DE1648070B1 - Elektrischer fluessigkeitsstandmesser insbesondere fuer tiefbrunnen - Google Patents

Elektrischer fluessigkeitsstandmesser insbesondere fuer tiefbrunnen

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DE1648070B1
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DE19671648070
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Zbigniew Bllaszczak
Sllawomir Gradys
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PRZED HYDROGEOLOGICZNE W WARSZ
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01FMEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F23/00Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm
    • G01F23/22Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water
    • G01F23/24Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring variations of resistance of resistors due to contact with conductor fluid
    • G01F23/245Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring variations of resistance of resistors due to contact with conductor fluid with a probe moved by an auxiliary power, e.g. meter, to follow automatically the level

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Description

  • Gegenstand der Erfindung ist ein elektrischer Flüssigkeitsstandmesser für Flüssigkeiten mit nicht besonders hohem spezifischem Widerstand, z. B. für Oberflächen- und Brunnenwässer, Elektrolyte in Industriebehältern usw.
  • Die Meßvorrichtung besteht aus einem Meßfühler, der an einem einadrigen, auf eine Trommel aufwickelbaren Seil hängt, einem Nachfolgeregler und einem Meßwertanzeiger mit Schreiber. Als Niveaumeßwert gilt die von einem Bezugspunkt aus gemessene Seillänge.
  • Zu den bekanntesten konstruktiven Lösungen dieser Art von Flüssigkeitsstandmessern gehören Vorrichtungen, die -nach dem mechanischen, dem pneumatischen und dem elektrischen Prinzip arbeiten.
  • Für Sonderzwecke werden auch Strahlungsmesser verwendet, deren Wirkungsprinzip auf der Absorption von Gammastrahlung eines-Radioisotops beruht.
  • Dem Bau mechanischer Flüssigkeitsstandmesser mit Meßwertschreibern lag größtenteils der Einsatz entsprechend großer Schwimmer zugrunde, die Anderung des Flüssigkeitsstandes über ein Seil und ein mit diesem verbundenes mechanisches Gestänge auf einen Anzeiger und Schreiber übertragen. Diese Bauart hat ihrem Wesen nach eine Reihe von Beschränkungen zur Folge. Vor allem sind es die zu überwindenden mechanischen Reibungsverluste und Trägheitsmomente, die dIe Anwendung entsprechend großer Schwimmer bedingen und dadurch den Einsatz derartiger Meßvorrichtungen bei Bohrlöchern und Behältern mit kleinem Durchmesser und weitem Flüssigkeitsstandbereich unmöglich machen.
  • Auf elektrischem, Prinzip- basierenden Flüssigkeits-. stand-Meßwandlern sind zwei Grundbauårten bekannt. Die erste umfaßt Vorrichtungen, deren in die Flüssigkeit eingetauchte Wandler die Höhe der sie übersteigenden Flüssigkeitssäule in eine elektrische Größe umwandeln, die wieder nach entsprechender Umformung an ein Anzeige- oder Schreibgerät weitergeleitet wird und diese Geräte betätigt. Da solche Meßwandler auf den verschiedensten Wirkungsprinzipien arbeiten, kann nur-schwer eine Übersicht uber -ihre Hauptnachteile gegeben werden. Jedoch ist es möglich, eine Reihe von allen diesen Wandlern gemeinsamen Nachteilen. anzugeben, zu denen ihre große Meßunsicherheit, der nichtlineare-Skalenaufbau, die an Temperatur und Flüssigkeitsart gebundene Anzeige und viele andere gehören.
  • Zur zweiten Grundart elektrischer Meßvorrichtungen zählen selbstkornpensíerende Vorrichtungen, bei welchen die Entfernung zwischen dem Flüssigkeitsspiegel und dem Bezugspunkt mit einer entsprechenden Stab- oder Seillänge verglichen wird. Dadurch werden ein von Meßgröße und Meßbereich unabhängiger, gleichbleibender absoluter-Fehler sowie eine lineare Skala erzielt.
  • Bei einer der bekannten, nach diesem Prinzip arbeitenden Meßvorrichtungen, bèi welcher der den Meßwertanzeiger mit Schreiber steuernde Nachfolgeregler mittels zweier Relais gesteuert wird, deren Steuerstromlcreis über einen eintauchtiefenempfindlichen Widerstandswandler geschlossen wird, muß die Schaltung für die gegebene Flüssigkeitsart genau geeicht werden, worauf sie dann nur in einem begrenzten Leitfähigkeitsbereich einwandfrei arbeitet.
