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Verfahren und Vorrichtung zum Kontrollieren eines Flüssigkeitsniveaus
l)ie
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Kontrollieren eines Flüssigkeitsniveaus,
das für alle elektrisch nicht isolierende Flüssigkeiten angewendet werden kann,
sowie auf N'orriclitungen für die Ausführung dieses Verfahrens.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung besteht im wesentlichen darin,
einen elektrischen, senkrecht schwingenden Kontakt so anzuordnen, daß er xvährend
des Bruchteils einer Zeit in die Flüssigkeit eintaucht, und in der Kennzeichnung
der Höhe des Flüssigkeitsspiegels durch den Wert des genannten Bruchteils.
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Wenn der periodische Unterbrecher, dargestellt durch den schwingenden
Kontakt und die flüssige Masse, in einen elektrischen Stromkreis, wie den Aleßstromkreis
mit einer Stromquelle, eingeschaltet wird, so genügt es, l>eispielsweise den
mittleren Stromwert zu messen, welcher im Stromkreis entsteht, um eine Größe zu
erhalten, die mit großer Genauigkeit die Höhe des Flüssigkeitsspiegels darstellt
und mit aller wünschenswerten Xnpassungsfähigkeit den Anforderungen von Regulier-,
Kontroll- oder Aufzeichnungsvorrichtungen entspricht.
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Der schwingende Kontakt wird vorzugsweise durch eine nach unten zeigende
Spitze gebildet, so daß es ihm möglich ist, bei jeder Schwingung die flüssige Oberflächenschicht
zu durchdringen und dieselbe nur sehr wenig zu bewegen. Wird die Frequenz der Schwingung
verhältnismäßig hoch gewählt, dann wird der Einfluß der Oberflächenspannung praktisch
ausgeschaltet. Dieses Ergehnis
wird sehr leicht und bequem dadurch
erreicht, daß heispielsweise die Frequenz des Sektors mit 50 Perioden je Sekunde
gewählt wird.
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Gemäß der Erfindung ist es möglich, Messungen sehr großer Genauigkeit
auszuführen, die außerdem nach Bedarf durch Veränderung der Schwingungsamplitude
der Spitze veränderlich ist.
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Die Merkmale und Vorteile der Erfindung sind aus der nachfolgenden
Beschreibung zu ersehen, in welcher bestimmte Ausführungsformen angegeben sind,
die jedoch lediglich als Beispiele angeführt werden.
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In den Zeichnungen bedeutet Fig. I die schematische Darstellung einer
vereinfachten Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens gemäß der Erfindung, Fig.
2 und 3 eine Kurvendarstellung der Wirkungsweise dieser Vorrichtung, Fig. 4 das
Schema eines Anwendungsbeispiels der Erfindung für eine Vorrichtung zur Regulierung
des Niveaus, Fig. 5 ein Schema der Darstellung einer Vorrichtung gemäß der Erfindung
für eine Aufzeichnung eines Niveaus, Fig. 6 die schematische Darstellung einer Differentialvorrichtung.
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13ei der in Fig. 1 gewählten und dargestellten .\usführungsform ist
oberhalb des zu kontrollierenden Niveaus einer flüssigen Masse 10 eine feine senkrechte
Spitze II, z.'B. Nähnadel, angeordnet. die mittels Lautsprecheraggregates 12 in
periodische, senkrechte Schwingungen versetzt wird.
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Die Nadelspitze 1 1 wird in einen elektrischen Meßstromkreis mit einer
Stromquelle I3, einem verhältnismäßig hohen Widerstand I4, welcher unter Umständen
regelbar ist, und einer Meßvorrichtung 15, l>eispielsweise ein Mikroamperemeter,
eingeschaltet. Der Stromkreis wird durch eine eingetauchte Elektrode I6 geschlossen.
Der Widerstand 14 wird genügend hoch gewählt, damit der Ül>ergangswiderstand
zwischen Spitze 1 1 und Flüssigkeit vernachlässigbar ist, sobald die Spitze die
Oberflächenschicht der Flüssigkeit durchstoßen hat. Die Schwingung der Spitze 11
kann sinusförmig oder nichtsinusförmig verlaufen, muß jedoch periodisch sein.
