-
Einrichtung zur Bestimmung der Niveauhöhe einer Flüssigkeit bzw. eines
fließenden Mediums Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Bestimmung der Niveauhöhe
einer Flüssigkeit bzw. eines fließenden Mediums, die aus einer Elektrode tind Mitteln
zum Aufhängen dieser Elektrode über dem Flüssigkeitsspiegel besteht, wobei die Elektrode
so ausgebildet und angeordnet ist, daß ihre Kapazität von ihrer jeweiligen Relativlage
zu dem Flüssigkeisspiegel abhängt. Ferner umfaßt die Einrichtung ein kapazitätsempfindliches,
von der Kapazität der Electrode gesteuertes Relais zur Erzeugung eines von dem Wert
dieser Kapazität abhängenden Ausgangssignals und einen drehrichtungsumkehrbaren
Motor zum Verstellen der Elektrode.
-
Eine bekannte, diesem Zweck dienende Einrichtung ist mit einem auf
Niveauhöheänderungen ansprechenden Element ausgerüstet, das in senkrechter Richtung
bewegr werden kann und durch einen in seiner Drehrichtung umkehrbaren Motor angetrieben
wird, wenn das Element, das auf die Niveauhöheänderungen anspricht, eine bestimmte
Relativlage zu dem Flüssigkeitsspiegel einnimmt. Jede Änderung der Höhe des Flüssigkeitsspiegels
beeinflußt das genannte Element in der Weise, daß ein Antriebsmotor gesteuert wird,
der das Element anhebt bzw. absenkt, bis die vorgegebene @e@uivlage zwischen dem
Flüssigkeitsspiegel und dem Element wieder hergestellt ist.
-
Der @@debsmotor der Meßeinrichtung steht, wie eben erwähnt w@rde
bei dieser bekannten Einrichtung wenn das die Höhe des Flüssigkeitsspiegels erfassend
Element den vorgegebenen Abstand zum Flüssigkeitsspiegel has. Wenn sich jedoch die
Höhe des Flüssigkeitspiegels infolge turbulenter Strömungen beschalb der Flüssigkeit
sehr rasch und sehr stark änder, so tre@en bei dieser bekannten Einrichtung zur
Messung der Höhe eines Flüssigkeitsspiegels entsprechend starke Pendelungen auf,
die zu einer Verfälschung des Meßergebniss führen. Um diese Pendelungen der Meßeinrichtung
zu verhindern, hat man bereits Einrichtungen vorgesehen, mittels deren das den Flüssigkeitsspiegel
erfassende Element selbsttätig über den Flüssigkeitsspiegel angehoben wird, wenn
die Flüssigkeit innerhalb des Behälters Strömungen unterliegt.
-
Durch die im folgenden beschriebene Erfindung werden derartige zusätzliche
Steuerungen des den Flüssigkeitsspiegel erfassenden Elementes vermieden und dennoch
unerwünschte Pendelungen der Meßeinrichtung mit Sicherheit verhindert.
-
Gegenstand der Erfindung ist eine Einrichtung zur Bestimmung der
Niveauhöhe einer Flüssigkeit bzw. eines fließenden Mediums bestehend aus einer Elektrode.
Mitteln zum Aufhängen dieser Elektrode über
dem Flüssigkeitsspiegel, wobei die Elektrode
so ausgebildet und angeordnet ist daß ihre Kapazität von ihrer jeweiligen Relativlage
zu dem Flüssigkeitsspiegel abhängt, einem kapazitätsempfindlichen, von der Kapazität
der Elektrode gesteuerten Relais zur Erzeugung eines von dem Wert der Kapazität
abhängigen Ausgangssignals und einem drehrichtungsumkehrbaren Motor zum Verstellen
der Elektrode. Erfindungsgemäß ist in dieser Einrichtung ein Motorsteuerrelais vorgesehen,
das eingangsseitig durch das erwähnte Ausgangssignal erregt wird und dessen Ausgangsseite
in der Weise mit dem Motor verbunden ist, daß dieser die Elektrode hebt oder senkt
oder abschaltet, je nachdem ob der Abstand der Elektrode vom Flüssigkeitsspiegel
größer oder kleiner als der Sollabstand oder gleich demselben ist.
