DK147606B - Indretning til maaling af elektrisk ledende vaeskers niveau - Google Patents

Description

1217606

Den foreliggende opfindelse angår en indretning til måling af elektrisk ledende væskers niveau med en elektrode, som er neddyppet i væsken og står i elektrisk ledende forbindelse med denne, og som danner en elektrisk modstand og er forbundet til en vekselstrømskilde.

5 Måleindretninger til indirekte aflæsning af en væskes niveau er fx nødvendige, når højt tryk eller målestedets utilgængelighed ikke tillader nogen umiddelbar måling af niveauet. Udover mekaniske, akustiske, optiske og pneumatiske målemetoder kendes også elektriske målemetoder, som bygger på ændringen af størrelsen af en modstand 10 eller af forholdet mellem to modstande. Således kendes fx fra tysk patentskrift nr. 842.554 en måleindretning, som består af tre i væsken neddyppede elektroder, hvoraf to er forbundet i serie, og hvor målestørrelsen dannes af forholdet mellem de serieforbundne elektroders overgangsmodstande. De med denne kendte måleindretning for-15 midiede målestørrelser viser dog, hvad angår det formidlede væskeniveau, en stærk ulinearitet. Ganske vist er der ved en særlig geometrisk udformning af elektrodeoverfladerne forsøgt opnået en linearise-ring, men en sådan udformning er ikke anvendelig i alle anvendelsestilfælde. Ligeledes kendes fra tysk patentskrift nr. 2.215.950 en 20 fremgangsmåde, hvis mål er at eliminere den ulinearitet, som optræder i målestørrelsen fra den fra tysk patentskrift nr. 842.554 kendte indretning. Ved denne kendte fremgangsmåde er der dog kun opnået, at der ud fra målingen af en absolut størrelse fås en af fødespændingen uafhængig forholdsmåling. Målestørrelsens ulinearitet elimineres ikke 25 fuldstændigt derved.

Fra tysk patentskrift nr. 1.798.084 kendes endvidere en indretning, hvormed måles det aflednings- eller spredningspotential, som indstiller sig i en langstrakt, i væsken neddyppet elektrode, som er placeret i væsken i ringe afstand fra og parallelt med en modstandselektrode, 30 som gennemløbes af en jævnstrøm. Ved denne indretning er det dog en ulempe, at den afledningsstrøm, som følger modstandselektroden, kun delvis gennemløber den potentialføler, der virker som neddyp-ningselektrode, hvorved målestørrelsen i denne kendte indretning udviser en ulinearitet med hensyn til væskens standhøjde. Desuden 35 kan der ved den kendte indretning ikke undgås en krumning af 2 147606 karakteristikkerne, idet denne krumning skyldes strømlinjefortræng-ning på væskens overflade og shunt-virkning ved beholderbunden og afhænger af forholdet mellem afstanden og længden af de to elektroder. Endvidere medfører anvendelsen af jævnstrøm i denne kendte 5 indretning, at potentialtærsklen mellem elektrodefladerne og væsken har ukendte værdier, som tidsmæssigt varierer.

En anden indretning til måling af en væskes niveau er kendt fra tysk fremlæggelsesskrift nr. 1.908.921. Den består af to koaksialt i hinanden placerede elektroder, af hvilke den ene er af et metal med lille 10 ohmsk modstand, og den anden af et metal med stor ohmsk modstand.

Den grundliggende ide ved denne indretning er at gøre den ene elektrodes modstand så stor, at væsken virker som en forskydelig kortslutning. I denne kendte indretning er det imidlertid en ulempe, at der i praksis ikke kan undgås unøjagtigheder, som skyldes be-15 fugtning af den ikke-neddyppede del af elektroden med stor modstand.

Et formål med den foreliggende opfindelse er at tilvejebringe en indretning af den ovenfor angivne art, hvilken indretning har den simplest mulige konstruktion, og ved hvilken indretning der opnås et 20 bredt lineært område i forholdet mellem målefølerens neddypningsdyb-de, væskens niveau og de opnåede målestørrelser, uden at der kræves en kompliceret elektrodeudformning.

