DE2436681C3 - Stellungsanzeigevorrichtung nach dem Induktionsprinzip - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Stellungsanzeigevorrichtung nach dem Induktionsprinzip mit einer Anzahl räumlich übereinander angeordneter koaxialer Windungen.

Eine solche Stellungsanzeigevorrichtung ist bekannt aus der DT-AS 12 13 310. Die bekannte Stellungsanzeigevorrichtung dient der Fernanzeige von sich auf geradlinigen Bahnen bewegenden ferromagnetischen Teilen oder solche Teile enthaltenden Körpern und ist insbesondere dazu geeignet, Regelstäbe oder Antriebsstäbe bei Atomreaktoren in ihrer Stellung zu überwachen. Hierzu weist die bekannte Anzeigevorrichtung eine größere Anzahl von einander zugeordneten Transformatoren entlang der Bahn des anzuzeigenden Körpers auf. Sämtliche Primärwicklungen der Transformatoren sind an einer stabilierten Spannungsquelle angeschlossen, die Sekundärwicklungen sind jeweils zu einem Vierpol zusammengeschaltet. Die Ausgangsklemmer dieser Vierpole sind in Reihe geschaltet und mit einei Impulsformerstufe sowie einem Impulszähler verbun den, so daß stufenweise sich ändernde Spannungswerte der Ausgangsklemmen der Vierpole je nach Positior des zu überwachenden ferromagnetischen Teils erfaßi werden können.

Diese bekannte Stellungsanzeigevorrichtung basieri auf dem Grundprinzip, daß sich durch die Anwesenheil eines ferromagnetischen Körpers die Übertragunf einer Spannung von einer Primärwicklung auf eine Se kundärwicklung intensivieren läßt; durch die räumliche Anordnung einer Vielzahl solcher Einzelelemente, be stehend aus Primärwicklungen und Sekundärwicklungen, d. h. von Transformatoren, läßt sich die Positior eines ferromagnetischen Teils dann abtasten, wenn die ser so angeordnet ist, daß er die Induktion zwischer Primärwicklung und Sekundärwicklung zu beeinflusser vermag.

Eine wiche Vorrichtung ist aufwendig und benötig] eine beträchtliche Menge von Schaltungselementen um einen auswertbaren Spannungsverlauf erzielen zu können. Darüber hinaus ist eine solche Vorrichtung nicht geeignet, bei der Standhöhenanzeige eines Metallbades Verwendung zu finden, denn durch die Vielzahl der Schaltungselemente und der zu verwendender Transformatoren und Zuleitungen ist das Einbringer eines solchen Systems in das Metallbad und teilweise unter den Spiegel des Metallbades praktisch unmöglich

Andererseits sind Standhöhenanzeiger und entsprechende Meßgeräte für flüssige Metalle in verschiedene! Art bekannt. So ist beispielsweise eine Art eines induktiv arbeitenden Standhöhenanzeigers bekanntgeworden, bei dem eine Spule oder Spulen verwendet werden, die im Inneren eines Schachtes oder einer Sondenröhre in das flüssige Metall untergetaucht werden. Dabei verändert die Gegenwart eines leitenden Mediums beispielsweise des flüssigen Metalls, welches die Spule unmittelbar umgibt, die Induktivität der Spule, verglichen mit der Induktivität derselben in Luft; diese Änderung kann verwendet werden, um durch Abtasten dei Induktivitätsänderung oder einer entsprechenden Impedanzänderung die Höhe des Flüssigkeitsspiegels festzustellen. Dies kann durch effektive Messung der Induktivität oder Impedanz erfolgen, bevorzugt wird jedoch so vorgegangen, daß die Impedanz einer abtastenden Spule mit der einer Referenzspule verglicher wird, die von dem flüssigen Metall im wesentlicher nicht beeinflußt ist.

