen Kraft einen Sink- (Fig. 6) bzw. Steigschub (Fig. 7) bewirkt, welcher eine Mediumsänderung mit einer maximalen Laufstrecke zu kompen­ sieren versucht.

Dieses Vorgehen verursacht nicht nur eine Sensibilitäts­ verbesserung, sondern läßt den Dichtemeßbereich durch diese berührungslosen Eigengewichtsergänzungen variabel erweitern und bei konstanter Empfindlichkeit anpassen.

Werden reine Schwimmer bei vorbekannter Bewegungsrich­ tung durch magnetische Kraft beeinflußt, bleiben diese auch bei erheblicher Konzentrationssteigerung völlig untergetaucht oder sinken bei stark fallender Dichte oder Konzentration des Mediums nicht bis auf den Boden des Meßgefäßes und sind somit über einen großen Meßbe­ reich einsetzbar.

Dies ermöglicht eine austauschlose Eigengewichtsanpas­ sung des Auftriebskörpers, wobei die variabel der Be­ wegung nachgeführten magnetischen Mittel eine konstante Empfindlichkeit über die Laufstrecke gewährleisten.

Wenn gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung mindestens ein Steuerventil zum Steuern der Bewegung des Auftriebskörpers in Abhängigkeit vom jeweiligen Positions-Ist-Wert und einem Positions-Soll-Wert des Auftriebskörpers vorgesehen ist, so wird hierdurch ein sehr anpassungsfähiges empfindlich arbeitendes Regelsystem realisiert.

Die Erfindung schafft ein Verfahren zur Lageregelung von eintauchenden Auftriebskörpern 6; 7, 8 in zu messenden Flüs­ sigkeiten oder Gasen, deren Gleichgewichtslage, die ent­ sprechend der Mediumsdichte oder Strömung sich einstellt, mittels beeinflußbarer Geber 9; 10, 11 im Auftriebskörper, die auf außerhalb des Flüssigkeit oder Gas aufnehmenden Meßraumes angeordneten magnetisch wirkenden Anordnungen 25; 26, 27 ansprechen, beeinflußt wird und folglich ihre einstellende Axialposition in einem Meßrohr stark verän­ derlicher Mediumsbedingungen anpaßt und somit über einen großen Meßbereich ein Meß- und Regelsystem steuert. Bei einer Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens sind die Geberanordnungen 9; 25 so ausgebildet, daß ihre zueinander entgegengesetzt magnetisierten Erstrec­ kungskomponenten Wirkungskräfte einer Magnetkupplung bilden, die je nach Annäherung die freibewegliche Axial­ position des Auftriebskörpers in einem Meßrohr optimieren. Ein Verfahren zur Sensitivierung, Zentrierung und Ver­ schiebung des Auftriebskörpers zeichnet sich dadurch aus, daß der Meßvorgang während einer Reinigungsperiode unter­ brochen und mit einer internen absoluten Referenzabfrage elektrischer oder nicht elektrischer Endpunkterkennungs­ systeme 30, 31 mit Referenzwertgebern 27, 26 verbunden wird.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile des Gegen­ standes der erfindungsgemäßen Arbeitsweise ergeben sich anhand der in den Zeichnungen dargestellten und nach­ folgend näher beschriebenen Ausführungsbeispielen. Darin zeigt:

Fig. 1 bis 4 schematische Darstellungen bevorzugt er­ findungsgemäßer Ausführungsform für Verdrängungskörper.

Fig. 5 bis 9 schematische Ausgestaltung bevorzugt er­ findungsgemäßer Ausführungsform für reine Schwimmkörper. In der nachfolgenden Beschreibung werden für gleiche und gleich wirkende Teile dieselben Bezugsziffern ver­ wendet.