-
Das erfindungsgemäße gleichstromerregte Motorsteuerrelais umfaßt
ein erstes Verstärkerpaar mit einem gemeinsamen Vorwiderstand, dessen Eingängen
eine dem sich aus den Kapazitätsänderungen ergebenden Stromes proportionale Spannung
und eine erste vorgegebene Vorspannung zugeführt wird, so daß die Änderungen der
Ausgangsspannung des ersten Verstärkerpaares bei Stromänderungen gleich aber entgegengesetzt
sind. Diese geänderten Ausgangsspannungen werden den Eingängen eines zweiten Verstärkerpaares
mit einem zweiten Vorwiderstand, der dem Eingangs- und Ausgangsstromkreis
dieses
zweiten Verstärkerkreises gemeinsam ist, zugeführt. Dieser Vorwiderstand des letztgenannten
Verstärkerpaares bildet einen Teil eines Spannungsteilers, der den beiden Eingängen
dieses Verstärkerpaares eine weitere vorgegebene Vorspannung liefert.
-
Jedes Verstärkerelement des letztgenannten Verstärkerpaares enthält
ferner in seinem Ausgang ein elektromagnetisches Relais.
-
Im Rahmen der Erfindung können die Vorspannungen der beiden Verstärkerpaare
veränderlich gehalten werden, um so die Empfindlichkeit des Regelkreises in weiten
Grenzen einstellen zu können.
-
Die Erfindung wird an Hand von Ausführungsbeispielen, die in den
Zeichnungen dargestellt sind, beschrieben. In der Zeichnung bedeutet F i g. 1 die
schematische Darstellung der gesamten Einrichtung, Fig.2 den Querschnitt des an
den Flüssigkeitsspiegel herangeführten Fühlerkopfes, F i g. 3 den Querschnitt einer
Variante eines Fühlerkopfes und F i g. 4 das elektrische Schaltbild der Einrichtung.
-
Nach F i g. 1 soll der Flüssigkeitsspiegel 1 einer in einem Tank
2 gespeicherten Petroleummenge ständig aufgeweicht werden. Der Tank 2 hat ein schwimmendes
Dach3, das gleichzeitig mit dem Flüssigkeitsspiegel 1 ansteigt oder abfällt.
-
In den Fig. 1 und 2 ist ein schematisch dargestelltes kapazitätsempfindliches
Relais 4 in einem hermetisch abgeschlossenen zylindrischen, metallischen Gehäuse
5 angeordnet, das über dem Flüssigkeitsspiegel 1 mittels eines aus einem biegsamen
Metallstreifen bestehenden Leiters 6 aufgehängt ist. Das Gehäuse 5 ist mit senkrechter
Achse angeordnet, und eine axiale, aus Metall bestehende Stange 7 ist mit der Gehäuseunterseite
8 verbunden. Am unteren Ende der Stange 7 ist eine kreisrunde Elektrode 9 befestigt
und bildet zusammen mit dem Relais 4 und dem Gehäuse 5 die Hauptbestandteile eines
Fühlerkopfes, der auf die Nähe des Flüssigkeitsspiegels anspricht. Das Gehäuse 5
ist mit einem zylindrischen Mantel 10 versehen, der sich von der Gehäuseunterseite
8 bis im wesentlichen zu dem Niveau des untersten Teiles der Elektrode 9 erstreckt
und sowohl die Elektrode 9, als auch die Stange 7 umgibt. Der Durchmesser und die
Form der Elektrode 9 sind derart gewählt, daß die Kapazität zwischen der Elektrode
9 und dem Flüssigkeitsspiegel 1, wenn derselbe sich der Elektrode 9 nähert, groß
im Vergleich zu der Kapazität zwischen der Elektrode 9 und der Gehäuseunterseite
8 und dem Mantel 10 des Gehäuses 5 ist. Die Stange 7 ragt in das Gehäuse 5 durch
eine aus Isoliermaterial bestehende Buchse 11 und ist an ihrem oberen Ende mit einem
geeigneten Punkt des Stromkreises des kapazitätsempfindlichen Relais 4 verbunden,
wie später unter Bezugnahme auf F i g. 4 beschrieben werden wird.
-
Um den Einfluß eines Petroleumfilms zu verringern, der sich auf der
Oberfläche der Buchse 11 bilden kann, ist das untere Ende der Buchse 11 nach unten
zur Bildung einer Hülse 12 verlängert, die den außerhalb des Gehäuses 5 befindlichen
Teil der Stange 7 vollständig bedeckt. Weiterhin bilden die Gehäuseunterseite8 und
der MantellO zusammen eine glockenförmige Anordnung, die in dem Falle als Taucherglocke
dient, wenn das Gehäuse 5 unversehens in das Petroleum eingetaucht wird, wobei also
die Stange 7 und die Elektrode 9 davor bewahrt blei-
ben, in das Petroleum eingetaucht
zu werden. Weiter besteht die Gefahr, daß die Eichung durch Petroleumtröpfchen beeinträchtigt
werden könnte, die sich auf der Elektrode 9 bilden oder an der unteren Oberfläche
der Elektrode 9 nach einem zufälligen Eintauchen des Gehäuses 5 zurückbleiben.