Bei einer solchen Anordnung sind jedoch die Induktivitäten sowohl der Abtastspule als auch der Referenzspule von der Temperatur und möglicherweise von an deren Umweltbedingungen beeinflußt, so daß es zu fehlerhaften Anzeigen kommen kann, es sei denn, mar sieht irgendeine Art einer Temperaturkompensatior vor. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, daC die Meßspule oder Abtastspule mit einer Referenzspule verglichen wird, die abgeschirmt ist, so daß sie von derr flüssigen Metall nicht beeinflußt wird, die jedoch der gleichen Umweltbedingungen wie die Meßspule unterworfen wird, so daß sich Temperatureinflüsse herausheben. Eine solche Anordnung mag zufricdenstellenc dann arbeiten, wenn eine Standhöhe erfaßt werden soll sie ist jedoch nicht dazu geeignet, eine kontinuierlich! Anzeige über die gesamte Tiefe eines Metallbades zi ermöglichen, auch ist eine genaue Eichung erforderlich wenn eine solche Anzeige benötigt wird.

Der US-PS 33 26 0·« läßt sich weiterhin noch eir

Standhöhenanzeiger entnehmen, bei welchem eine solche kontinuierliche Anzeige dadurch möglich ist, daß jede Spule aus einer Reihe von MeB- oder Abtastspulen einzeln mit einer entfernten Referenzspule verglichen wird; aber auch hier können schwerwiegende Irrturner auf Grund der Temperaturunterschiede zwischen den Meßspulen und der Referenzspule auftreten, da man bei einer solchen Anordnung eine Temperaturkompensation nur schwer durchführen kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Standhe'henanzeiger für ein flüssiges Metallbad oder eine sonstige geeignete Flüssigkeit zu schaffen, der in der Lage ist, kontinuierlich anzuzeigen, unkompliziert aufgebaut ist, der nicht geeicht zu werden braucht und der auf Grund seiner Beschaffenheit von Anfang an genauestens gegen unterschiedliche Temperatureinflüsse kompensiert ist

Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung aus von der eingangs genannten Stellungsanzeigevorrichtung und besteht erfindungsgemäß darin, daß zur Standhöhenanzeige eines flüssigen Metallbades die Windungen als einfache diskrete und gegeneinander isolierte Einzelspulen angeordnet sind und eine Schaltungsanordnung vorgesehen ist, die die Impedanz jeder Spule mit der Impedanz der nächsten, räumlich angrenzenden Spule aufeinanderfolgend von dem einen Ende der Spulenreihe zum anderen vergleicht.

Man gelangt auf diese Weise zu einem Standhöhenanzeiger für eine Flüssigkeit, insbesondere für ein flüssiges Metall, welcher auf Grund seines ihm innewohnenden Aufbaues gegenüber Temperatureinflüssen kompensiert ist und der in der Lage ist, eine kontinuierliche Anzeige der Standhöhe der Flüssigkeit über die gesamte Tiefe des Metallbades ohne Eichung anzugeben. Man erhält solche Resultate dadurch, daß eine Vielzahl von im wesentlichen identischer Spulen vorgesehen sind, die in enger abstandsmäßiger Beziehung in einer vertikalen Reihe angeordnet sind, wobei sie bevorzugt auf einem gemeinsam magnetischen Kern gelagert sind. Diese vertikale Spulenreihe ist so ausgebildet, daß sie in ein flüssiges Metallbad eingeführt werden kann, und zwar innerhalb eines Schachtes oder eines Sondenrohres, um so eng von dem flüssigen Metall umgeben zu werden. Die Spulen sind einzeln mit einer Vergleichs- und einer Anzeigeschaltung verbunden, wobei Abtast- oder Schaltmittel vorgesehen sind, um die Spulen aufeinanderfolgend in der Weise mit der Vergleichsschaltung zu verbinden, daß benachbarte Spulen aufeinanderfolgend von dem einen Ende der Spulenreihe zur anderen durchlaufend miteinander verglichen werden. Mit anderen Worten bedeutet das, daß die Impedanz jeder Spule verglichcr. wird mit der Impedanz der nächsten Spule, die dann wiederum mit der folgenden Spule verglichen wird, dies setzt sich fort bis zum Ende der Spule. Jede Spule wird daher einmal als Meß- oder Abtastspule und daran anschließend a's Referenzspule verwendet und da sämtliche Spulen den gleichen Umweltbedingungen, der gleichen Temperatur und sonstigen Effekten unterworfen sind, werden diese von Anfang an ausgeglichen und kompensiert. Daher ist die vertikale Spulenreihe bevorzugt so lang gemacht, daß sie für die volle Tiefe des Tanks oder eines sonstigen Behälters, in welchem das flüssige Metallbad angeordnet ist, ausreicht, wobei eine genaue Anzeige der Position des Flüssigkeitsspiegels dadurch ^(l5 erlangt wird, daß der Impedanzwechscl zwischen aufeinanderfolgenden Spulen, sobald dieser auftritt, angezeigt, notiert, registriert oder sonstwie festgestellt wird.