Væskeniveaumåleren ifølge den foreliggende opfindelse er ejendommelig ved, at elektroden er forbundet til vekselstrømskilden via to i forhold 25 til væsken elektrisk isolerede tilledninger, at elektroden, tilledningerne og vekselstrømskilden danner en elektrisk strømkreds, der er forbundet til en indretning til måling af potentialdifferens, der tjener som mål for niveauet, mellem væskens potential i området uden for de afledningsstrømme, som omgiver elektroden, og potentialet på et sted i 30 strømkredsen uden for elektroden, og at elektrodens modstand og vekselstrømskildens frekvens er afstemt på en sådan måde, at elektrodens modstand og den reaktive impedans af et isolerende skillelag, fx et gas- eller oxidlag, på elektrodens overflade er negligibelt små i forhold til overgangsmodstanden mellem elektroden og væsken i områ-35 det for de afledningsstrømme, som omgiver elektroden.

147606 3

Opfindelsens grundliggende ide er, at potentialet i elektrodens ned-dyppede dels midte svarer til potentialet i væsken uden for de afledningsstrømme, som omgiver elektrodens neddyppede del, da afledningsstrømmene ved en tilstrækkelig slank elektrode forløber helt 5 symmetrisk til midten af elektrodens neddyppede del. Potentialdifferensen mellem væskepotentialet - og dermed potentialet den neddyppede elektrodedels midte - og potentialet i et punkt i strømkredsen uden for elektroden afhænger derfor lineært af elektrodens neddyp-ningsdybde. Det punkt i strømkredsen, i forhold til hvilket poten-10 tialdifferensen måles, kan fx ved brug af en generator som vekselstrømskilde være en af generatorens klemmer. I praksis er vekselstrømskilden ofte sekundærviklingen på en transformator med lille kapacitet. Til måling af væskens potential kan beholdervæggen eller også en hjælpeelektrode anvendes. Når væsken er i elektrisk ledende 15 forbindelse med jord, tjener jordpotentialet som referencepotential.

Ved indstilling eller afstemning af vekselstrømmens frekvens på en sådan måde, at den reaktive impedans af det adskillelseslag, som eventuelt findes på elektroden, bliver negligibelt lille, virker adskillelseslaget som dielektrisk kortslutning og påvirker dermed ikke måle-20 værdien i modstætning til de kendte fremgangsmåder, ved hvilke der anvendes jævnstrøm. Dette er sædvanligvis tilfældet ved en vekselstrømsfrekvens på over ca. 5000 Hz.

Indretningen til måling af potentialdifferensen kan være en til vekselstrømsfrekvensen tilpasset forstærkerdetektor, der har en vek-25 selspændingsforstærker, en måleensretter og et viserinstrument eller en synkronensretter, og som på kendt måde omdanner den V-formede karakteristiklinje til en konstant. Det har vist sig hensigtsmæssigt, at der til udtag af potentialdifferensen er anbragt en med vekselstrømskilden parallelkoblet modstand med indstilleligt midterudtag, og at der 30 som mål for væskens niveau bestemmes en spænding, som afviger fra potentialdifferensen med en af midterudtagets indstilling bestemt størrelse. Ved denne foranstaltning kan nulpunktet forskydes til måleapparatets skalabegyndelse.

4 147606 I overensstemmelse med en fordelagtig videreudformning af indretningen ifølge opfindelsen, har den en indretning til automatisk nul-punktsudligning af potentialdifferensen, idet midterudtaget indstilles ved hjælp af en indstillingsmotor, og idet indstillingsvejen er et mål 5 for potentialdifferensen og dermed for niveauet. Hertil anvendes hensigtsmæssigt en brokreds, der selv udligner nulpunktet.

Det har vist sig, at der kan anvendes forskellige udførelsesformer for elektroden i forbindelse med indretningen ifølge den foreliggende opfindelse. Således kan den tilledning, som sammen med elektroden er 10 neddyppet i væsken, være omgivet af et rør af elektrisk isolerende materiale, på langs af hvilket den elektrode, som består af en modstand, fører. En anden meget fordelagtig udførelsesform for elektroden kan fx bestå i, at elektroden består af et rør, som i forhold til modstanden i tilledningerne har en stor elektrisk modstand og i for-15 hold til væskens modstand har en lille elektrisk modstand, og i hvilket der er anbragt, i forhold til røret, elektrisk isoleret metaltråd eller metalstav som en af tilledningerne. Som rørmateriale kan fx anvendes grafit eller også for tilsvarende tyndvæggede rør et mediebestandigt metal.