  • Es sind auch Meßvorrichtungen bekannt, deren Meßwandler mit zwei Elektroden versehen sind. Somit hängt der Wandler also an einem zweiadrigen Kabel, das meistens zusätzlich noch durch ein Trag--seil verstärkt ist. Konstruktionsmäßige Lösungen dieser Art sind unbequem, da sie unter anderem die Außenabmessungen der Vorrichtung bedeutend vergrößern.
  • Es sind auch Meßvorrichtungen bekannt, bei denen die untere Elektrode eines an einem leitenden Seil hängenden wechselspannungsgespeisten Wandlers über eine Diode mit der oberen Elektrode und dem Seil verbunden ist. Das Seil ist seinerseits über wechselseitig angeschlossene Stromgleichrichter mit der Steuerschaltung. eines Nachfolgereglers verbunden. Eine auf ähnlichem Prinzip arbeitende Vorrichtung verfügt über einen mit einem Hilfsschwimmer und zwei wechselseitig angeschlossenen Dioden ausgestatteten Wandler, bei welchem der Schwimmer je nach seiner Lage über eine dieser Dioden einen elektrischen Kreis schließt bzw. bei einer Zwischenlage denselben offenläßt. Ein derartigen Vorrichtungen gemeinsamer Nachteil beruht darauf, daß für den Anschluß des Meßwandlers mehradrige Verbindungskabel erforderlich sind, was bei großen Tiefen umstündlich oder sogar unmöglich ist. Bei Wandlern hingegen, die mittels einzelnen, nichtisolierten Seilen arbeiten, besteht bei Tiefbohrungen die Gefahr, daß bei Berührung der Bohrlochwandungen durch das Seil je nach Bauart des Geräts Fehlanzeigen oder Aussetzerscheinungen auftreten können.
  • Eine weitere elektrische, nach dem Kontaktverfahren arbeitende Vorrichtung hat den Nachteil, daß der von einem Motor angetriebene Meßwandler dauernde-AuiS~unt-Atfbewegungen auf einer bestimmten Strecke ausführt (auch bei gleichbleibendem Flüssigkeitsstand), was ein-en - schliellen Verschleiß der Arbeitselemente, insbesondere des dauernd abwechselnd in einer und dann in der anderen Drehrichtung laufenden Motors, zur Folge hat. Darüber hinaus wirkt- sich die beträchtliche Leistungsaufnanrne nachteilig auf die Entwicklung einer tragbaren und für den Feldeinsatz geeigneten Bauart-aus.
  • Ziel der vorliegenden Erfindung war es, einen Flüssigkeitsstandmesser zu schaffen, der hauptsächlich für den Einsatz in verrohrten Tiefbohrungen bestimmt und der gegen Berührungen des Seils mit den Bohriochwandungen wenig oder überhaupt nicht empfindlich ist.
  • Zur Erreichung dieses Ziels geht die Erfindung aus von einem nach dem Kontakt-Kompensationsverfahren arbeitenden elektrischen Flüssigkeitsstandmesser mit einem Meßwandler, einem auf eine Trommel gewickelten, ein Fühlglied tragenden Seil und einem Nachfolgeregler mit Meß- und vorzugsweise Schreibwerk. Gemäß-Erfindungist-dieser Flüssigkeitsstandmesser dadurch gekennzeichnet, daß sich im Meßwandler ein ! Oszillator befindet, der durch Relais, die in einen Kreis mit Fühlelektroden, der gemessenen Flüssigkeit und einer Gegenelektrode geschaltet sind, auf drei verschiedene Festfrequenzen umschaltbar ist, von denen eine eine zu hohe, eine eine zu niedrige und die dritte die Normallage des Fühlelements in bezug auf den Plüssigkeitsstand anzeigt.
  • Das Ziel der Erfindung wird also durch Anwendung eines im Meßwandler auf dem bekannten Kontakt-Kompensationsverfahren arbeitenden, umstimmbaren Meßsenders erreicht. Je nach der Relativstellung von Meßwandler zu Flüssigkeitsniveau erzeugt dieser eine von drei möglichen Frequenzen. Diese Signale werden entweder durch das Tragseil oder über die elektroakustische Kopplung durch die das Bohrloch ausfüllende Luftsäule an den Empfänger übertragen.
  • Diese Erfindung wird an Hand der in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispiele näher erklärt.
  • F i g. 1 zeigt den Empfangs- und Anzeigeteil; Fig. 2 zeigt den im Meßwandler befindlichen Sender; Fig. 3 zeigt das Blockschaltbild bei Anwendung elektroakustischer Ankopplung.