Man erreicht auf diese Weise eine kontinuierliche Anzeige über die gesamte Metallbadtiefe, ohne daß eine Eichung erforderlich ist. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche und in diesen niedergelegt

Im folgenden werden Aufbau und Wirkungsweise eines Ausführungsbeispiels an Hand der Zeichnungen im einzelnen näher erläutert. Dabei zeigt

F i g. 1 in schematischer Darstellung ein typisches Ausführungsbeispiel und

F i g. 2 in Form einer elektrischen Schaltung den Abtast- und Vergleichskreis.

In F i g. 1 ist ein erläuterndes Ausführungsbeispiel der Erfindung zur Anzeige der Standhöhe oder der Tiefe eines in einem Behälter oder Tank 10 geeigneter beliebiger Art enthaltenden flüssigen Metallbades dargestellt. Das flüssige Metallbad 12 kann aus jedem gewünschten geschmolzenen Metall oder jeder leitenden Flüssigkeit bestehen, der Tank 10 ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel bis zu der mit 14 bezeichneten Höhe angefüllt, die hier festgestellt werden soll. Wie schon erwähnt, benutzt der Standhöhendetektor die Induktivitätsänderung einer elektrischen Spule, die auftritt, wenn die Spule von einem leitenden Medium, beispielsweise einem fllüssigen Metall, umgeben ist, verglichen zur Induktivität der Spule in Luft. Zu diesem Zweck sind eine Reihe von Spulen 16 vorgesehen, wobei die einzelnen Spulen jeweils mit dem Bezugszeichen 16-1,16-2 usw. bezeichnet sind. Die Spulen sind so identisch wie möglich und umfassen bevorzugt mehrwindige Spulen, die einwandfrei isoliert sind, um den relativ hohen Temperaturen widerstehen zu können, denen sie unterworfen sind. Die Anzahl und die Abmessungen der Spulen 16 werden bestimmt durch die Tiefe des Tanks 10 und von der gewünschten Genauigkeit bei der Identifizierung der Position der Standhöhe 14.

Die Spulen 16 sind diskrete Einzelspulen, die vollständig gegeneinander elektrisch isoliert sind; sie sind physisch wie in der F i g. 1 dargestellt in koaxialer enggepackter Beziehung in vertikaler Reihe angeordnet. Die Spulen können in dieser Weise von jeder geeigneten Anordnung gelagert und getragen werden, es wird jedoch vorgezogen, sie auf einem gemeinsamen magnetischen Kern 18 zu montieren, der die Form einer Stahlstange oder eines sonstigen geeigneten Gliedes aufweisen kann und der sich senkrecht über im wesentlichen die gesamte Tiefe des Tanks 10 erstreckt. Ein solcher Magnetkern 18 ist deshalb erwünscht, weil er dazu beiträgt, die Induktivität der Spulen zu vergrößern und auch die Induktivitätsänderung der Spu'en dann, wenn sie in das flüssige Metal¹ eintauchen, stärker hervorhebt; falls jedoch erwünscht, können die Spulen auch ir. anderer geeigneter Weise mit oder ohne einen Magnetkern gelagert und montiert werden. Die Spulen 16 sind auf dem Magnetkern 18 in elektrischer Isolierung angeordnet; ihre Zuleitungsdrähte werden getrennt nach außen geführt. Wie in der Darstellung der F i g. 1 gezeigt, kann jeweils die eine Zuleitung jeder Spule zu einem Kabelstrang 20 zusammengefaßt werden, die andere Zuleitung jeder Spule kann in ähnlicher Weise zur Erleichterung der Handhabung mit sämtlichen anderen Zuleitungen zu einem Kabelstrang 21 zusammengefaßt werden. Die Spulen sind jedoch nicht direkt miteinander verbunden.