20 En særlig fordelagtig udførelsesform for elektroden består i, at elektroden er omgivet af et beskyttelsesrør, der har gennemløbsåbninger til væsken, og at beskyttelses røret har en sådan afstand til elektroden, at beskyttelsesrøret er placeret uden for området for afledningsstrømmene. Beskytteis es røret kan derfor være af et elektrisk ledende 25 materiale og kan samtidig med, at det beskytter elektroden mod beskadigelse, tjene til at jorde væsken.

Hvis indretningen ifølge den foreliggende opfindelse skal benyttes til måling af niveauet af dårligt ledende væsker, er det endvidere fordelagtigt, at den har en udglatningskondensator, der er forbundet til 30 klemmen på vekselstrømskilden og til jord. Herved sikres også en god nulpunktsskarphed i forbindelse med dårligt ledende væsker, og der kan benyttes tilledninger med en længde, som alt efter væskens ledningsevne andrager op til 20 meter. I dette tilfælde udformes tilledningen hensigtsmæssigt med dobbeltskærm, idet den indre skærm 147606 5 lægges til en "Bootstrap"-spænding, som afgives af forstærkeren og svarer til forstærkerindgangsspændingen. Potential- og strømtilledningerne skal i dette tilfælde udføres adskilt, som det også er sædvanligt ved fjernmåling af modstande. Med særdeles godt ledende 5 væsker skal det derimod sikres, at elektrodens modstand forbliver lille i forhold til væskens modstand. På denne måde er det muligt at benytte indretningen ifølge opfindelsen i forbindelse med væsker, hvis elektrolytiske ledningsevne ligger i et område, der rækker fra ledningsevnen for koncentrerede syrer til ledningsevnen for teknisk rent 10 vand.

Som det har vist sig, opnås der en tilstrækkelig linearitet med en slank elektrodekonstruktion. Det er imidlertid muligt at gøre elektroden tyk, når der er anbragt en isoleringsskive på den ende af elektroden, som er neddyppet i væsken. Herved udlignes de ved væske-15 overfladen dannede geometriforvrængninger af en nøjagtig modsat forvrængning i den modsatte ende, og symmetrien i afledningsstrømmenes forløb genoprettes.

Indretningen ifølge den foreliggende opfindelse kan også benyttes i de tilfælde, hvor det drejer sig om at bestemme niveauet af en væske, 20 over hvilken der er placeret en anden væske, idet skillefladen mellem de to væsker samtidig er væskespejlet for den nederste væske. Det er også muligt samtidigt at benytte flere i relativ ringe afstand fra hinanden placerede elektroder, når det blot sikres, at elektroderne er placeret uden for områderne for de andre elektroders aflednings-25 strømme.

I stedet for den fortrinsvis lodrette placering af den oppefra i væsken neddyppede elektrode er det muligt at anbringe elektroden i væsken i en skrå stilling. Elektroden kan også være indført i væsken nedefra gennem beholderbunden.

30 I en anden fordelagtig udførelsesform for opfindelsen er elektroden båndformet. Den placeres i dette tilfælde hensigtsmæssigt, når den beholder, hvori væsken opbevares, er af et elektrisk ledende materiale, som et metalbånd i ringe afstand fra beholdervæggen. Er beholde- 6 14760-6 ren af et elektrisk ikke-ledende materiale, kan den båndformede elektrode også klæbes på beholderens indervæg eller indlægges i denne.

I en anden udførelsesform for opfindelsen er elektroden spiralformet.

Herved opnås for samme metaldiameter, som fx i en langstrakt tråd, 5 en større elektrisk modstand, så at der behøves en mindre målestrøm.

Den spiralformede elektrode kan bestå af en tråd, der er viklet på en stav af et keramisk materiale, eller af et på et keramisk bærelegeme påført spiralformet metallag.