  • Im Meßwandler befindet sich ein Sender 1, dessen Grundbauteil der durch Kontaktfedern 3 und 4 der Relais 5 und 6 umgeschaltete Oszillator 2 bildet. Die Relais liegen in einem Strompfad, der über Elektroden 8 und 9, die gemessene Flüssigkeit 10 und EIektrode 11 geschlossen ist und parallel zu einem am Leistungsverstärker7 geschaltet sind. Der Ausgang des Verstärkers 7 ist über ein Metailseil 12 an den Meßwandler angeschlossen. Das Seil 12 ist auf eine Seiltrommel 13 gewickelt, die mechanisch mit einem Motor 14 und einem Meß- und Schreibwerk 15 verbunden ist. Das Seil 12 ist an den Eingang des Empfangs- und Stellgliedes 16 angeschlossen, welches sich aus einem selektiven Verstärker mit Amplitudenbegrenzung und einem Frequenzdemodulator zusammensetzt, welcher die über ihre Kontaktsätze 19 und 20 den Motor 14 einschaltenden Relais 17 und 18 steuert. Der Signalkreis wird für das Empfangs- und Stellglied 16 durch eine Leitung 22 mit einer Hilfselektrode 21 geschlossen.
  • Bei einer abgewandelten Anordnung ist am Ausgang des Leistungsverstärkers 7 des Senders 1 ein elektroakustischer Wandler 23 und am Eingang des Empfangs- und Stellgliedes 16 ein akustisch-elektrischer Wandler 24 angeschlossen, wobei die beiden Wandler 23 und 24 über die im Bohrloch 25 stehende Luftsäule miteinander gekoppelt sind. Der Wandler 24 wird mittels der Leitung 26 auf eine gewisse Tiefe in das Bohrloch 25 eingebracht In der Zeichnung befindet sich der Meßwandler in einer Stellung hinsichtlich des Flüssigkeitsniveaus 10, bei der sich die gesamte Schaltung im Ruhestand befindet Die Elektrode 8 ist eingetaucht, und die Elektrode 9 befindet sich über dem Flüssigkeitsspiegel. In dieser Stellung wird das Relais 5 von einer Hilfsspannungsquelle, im vorliegenden Falle dem Leistungsverstärker 7, mit einem Strom gespeist. Der Stromkreis für das Relais 5 wird, wie in der Zeichnung dargestellt, über den Widerstand zwischen der Elektrode 8 und der ständig in der zu messenden Flüssigkeit eingetauchten Elektrode 11 geschlossen.
  • Als Folge dieses Zustandes läßt das Relais 5 je nach Ausführungsart seinen Kontakt 3 (je nach Schaltung Öffnen oder Schließen) bewirken, daß ein Oszillator 2 eine Frequenz erzeugt, auf die weder das Relais 17 noch das Relais 18 anspricht. Sinkt nun der Flüssigkeitsstand so, daß die Elektrode 8 nicht mehr eingetaucht ist, nimmt der Kontakt 3 eine der bei eingetauchter Elektrode 8 entgegengesetzte Lage ein. Als Folge dessen gibt der Oszillator nun eine Frequenz ab, bei der z. B. ein Relais 17 anspricht und über seine Kontakte 19 den Stellmotor 14 in eine solche Drehrichtung einschaltet, daß die mit ihm gekoppelte Seiltrommel 13 das Seil 12 so lange abwickelt, bis die Elektrode 8 wieder in die Flüssigkeit eintaucht und somit das System erneut bei Gleichgewichtszustand in Ruhe versetzt wird.
  • Sollte andererseits der Flüssigkeitsstand so ansteigen, daß auch die Elektrode 9 eintaucht, so spricht das Relais 6 an. Das Relais 6 schaltet durch Lage änderung seiner Kontakte 4 den Oszillator 2 auf eine Frequenz um, bei welcher das Relais 18 anspricht.
  • Die Kontakte 20 des Relais 18 schalten wiederum den Stellmotor 14 in einen solchen Drehsinn, daß das Seil 12 auf die Seiltrommel 13 bis zum Austauchen der Elektrode 9 aufgewickelt wird.
  • Mit dem Seil 12 ist das Meß- und Schreibwerk 15 mechanisch verbunden, dessen Zeiger auf einer entsprechenden Skala die Stellung des Meßwandlers im Gleichgewichtszustand, d. h. die Entfernung zwischen dem Flüssigkeitsspiegel und dem Bezugspunkt angibt.