Um diese Spulenreihe zu verwenden, wird die ganze Anordnung wie gezeigt vertikal in das flüssige Metallbad 12 eingeführt. Dies kann in zweckmäßiger Weise dadurch geschehen, daß ein Rohr 22 verwendet wird,

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welches sich vertikal von der Tankoberseite nach unten erstreckt und als Schacht oder Probenaufnahmebehälter dient, in welchen die Spulenreihe 16 eingeführt wird, en.weder zum ständigen Verbleib oder immer dann, wenn es erwünscht ist, eine Messung oder eine Beobachtung der Flüssigkeitsstandhöhe 14 vorzunehmen. Das Rohr 22 kann aus einem geeigneten Material, beispielsweise aus nichtmagnetischem rostfreiem Stahl 1, hergestellt sein, welches mit dem flüssigen Metall 12 kompatibel ist, es kann aber auch jedes sonstige Material in geeigneter Form verwendet werden. Das Rohr 22 ist so ausgelegt, daß die Spulenreihe 16 eng in das Rohr eingepaßt ist, so daß die Spulen unter der Oberfläche 14 engstens von dem flüssigen Metall umgeben sind, um eine maximale Induktivitätsänderung zwischen den sich in der umgebenden Luft befindlichen Spulen und denen unterhalb der flüssigen Oberfläche zu erzeugen.

Um die jeweilige Position des Flüssigkeitsspiegels 14 einzustellen, wird jede Spule 16 mit der nächsten angrenzenden Spule verglichen zur Bestimmung jeder Induktivitäts- oder Impedanzdifferenz: dieses wird sukzessive von einem Ende der Spulenreihe zum anderen durchgeführt. Das bedeutet, daß zunächst die Spule 16-1 mit der Spule 16-2, anschließend die Spule 16-2 mit der Spule 16-3 verglichen wird; dieses setzt sich in aufeinanderfolgenden Paaren von dem einen Ende der Spulenreihe zur anderen fort. Wenn die Spulen identisch sind, dann ist jeder Impedanzunterschied durch äußere Bedingungen verursacht wobei der Punkt, an welchem die Impedanz zweier aufeinanderfolgenden Spulen um einen wesentlichen Betrag unterschiedlich wird, die Position des Flüssigkeitsspiegels 14 angibt. Man erlangt auf diese Weise eine eindeutige und zuverlässige Angabe, wobei, da aneinandergrenzende Spulen den gleichen Umgebungsbedingungen unterworfen sind. Temperatureffekte eliminiert werden.

Die Vergleiche können in jeder gewünschten Weise durchgeführt werden. Wie in F i g. 1 schematisch dargestellt werden die Zuleitungen jeder Einzelspule durch die Kabelstränge 20 und 21 nach außen gebracht und dann getrennt mit einer Abtastvorrichtung 24 verbunden, die einen Wechselstromleistungserzeuger, beispielsweise einen Oszillator 26 aufweist. Die Abtastvorhchtung 24 kann von beliebiger geeigneter Art sein; sie verbindet die Spulen in aufeinanderfolgenden Paaren in der weiter vorn schon beschriebenen Weise und leitet Signale einer Vergleichsschaltung 28 zu, die den Impedanzvergleich jedes Spulenpaares dann durchführt Die Vergleichsschaltung 28 führt dann ein Ausgangssignal so einer Auswerte- oder Leseeinheit 30 geeigneter Art zu. die die Position der Standhohe oder des Flüssigkeitsspiegels 14 durch ein beliebiges optisches oder hörbares Signal angibt oder die so ausgelegt sein kann, daß eine ständige Aufzeichnung vorgenommen wird.