En fordelagtig udførelsesform for indretningen ifølge den foreliggende 10 opfindelse består endvidere i, at adskillelseslaget, der er anbragt på elektroden, er et mateiale, som ikke; leder jævnstrøm. Denne udførelsesform bygger på den erkendelse, at også et forsætligt påført elektrisk isolerende lag virker som dielektrisk kortslutning for højfrekvensvekselstrøm (op til ca. 1 MHz) og derfor ikke påvirker måle-15 værdien, når dets reaktive impedans blot er tilstrækkelig lille sammenlignet med den reaktive impedans af de i væsken neddyppede elektrisk isolerede tilledningers isolering.

Det er dertil hensigtsmæssigt, at materialet i adskillelseslaget er et hærdet plastmateriale eller termoplastisk materiale, fx polyperfluor-20 ethylenpropylen, phenoiformaldehydharpiks, furanharpiks, melamin-formaldehydharpiks, anilinformaldehydharpiks, polystyren, polymono-chlortrifluorethylen, polytetrafluorethylen, polyvinylvinylidenchlorid, polyvinylchlorid, polyethylen, polyamid eller plastmaterialer af naturstoffer. Der kan selvfølgelig også anvendes andre elektrisk isolerende 25 plastmaterialer eller andre materialer, fx keramiske materialer (A^Og), glasurer (SiC^) og emalje til fremstilling af adskillelseslaget.

Det har vist sig hensigtsmæssigt, at skillelagets tykkelse er 0,01-1 mm. Generelt gælder det dog, at der skal tages hensyn til en tiltagende tykkelse af det elektrisk isolerende adskillelseslag og den 30 dermed forbundne forøgelse af den indre modstand i forstærkerstrømkredsen ved en forhøjelse af forstærkerdetektorens indgangsimpedans og/eller formindskelse af kapaciteten i tilledningerne. For at sikre linearitet ved fuldniveauvisningen, også ved brug af en elektrode med et forsætligt påført adskillelseslag, skal det påses, at dette har en 35 ensartet tykkelse.

147606 7

Opfindelsen vil i det følgende blive nærmere forklaret under henvisning til tegningen, på hvilken: fig. 1 viser en indretning ifølge opfindelsen til måling af en potentialdifferens, 5 fig. 2 den i fig. 1 viste indretning med brokobling til nulpunktsindstilling, fig. 3 den i fig. 1 viste indretning med automatisk nulpunktsudligning, fig. 4 et elektrisk ækvivalenskredsløb for den i fig. 1 viste strøm-10 kreds bestående af en elektrode, tilledninger og en vekselstrømskilde, fig. 5 en udførelsesform for en elektrode, fig. 6 den i fig. 5 viste udførelsesform med et beskyttelsesrør, fig. 7 en anden udførelsesform for en elektrode, fig. 8 en udførelsesform for en elektrode med isoleringsskive, 15 fig. 9 en anden udførelsesform for en elektrode med isoleringsskive, fig. 10 en udførelsesform for en elektrode udformet som et bånd og placeringen af samme og fig. 11 en udførelsesform for en spiralformet elektrode.

Som det fremgår af fig. 1, har en indretning til måling af en væskes 20 niveau en elektrode 1, som via tilledninger 2 er forbundet til en vekselstrømskilde 3 eller en vekselstrømsgenerator. Elektroden 1 er ned-dyppet i en væske 4, som findes i en beholder 5 af et elektrisk ledende materiale. I væsken 4 er tilledningerne ført ind i et legeme 6 af elektrisk isolerende materiale. Til måling af potentialdifferensen mellem 25 beholdervæggens potential, og dermed potentialet i punktet P i midten af den neddyppede del af elektroden, og potentialet af en af klemmerne på vekselstrømsgeneratoren 3 er der endvidere anbragt en måleindretning 7, som består af en vekselstrømsforstærker, en måleensretter og et viserinstrument. I fig. 2 er der yderligere til udtag af 30 potentialdifferensen anbragt en med vekselstrømsgeneratoren 3 paral-lelforbundet modstand med midterudtag, som tjener til nulpunktsindstilling. Den som mål for væskens niveau tjenende potentialdifferens angives i de i fig. 1 og 2 viste udførelsesformer ved hjælp af et viserinstrument.