Eine konventionelle Meßschleife umfaßt einen Zulauf 1 mit einem Steuerventil 2, ein als Meßstrecke dienendes Meßrohr 5, einen Überlauf 3 und einen damit verbundenen Rücklauf 4. Im Meßrohr 5 nimmt ein freibeweglicher Auftriebskörper 6; 7, 8 eine nach Umgebungsbedingungen axiale Position ein. Zur Messung dieser Position befindet sich parallel des im wesentlichen zum magnetischen Erdmittelpunktes gerichteten Meßrohrs 5 eine Verstelleinrichtung 16, welche einen beweg­ lichen Teil 18 mit aufweisenden Mitteln 25; 26, 27 zur Sensi­ tivierung, Zentrierung und Verschiebung der Lage des Auf­ triebskörpers und Mittel 12; 13; 14, 15 zur Lagemessung des Auftriebskörpers 6; 7, 8 über eine Antriebsregeleinheit 28 mit aufweisendem Lageregelkreis 29 transportiert.

Die Mittel 12 zur Ortung eines im Auftriebskörper 6 befind­ lichen Gebers 9 weisen eine Meßeinrichtung 13 mit Aufnehmern 14, 15 auf. Weitere Mittel 19; 20; 21, 22 zur Messung der Be­ wegung des beweglichen Teils 18 beinhalten eine lineare Meß­ einrichtung 20 mit einer Anordnung 21 aus Meßkopf und -lineal und eine Winkelmeßeinrichtung 20 mit Inkrementalaufnehmer 22. Kombinierte Funktion mit der Verstelleinheit 17 bietet der Einsatz eines Schrittmotors als wegstreckenmessendes Mittel 19.

Durch Einwirkung auf eine Vergleichseinrichtung 23 mit auf­ weisendem Komparator 24, sowie auf eine Antriebsregeleinheit 28 mit aufweisendem Lageregelkreis 29 wird die Verstelleinheit 17 derart angesteuert, daß die Bewegung des Auftriebskörpers 6 im Meßrohr 5 abgetastet und der Antrieb zum Transport des be­ weglichen Teils 18 dementsprechend geregelt wird.

Durch die freie Beweglichkeit können auch mehrere Geber 9 innerhalb der vorgesehenen Meßstrecke abgetastet werden. Zur Abgrenzung des abzutastenden Meßbereiches wirkt an mindestens einem Stirnende des Meßrohres 5 ein Referenz­ wertgeber 30, 31. Verwendet man bei den Mitteln 12 zur Lage­ messung des Auftriebskörpers 6 eine Meßeinrichtung 13, die zusätzlich eine grenzwertspezifische Eigenschaft unterscheiden kann, so ermöglicht dies nicht nur ein genaues absolutes An­ fahren eines nicht -mechanischen und -elektrischen Referenz­ punktes, welcher Eigenschaften vergleichbar den Mitteln 25 zur Lagebeeinflussung des Auftriebskörpers besitzt, sondern bewerk­ stelligt neben der Funktion als verschleißfreies, kabelloses Endpunkterkennungssystem 31, zusätzlich die Funktion der Fixie­ rung des Auftriebskörpes 6; 7, 8 (Fig. 3 und Fig. 9) innerhalb des Meßrohres 5 während einer Reinigungsperiode.

Zur Vereinfachung wird ein Teil der zur Sensitivierung, Zen­ trierung und Lagebeeinflussung eingesetzten Mittel 25 stationär oberhalb eines magnetbeinhaltenden Auftriebskörpers 6; 7, 8 am Um­ fang des Meßrohres 5 in zum Schwimmermagneten 9; 10 abweisender Erstreckungsrichtung befestigt, um so den Auftriebskörper 6; 7, 8 durch zunehmende Annäherung des unterhalb ebenfalls abweisend wirkenden Teils der Mittel 25 zur Lagebeeinflussung zwischen­ liegend zu fixieren, und um weiterhin der Meßeinrichtung zur Lage­ messung des Auftriebskörpers intern die Position des montierten Teiles besagter Mittel zur Referenzwerterkennung meßbar zu machen. Somit fungieren die Mittel 25 zur Sensitivierung, Zentrierung und Lagebeeinflussung des Auftriebskörpers neben möglicher Fixierung, auch als Teil eines von der jeweiligen Meßeinrichtung 13; 14, 15 begünstigt detektierbaren magnetischen oder magnetisierten absoluten Endpunkterkennungssystems 31, 30.