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\Venn das Lautsprecheraggregat 2 beispielsweise auf dem Prinzip des
Dauermagnets beruht, genügt es, seine bewegliche Spule I7 an eine Stromzelle für
Wechselstrom bei I8, z. ß. den Sektor, anzuschließen, wobei ein Stromregler 19 die
von dieser Spule aufgenommene Stromstärke einstellen kann und demnach die Amplitude
der Spitzenbewegungen. Hieraus ist ersichtlich, daß die Spitze zusammen mit der
flüssigen Masse einen periodischen Unterbrecher darstellt, derart, daß der Strom
innerhalb des Meßkreises eingeschaltet ist oder unterbrochen wird, je nachdem die
Spitze eintaucht oder nicht.
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In Fig. 2 ist zunächst bei A die Wegkurve des untersten Endes der
Spitze 1 1 als Funktion der Zeit t dargestellt, wobei das Spitzenende periodisch
zwischen der untersten Grenze H1 und der obersten Grenze H2 sschwingt. Liegt derFlüssigkeitsspiegel
innerhalb dieser beiden Grenzen, z. B. auf der Höhe H, dann ist die Spitze hei jeder
Schwingung für eine Zeit eingetaucht, die eine Funktion der Höhe des Flüssigkeitsspiegels
ist: Im Meßstromkreis entsteht hierdurch ein pulsierender Strom, der durch die Kurve
B als Funktion der Zeit t dargestellt ist und dessen Nfittelwert in diesem Fall
durch die gestrichelte Linie I angegelien wird.
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Verändert sich das Flüssigkeitsniveau von JJ nach H' (Fig. 3), dann
ist die Dauer, während der der Stromkreis geschlossen ist, und demnach die Dauer
jedes tromstodes größer, wie in der Kurve B' dargestellt. Der Mittelwert des Stromes
entspricht dann 1'.
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Das Instrument 15 wird demzufloge, lediglich vorausgesetzt, daß seine
Periodenzahl beträchtlich größer ist als die Schwingungszahl der Spitze, einen mittleren
Stromwert anzeigen, der eine Funktion des Flüssigkeitsniveaus mit Bezug auf die
äußersten Grenzen des untersten Endes der Nadelspitze ist. Dieser Strom ist Null,
wenn das Niveau niedriger oder gleich dem Minimum H1 der Kurve ist; er ist konstant
(I0) bei einem Niveau, das höher oder gleich dem Maximum H2 der Kurve ist. Dieser
konstante Wert I0 hängt einzig von der Spannung der Stromquelle 13 und dem Wert
des Widerstandes 14 ab. Der Mittelwert, der bei 15 gemessen wird, schwankt zwischen
Null und diesem konstanten Wert, wenn das Niveau von H1 nach H2 steigt. Das Verhältnis
zwischen Stromänderung und Veränderung des Niveaus zwischen den beiden Werten H1
und H2 ist eine Funktion der Schwingungsart der Nadel. Sie u-äre linear. wenn die
Kurve, die den Weg des Nadelendes als Funktion der Zeit darstellt, eine Kurve wäre,
die wie die borsten auf einer Bürste ausgestaltet ist.
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Bei einer sinusförmigen Schwingung der nadel ist dieses Verhältnis
wenigstens in der Nähe des Mittelpunktes dieser Schwingung linear.
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Jedenfalls ist die Meßgenauigkeit um so größer, je kleiner die Amplitude
der nadelschwingung gewählt wird.
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Die Frequen der Schwingbewegung der Nadel kann beliebig gewählt werden.
Es ist jedoch zweckmäßig, sie so hoch zu wählen, daß die Oberflächenspannung keine
Rolle spielt, so daß die Nadel bei jeder Schwingung die Oberflächenschicht nur sehr
wenig verändert. Eine angemessene Frequenz, welche dieser Bedingung ents1iricht.
ist diejenige des Sektors mit 50 Perioden je Sekunde.