8 147606 I den i fig. 3 viste udførelsesform for indretningen ifølge opfindelsen er måleindretningen 7, eventuelt uden viserinstrumentet, forbundet til en indstillingsmotor 8, ved hjælp af hvilken midterudtaget på bromodstanden R^ automatisk indstilles i nulpunktsstilling. Som følge heraf 5 udgør indstillingsvejen for modstanden R^'s midterudtag et mål for potentialdifferensen og dermed for væskens niveau.

I det i fig. 4 viste ækvivalenskredsløb, som svarer til den i fig. 1 viste udførelsesform, er elektroden 1's modstand angivet som separate delmodstande R^ - Rg. Blandt disse er R^ modstanden i den del af 10 elektroden, som er oven over væsken, medens den over punktet P værende, i væsken neddyppede del af elektroden 1 er delt i modstandene R2 og Rg, og den under punktet P liggende del af elektroden er delt i modstandene R^ og R^. Overgangsmodstandene for de enkelte dele af væsken til et punkt X i væsken uden for området for 15 afledningsstrømmene er angivet som modstande R^ - R . Modstandene 3 c i tilledningerne 2 er R^ og Rr- Hvis modstandene R^ - Rg er ubetydelige sammenlignet med overgangsmodstandene, gælder, R4 + R5 + Rr UZP " UZX = UG X - 20 Rh + R1 + R2 + R3 + R4 + R5 + Rr hvor

Uq er den spænding, som er påtrykt vekselstrømgeneratorens klemmer, υρχ er spændingen mellem punkterne P og X, 25 ϋ^χ er spændingen mellem punkterne Z og X og Uzp er spændingen mellem punkterne Z og P.

Ved symmetrisk fordeling af afledningsstrømmene, fx i forbindelse med en slank, cylindrisk elektrode, hvis diameter er ubetydelig sammenlignet med længden, dvs. Rg = Rg og R^ = Rj, bliver Rc strøm-30 løs, og dermed bliver ϋρχ = 0 eller UpZ = ϋζχ. Den med måleindretningen 6 målte spænding afhænger derfor lineært af neddypnings-dybden.

147606 g I den i fig. 5 viste udførelsesfonn for elektroden 1 har denne en modstandstråd, der tillige tjener som tilledning 2 og er ført centralt gennem et isoleringsrør 6. Den del af tråden, som er i ledende forbindelse med væsken, tjener som elektrode 1. I fig. 6 er den i fig. 5 5 viste elektrode vist indesluttet i et beskyttelses rør 9. Beskyttelses-røret, der er forsynet med åbninger 10, er ved hjælp af et forbindingslegeme 11 anbragt på i solerings røret 6.

I den i fig. 7 viste udførelsesform for elektroden 1 har denne et dårligt ledende rør af grafit eller et tyndvægget rør af specialtråd, fx 10 austenitisk krom-nikkel-stål, i hvilket der er placeret en metalstav, som er adskilt fra grafitrøret med en isolering 12, som tilledning 2.

I fig. 8 er vist en udførelsesform for elektroden 1, hvis udformning i vidt omfang svarer til den i fig. 7 viste elektrodes udformning, idet der dog på den i væsken nedragende ende yderligere er anbragt en 15 isoleringsskive 13. Denne udførelsesform for elektroden skal anvendes, når R < R på grund af elektrodens relativt store diameter i 6 3 forhold til dens længde. Da symmetrien i afledningsstrømmenes forløb retableres af isoleringsskiven 13, kan der ved anvendelse af sådanne isoleringsskiver også anvendes en relativt tyk elektrode.

20 I fig. 9 vises en udførelsesform for elektroden 1, hvis udformning ligeledes i vidt omfang svarer til den i fig. 7 viste elektrodes udformning, idet den dog er indesluttet i et tyndt adskillelseslag 14 af elektrisk isolerende materiale.

Den i fig. 10 viste elektrode 1 er båndformet og placeret parallelt med 25 beholderen 5's væg og i ringe afstand til denne. Er væggen af elektrisk ledende materiale, føres elektroden isoleret igennem denne.