Fig. 1-4 zeigt die bevorzugte Anwendung an teilweise unterge­ tauchten Auftriebskörpern 6; 7 mit aufweisendem nach oben ab­ stehenden dünnen Hals.

Bei Umstellung der Prozeßführung auf nur eine bevorzugt auszu­ führende Bewegungsrichtung des Auftriebskörpers 6, etwa Ver­ dünnung eines Konzentrates (Fig. 6) oder umgekehrt (Fig. 7), wird das vormals oberhalb stationär befestigte - zusätzlich als kabel­ loses Endpunkterkennungssystem 31 wirkende Mittel 25 zur Lagebe­ einflussung nun in einfacher Weise mit dem beweglichen Teil 18 der Verstelleinrichtung 16 verbunden.

Fig. 5-7 zeigt die bevorzugte Anwendung stirnseitig oberhalb und unterhalb des Auftriebskörpers angeordneten Mitteln 25 zur Sensitivierung, Zentrierung und Lagebeeinflussung, welche mittels dem beweglichen Teil 18 der Bewegung eines völlig untergetauchten Schwimmkörpers 6; 8 nachgeführt werden. Fig. 8 zeigt an den Stirnenden A, B des Meßrohres zusätzlich angebrachte Mittel 25; 26, 27 und Fig. 9 die Fixierung des Schwimmkörpers an dem stirnende A. Neben der für die auto­ matisierte Reinigung notwendigen Fixierung kompensiert diese Ausgestaltung unreproduzierbare Störgrößen benachbarter Feld­ erzeuger in Industrieumgebung.

Zum aufwandslosen Verändern des wirksamen Schwimmergewichts werden bevorzugt nichtelektrische Mittel 25; 26 zur Sensi­ tivierung, Zentrierung und Verschiebung des Auftriebskörper eingesetzt.

Alternativ können neben magnetischen auch magnetisierbare Mittel 25; 27 benutzt werden, um den Auftriebskörper zu sensitivieren, zentrieren und seine Lage zu fixieren oder zu beeinflussen. Möglich wären Magnetspulen oder Elektro­ magnete 27, die an eine Stromquelle angeschlossen und deren Strom mittels eines Potentiometers regelbar ist. Ein elek­ trisches Endpunkterkennungssystem 30 könnte bei direkter Detektion durch eine magnetisierte Spule 27 bei Annäherung eines induktiv ansprechbaren Aufnehmers 15 realisiert werden. Eine gezielte Lagebeeinflussung eines magnetisierbaren Gewichts 11 in einem Auftriebskörper 6 zwischen stirnseitig angeordneten Elektromagneten 27 in Abhängigkeit vom beauf­ schlagten Strom durch separate Steuerungselektronik ist auf­ wendiger als die Verwendung von Permanentmagneten, welche durch geeigneten Abstand zueinander einen in der Mitte lie­ genden beeinflussungsfreien Raum lassen, der durch den maxi­ malen Erfassungsbereich der Meßeinrichtung 13 abgedeckt wird, wobei der bevorzugt hystereselose Meßkopf 14 diese Meßstrecke mit Anfang und Ende seines linearen Meßbereiches überbrückt (Fig. 5-9).

