Gerät zum kontinuierlichen Messen des Flüssigkeitsstands von paramagnetischen elektrisch leitfähigen Flüssigkeiten
Die Erfindung bezieht sich auf ein Gerät zum kontinuierlichen Messen des Flüssigkeitsstands von paramagnetischen, elektrisch leitfähigen Flüssigkeiten, insbesondere von flüssigen Alkalimetallen, mit Hilfe einer aus einer Wechselspannungsquelle gespeisten Primärspule und einer mit einem Voltmeter verbundenen Sekundärspule, von denen mindestens eine senkrecht in ein Gefäss mit der zu messenden Flüssigkeit hineinragt.
Zur Messung des Flüssigkeitsstandes sind mehrere Verfahren bekannt, die auf verschiedenen physikalischen Prinzipien beruhen. Das übliche Prinzip mit einem Schwimmer eignet sich für die vorliegende Aufgabe nicht wegen der Gefahr von Ablagerungen von Metalloxyden auf dem Schwimmer, die die Messung verfälschen. Ausserdem muss man wegen der mechanischen Übertragung der Schwimmerbewegung aus dem Messgefäss auf einen luftdichten Verschluss des Gefässes verzichten, durch den Oxydationsprozesse verhindert werden könnten.
Denselben Nachteil weist auch das Kontaktmessprinzip auf, bei dem eine bewegliche Elektrode von oben in die Flüssigkeit eingetaucht wird und im Eintauchmoment einen Stromkreis schliesst. Dieses Verfahren ist darüberhinaus nur zur diskontinuierlichen Messung geeignet.
Weiterhin werden Gamma-Strahlenquellen verwendet, die aussen an dem Gefäss entlanggeführt werden und mit deren Hilfe die Absorbtionsraten des Gefässes gemessen werden. Abgesehen von der teueren Apparatur für die Strahlenmessung müssen hier auch S, trahlenschutzvorschriften beachtet werden, die einem universellen Einsatz dieses Verfahrens im Wege stehen.
Neuerdings wurde die Verwendung von Ultraschall vorgeschlagen und erprobt. Doch auch hier ist zur Auswertung der Messgrössen eine sehr komplizierte Apparatur nötig. Schliesslich sind noch drei elektrische Verfahren zu nennen, die Veränderungen der elektrischen Eigenschaften des Gefässes bei Niveauschwankungen auswerten. Der Widerstand der Flüssigkeitssäule ändert sich bei leitenden Flüssigkeiten leider nur wenig und hängt zudem von vielen Randbedingungen (wie Feuchtigkeit, Betriebsspannung etc.) ab, so dass eine kontinuierliche Wider- standsmessung für die vorliegende Aufgabe nicht in Frage kommt. Auch die Kapazitätsmessung ist mit wesentlichen Nachteilen verbunden, denn es ist eine umfangreiche und schwer zu eichende Apparatur nötig.
Die Erfindung geht von der Messung der Induktivität aus. An sich wurde dieses Prinzip schon früher zur Niveaumessung vorgeschlagen, doch eignet es sich nicht ohne weiteres für eine kontinuierliche Messung. Deshalb beschränkt sich das vorgeschlagene Gerät zweckmässig auch darauf, an kleinen Einzeltransformatoren in verschiedenen Tiefen des Gefässes die Anderung der Transformatoreigenschaften unter dem Einfluss der Flüssigkeit zu registrieren.
Die Erfindung soll jedoch eine kontinuierliche Messung über einen Grossteil der Gefässhöhe ermöglichen. Weiter sollen keine mechanisch bewegten Teile in das Gefäss ragen, so dass man das Gefäss luftdicht abschliessen kann und so eine Verunreinigung der Messflüssigkeit vermeidet. Schliesslich sollen alle Teile, die mit der Messflüssigkeit in Berührung kommen, aus rostfreiem Stahl gefertigt sein, um Korrosionsprobleme auszuschalten.
Das erfindungsgemässe Messgerät besitzt zwei Spulen von denen mindestens eine in die Flüssigkeit hineinragt. Beide Spulen sind mindestens so lang wie der Messbereich. Die Spulen sind konzentrisch ange ordnet, derart, dass die Flüssigkeit zwischen die beiden Spulen gelangt. Die innere Spule ist auf einem stabförmigen Weicheisenkern gewickelt, während die äussere auf einen Spezialkern gewickelt ist, der aus einem Zylinderrohr mit einer Vielzahl von Weieh- eisen-Einzelkernen in Form von Ringsegmken, ten besteht, die in axialem Abstand voneinander praktisch entlang von Umfangslinien des Zylinders angeordnet sind.
