DD221831A1

DD221831A1 - Einrichtung und schaltungsanordnung zur temperaturkompensation bei der fuellstandsmessung nach dem waermeuebertragungsprinzip

Info

Publication number: DD221831A1
Application number: DD25948384A
Authority: DD
Inventors: Wolfram Geipel
Original assignee: Halle Anlagen Geraetebau
Priority date: 1984-01-19
Filing date: 1984-01-19
Publication date: 1985-05-02

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung und Schaltungsanordnung bei der Fuellstandsmessung nach dem Waermeuebertragungsprinzip mit einer automatisch arbeitenden Kompensation der anstehenden Medientemperatur fuer sehr grosse Temperaturschwankungen. Ziel der Erfindung ist die Entwicklung einer entsprechenden Einrichtung, mit deren Einsatz der stoerende Einfluss der Medientemperatur in weiten Grenzen ausgeschaltet wird. Erfindungsgemaess wird dies unter Verwendung elektrisch und thermisch identischer Widerstandsmessfuehler erreicht, von denen einer als Kompensationsfuehler mit einem ueber dem gesamten Temperaturbereich konstant kleinen Strom versorgt wird, waehrend alle anderen als Fuellstandsmessfuehler mit einem definiert groesseren Strom so versorgt werden, dass sich zwischen Fuellstandsmessfuehler und umgebenden Medium eine bestimmte Temperaturdifferenz einstellt. Das Auswertsignal fuer den Fuellstand wird aus dem sich einstellenden Differenzstrom gebildet, der sich durch die unterschiedliche Waermeableitung des umgebenden Mediums bei einem Phasenwechsel ergibt. Anwendungsgebiet ist insbesondere die Fuellstandsmessung in Behaeltern, deren Fuellmedien sowohl gasfoermig als auch fluessig bei jeweils annaehernd gleicher Temperatur vorliegt und das grossen Temperaturschwankungen ausgesetzt ist.

Description

Titel der Erfindung

Einrichtung und Schaltungsanordnung zur Temperaturkompensation bei der Füllstandsmessung nach dem Waermeueberträgungsprinsip . . ' . . ^: . ..'-.' ν '^;/ .·

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung und Schaltungsanordnung zur Temperaturkompensation bei der Füllstandsmessung nach dem Waermeuebertragungsprinzip mit einer automatisch arbeitenden Kompensation der anstehenden Medien- bzw· Umgebungstemperaturen fuer sehr grosse Temperaturschwankungen·

Charakteristik der bekannten technischen Loesungen Die Puellstandseinrichtungen nach dem Waermeuebertragungsprinzip sind bekanntermassen stoerempfindlich gegenueber grossen Schwankungen der Temperatur, da sich der elektrische Widerstand der allgemein dazu verwendeten Messfuehler nicht nur infolge der angestrebten Waermeuebertragungsaenderung durch Medien- bzw· Phasenwechsel, sondern auch durch die am Puehler anliegende absolute Umgebungstemperatur aendert.

Die bekannten Einrichtungen zur Temperaturkompensation, d, h., zur Angleichung der Medien- oder Umgebungstemperatur an die Puehlertemperatur, lassen sich zunaechst in zwei Gruppen unterteilen· In einer ersten Gruppe wird versucht, die Kompensation mit Hilfe von Brueckenschaltungeh zu realisieren, in welche zum Puellstandsfuehler thermisch und elektrisch gleiche Kompensationsfuehler geschaltet werden· Der Nachteil die-

ser Verfahren besteht darin, dass der Versorgungsstrom der Messbruecke in Äbhaengigkeit der Temperatur schwankt, so dass bei grossen Temperaturschwankungen auch relativ grosse Stromschwankungen auftreten, die entweder zur Zerstoerung der Fuehler, oder zur fehlerhaften Ansteuerung der zugehoerigen Auswertschaltungen fuehren koennen·

In der zweiten Gruppe wird, versucht, die Kompensation zu erreichen, indem zum jeweiligen Puellstandsfuehler ein Kompensationsfuehler in Reihe geschaltet wird, der ein umgekehrt proportionales, Widerstandsverhalten als Punktion der Temperatur aufweist bzw· aufweisen soll· Die Schwierigkeit dieser Schaltungsform ist lasbesondere darin zu sehen, dass sich entsprechende Bausteine, die eine hinreichende Genauigkeit bezueglich der zu realisierenden Messaufgabe auch bei grossen Temperaturschwankungen noch gewaehrleisten, nur mit extrem hohen Aufwand realisieren lassen·