In dieser für völlig untergetauchte, reine Schwimmer 6; 8 vorge­ sehenen Ausführungsform pendelt sich der freibewegliche magnet­ beinhaltende Schwimmkörper 6; 8; 9, 10 auf seinen stabilen Gleich­ gewichtszustand ein. Die ermittelte Ist-Position liegt mittig im vorgesehenen Detektionsraum der Mittel 12 zur Lagemessung des Auftriebskörpers 6 und halbiert in diesem Punkt den linearen Kennlinienverlauf der verwendeten Meßeinrichtung 13; 14. Bewegt sich die Ist-Lage des magnetbeinhaltenden Schwimmkörpers 6; 8 an einen der Randbereiche des Detektionraumes rückt die An­ triebsregeleinheit 28 mit aufweisendem Lageregelkreis 29 das bewegliche Teil 18 mittels Verstelleinheit 17 und Verstelleinrichtung 16 soweit nach, daß die ermittelte Ist-Position des Schwimmers 6; 8 wieder im mittleren Bereich des Detektionsraumes liegt. Zur Anpassung auf einen großen mitverfolgbaren Schwank­ ungsbereich der Dichte wird durch zunehmende Annäherung einer der stirnseitig wirkenden Mittel 25 der Eigengewichtswert des Schwimmers soweit ergänzt, daß sich die einstellende Axial­ position noch im Randbereich des linearen Kennlinienverlaufs befindet. Abweichungen von diesem in Beeinflussung liegenden Auftriebswert werden ständig ausgeregelt, so daß der Abstand der beaufschlagten Beeinflussung konstant mit der Bewegung des Schwimmkörpers 6; 8 nachgeführt wird.

Auf diese Weise bleibt die Empfindlichkeit während der ge­ samten Laufstrecke bzgl. einer durch die Prozeßführung be­ vorzugten Bewegungsrichtung des Schwimmkörpers 6; 8 auch kon­ stant. Unbeabsichtigte Schwankungen die nicht in kontrol­ lierter Bewegungsrichtung auslösende Stellungsänderungen ver­ ursachen, werden über den linearen beeinflussungsfreien Detek­ tionsraum sehr empfindlich angezeigt, wobei die in Vorzugs­ richtung kompensierte Sinkbewegung in entgegengesetzter Richtung eine verstärkte Ausdehnung von zu messenden Unregel­ mäßigkeiten bewirkt.

Je nach Prozeßführung kann somit eine hauptvariable Bewegungs­ richtung durch Verschiebung des variablen Nullpunkts in den Grenzen des ober- oder unterhalb liegenden linearen Detektions­ bereiches durch einen von der Führungsgröße abhängigen Stell­ wert abgetastet werden, wobei eine logische Stellungsänderung des Schwimmers 6; 8 oder die sicherheitsrelevante Unregelmäßig­ keit besonders verstärkt gemessen wird.

Im Falle eines kontinuierlichen Verdünnungsvorganges eines Konzentrates wird der über eine große Meßstrecke zunehmend ab­ fallende Schwimmkörper 6; 8 durch Annäherung eines unterhalb angeordneten abweisend gerichteten Ringmagneten soweit abge­ stützt, so daß die Meßeinrichtung überhalb der Schwimmerstel­ lung angeordnet ist. In dieser Stellung erfaßt die Meßeinrich­ tung den Schwimmkörper an einer definierten Position im äußeren Linearitätsbereich der schwimmermagnetspezifischen Kennlinie. Der entsprechende Meßwert wird fortan als Nullpunkt be­ trachtet, wobei jede Abweichung ausgeregelt und der dazu not­ wendige Weg von der Meßeinrichtung 20 für das bewegliche Teil 18 hochauflösbar erfaßt wird. Die Empfindlichkeit bzgl. der durch den Verdünnungsvorgang zu erwartenden Sinkbewegung des Schwimmers 6; 8 bleibt durch den konstanten Abstand des stützend wirkenden unterhalb angeordneten Ringmagneten 26 (Fig. 7) ge­ mäßigt, wobei jedoch Störungen besonders empfindlich angezeigt werden.

Umgekehrt werden bei Annäherung des oberhalb abweisend ange­ ordneten Ringmagneten 26 (Fig. 6) Bewegungen entgegen des zu erwartenden Absinkens gemäßigt empfindlich angezeigt, wobei die eigentlich beabsichtigte Sinkbewegung begünstigt wird, und somit hochempfindlich eine pro Mediumsänderung vergrößerte Lauf­ strecke im linearen Meßbereich zurücklegt.

Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können so­ wohl einzeln als auch in beliebigen Kombinationen für die Ver­ wirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungs­ formen wesentlich sein.