Das Zylinderrohr besteht vorzugsweise aus dünnem paramagnetischen Stahlblech, auf dem die Einzelkerne z. B. durch Schweissen befestigt sind. Aus demselben Material besteht auch eine Umhüllung für die Spulen, die ein Eindringen der Flüssigkeit in die Wicklungen selbst und damit eine Verunreinigung der Flüssigkeit verhindert.
Vorzugsweise dient die äussere der beiden Spulen als Primärspule und wird aus einem Wechselspannungsgenerator gespeist.
Besonders günstige Ergebnisse erhält man, wenn die Länge der Einzelkerne annähernd halb so lang wie der Umfang des Zylinderrohrs gewählt ist und wenn auf einer Umfangslinie stets nur ein Kern angeordnet ist, wobei Kerne auf benachbarten Umfangslinien zueinander in Form einer Staffel angeordnet sind, derart, dass sich die Stossfugen zwischen den Kernen auf zwei Mantellinien des Zylinderrohrs befinden, die zueinander bezüglich der Zylinderachse symmetrisch liegen. Der Abstand zweier benachbarter mit Einzelkernen besetzter Umfangslinien ist dabei vorzugsweise kleiner gewählt als die Breite eines Kerns.
Mit einer solchen Anordnung lassen sich über einen weiten Messbereich konstante Spannungsänderungen in der Grössenordnung von 0,2 V/cm erreichen, was bedeutet, dass die Ausgangsspannung unmittelbar ohne Verstärkung zur Anzeige verwendbar ist.
Im folgenden wird die Erfindung anhand zweier Ausführungsbeispiele erläutert, die in den Fig. 1 und 2 gezeigt sind. Fig. 3 gibt Eichkurven für die Anordnung gemäss Fig. 1 bei verschiedenen Temperaturen wieder.
Fig. la zeigt im Schnitt ein zylinderförmiges Gefäss mit Seitenwänden 1 aus dünnem, rostfreiem Stahlblech. Eine leitfähige Flüssigkeit 2, z. B. ein Alkalimetail, befindet sich in dem Gefäss und soll bezüglich ihres Niveaus überwacht werden. Konzentrisch sitzt in dem Gefäss eine ebenfalls zylinderförmige Hülse 3 aus dünnem, rostfreiem Stahlblech, in deren Innerem sich die Sekundärspule 4 befindet.
Diese Spule ist auf einen stabförmigen Weicheisenkern 5 gewickelt und erstreckt sich über den ganzen Bereich der Niveaumessung. Die Anschlüsse der Primärspule 4 sind mit einem Voltmeter 6 verbunden, an dem das Niveau ablesbar ist.
Fig. lb zeigt in einem waagerechten Teil-Schnitt durch das Gefäss nochmals die Lage des stabförmigen Kernes 5, die ihn umschliessende Hülse 3 und die Gefässwandung 1. Diese Gefässwandung dient zugleich als Träger für die Einzelkerne der äusseren Spule. In dieser Ausführungsform bilden die Einzelkerne Ringsegmente mit rechteckigem Querschnitt; ihre Länge entspricht knapp der Hälfte des Gefässumfangs und sie sind so gekrümmt, dass sie sich der Aussenform des Gefässes anschmiegen und mit dieser durch Schweissen, Kleben o. ä. verbunden werden können. Die Kerne liegen entlang von Umfangslinien des zylinderförmigen Gefässes derart, dass die Stossfugen (7 in Fig. lb) zwischen den Kernen zwei Mantellinien beschreiben, die zueinander bezüglich der Gefässachse symmetrisch liegen.
Auf der linken Seite der Fig. la sind acht solcher Einzelkerne 8 im Schnitt gezeigt. Sie liegen den acht Kernen 9 auf der rechten Seite nicht unmittelbar gegenüber, d. h. auf den selben Umfangslinien, sondern sie e sind gegen diese derart versetzt, dass stets nur ein Kern auf einer Umfangslinie liegt. Die dabei entstehenden Lücken am rechten unteren und am linken oberen Ende werden durch entsprechend schmalere Ringsegmente 10 aufgefüllt.
Auf die so ausgebildete Kernformation wird die Primärspule 11 gewickelt, die beispielsweise mit 24 V aus einem 50-Hz-Generator gespeist wird.
Die Funktion der beschriebenen Anordnung ist folgende:
Wenn das Gefäss leer ist, tritt die Luftkopplung zwischen den beiden Spulen trotz der abschirmenden Wirkung der Gefäss- und Hülsenwände verhältnismässig stark in Erscheinung. Es wird eine grosse Ausgangsspannung, z. B. 8 V, gemessen. Steigt das flüssige Metall, dann wird ein Teil der magnetischen Energie in Verlustströme umgesetzt und vernichtet.