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Die Erfahrung hat gezeigt, daß die mit einer derartigen Vorrichtung
ausgeführten Messungen vollkommen zuverlässig sind; die kleinsten Niveauunterschiede,
die nachweisbar sind. sind eine Funktion der amplitude der Bewegung der Spitze und
können enhundertsten Teil eines Millimeters erreichen. Eine geringe Schicht einer
beliebigen fremden Substanz, durch die die Oberflächenspannung der Flüssigkeit verändert
werden könnte, stört die Messung nicht.
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Wenn man bei der Verwendung von Wasser oder einer wässerigen Lösung
eine Gleichstrom-
quelle im Meßstromkreis verwendet, soll vorzugsweise
der negative Pol an die Nadelspitze gelegt werden, damit nicht bei der Elektrolyse
durch den entstehenden Sauerstoff die Spitze mit der Länge der Zeit oxidiert wird.
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Anstatt direkt den Mittelwert des Stromes im Stromkreis zu messen,
kann wohlverstanden gleicherweise z. 13. auch der Unterschied des Potentials gemessen
werden, das an den Klemmen eines Kondensators gebildet wird, der zu einem in den
Stromkreis geschalteten Widerstand im Nebenschluß geschaltet ist.
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Dieser Fall ist bei der Vorrichtung gemäß Fig. 4 dargestellt, in
der im Stromkreis der Spitze 2I zu einem Widerstand 22 ein Kondensator 23 Ilebengeschlossen
ist. Die an den Klemmen des Kondensators entstehende Spannung wird einem Verstärker
zugeführt, der in diesem Fall aus einer Doppelperiode 24 besteht, die mit Differentialstufe
arbeitet. Die heiden Kathoden sind durch einen iil,lichen Widerstand 25 polarisiert.
Das eine Gitter 26 ist einer einen Widerstand an Masse gelegt. l)as aiidere Gitter
26a erhält die Spannung, die an den Klemmen des Aggregates 22, 23 entwickelt wird.
zu der eine Reaktionsspannung hinzugefügt werden kann, welche durch die Leitungen
30, 3I zugeführt wird, wie weiter unten erläutert ist.
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I) ie an den Klemmen des Aggregates 22, 23 erzeigte Spannung entsteht
durch die Überlagerung voii zwei Str (imtll. die den Widerstand 22 in entgegengesetzteil
Richtungen durchlaufen. Dieser Widerstand ist ist tatsächlich in zwei Stromkreisen
eingeschaltet, die entsprechend von den beiden 'lteilen 27, 28 einer Stromquelle
abgezweigt sind, welche durch einen verstellbaren Ahzweig 29 unterteilt ist. Im
Teil 27 entsteht ein Dauerstrom io, währenl der Teil 28 den pulsierenden Strom i
erzeugt. der durch die Höhe des Flüssigkeitsniveaus gegenüler der ßahn der Spitze
2I bedingt ist.
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Der Potentialunterschied, der sich zwischen den Anoden an den Klemmen
von zwei symmetrischen ladungswiderständen 32, 33 einstellt, wird einem Gleichstrommotor
34 mit vorzugsweise unabgängiger Erregung zugeführt, der eine nicht dargestellte
Vorrichtung zur Niveauregulierung beliehiger Art antreibt.
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Wenn der Mittelwert des pulsierenden Stromes i gleich dem Strom io
ist, d. h. wenn die an den Klemmen des Kondensators 23 entwickelte und dem Gitter
26a zugeführte Spannung gleich Null ist, dann sind die Anodenströme durch die Widerstände
32, 33 hindurch gleich, der Potentialunterschied zwischen den Klemmen des Motors
34 ist Null, und der Regeler wird nicht betätigt: Das Flüssigkeitsniveau befindet
sich dann in Mittelhöhe, beispielsweise zwischen den von der Nadelspitze 21 erreichten
äußersten Grenzen. Sobald das Niveau beziiglich dieser Stellung steigt oder fällt,
wird der Motor, fixiert durch die Wahl des entsprechenden Potentials zwischen den
Klemmen des Widerstandes 22, d. h. durch die Wahl des Stromes i0, in geeigneter
Art gespeist, um eine Korrektur des Unterschiedes sicherzustellen.