Bezugszeichenliste

1 Zulauf
2 Steuerventil
3 Überlauf
4 Rücklaufkanal
5 Meßrohr
6; 7, 8 Auftriebskörper; Aräometer, Schwimmer
19; 10, 11 Geberanordnung; Permanentmagnet (e), magnetisierbares Gewicht
12; 13; 14, 15 Mittel; Meßeinrichtung; Aufnehmer zur Lagemessung
16 Verstelleinrichtung
17 Verstelleinheit
18 bewegliches Teil
19; 20; 21, 22 Mittel zur Messung der Bewegung des beweglichen Teils
23 Vergleichseinrichtung
24 Komparator
25; 26, 27 Mittelanordnung zur Lagebeeinflussung; magnetisch, magnetisierbar
28 Antriebsregeleinheit
29 Lageregelkreis
30, 27 internes absolutes Endpunkterkennungssystem; magnetisierbarer Referenzwertgeber
31, 26 internes absolutes n.-el. Endpunkterkennungssystem; magnetischer Referenzwertgeber
A, B Stirnenden
n.-el. nichtelektrisch, kabellos

Claims (22)

1. Verfahren zur Lageregelung freibeweglicher Auftriebskörper (6; 7, 8) innerhalb eines Meßrohres (5) mit außerhalb berüh­ rungslos einwirkenden Mitteln (25; 26, 27) zur Sensitivierung, Zentrierung und Verschiebung deren Gleichgewichtslage mit mindestens einem am Umfang des Meßrohres (5) einwirkenden Mittel, das über einen beweglichen Teil (18) einer Verstell­ einrichtung (16) durch eine Verstelleinheit (17) entlang des Meßrohres (5) variierbar ist, mit Mitteln (19; 20; 21, 22) zur Messung der Bewegung des beweglichen Teils, weiteren Mitteln (12; 13; 14, 15) zur Lagemessung des Auftriebskörpers (6) und einer Vergleichseinrichtung (23) für Bewegung und Lage, sowie für die Einwirkung auf eine Antriebsregeleinheit (28), mit der die Verstelleinheit (17) steuerbar ist, da­ durch gekennzeichnet, daß die durch die Lagemessung er­ mittelte Ist-Lage des Auftriebskörpers (6) mit einer Führungs­ größe verknüpft wird und einen Stellwert erzeugt, der der Verstelleinheit (17) zugeführt wird, wobei die Antriebs­ regeleinheit (28) einen Lageregelkreis (29) enthält, der nach Ortung der Ist-Lage ein entsprechendes Lagemeßsignal erhält, und über die Verstelleinheit (17) daraus ein die Stellung des beweglichen Teils (18) der Verstelleinrichtung (16) änderndes Verschiebesignal erzeugt, und folglich das mit Mitteln zum berührungslosen Verschieben der Stellung des Auftriebskörpers (6) aufweisende bewegliche Teil (18) derart variiert, daß sich die Ist-Lage des Auftriebskörpers (6) auf die vorbe­ stimmte, mit der Führungsgröße verknüpfte, Stellung berüh­ rungslos einstellt.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichseinrichtung (23) derart aufgebaut ist, daß der Abstand des beweglichen Teils (18) mit den aufweisenden Mitteln (25; 26, 27) zur Lageänderung des Auftriebskörpers (6) mittels der Verstelleinrichtung (16) über die Führungsgröße variierbar zur ermittelten im Ver­ gleich stehenden Ist-Soll-Gleichgewichtslage des Auftriebs­ körpers (6) ist, und über die Antriebsregeleinheit (28) durch die Verstelleinheit (17), sowohl konstant der Bewegung des Auftriebskörpers (6) ständig nachführbar, als auch durch ab­ solutes periodisches Abfragen zu einem oder mehreren im Ver­ gleich zueinander stehender, stationärer Referenzwertgebern (30, 27; 31, 26) über den Lageregelkreis (29) variabel einstell­ bar ist.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit berührungslos einwirkenden Mitteln (25; 26, 27) zur Sensi­ tivierung, Zentrierung und Verschiebung deren Gleichgewichts­ lage mit mindestens einem am Umfang des Meßrohres (5) einwir­ kenden Mittel (26, 27), dadurch gekennzeichnet, daß bei einer bevorzugt variierten Richtung des Auftriebskörpers (6) zur Regelung auf eine einzunehmende Lage durch besagte Mittel (25), derart eingewirkt wird, daß eine auftriebskompensierende oder eine zusätzlich in bevorzugt einzunehmender Bewegungsrichtung erstreckbare Kraft auf den Auftriebskörper (6) beaufschlagbar ist, und dadurch eine erhöhte Wegänderung pro Zeiteinheit auf zu messende physikalische Umgebungsänderungen in von der Führ­ ungsgröße abhängigen Weise erreichbar wird.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine bevorzugt einzunehmende Bewegungsrichtung des Auftriebskörpers (6) im zu messenden Medium, infolge einer physikalischen Ände­ rung einer kontinuierlichen Verringerung der Konzentration durch Anlagerung gelöster Stoffe zu Feststoff an Elektroden angezeigt ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine bevorzugt einzunehmende Bewegungsrichtung des Auftriebskörpers (6) im zu messenden Medium infolge einer physikalischen Ände­ rung einer kontinuierlichen Vergrößerung der Konzentration durch einen Lösungsvorgang von Feststoff in flüssige oder gas­ förmige Bestandteile angezeigt ist.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (12, 19) für die Messung von Lage und Bewegung entsprechende Meßeinrichtungen (13, 20) aufweisen, die der Antriebsregeleinheit (28) Signale geben.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichseinrichtung (23) einen Komparator (24) aufweist, der die Signale der Meßein­ richtungen (13, 20) mit einem oder mehreren Referenzwerten vergleicht, die - durch absolute Abfrage bei Annäherung durch Anfahren mit der Verstelleinrichtung - von Referenzwertgebern (30, 27; 31, 26) abgegeben werden.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung (13) zur Lagemessung des Auftriebskör­ pers (6), derart ausgebildet ist, daß diese sowohl die Lage eines magnetbeinhaltenden Auftriebskörpers (6) als auch einen magnetaufweisenden Referenzwertgeber (26), der als intern de­ tektierbares, nicht mit elektrischen Mitteln versorgtes Endpunkterkennungssystem (31) wirkt, absolut erfaßt.