Die Verfahren bzw· Anordnungen zu beiden Gruppen haben ausserdem den Nachteil, dass sich der jeweilige Kompensatlonsfuehler infolge seiner Beheizung stets im gleichen Medium bzw· in der gleichen Phase des Mediums wie der eigentliche Fuellstandsfuehler befinden muss, was in verfahrenstechnischer bzw· technologischer Hinsicht la vielen Paellen nicht realisiert werden kann· Insgesamt folgt, dass mit den bisher bekannten Loesungen eine Temperaturkompensation nur in einem relativ engen Temperaturbereich moeglich ist.

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Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, eine Einrichtung und Schaltungsanordnung zur Temperaturkompensation bei der Puelistandsmessung nach dem Waermeuebertragungsprinzip zu entwickeln, mit deren Einsatz der stoerende Einfluss der Medien- bzw· Umgebungstemperatur in weiten Grenzen ausgeschaltet wird, wobei neben der Erhoehung der Messgenauigkeit auch eine Verbesserung der Einsatzmoeglichkeiten erreicht werden soll·

Darlegung des Wesens der Erfindung

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Einrichtung und Schaltungsanordnung zur Temperaturkompensation bei der Fuellstandsmessurig nach dem Waermeueber tr agungspr inzip zu entwickeln, deren Messgenauigkeit in Behaeltern, deren Puelimedien sowohl gasfoermig als auch fluessig bei jeweils annaeherad gleicher Temperatur in beiden Aggregatzustaenden vorliegt, ueber grosse Temperaurbereiche gewaehrleistet werden kann· Diese Aufgabe wird erfindungsgemaess unter Verwendung elektrisch und thermisch indentischer Widerstandsmessfuehler mit einer Stelleinrichtung geloest, die ihrerseits durch eineι zugehoerige Regelung hinsichtlich ihrer Temperäturempfindlichkeit automatisch kompensiert wird* Diese, im Gegensatz zum bekannten Stand der Technik indirekt wirkende Kompensation wird erreicht, indem ein Kompensationsmessfuehler im Behaelter so angeordnet wird, dass er entweder vom fluessigen, oder vom gasfoermigen Medium umgeben ist, waehrend alle weiteren Fuellstandsmessfuehler je nach Fuellhoehe im Behaelter sowohl vom fluessigen, als auch vom gasfoermigen Medium umgeben werden koennen· Dabei werden alle Messfuehler ueber eine gemeinsame Konstantspannungsquelle, die zugehoerige Regelung und der durch die Regelung gefuehrten Steuerung der Stelleinrichtung, so mit Strom versorgt, dass der Kompensationsmessfuehler auf einem ueber den gesamten Temperaturbereich konstant kleinen Strom, der keine wesentliche Temperaturaenderung im Messfuehler verursacht, gehalten wird, waehrend alle anderen Fuellstandsmessfueh^er mit einem waehlbar groesseren Strom i₂ versorgt werden, derart, dass immer eine bestimmte, einstellbare konstante Temperaturdifferenz zwischen Messfuehler und dem umgebenden Medium besteht« Dadurch wird in Abhaengigkeit vom Aggregatzustand des umgebenden Mediums bei einem Phasenwechsel am Fuellstandsmessfuehler durch die veraenderte Waerme ab leitung und der daraus folgenden Temperatur- bzw· Widerstandsaenderung des Puellstandsmessfuehlers eine dem jeweiligen Aggregatzustand zuordenbare Stromgroesse ±2 bzw« I₂, eingestellt, aus der sich mit Hilfe einer geeigneten Auswertung (bspwo Schwellwertschalter) die zur Weiterverarbeitung erforderlichen Signale bilden lassen·

Durch dieTrennung des durch den Kompensatio&smessfuehler fliessenden Stromes i.j von dem durch den oder die Fuellstandsmessfuehler fliessenden Strom ±2 ist der Bereich der zu kompensierenden Temperaturen praktisch nicht mehr begrenzt, so dass der jeweils nutzbare Temperaturbereich lediglich auf das Problem des jeweils zu verwendenden Materials begrenzt werden kann·