Die davon betroffenen Windungen der Primärspule tragen nicht mehr zur Kopplung bei; die Ausgangsspannung sinkt ab. Durch die Aufteilung wird ein kontinuierliches Ansteigen der Spannung mit dem Niveau erreicht. Die Linearität wird noch erhöht durch die gegenseitige Versetzung von Kernen benachbarter Umfangslinien. Sie liegt nun im Bereich der Messgenauigkeit und ist damit für alle Fälle hinreichend.
Fig. 3 zeigt die Eichkurven für ein erprobtes Modell gemäss der Erfindung und gemäss Fig. 1. Es wurde die Abhängigkeit der Ausgangsspannung von der tatsächlichen Höhe bei zwei verschiedenen Temperaturen gemessen. Dabei zeigt sich, dass die Linearität im Rahmen der Messgenauigkeit liegt und dass der Temperaturgang in weiten Grenzen vernachlässigbar ist. Selbstverständlich kann auch diese Abhängigkeit noch durch Einfügen eines temperaturabhängigen Widerstandes 12 in den Kreis der Pri mär- oder Sekundärspule beseitigt werden.
Auf diese Weise lässt sich der Anwendungsbereich des erfindungsgemässen Gerätes bis zum Curie Punkt des verwendeten Kernmaterials erstrecken, wo die Kerne ihre ferromagnetischen Eigenschaften verlieren. Es empfiehlt sich aber bei so hohen Temperaturen, anstatt der üblichen organischen Isolierung der Spulendrähte keramische Isolationsperlen zu verwenden, die auf die blanken Drähte aufgefädelt werden und die notwendige Isolierung gewährleisten.
Diese Art der Isolierung eignet sich besonders auch bei radioaktiven Messflüssigkeiten.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des Messgerätes gemäss der Erfindung ist in Fig. 2 gezeigt. Es unterscheidet sich von dem in Fig. 1 dargestellten Gerät nur darin, dass die äussere Spule nicht auf dem äusseren Mantel des Gefässes montiert ist, sondern ebenfalls in das Gefäss eingetaucht ist, so dass die zu messende Flüssigkeit auch ausserhalb dieser Spule aufsteigen kann. Die relative Ausgangsspannung erhöht sich dadurch noch wesentlich, da nun auch die Feldenergie ausserhalb dieser Spule in Verlustströme überführt wird. Da sonst keine Unterschiede zu der ausführlich erläuterten Fig. 1 bestehen, genügt es, durch gleiche Bezugszeichen die Parallelen zu obiger Beschreibung herzustellen.
Device for the continuous measurement of the liquid level of paramagnetic electrically conductive liquids
The invention relates to a device for continuously measuring the liquid level of paramagnetic, electrically conductive liquids, in particular liquid alkali metals, with the aid of a primary coil fed from an alternating voltage source and a secondary coil connected to a voltmeter, at least one of which is perpendicular to a vessel with the liquid to be measured protrudes.
Several methods are known for measuring the liquid level, which are based on different physical principles. The usual principle with a float is not suitable for the task at hand because of the risk of deposits of metal oxides on the float, which falsify the measurement. In addition, because of the mechanical transmission of the float movement from the measuring vessel, an airtight closure of the vessel has to be avoided, by means of which oxidation processes could be prevented.
The contact measurement principle has the same disadvantage, in which a movable electrode is immersed into the liquid from above and closes a circuit at the moment of immersion. Moreover, this method is only suitable for discontinuous measurement.
Furthermore, gamma radiation sources are used, which are guided along the outside of the vessel and with the help of which the absorption rates of the vessel are measured. Apart from the expensive equipment for measuring radiation, radiation protection regulations must also be observed here, which stand in the way of the universal use of this method.
Recently the use of ultrasound has been proposed and tested. But here too, very complicated apparatus is required to evaluate the measured variables. Finally, there are three electrical methods that evaluate changes in the electrical properties of the vessel in the event of level fluctuations. Unfortunately, the resistance of the liquid column changes only slightly with conductive liquids and also depends on many boundary conditions (such as humidity, operating voltage, etc.), so that continuous resistance measurement is out of the question for the task at hand. Capacitance measurement is also associated with significant disadvantages, because it requires extensive and difficult-to-calibrate equipment.
The invention is based on the measurement of the inductance. As such, this principle has already been suggested for level measurement, but it is not readily suitable for continuous measurement. Therefore, the proposed device is also limited to registering the change in the transformer properties under the influence of the liquid on small individual transformers at different depths of the vessel.
However, the invention is intended to enable continuous measurement over a large part of the vessel height. Furthermore, no mechanically moving parts should protrude into the vessel, so that the vessel can be hermetically sealed and thus the measurement liquid is avoided. After all, all parts that come into contact with the measuring liquid should be made of stainless steel in order to eliminate corrosion problems.