9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Mittel (25; 26) zur Sensitivierung, Zentrierung und zum Verschieben des Auftriebskörpers (6) durch stationäre Montage stirnseitig oberhalb des Auftriebskörpers (6) am Umfang des Meßrohres (5) bei Annäherung des beweglichen Teils (18) der Verstelleinrich­ tung (16) mit aufweisenden Mitteln (12) zur Lagemessung des Auftriebskörpers (6) als nicht elektrisches Endpunkterkennungs­ system (31) wirkt, und dem Aufnehmer (14) der Meßeinrich­ tung (13) zur Lagemessung des Auftriebskörpers (6) einen Re­ ferenzwert abgibt.

10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine im Auftriebskörper (6) befindliche Gebereinheit (9; 10, 11) an mindestens einer Stirn­ fläche eine bei Annäherung gerichtete magnetische Kraft eines am Umfang des Meßrohres (5) angeordneten Mittels (25; 26, 27) zur Lagebeeinflussung des Auftriebskörpers erfährt, und folg­ lich eine abstandsabhängige Lageverschiebung zur Erlangung eines stabilen Gleichgewichts zwischen verändertem Eigenge­ wichtswert des Auftriebskörpers (6) mit dem äquivalenten spezi­ fischen Gewicht des zu messenden Mediums ausführt, und dadurch den ursprünglich auf den Eigengewichtswert des völlig unterge­ tauchten Auftriebskörpers (6; 8) festgelegten Meßbereich auf eine durch den Laufweg begrenzte zu messende Mediumsdichte legt.

11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein im Auftriebskörper (6; 7) be­ findlicher Geber (9; 10) an mindestens einem Stirnende ein bei Annäherung eines am Umfang des Meßrohres (5) angeordneten Per­ manentmagneten (25; 26) eine magnetische Kraft erfährt, und folglich eine vom Abstand abhängige Lageverschiebung ausführt.