  • Das Empfangs- und Stellglied wird durch den Oszillator 2 über das schon erwähnte Seil 12 sowie die Leitung 22 und die Hilfselektrode 21, die der Metallbehälter der Flüssigkeit, das Metallrohr des Tiefbrunnens, eine Erdungselektrode usw. bilden können, gesteuert.
  • Bei einer abgewandelten Anordnung der Meßvorrichtung erfolgt die Übertragung der Steuersignale vom Oszillator 2 über den elektroakustischen Wand-1er 23, die Luftsäule im Inneren des Brunnenrohres 25 und einen zwecks Störeinflußbegrenzung mittels der Leitung 26 einige Meter tief in das Bohrloch abgesenkten akustisch-elektrischen Wandler 24.
  • Selbstverständlich können die Relais 5,6,17 und 18 als kontaktlose (statische), z. B. elektronische Relais, ausgebildet sein. In den Ausführungsbeispielen wurden zwecks einfacher Erläuterung und Darstellung des Wirkungsprinzips elektromagnetische Relais verwendet. Es ist jedoch leicht möglich, statt der Relais 5 und 6 z. B. Halbleiterdioden mit veränderlicher, spannungsabhängiger Kapazität in den Schwingkreis des Oszillators 2 einzuführen.
  • Da das Empfangs- und Stellglied nur frequenz-und nicht amplitudenempfindlich ist, haben zufällige Seilschlüsse nur geringen Einfluß auf den Betrieb der Vorrichtung, die auch bei Signalamplitudenschwankungen um einige Größenordnungen zuverlässig arbeitet. Dadurch wird eine hohe Betriebssicherheit und Störunempfindlichkeit erreicht.
  • Diese Eigenschaft ist als Hauptvorzug dieser Vorrichtung gegenüber nach dem Kontakt-Kompensationsprinzip mit Amplituden- oder Polarisationssteuerung arbeitenden Vorrichtungen hervorzuheben.
  • Auch die Unempfindlichkeit der Vorrichtung für Störsignale ist nicht ohne Bedeutung. Die Anwendungsmöglichkeit von Wechselstrom im Kreise der Elektroden8 und 9, insbesondere jedoch der Elektrode 8, sichert ihnen eine hohe Betriebsstabilität und Verschleißfestigkeit.
  • Äußerst günstig wirkt sich hier die Tatsache aus, daß das Seil 12 aus einem beliebigen Werkstoff, z. B.
  • Stahl, Sisal, Kunststoff u. ä., gefertigt sein kann, wobei Voraussetzung. ist, daß unter den gegebenen Bedingungen eine im erforderlichen Meßunsicherheitsbereich liegende Meßwertkonstanz gewährleistet wird.

Claims (5)

  1. Patentansprüche: 1. Nach dem Kontakt-Kompensationsverfahren arbeitender elektrischer Flüssigkeitsstandmesser mit einem Meßwandler, einem auf eine Trommel gewickelten, ein Fühlglied tragenden Seil und einem Nachfolgeregler mit Meß- und vorzugsweise Schreibwerk, d adurch gekennz eichnest, daß sich im Meßwandler ein Oszillator (2) befindet, der durch Relais (5,6), die in einen Kreis mit Fühlelektroden (8,9), der gemessenen Flüssigkeit und einer Gegenelektrode (11) geschaltet sind, auf drei verschiedene Festfrequenzen umschaltbar ist.
  2. 2. Elektrischer Flüssigkeitsstandmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillator (2) und ein das Empfangs- und Stellglied der Vorrichtung steuernder Leistungsverstärker (7) gleichzeitig als Speisespannungsquelle für die Relais (5,6) dienen.
  3. 3. Elektrischer Flüssigkeitsstandmesser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein an den Ausgang des Leistungsverstärkers (7) angeschlossener elektroakustischer Wandler (23) über die das Bohrloch ausfüllende Luftsäule (25) mit einem akustisch-elektrischen Wandler (24) des Empfangs- und Stellgliedes gekoppelt ist.
  4. 4. Elektrischer Flüssigkeitsstandmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler (24) des Empfangs-und Stellgliedes an einer Leitung (26) zur Verringerung von Störeinflüssen unter die Aufstellhöhe der Meßvorrichtung abgesenkt wird.
  5. 5. Elektrischer Flüssigkeitsstandmesser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Seil als Übertragungskanal für die Festfrequenzsignale ausgebildet ist.
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