-
Um diese Gefahr zu verringern, ist die Elektrode 9 vorzugsweise mit
oberen und unteren Oberflächen konischer und umgekehrt konischer Form versehen,
so daß etwaige Tröpfchen von der Elektrode 9 schnell abfallen können.
-
Um bei Unregelmäßigkeiten in der Ausbildung des Flüssigkeitsspiegel
1, wie sie bei schnellem Füllen oder Entleeren des Behälters entstehen können, Meßfehler
zu vermeiden, und um gleichfalls Fehler auszumerzen, die infolge von Schwingungen
des Leiters 6 aus der Senkrechten entstehen, ist der Fühlerkopf in einer senkrechten
Metallröhre 13 aufgehängt, deren unteres Ende am Boden des Behälters2 befestigt
und mit einer Anzahl Öffnungen 14 versehen ist, durch die Petroleum fließen und
dadurch in der Röhre 13 bis zum mittleren Niveau der Oberfläche 1 steigen kann.
Der Mantel 10 dient außerdem dazu, Schwankungen der Kapazität der als Elektrode
dienenden Gehäuseseite 8 infolge von waagerechter Verschiebung der Elektrode 9 gegenüber
der Wand der Röhrel3 zu verhindern. Die Röhre 13 dient auch dazu, ein gegebenes
Niveau vorzusehen, dem gegenüber das Niveau des Flüssigkeitsspiegels 1 bestimmt
wird. Das wird dadurch erreicht, daß sich der Leiter 6 durch die Bohrung der Röhrel3
bis zu der Scheibe 15 erstreckt, die in der Nähe des Oberteiles der Röhre 13 angeordnet
ist, wobei der Leiter 6 dann über eine zweite Scheibe 16 zu einer von einem umkehrbaren
Elektromotorl8 angetriebenen Trommel 17 läuft. An der Trommel 17 ist eine Vorrichtung
19 angekuppelt, die die Bewegung des Leiters 6 mißt und die Stellung der Elektrode
9 gegenüber der Scheibe 15 anzeigt.
-
Der Leiter 6 ist an einem Ende mit dem Gehäuse 5 und an dem anderen
Ende mit der Trommel 17 elektrisch verbunden, die über einen Leiter 21 geerdet ist.
Ein später im einzelnen zu beschreibendes schematisch durch ein Rechteck angedeutetes
Motorsteuerrelais 22, ist über einen Leiter 23 geerdet. Das kapazitätsempfindliche
Relais 4 ist mit dem Gehäuse 5 mittels eines Leiters 24 verbunden. Das Motorsteuerrelais
22 ist somit mit dem kapazitätsempfindlichen Relais 4 über den Leiter 23, die Erde,
den Leiter 21, die Trommel 17, den Leiter 6, das Gehäuse 5 und den Leiter 24 verbunden.
Das Motorsteuerrelais 22 hat eine zweite Verbindung mit dem kapazitätsempfindlichen
Relais 4 über einen biegsamen Leiter 25, der durch eine isolierende Buchse 26 aus
dem Gehäuse 5 herausgeführt und anschließend in der Röhre 13 nach oben und über
neben den Scheiben 15 und 16 angeordnete Scheiben geführt wird, wobei, wie bei 27
angedeutet, die Anordnung so ausgebildet ist, daß sie eine Ent- oder Belastung aufnehmen
kann, wenn das Gehäuse 5 gehoben oder gesenkt wird. Das Motorsteuerrelais 22 ist
mit Klemmen 28 und 29 zur Verbindung mit einer 18-V-Gleichstromquelle und mit Klemmen
30 und 31 zur Verbindung mit einer zur Erregung des Motors 18 geeigneten, nicht
dargestellten Kraftquelle versehen.
-
Das Motorsteuerrelais 22 ist auch mit dem Motor 18 verbunden, wie
durch die gestrichelte Linie 20 angedeutet ist.