12. Vorrichtung nach vorangegangenen Ansprüchen, gekennzeichnet durch mindestens ein Steuerventil (2) zum Steuern der Bewegung des Auftriebskörpers (6) in Abhängigkeit vom Positions-Ist-Wert und einem Positions-Soll-Wert des Auftriebskörpers (6).

13. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine in Auftriebskörpern (6; 7, 8) befindliche Gebereinheit (9; 10) durch jeweils auf seine Stirn­ flächen abweisend einwirkende magnetische Kraft von am Umfang des Meßrohrs (5) angeordneten Permanentmagneten (25; 26) eine vom Abstand abhängige Fixierung erfährt, welche der Annäherung entsprechend auf einen variablen Montagepunkt verschiebbar ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein in Auftriebskörpern (6; 7, 8) befindliches magnetisierbares Ge­ wicht (9; 11) durch jeweils auf seine Stirnflächen abweisend einwirkende magnetische Kraft von am Umfang des Meßrohrs (5) angeordneten Elektromagneten (25; 27) eine vom beaufschlagten Strom abhängige Fixierung erfährt.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Mittel (25) zur Sensitivierung, Zentrierung und Verschiebung des Auftriebskörpers (6; 9, 10) Permanentmagnete (26) aufweisen.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Mittel (25) zur Sensitivierung, Zentrierung und Verschiebung des Auftriebskörpers (6;9,11) Elektromagnete (27) aufweisen.

17. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl symmetrisch am Umfang des Meßrohres (5) angeordneter Permanentmagnete (26) mit radial gerichteten Erstreckungskom­ ponenten bestehen, die stirnseitig auf eine im Auftriebskörper (6) befindliche Anordnung aus Permanentmagneten (10) wirken.

18. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß auf beide Stirnenden des im Auftriebskörper (6) angeordneten, aus magnetischem bzw. magnetisierbaren Material bestehenden, Gewichts (9; 10, 11) wirkende Permanentmagnete (26) bzw. Spulen (27) mit radial bzw. axial oder koaxial zum Meßrohr (5) gerichteten Erstrec­ kungskomponenten angeordnet sind.

19. Vorrichtung nach vorangegangenen Ansprüchen mit Mitteln (20) zur Messung der Bewegung des beweglichen Teils (18), dadurch gekennzeichnet, daß bei linear bewegtem durch Rotation ange­ triebenem beweglichen Teil (18) eines der Mittel (20) für die Messung eine lineare Meßeinrichtung (21) ist, während das andere Mittel (20) für die Messung eine Winkelmeßeinrichtung (22) für die Messung der Drehbewegung des Motors ist.

20. Vorrichtung nach vorangegangenen Ansprüchen mit Mitteln (12; 13) zur Lagemessung des Auftriebskörpers (6), dadurch gekenn­ zeichnet, daß bei der Messung der Bewegung eines im Auftriebs­ körper (6) befindlichen magnetisierbaren Gewichts (9; 11) eine der Meßeinrichtungen (13) für die Messung einen induktiven oder kapazitiven Aufnehmer (15) aufweist, während die andere bei der Messung eines magnetischen Gewichts (9; 10) im Auftriebskörper (6) einen magnetosensitiven Aufnehmer (14) aufweist.

21. Vorrichtung nach Anspruch 10, mit Mitteln (13) zur Messung von Auftriebskörpern (6; 7, 8), dadurch gekennzeichnet, daß der im Auftriebskörper (6) befindliche Geber (9) zwei an den Stirn­ enden einer Weicheisenscheibe angeordnete anisotrope Permanent­ magnete (10) mit zueinander abweisend axial gerichteten Er­ streckungskomponenten aufweist.

22. Vorrichtung nach Anspruch 10, mit Mitteln (13) zur Messung von Auftriebskörpern (6; 7, 8), dadurch gekennzeichnet, daß das im Auftriebkörper (6) befindliche Gewicht (9; 10) mehrere Permanent­ magnete mit radialen Erstreckungskomponenten aufweist, wobei die an den Stirnenden angeordneten am Umfang gleichpolig sind.