Den i fig. 11 viste elektrode 1 er spiralformet. En sådan elektrode kan fx fremstilles ved, at der først anbringes et metallag på en stav af keramisk materiale, hvorefter en del af metallaget udfræses spiral-30 formigt.

Claims (12)

147606 ίο

1. Indretning til måling af elektrisk ledende væskers niveau med en elektrode, som er neddyppet i væsken og står i elektrisk ledende forbindelse med denne, og som danner en elektrisk modstand og er for- 5 bundet til en vekselstrømskilde, kendetegnet ved, at elektroden (1) er forbundet til vekselstrømskilden (3) via to i forhold til væsken elektrisk isolerede ledninger (2), at elektroden, dens tilledninger og vekselstrøms kilden danner en elektrisk strømkreds, der er forbundet til en indretning 10 (7) til måling af den potentialdifferens, der tjener som mål for ni veauet, mellem væskens potential i området uden for de afledningsstrømme, som omgiver elektroden (1), og potentialet på et sted i strømkredsen uden for elektroden, og at elektrodens (1) modstand og veksel strøms kildens frekvens er afstemt på en sådan måde, at elek-15 trodens modstand og den reaktive impedans af et isolerende adskillelseslag, fx et gas- eller oxidlag, på elektrodens overflade er negligi-belt små i forhold til overgangsmodstanden mellem elektroden og væsken i området for de afledningsstrømme, som omgiver elektroden.

2. Indretning ifølge krav 1, 20 kendetegnet ved, at der til udtag af potentialdifferensen er anbragt en med vekselstrømskilden parallelforbundet modstand med indstilleligt midterudtag, og at der som mål for væskens niveau bestemmes en spænding, som afviger fra potentialdifferensen med en af midterudtagets indstilling bestemt størrelse.

3. Indretning ifølge krav 2, kendetegnet ved, at den har en indretning til automatisk nulpunktsudligning af potentialdifferensen, idet midterudtaget indstilles ved hjælp af en indstillingsmotor (8), og idet indstillingsvejen er et mål for potentialdifferensen og dermed for niveauet.

4. Indretning ifølge et vilkårligt af de foregående krav, kendetegnet ved, at den tilledning (2), som sammen med elektroden (1) er neddyppet i væsken, er omgivet af et rør (6) af elektrisk isolerende materiale, på langs af hvilket den elektrode, som består af en modstandstråd, fører. 147606

5. Indretning ifølge et vilkårligt af kravene 1-3, kendetegnet ved, at elektroden (1) består af et rør, som i forhold til modstanden i tilledningerne (2) har en stor elektrisk modstand, og i forhold til væskens modstand har en lille elektrisk mod-5 stand, og i hvilket der er anbragt en i forhold til røret elektrisk isoleret metaltråd eller metalstav som en af tilledningerne (2).

6. Indretning ifølge et vilkårligt af de foregående krav, kendetegnet ved, at elektroden (1) er omgivet af et beskyttelsesrør (9), der har gennemløbsåbninger (10) til væsken, og at 10 beskyttelsesrøret har en sådan afstand til elektroden (1), at beskyttelsesrøret er placeret uden for området for afledningsstrømmene.

7. Indretning ifølge krav 6, kendetegnet ved, at beskyttelsesrøret (9) er af et elektrisk ledende materiale.

8. Indretning ifølge krav 7, kendetegnet ved, at beskyttelses røret (9) er forbundet til jord.

9. Indretning ifølge et vilkårligt af de foregående krav, kendetegnet ved, at den har en trimmekondensator, der er 20 forbundet til klemmer på vekselstrømskilden (3) og til jord.

10. Indretning ifølge et vilkårligt af de foregående krav, kendetegnet ved, at der er anbragt en isoleringsskive (13) på den ende af elektroden (1), som er neddyppet i væsken.

11. Indretning ifølge krav 1-4 eller 6-10, 25 kendetegnet ved, at elektroden (1) er båndformet.

12. Indretning ifølge et vilkårligt af kravene 1-4 eller 6-10, kendetegnet ved, at elektroden (1) er skrueformet.