-
In der abgewandeiten Konstruktion des Fühlerkopfes nach Fig. 3 bildet
eine Elektrode 109 den mittleren Teil der Gehiii:seuaterseite des metallischen,
hermetisch abgedichteten zylindrischen Gehäuses 5 und ist von einem Ring 32 aus
Isoliermaterial, einem Schutz ag33 und einem weiteren Ring 34 aus Isoliermaterial
umgeben. Der Schutzring 33 ist mit einem geerdeten Teil des kapazitätsempfindlichen
Relais 4 mittels eines Leiters 35 verbunden und dient dazu, Fehler de infolge eines
auf der unteren Oberfläche zwischen soll n Gehäuse 5 und der Elektrode 9 sich bildenden
Petroleumfilms entstehen könnten, zu verhindern. Damit an der unteren Oberfläche
haftende Petroleumtropfen schnell abtropfen können, hat diese Oberfläche im wesentlichen
die Form eines umgekehrten Segels. Wie in der in Fig. 2 gezeigten Konstruktion ist
das kapazitätsempfindliche Relais 4 mit der Elektrode 109 durch die Stange 7, mit
dem Gehäuse 5 durch die Verbindung 24 und mit dem Motorsteuerrelais 22 durch den
Leiter 25 verbunden.
-
Nach F i g. 4 umfaßt das schematisch durch ein Rechteck dargestellte
kapazitätsempfindliche Relais 4 cinen schematisch durch ein Rechteck dargestellten
Transistoroszillator 36, der von dem negativen Leiter 38 und dem positiven Leiter
39 gespeist wird. Der Schwingungskreis des Oszillators 36 umfaßt die Induktivität
37 und die Kapazität der Elektrode 9, wobei die Elektrode 9 mit dem Oszillator 36
durch die leitende Stange 7 verbunden ist und durch ihre Kapazitrat die Schwingungsamplitude
des Oszillators 36 steuert, Die Induktivität 37 ist induktiv mit einer Spule 40
gekoppelt, die zwischen die Basiselektrode und die Emitterelektrode eines Transistors
41 geschaltet ist, dessen Kollektorelektrode mit dem negativen Leiter 38 über einen
Widerstand 42 verbunden ist. während seine Kollektor- und Emitterelektroden über
einen Kondensator 43 verbunden sind. Der Transistor 41 verbraucht einen Strom, der
im wesentlichen propononal der Schwingungsamplitude ist, und der gesamte von dem
Oszillator 36 und dem Trans?stor 41 verbrauchte Strom ist ein Maß für die Kapazität
der Elektrode 9.
-
Das durch ein Rechteck angedeutete Motorsteuerrelais 22 umfaßt ein
erstes Verstärkerpaar, bestehend aus den Transistoren 44 und 45, deren Kollektorelektroden
mit dem negativen Leiter 46 über Widerstände 47 bzw. 48 und deren Emitterelektroden
mit dem positiven Leiter 49 über einen gemeinsamen Widerstand 50 verbunden sind.
Die Basiselektrode des Transistors 44 wird mit einer Bezugsspannung mittels des
aus den Widerständen 51 und 52 gebildeten Spannungsteilers versehen.
-
Das Motorsteuerrelais 22 umfaßt auch ein zweites Transistorenpaar
53 und 54 dessen Kollektorelektroden mit dem negativen Leiter 46 über die Wicklungen
elektromagnetischer Relais 55 bzw. 56 verbunden sind und deren Emitterelektroden
mit dem positiven Leiter 49 iiber einen gemeinsamen Widerstand 57 und mit dem negativen
Leiter 46 über einen gemeinsamen Widerstand 58 verbunden sind. Der negative Leiter
46 ist mit der Klemme 28 und der positive Leiter 49 mit der Klemme 29 verbunden.
Der negative Leiter 46 ist auch über den Leiter 23 geerdet, und der positive Leiter
49 ist mit dem positiven Leiter 39 des kapazitätsempfindlichen Relais 4 über zwei
in Reihe geschaltete Widerstände 59 und 60 verbunden, deren gemeinsamer Punkt mit
der Basiselektrode des Transistors 45 verbunden ist.
-
Der negative Leiter 3g des lrapaziJätsempfindlichen Relais 4 ist
mit dem Leiter 24 verbunde und steht deshalb mit dem negativen Leiter t<i des
Motorsteuerrelais 22 über die vorhin erwähnte Verbindung durch c7en Leiter 23, die
Erde, den Leiter 21, die Trommel 17, den Leiter 6, das Gehäuse 5 und den Leiter
24 in Verbindung.
-
Die elektromagnetischen Relais 55 und 56 sind mit einer Vielzahl
schematisch durch ein Rechteck angedeuteter Kontakte 61 versehen, die die Verbindung
zwisenen den Klemmen 30 und 31 und dem umkehrbaren Motor 13 herstellen. Je nach
der Erregung der viel Jungen der Relais 55 und 56 nehmen die Kcntakte 61 eine von
drei Betriebsbedingungen an, wobei die Verbindung zwischen den Kontakten 61 und
den Wicklungen der Relais 55 und 56 durch die gestrichelte Linie 62 angedeutet ist.
