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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.
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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.
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Zu den bekanntesten konstruktiven Lösungen dieser Art von Flüssigkeitsstandmessern
gehören Vorrichtungen, die -nach dem mechanischen, dem pneumatischen und dem elektrischen
Prinzip arbeiten.
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Für Sonderzwecke werden auch Strahlungsmesser verwendet, deren Wirkungsprinzip
auf der Absorption von Gammastrahlung eines-Radioisotops beruht.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Diese Erfindung wird an Hand der in der Zeichnung veranschaulichten
Ausführungsbeispiele näher erklärt.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Diese Eigenschaft ist als Hauptvorzug dieser Vorrichtung gegenüber
nach dem Kontakt-Kompensationsprinzip mit Amplituden- oder Polarisationssteuerung
arbeitenden Vorrichtungen hervorzuheben.
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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.
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Äußerst günstig wirkt sich hier die Tatsache aus, daß das Seil 12
aus einem beliebigen Werkstoff, z. B.
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Stahl, Sisal, Kunststoff u. ä., gefertigt sein kann, wobei Voraussetzung.
ist, daß unter den gegebenen Bedingungen eine im erforderlichen Meßunsicherheitsbereich
liegende Meßwertkonstanz gewährleistet wird.