Die Schaltungsanordnung gemaess der Erfindung besteht aus einer Regelung zur Einstellung des durch den Kompensationsme ssfuehler fliessenden Stromes i., und einer durch die Regelung gefuehrten Steuerung zur Einstellung des durch den oder die Fuellstandsmessfuehler fliessenden Stromes ig· Die Regelstrecke zur Eineteilung des Stromes. i-j besteht in einer ersten Schleife aus dem Kompensationsmessfuehler, einem Stellglied, einem Messwandler und einer Stromversorgung (Konstantspannungsquelle) und in der zugehoerigen zweiten Schleife aus dem Messwandler einer weiteren Konstant Spannungsquelle zur Definition der Fuehrungsgroesse w und dem Eingang eines Reglers aus elektronischen Bausteinen (Integrierte Schaltkreise mit Operationsverstärkern)· Als Stoergroesse ist die Widerstandsaenderung des Kompensationsme ssfuehler s infolge der Medien- bzw· Umgebungstemperaturaenderung definiert· Diese Stoergroesse wird üeber einen Messwandler erfasst, der eine dem Strom I₁ als Regelgroesse proportionale Spannung χ erzeugt· Bei Gleichstrombetrieb ist der Messwandler ein Widerstand und bei Wechselstrom ein Uebertrager· Die Puehrungsgroesse wird durch eine Konstantspannungsquelle realisiert (Festwertregelung). Bei Abweichung der Regelgroesse χ von der Puehruiigsgroesse w wird Äine Regelabweichung x_w gebildet, die der Regler ueber die von ihm definierte Stellgroesse y ueber das Stellglied (Transistor, Thyristor) ausgleicht· Die Stellgroesse y verursacht im Stellglied der Regelung einen umgekehrt proportionalen Spannungsabfall zum Spannungsabfall am Kompensationsmessfuehler und regelt damit den Strom i^ auf den vorgegebenen Wert ein· Parallel vom Reglerausgang wird die Stellgroesse y abgegriffen und separat einem oder mehreren weiteren Stellgliedern zugefuehrt, die jeweils einem Fuell-

standsmessfuehler zugeordnet sind. Stellglied und Fuellstandsmessfuehler bilden gemeinsam mit einer Auswertschaltung und der Stromversorgung fuer die Regelung eine Stelleinrichtung· Der Strom i2 ist groesser als der Strom 'i|. und ist so ausgelegt, dass der oder die Puellstandsmessfuehler infolge der Joul»sehen Waerme aufgeheizt werden, er wird fuer jeden .Anwendungsfall gesondert so eingestellt, dass der Fuellstandsfuehler gegenueber dem Medium eine bestimmte Temperaturdifferenz aufweist» Dabei kann die Einstellung der Groesse von ig so erfolgen, dass die Stellgroesse y in der Regelung bspw. mit Hilfe eines Einstellreglers um einen konstanten Wert reduziert wird. Der infolge der angegebenen Massnahmen von der ümgebungs- oder Medientemperatur voellig unabhaengige Strom i« fliesst durch eine ι Auswert schaltung, die bspw« aus einem Schwellwertscfelter mit Relais bestehen kann· Erfolgt am Fuellstandsmessfuehler ein Phasenwechsel des Mediums, so wird infolge der veraenderten spezifischen Y/aermeuebertragungseigenechaften die Waermeabgabe gestoert· Durch diese Stoerung wird der Strom i* um einen signifikanten V/ert geaendert· Mit Hilfe der Auswertschaltung erfolgt bei der mit der Aenderung verbundenen Ueber- oder Unterschreitung einer als Schwellwert definierten Strommarke die entsprechende Signalbildung·

Ausfuehrungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausfuehrungsbeispiel erlaeutert werden·

In der zugehoerigen Zeichnung zeigt: '

KLg. 1 - ein vereinfachtes und symbolisiertes Schaltschema fuer die Schaltungsanordnung gemaess der Erfindung·