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In Anbetracht dessen, daß eine solche Vorrichtung in bestimmten Fällen
einer Eigenschwingung unterworfen werden kann, kann in dem Verstärker eine Gegenreaktion
in bekannter Art erzeugt werden, indem am Eintritt eine Spannung wiederzugeführt
wird, die in jedem Augenblick der Wirkung der ausgeführten Korrektur proportional
ist. Das kann beispielsweise dadurch erzielt werden, daß auf dem Anker des Motors
34 eine zweite, mit 35 bezeichnete Wicklung angebracht wird, die die Rolle eines
tachometrischen Dynamos spielt.
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Dieser erzeugt an den Klemmen eines Potentiometers 36 eine zur Drehgeschwindigkeit
des Motors proportionale Spannung, von der man einen regelbarren Teil am Eintritt
zum Verstärker zusätzlich zu der Antriebsspannung wiederzuführt.
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Die Erfahrung hat übrigens gezeigt, daß diese Stabilisation oft unnötig
ist, da sie wohlverstanden von der Gesamtheit der Regelungsparameter abhängt wie
der Trägheit der flüssigen Masse und der Steuerteile (Schwingungen usw.), Schnelligkeit
der möglichen Variationen usw.
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Beiläufig kann auch bei einer weiteren Ausführungsform eines abgeänderten
Ausführungsbeispiels die Kontaktspitze 21 (Fig. 4) am Ende einer Blattfeder angebracht
sein, die im Wechselstromfeld eines Elektromagnets 41 liegt, das vom Sektor oder
jeder anderen beliebigen Wechselstromquelle abgezweigt sein kann.
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In Fig. 5 ist eine Vorrichtung zum Aufzeichnen eines veränderlichen
Flüssigkeitsniveaus dargestellt. Die Nadelspitze 42 ist mit ihrem Antrieb 43 hierbei
am Ende eines Seiles 44 angebracht, welches über eine Führungsrolle 45 läuft und
sich auf einer Trommel 46 aufrollt, die mit der Welle des Motors 47 fest verbunden
ist. Dieser Motor wird durch einen Verstärker 48 gespeist, der von der in Fig. 3
beschriehenen oder jeder sonst geeigneten Art sein und den Motor 47 derart antreiben
kann, daß die Nadelspitze 2 in einer Höhe gehalten wird, die der mittleren Schwingungshöhe
ihrer untersten Spitze entspricht, und welche in gleicher Höhe mit dem Flüssigkeitsspiegel
liegt.
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Aus dem Vorhergesagten ergibt sich, daß hierdurch der mittlere Stromwert
im Meßstromkreis (einschließlich Spitze 42 und flüssiger Masse) auf einem gegebenen
Wert gehalten werden kann.
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Ein Schreibstift 49 auf dem Seil 44 ermöglicht es, daß hierhei eine
fortlaufende Aufzeichnung des Flüssigkeitsniveaus auf einem Meßblatt 50 möglich
ist, welches mit geeigneter Umlaufgeschwindigkeit von einer Vorratswalze 51 auf
eine Aufnahmewalze 52 abrollt.
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In Fig. 6 wird schematisch ein Ausführungsbeispiel des Verfahrens
gemäß der Erfindung in Differentialform dargestellt, bei dem sehr geringe Niveauunterschiede
gemessen werden können. Im dargestellten Fall handelt es sich um den Ladungsverlust
in einer Leitung 60 mit einem Flüssigkeitsstrom zwischen zwei Anzeigerohren 6r und
62.
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Hierbei bleibt eine Spitze 63 dauernd in Berührung mit dem Flüssigkeitsniveau
in dem Rohr 62 mittels einer Vorrichtung, wie sie ohen hezüg-
lich
Fig. 5 beschrieben wurde und die einen Verstärker 64 und Motor 65 besitzt. Dieser
letztere stellt beispielsweise in jedem Augenblick die Höhe der Spitze 63 derart
ein, daß der entsprechende Flüssigkeitsspiegel stets mit der Mittellinie ihrer senkrechten
Schwingungen zusammenfällt, d. h. daß die Eintauchzeit gleich der Hälfte der Gesamtzeit
ist.