The measuring device according to the invention has two coils, at least one of which protrudes into the liquid. Both coils are at least as long as the measuring range. The coils are arranged concentrically so that the liquid passes between the two coils. The inner coil is wound on a rod-shaped soft iron core, while the outer one is wound on a special core, which consists of a cylinder tube with a large number of individual soft iron cores in the form of ring segments, which are axially spaced along the circumferential lines of the Cylinder are arranged.
The cylinder tube is preferably made of thin paramagnetic sheet steel on which the individual cores z. B. are attached by welding. A casing for the coils is made of the same material and prevents the liquid from penetrating into the windings themselves and thus preventing the liquid from being contaminated.
The outer of the two coils is preferably used as the primary coil and is fed from an alternating voltage generator.
Particularly favorable results are obtained when the length of the individual cores is selected to be approximately half as long as the circumference of the cylinder tube and when only one core is always arranged on a circumferential line, with cores being arranged on adjacent circumferential lines in the form of a staggered arrangement such that the butt joints between the cores are located on two surface lines of the cylinder tube that are symmetrical to one another with respect to the cylinder axis. The distance between two adjacent circumferential lines occupied by individual cores is preferably selected to be smaller than the width of a core.
With such an arrangement, constant voltage changes of the order of magnitude of 0.2 V / cm can be achieved over a wide measuring range, which means that the output voltage can be used directly for display without amplification.
In the following, the invention will be explained with reference to two exemplary embodiments which are shown in FIGS. 1 and 2. FIG. 3 shows calibration curves for the arrangement according to FIG. 1 at different temperatures.
Fig. La shows in section a cylindrical vessel with side walls 1 made of thin, stainless steel sheet. A conductive liquid 2, e.g. B. an alkali detail is located in the vessel and should be monitored with regard to its level. A likewise cylindrical sleeve 3 made of thin, stainless steel sheet, inside which the secondary coil 4 is located, sits concentrically in the vessel.
This coil is wound on a rod-shaped soft iron core 5 and extends over the entire range of the level measurement. The connections of the primary coil 4 are connected to a voltmeter 6 from which the level can be read.
Fig. Lb shows in a horizontal partial section through the vessel again the position of the rod-shaped core 5, the sleeve 3 surrounding it and the vessel wall 1. This vessel wall also serves as a support for the individual cores of the outer coil. In this embodiment, the individual cores form ring segments with a rectangular cross section; their length corresponds to almost half the circumference of the vessel and they are curved so that they cling to the outer shape of the vessel and can be connected to it by welding, gluing or the like. The cores lie along circumferential lines of the cylindrical vessel in such a way that the butt joints (7 in FIG. 1b) between the cores describe two surface lines which are symmetrical to one another with respect to the vessel axis.
Eight such individual cores 8 are shown in section on the left-hand side of FIG. They are not directly opposite the eight cores 9 on the right side, i. H. on the same circumferential lines, but they are offset from these in such a way that only one core is always located on a circumferential line. The resulting gaps at the lower right and upper left end are filled by correspondingly narrower ring segments 10.
The primary coil 11, which is fed, for example, with 24 V from a 50 Hz generator, is wound onto the core formation formed in this way.
The function of the described arrangement is as follows:
When the vessel is empty, the air coupling between the two coils is relatively strong despite the shielding effect of the vessel and sleeve walls. A large output voltage, e.g. B. 8 V, measured. If the liquid metal rises, some of the magnetic energy is converted into leakage currents and destroyed.
The turns of the primary coil affected by this no longer contribute to the coupling; the output voltage drops. The division achieves a continuous increase in voltage with the level. The linearity is increased by the mutual displacement of cores of adjacent circumferential lines. It is now in the range of measurement accuracy and is therefore sufficient for all cases.
FIG. 3 shows the calibration curves for a tested model according to the invention and according to FIG. 1. The dependence of the output voltage on the actual level was measured at two different temperatures. This shows that the linearity is within the scope of the measurement accuracy and that the temperature response is negligible within wide limits. Of course, this dependency can also be eliminated by inserting a temperature-dependent resistor 12 in the circle of the primary or secondary coil.
In this way the area of application of the device according to the invention can be extended to the Curie point of the core material used, where the cores lose their ferromagnetic properties. At such high temperatures, however, it is advisable to use ceramic insulation beads instead of the usual organic insulation of the coil wires, which are threaded onto the bare wires and ensure the necessary insulation.
This type of insulation is particularly suitable for radioactive measuring liquids.
An advantageous development of the measuring device according to the invention is shown in FIG. It differs from the device shown in Fig. 1 only in that the outer coil is not mounted on the outer jacket of the vessel, but is also immersed in the vessel so that the liquid to be measured can also rise outside this coil. The relative output voltage increases significantly because the field energy outside this coil is now also converted into leakage currents. Since there are no other differences from FIG. 1, which is explained in detail, it is sufficient to use the same reference symbols to establish parallels with the above description.