Die Schaltung besteht aus der Regelung 10 und der Steuerung 11, wobei die Steuerung 11 ueber die Stellgroesse y der Regelung mit gefuehrt wird_# Der Kompensationsmessfuehler 1 wird von der Stromversorgung 3 mit dem Strom i.j versorgt» Dabei bilden die Elemente Kompensationsfuehler 1, Stellglied 4 und Messwandler 6 gegenueber der Spannung der Stromversorgung (Konstantspan-

.- 6

nungsquelle 3)den Gesamtspannungsabfall» Der durch den Messwandler 6 fliessende Strom JL erzeugt innerhalb des Gesamt-, spaimungsabfalles am Messwandler' 6 einen dem Strom i- proportionalen Spannungsabfall* Dieser Strom ist so bemessen, dass er den Kömpensationsmessfuehler 1 nicht aufheizt» Aendert der Kömpensationsmessfuehler 1 infolge einer Semper aturaenderung des umgebenden Mediums seinen Widerstand, so aendert sich auch der Strom i.. und damit auch der Spannungsabfall ueber dem Messwandler 6» Dieser Spannungsabfall ueber dem Messwandler 6 wird mit der Fuehrungsgroesse w verglichen, die mit Hilfe der Konstantspannungsquelle 7 erzeugt wird. Der dabei entstehende Vergleichswert wird an den Eingang des Reglers B gelegt und vom Regler 8 daraus die Stellgroesse y gebildet» Dabei wird die spezielle Regelcharakteristik fuer Jeden Anwendungsfall gesondert ausgelegt. Die Stellgroesse y veraendert den Widerstand des Stellgliedes 4 derart, dass die aufgetretene Regelabweichung xw gegen Null geht» Die Konstantspannungsquelle 3 versorgt auch den Fuellstandsmessfuehler 2 mit dem Strom ig» Der Stromkreis der Steuerung 11 ist ueber das Stellglied 5und die Auswertschaltung 9 geschlossen. Der Strom ig ist dabei groesser als der Strom I₁* Die vom Regler B erzeugte Stellgroesse y wird auch dem Stellglied 5 der Steuerung 11 zugefuehrt, dabei kann die Stromdifferenz zwischen. i.. und I₂ durch Einschalten eines Stellwertwiderstandes 13 in die Ansteuerung des Stellgliedes 4 eingestellt werden» Da der Fuellstandsmessfuehler 2 bei einer Temperaturaenderung im System die gleiche Vifiderstandsaenderung erfaehrt wie der Kömpensationsmessfuehler 1, wird das Stellglied 5 durch die Stellgroesse y so verstellt, dass ein zum Puellstandsmessfuehler 2 umgekehrt proportionaler Spannungsabfall vorliegt» Damit wird der Strom ip im Puellstandsmessfuehler konstant gehalten· Der Strom ig ist dabei so eingestellt, dass infolge der Joul»sehen Waerme eine Temperaturdifferenz zwischen dem Fuellstandsmessfuehler 2 und dem umgebenden Medium entsteht» Wird am Fuellstandsmessfuehler 2 durch Aenderung des Fuellstandes und dem damit verbundenen Phasenwechsel die Waermeuebertragung zum umgebenden Medium geaendert, so wird auch der Strom ig durch die damit ver-

bundene Widerstandsäenderung des Puellstandsmessfuehlers 2 signifikant geaenderto Damit stellt sich unabhaengig von der Temperatur des umgebenden Mediums eine dem jeweiligen Aggregatzustand (bspw· Dampf, Wasser) eindeutig zuordenbare Groesse des Stromes I₂ ein, aus der mit Hilfe der zugehoerigen Auswertschaltung 9 die zur Weiterverarbeitung erforderlichen gebildet werden koennen. '