Der Motor 18 kann so geschaltet werden, daß er in Abhängigkeit von dem Betriebszustand
der Kontakte 61 entweder rückwärts läuft oder angehalten wird, wobei die Verbindurch
zwischen dem Motor 18 und den Kontakten 61 durch die gestrichelte Linie 63 angedeutet
ist.
-
Im Betrieb liegt eine niedrige Gleichspannung an den Klemmen 28 und
29, und eine zum Antrieb des Motors benötigte Stromquelle an den Klemmen 30 und
31. Das kapazitätsempfindliche Relais 4 wird durch einen Strom erregt, der von der
Kapazität der Elektrode 9 abhängt. Eine diesem Strom proportionale Spannung wird
dem Transistor 45 zwischen der Basis- und der Emitterelektrode zugeleitet. Falls
diese Spannung sich von der der Basis des Transistors 44 zugeführten Bezugsspannung
unterscheidet, erscheinen gleiche Spannungsänderungen entgegengesetzter Polarität
an den Kollektorelektroden der Transistoren 44 und 45, wobei die Größen dieser Spannungsänderungen
von der Größe der Differenz zwischen der zugeführten Spannung und der Bezugsspannung
abhängen. Diese Spannungsänderungen entgegengesetzter Polarität werden den Basiselektroden
der Transistoren 54 bzw. 53 zugeleitet. Die Emitterelektroden der letztgenannten
Transistoren werden derart an eine vorbestimmte Vorspannung gelegt, daß die beiden
Transistoren 53 und 54 abgeschaltet sind, wenn die ihren Basiselektroden zugeführten
Spannungen unter einem vorbestimmten Wert liegen.
-
Die Kontakte 61 nehmen einen ersten Betriebszustand an, um den Motor
18 zum Lauf in Vorwärtsrichtung und Heben der Elektrode 9 zu veranlassen, wenn sich
der Flüssigkeitsspiegel 1 der Elektrode 9 um mehr als eine erste vorbestimmte Verschiebung
nähert, und eines der Relais 55 und 56 wird erregt.
-
Die Kontakte nehmen einen zweiten Betriebszustand an, um den Motor
18 in umgekehrter Richtung laufen und die Elektrode senken zu lassen, wenn sich
der Flüssigkeitsspiegel 1 über die zweite größere vorbestimmte Verschiebung von
der Elektrode 9 weg bewert. Das andere Relais 55 oder 56 wird erregt; und die Kontakte
nehmen einen dritten Betriebszustand an, in dem der Motor 18 gebremst und von der
Stromquelle getrennt wird, wenn die Verschiebung zwischen der Elektrode 9 und dem
Flüssigkeitsspiegel 1 zwischen den beiden vorbestimmten Verschiebungen liegt und
keines der Relais 55 und 56 erregt ist.
-
Daß die die Höhenlage bestimmende Vorrichtung die Kapazität zwischen
der Elektrode 9 und dem Flüssigkeitsspiegel 1 im wesentlichen konstanthalten soll,
ist so zu verstehen, daß die Kapazität innerhalb
der Grenzwerte
gehalten werden soll, die den obenerwähnten ersten und zweiten Verschiebungen zwischen
der Elektrode 9 und dem Flüssigkeitsspiegel 1 entsprechen.
-
Dadurch, daß die Anordnung gegenüber Änderungen der Verschiebung
zwischen der Elektrode 9 und dem Flüssigkeitsspiegel 1 unempfindlich macht, vorausgesetzt,
daß die Verschiebung nicht außerhalb der angegebenen Grenzen fällt, werden Pendelbewegungen
vermieden.
-
Es ist jedoch wünschenswert, daß der Unterschied zwischen diesen
Grenzverschiebungen durch Veränderung der Vorspannung, die den Emitterelektroden
der Transistoren 53 und 54 zugeführt wird, steuerbar ist, indem beispielsweise der
Widerstand 57 verändert wird.
-
Es ist auch wünschenswert, daß die Grenzverschiebungen gleichzeitig
in der gleichen Richtung und im gleichen Ausmaß veränderlich sind. Das kann durch
Veränderung der Bezugsspannung an der Basiselektrode des Transistors 44 erreicht
werden.
-
Die oben beschriebenen Transistorenkreise können selbstverständlich
durch entsprechende Elektronenröhrenkreise ersetzt werden.