Ein mögliches Ausführungsbeispiel einer Abtastvorrichtung und einer Vergleichsschaltung ist in Fig.2 dargestellt um die Wirkungsweise der Erfindung weiter zu erläutern; es versteht sich jedoch, daß an sich jede beliebige Art von Schaltungen verwendet werden 6n kann. Die Vergleichsschaltung der F i g. 2 ist von einer Brückenschaltung gebüdet die zwei Bezugszweige 32 and 34 aufweist, die in Widerstand und Induktivität identisch sein können; die beiden anderen Brückenzweige sind von den zu vergleichenden Spulen gebildet Die Brücke kann von einem rmt 36 bezeichnetem Oszillator oder Generator gespeist werden, der eine relativ hochfrequente Versorgungsspannung liefert in der Weise, daß der von den Spulen ausgehende Fluß ausreichend tief in das flüssige Metall eindringt, so daß die Genauigkeit nicht von dem Skin-Effekt beeinträchtigt ist, der auftreten kann, wenn die Frequenz zu hoch ist. Über den Diagonalzweig der Brücke ist dann eine geeignete Lese- oder Anzeigevorrichtung 38 geschähet, die das Brückengleichgewicht oder -Ungleichgewicht anzeigt.

Die zu vergleichenden Spulen 16 sind einzeln zur Bildung der beiden genannten Brückenzweige geschalltet. Daher werden bei der dargestellten Anordnung abwechselnde aufeinanderfolgende Spulen mittels eines Wahlschalters 40 in den einen Brückenzweig geschaltet, die verbleibenden Spulen werden von einem Wahlschalter 42 in dem anderen Brückenzweig eingeschaltet. Auf diese Weise erreidht man, daß man durch abwechselndes Bewegen oder Umschalten der Schalter 40 und 42 von einer Spule zur anderen aufeinanderfolgende Spulenpaare in der Brückenschaltung vergleichen kann. Sind daher die Schalter 40 und 42 auf ihre jeweiligen ersten Schaltstellungen geschaltet, dann sind die Spulen 16-1 und 16-2 in der Brücke zum Vergleich eingeschaltet. Wird dann der Schalter 40 auf die nächste Schaltstellung bewegt, dann sind die Spulen 16-2 und 16-3 in die Brücke geschaltet. Eine Bewegung des Schalters 42 auf seine nächste Schaltstellung führt dann zu einem Vergleich der Spulen 16-3 und 16-4, wie dies in F i g. 2 dargestellt ist. Es ist offensichtlich, daß durch eine solche abwechselnde aufeinanderfolgende Schaltbewegung der beiden Schalter von jeweils einer Schaltstellung zur anderen die Spulen in aufeinanderfolgenden Paaren verglichen werden, so daß der Punkt an welchem eine bemerkenswerte Impedanzänderung auftritt leicht bestimmt werden kann. Selbstverständlich können auch jede andere geeignete Schaltvorrichtungen verwendet werden, beispielsweise ein zweipoliger Schalter, der so ausgelegt ist. daß die Spulen wie beschrieben in aufeinanderfolgenden Paaren in die Brükke eingeschaltet werden; wie weiter vorn schon erwähnt ist es jedoch unmöglich, überhaupt auch ganz andere gewünschte Arten von Schalt- und Vergleichskreisen zu verwenden.

Bei der Schaltung der F i g. 2 kann die Anzeige- oder Lesevorrichtung 38 auf Null eingestellt werden, wenn die Brücke sich im Gleichgewicht befindet; die Widerstände 32 und 34 können so ausgewählt werden, daß dies eintritt wenn die in die Brücke eingeschalteten Spulen 16 sich in der Umgebungsluft befinden. Die Ablesung des Instruments 38 bleibt dann im wesentlichen unverändert bis die Spule bei oder unmittelbar unterhalb der Oberfläche 14 des flüssigen Metalls in die Brücke geschaltet wird. Diese Spule weist dann eine bemerkenswert unterschiedliche Impedanz zu der vorhergehenden Spule auf, was zu einem Ungleichgewicht der Brücke führt und zu einer Anzeige durch das Instrument 38.