Claims

- B

Erf indungsanspriich

1 _β Einrichtung zur Temperaturkompensation bei der Füllstandsmessung nach dem Waermeuebertragungsprinzip in Behaeltern, deren Fuellmedien sowohl gasfoermig als auch fluessig bei jeweils in beiden Aggregatzustaenden oder Phasen annaehernd gleicher Temperatur vorliegt_$ unter Verwendung elektrischen Wider standsfuehler, gekennzeichnet dadurch, dass ein Kompensationsmessfuehler (1) im Behaelter so angeordnet wird, dass er entweder vom flue'ssigen, oder vom gasfoermigen Medium umgeben ISt₉ waehrend alle weiteren^ elektrisch und thermisch identischen Puellstandsmessfuehler (2) je nach Fuellhoehe im Behaelter sowohl vom fluessigen_g als auch vom gasfoermigen Medium umgeben werden koennen, wobei alle Messfuehler (1 j 2) ueber eine Konstantspannungsquelle '(3), eine zugehoerige Regelung sowie eine durch die Regelung gefuehrte Steuerung so mit Strom versorgt werden, dass der Korapensationsmessfuehler (1) auf einemi konstant kleinen Strom i^ gehalten wird, der keine wesentliche Temperaturaenderung im Messfuehler verursacht, waehrend alle anderen Fuellstandsmessfuehler (2) derart mit einem gegenueber i-j groesseren Strom ig versorgt werden, dass immer eine bestimmte, einstellbare konstante Temperaturdifferemz zwischen Messfuehler und Medium besteht, so dass sich bei einem Phasenwechsel des umgebenden Mediums am Fuellstandsmessfuehler (2) durch die veraenderte Waermeableitung und der daraus folgenden Temperatur- bzw© Widerstandsaenderung des Fuellstandsmessfuehlers (2) eine dem jeweiligen Aggregatzu~ stand zuordenbare Stromgroesse einstellt, aus der sich mit Hilfe einer zugehoerigen Auswertschaltung (9j 12) die zur_; Weiterverarbeitung erforderlichen Signale bilden lassen«

2β Schaltungsanordnung zur Temperaturkompensation bei der iuellstandsmessung nach dem Waermeuebertragungsprinzip nach Punkt 1*, gekennzeichnet durch eine Regelung (10) zur Einstellung des durch einen !Compensations« bzw* Puehrungsmess-'

fuehler (1) fliessenden Stromes i^ und einer durch die Regelung (10) gefuehrten Steuerung (11) zur Einstellung des durch einen Fuellstandsmessfuehler (2) fliessenden Stromes i_2> wobei mit Hilfe der Regelung (10), deren erste Schleife aus"dem !Compensations- bzw» Fuehrungsmessfuehler (1), einer Konstantspannungsquelle (3), einem Stellglied (4) und einem Messwandler (6) gebildet wird und deren zweite Schleife aus dem Messwandler (6), einer Konstantspannungsquelle (7) zur Definition der Fuehrungsgroesse w und dem Eingang des Reglers (B) besteht, aus dem Vergleich der ueber dem Messwandler (6) abfallenden Spannung χ und der Fuehrungsgroesse w im Regler (8) eine Stellgroesse y definiert wird, die einerseits durch Beeinflussung des Stellgliedes (4) den Strom i^ in der ersten Schleife auf den vorgegebenen, niedrigen Wert, durch den noch keine zusaetzliche Aufheizung des Kompensations- bzw. Fuehrungsmessfuehlers (1) hervorgerufen wird, einstellt, und die andererseits ueber das Stellglied (5) den in der aus dem Fuellstandsmessfuehler (2), der Konstantspannungsquelle (3), der Auswertschaltung (9) und dem Stellglied (5) gebildeten dritten Schleife fliessenden Strom i₂ dem von i«j bzw» w vorgegebenen Wert nachfuehrt, wobei dieser Strom i« bspw» durch Reduzierung der Stellgroesse y in der Zufuehrung zum Stellglied (4) der Regelung groesser ist als i^ und damit den Fuellstandsmessfuehler (2) infolge der Joul»sehen Waermezusaetzlich so aufheizt, dass sich eine Temperaturdifferenz zwischen dem Fuellstandsmessfuehler (2) und dem umgebenden Medium ergibt, so dass sich durch die unterschiedliche Waermeuebertragung in Abhaengigkeit vom Aggregatzustand des umgebenden Mediums bei einem Phasenwechsel eine entsprechende relative Aufheizung bzw· Abkuehlung des Widerstandsmessfuehlers (2), damit eine entsprechende Widerstandsaenderung und daraus folgend eine Aenderung der ueber den Widerstand abfallenden Spannung bzw» eine signifikante Aenderung des Stromes i« ergibt, deren Groesse weitgehend unabhaengig von der Temperatur des umgebenden Mediums ist und die die bspw· aus einem Relais(9) und einem zugehoerigen Arbeitskontakt (12) gebildete Auswertschaltung entsprechend ansteuert.