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Nun treibt dieser gleiche Motor gleichzeitig eine schwingende Spitze
66, die einem Flüssigkeitsniveau im Rohr 6I zugeordnet ist, derart an, daß die Höhe
der schwingenden Spitze 66 in jedem Augenl>lick gleich der Höhe der Spitze 63
ist. Die Spitze 66 ist in einem gebräuchlichen Meßstromkreis eingeschaltet, der
beispielsweise ein Nadelstrommeßgerät 67 (Mikroamperemeter) besitzt.
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Unter diesen Bedingungen ist dann, wenn das Niveau bei 6I beispielsweise
gleich dem Niveau liei 62 ist, die mittlere Stromstärke im Meßstromkreis der Nadelspitze
66 gleich der Hälfte seines Maximalwertes (für eine symmetrische Kraftschwingung,
d. h. frei von Harmonischen gerader Ordnung). Die Nadel des Instruments 67 stellt
sich also in Mittelstellung ein. Wenn jedoch das Niveau bei 6I steigt oder fällt
gegenüber dem Niveau bei 62, dann ändert sich der mittlere Stromwert im Meßstromkreis,
und die entsprechende Abweichung der Nadel des Instruments 67 in einem oder anderen
Sinne zeigt mit sehr großer Genauigkeit den Unterschied des Niveaus an.
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Eine derartige Differentialvorrichtung ermöglicht es, sehr viel kleinere
Ladungsverluste zu messen oder zu kontrollieren, als es mit bekannten Vorrichtungen
bisher möglich war, da die Empfindlichkeit außerordentlich hoch ist. Durch ihre
Anwendungsmöglichkeit können beispielsweise in erheblichem Maße die Abmessungen
von Modellausführungen in den zahlreichen Fällen geringer gehalten werden, in denen
man Modelle mit verkleinertem NIaßstahe anwendet. Zahlreiche weitere Anwendungsbeispiele
sind möglich z. B. auf dem sehr ausgedehnten Gebiet der Kontrolle des Ausflusses
von Flüssigkeiten. So kann man in einer Leitung wie bei 60 den Ausfluß in Abhängigkeit
vom tatsächlichen Wert der mittleren Stromstärke im Meßstromkreis der Nadelspitze
66 einrichten.
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Schaltet man hierbei ein veränderliches Teil, z. B.
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Hebearm oder Daumen, in die Übertragung zwischen Motor 65 und Spitze
66 ein, dann kann hierdurch ein gegebenes Gesetz des Ausflusses als Funktion der
Zeit verwirklicht werden usw. Die angegebenen Ausführungsbeispiele stellen jedoch
in keiner Weise eine Beschränkung des Erfindungsgedankens dar.
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Die Stromquelle im Meßstromkreis kann z. B. auch ebenso gut eine
Wechselstromquelle sein, deren Frequenz grundsätzlich im Nettobetrag velschieden
von derjenigen Stromquelle gewählt wird, welche den Antrieb des schwingenden Kontaktes
speist. Sie kann z. B. höher sein, so daß in diesem Falle im Meßstromkreis ein Strom
hoher Frequenz vorliegt gemäß einer Wellenlinie der Art mit Impulsen veränderlicher
Dauer. Das Maß der Impulsdauer, welches am Ende das gesuchte Ergebnis kennzeichnet
und den Knoten der Erfindung darstellt, kann mittels verschiedener Verfähren erzielt
werden, die auf dem Gebiete der Fernsteuerung bekannt sind.
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Im Rahmen der Erfindung liegt es auch, die zahlreichen Anwendungsmöglichkeiten
des l) eschriebenen Verfahrens zu vervielfachen, sei rs bei der Messung, der Regulierung
oder hei allen Problemen der Kontrolle allgemein eines beliebigen Flüssigkeitsniveaus.
Voraussetzung ist jedoch in jedem Falle, daß die fragliche Flüssigkeit elektrisch
nicht isolierend ist.
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Es erübrigt sich, noch einmal auf die Vorteile hinzuweisen, die sich
aus der bemerkenswerten Schmiegsamkeit, der überragenden Genauigkeit und der Einfachheit
der für die Ausführung des Verfahrens nötigen Hilfsmittel ergel>en.