Es ist offensichtlich, daß man auf diese Weise eine sehr genaue und reproduzierbare, zuverlässige Anzeige -der Flüssigkeitsstandhöhe erzielen kann. Da jede Spule -_v, 16 aufeinanderfolgend als Abtastspule und als Refe-'"' renzspule verwendet wird und da sämtliche Spulen in3 * wesentlichen identischen Umgebungsbedingungen un-" terworfen werden, lassen sich Ternperatureffektü auf fj sämtliche Spulen vollständig ausscheiden, da sämilliche-'*g Spaten den gleichen Temperaturänderungen umen»«!?^ fen sind. In ähnlicher Weise werden auch anderc-zirj Fehlern führende Wirkungen ausgeschalte!, bds|pWs?J weise solche, die auf unterschiedliche ZuI

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zurückzuführen sind, so daß man insgesamt eine vollständige Kompensation der Umweltbedingungen erreicht. Es läßt sich weiterhin noch feststellen, daß auch keine Eichung erforderlich ist, da die Position der Spule, an welcher die Impedaiizänderung auftritt, die Position oder die Höhe des Flüssigkeitsspiegels anzeigt, wobei die Spulenreihe insgesamt auf die notwendige Länge ausgelegt werden kann, um eine kontinuierliche Anzeige in dieser Weise über die gesamte Tankliefe oder über jeden gewünschten Teiltiefenbereich des Tankes zu geben. Die Erfindung stellt somit eine Vorrichtung zur Messung der Standhöhe eines flüssigen Metallspiegels zur Vergügung, die auf Grund ihres Aufbaues gegenüber Temperatureinflüssen und anderen Umgebungsänderungen kompensiert ist und die, ohne daß eine Eichung erforderlich ist, eine kontinuierliche Standhöhenanzeige zu liefern imstande ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

609649/352

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Claims (6)

Patentansprüche:

1. Stellungsanzeigevorrichtung nach dem Induktionsprinzip mit einer Anzahl räumlich übereinan- ;; der angeordneter koaxialer Windungen, dadurch gekennzeichnet, daß zur Standhöhenanzeige eines flüssigen Metallbades die Windungen als einfache, diskrete und gegeneinander isolierte F.inzelspulen (16-1,16-2,16-3 ...) angeordnet sind und eine Schaltungsanordnung (24,28; 36,38) vorgesehen ist, die die Impedanz jeder Spule mit der Impedanz der nächsten, räumlich angrenzenden Spule aufeinanderfolgend von dem einen Ende der Spulenreihe zum anderen vergleicht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vertikale Einzelspulen-Reihe in e.'nem sich in das flüssige Metallbad erstreckenden Rohr (22) angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die in enger Abstandsbeziehung zueinander angeordneten Einzelspulen mit einer Abtastanordnung (24) verbunden sind, die jede Spule einzeln in eine Vergleichsschaltung (28) schaltet.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (16-1, 16-2, 16-3 . . .) auf einem gemeinsamen magnetischen Kern (18) gelagert sind

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Schalter (40, 42) vorgesehen sind, die aufeinanderfolgend jede der Spulen und die nächste angrenzende Spule in eine Vergleichsschaltung schalten und daß der Vergleichsschaltung eine das Auftreten eines wesentlichen Impedanzunterschieds der Spulen anzeigende Anzeigeanordnung (38) zugeordnet ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichsschaltung eine Brückenschaltung mit zwei Festwiderständen (32, 34) in benachbarten Brückenzweigen und parallelliegenden Spulen (16-1, 16-3, 16-5 . . .; 16-2,16-4, 16-6 ...) in den beiden anderen Brückenzweigen ist, wobei an den entfernten Brückeneckpunkten Schalter (40, 42) vorgesehen sind, die aufeinanderfolgend jeweils eine der Spulen in die Brükke schalten.