DE2450790B2 - Messanordnung zur feststellung der standhoehe eines fluessigen metallbades - Google Patents

Description

ίο Die Erfindung bezieht sich auf eine Meßanordnung zur Feststellung der Standhöhe eines flüssigen Metailbades, bestehend aus zwei miteinander induktiv gekoppelten Spulen, deren Kopplung durch die Standhöhe des umgebenden Metallbades veränder-

bar ist, und aus einer mit einer der Spulen verbundenen Wechselstromquelle.

Eine solche Meßanordnung ist bekannt aus der britischen Patentschrift 1106 730. Bei dieser Standhöhenmeßanordnung sind zwei miteinander gekop-

ϊο pelte Spulen vorgesehen, die in das flüssige Metallbad untergetaucht sind. Einer der Spulen wird dabei eine Wechselspannung zugeführt. Die an der zweiten Spule abgenommene, auf diese induktiv übertragene Spannung wird einem rückgekoppelten Verstärker

»5 zugeführt, der so geschaltet ist, daß es gelingt, der Signaländerung, die durch Temperaturgang des Bades verursacht ist, mehr oder weniger gut zu begegnen. Zu diesem Zweck ändert sich der Widerstand im Rückführzweig des rückgekoppelten Verstärkers linear mit der Temperatur des Metallbades. Der Ausgang des rückgekoppelten Verstärkers ist über einen Gleichrichter mit einem die Standhöhe anzeigenden Meßinstrument verbunden.

Eine solche, die Temperatur des Metallbades zusätzlich abtastende Hilfsschaltung ist kompliziert und kann ihrerseits wieder Nichtlinearitäten unterworfen sein, insbesondere hinsichtlich des sich linear mit dei Temperatur ändernden Widerstands im Rückführzweig des rückgekoppelten Verstärkers.

Der grundsätzliche Aufbau und die Wirkungsweise einer Standhöhenmeßanordnung beruht darauf, daC auf einen langen, röhrenförmigen Trägerkörper zwei Spulen spiralig oder schraubenförmig aufgewickeli sind, die daher ständig miteinander gekoppelte Induktivitäten bilden. Da das umgebende flüssige Metallbad für die von der ersten Spule ausgehender Kraftlinien einen magnetischen Pfad bildet, veränderl die Standhöhe des Metallbades die Kopplung zwischen den beiden Spulen, so daß es auf diese Weise

;>o möglich ist, durch die Änderung des in der zweiter Spule induzierten Potentials auf die Standhöhe de: Metailbades rückzuschließen. Hierbei ist es jedocr erforderlich, daß dieses Potential eine lineare Funktion ausschließlich der Flüssigkeitsslandhöhe ist. Ir der Praxis ist diese an der Sekundärspule abgenommene Spannung jedoch nicht linear innerhalb der ge wünschten Grenzwerte. Außerdem weist sie eine be trächtliche Abhängigkeit von der Temperatur auf.
Neben der eingangs schon erwähnten Möglichkei zur Temperaturkompensation mit Hilfe eines rück gekoppelten Verstärkers ist es auch möglich, identi sehe, sich kompensierende Induktivitäten zu verwenden, die der gleichen Temperatur unterworfen sind aber auch hier gelingt es nicht, ein absolut lineare:

Ausgangssignal zu erzeugen, das von der Temperatu unabhängig ist.

Aus der DT-AS 11 78 224 ist eine weitere Anord nung zur Messung des Spiegelstandes einer Flüssig

keit bekannt, die mit Hilfe fines in dem Sianclgefaß der Flüssigkeit angeordneten Kondensators oder einer Spule arbeitet. Die Standhöhe der Flüssigkeit vird dadurch gemessen, daü der elektrische Blindwiderstand der im übrigen einzigen, in die Flüssigfceit eingetauchten Spule mittels .ines Quotientenmessers gemessen wird, dessen Meßkreisspule der iber die in die Flüssigkeit eintauchenden Spule speisenden Spannungsquelle gelieferte Strum je über Gleichrichter zugeführt werden.

Der Zweck dieser bekannten Anordnung liegt darin, eine Unabhängigkeit der Anzeige der Meßeinrichtung von der Frequenz der Hilfsspannungsqueile oder von dem Verlustwinkel der Flüssigkeit ^u erreichen; ein möglicher Tempeniturgang der MeIianordnungen insgesamt wird hierbei überhaupt nicht berücksichtigt.

Uter Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Standhöhenmeßanordnung bei einem flüssigen Metallbad zu schaffen, die keine getrennten Systeme zur Temperaturkompensation benötigt., einfach aufgebaut ist und ein absolut lineares Ausgangssignal zur Verfugung stellt, das ausschließlich von der Standhöhe der Flüssigkeit abhängig ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung aus von der eingangs als bekannt vorausgesetzten Meßanordnung zur Feststellung der Standhöhe eines flüssigen Metallbades und besteht erfindungsgemäß darin, daß von der mit der Wechselstromquelle verbundenen ersten Spule ein sich mit der Temperatur des Metallbades änderndes Temperatursignal abgeleitet ist, daß dieses Tempeiratursignal und das iinkorrigierte, durch die magnetische Kopplung des Bades in der zweiten Spule induzierte Standhöhensignal einer elektronischen Syntheseschaliung zügeführt sind, die so ausgebildet ist, daß durch Verknüpfung beider Eingangssignale ein der Flüssigkeitsstandhöhe proportionales Ausgangssignal gewonnen wird, welches eine nichtlineare Funktion der Amplituden des Temperatursignals und des Standhöhensignals ist.

Vorteilhaft ist bei der Erfindung, daß keine Kompensationseinrichtungen oder Hilfsschaltiingen, etwa zur getrennten Temperaturabtastung erforderlich sind, derm der Erfindung gelingt es, die Induktivität der in das Metallbad eintauchenden Abtastanoidnung so zu gestalten, daß diese als ihr eigener Temperatursensor arbeitet. Dies ist deshalb möglich, weil Sensoren für Flüssigkeitsstandhöhen auf Grund der ihnen eigenen Natur nur sehr geringe Induktivitäten aufweisen.

Tatsächlich führt der geringe Durchmesser und der hochwiderstandstemperaturfeste Draht, der für solche Induktivitäten verwendet werden muß. dazu, daß sich ein sehr hoher Widerstand, verglichen mit der induktiven Reaktanz, bei solchen Sensoren ergibt. Dies führt so weit, daß die Induktivität auch als ein aus Draht gewickelter Widerstand angesehen werden kann. Indem eine Spule aus einem hochtemperaturfesten Draht gewickelt wird, der einen nennenswerten Temperaturgang oder einen beträchtlichen spezifischen TemperaturkoelTizienten aufweist. IiBi sich die gleiche Spule auch als Temperaturmeßgeräi verwenden. Eine lineare Beziehung /wischen dem spezifischen Widerstand oder dem Widerstand allgemein und der Temperatur ist nicht erforderlich, da die Erfindung Mittel vorsieht, um die Temperatur- und Standhöhensignale getrennt /u verarbeiten, so daß Nichtlinearitäten und Temperatureinflüsse kümmert werden können.

Weitere Ausgestaltungen sind Gegenstand der L'nteransprüche und in diesen niedergelegt.

Im folgenden werden Aufbau und Wirkungsweise eines Austührungsbeispiels der Erfindung an Hand der Figuren im einzelnen näher erläutert. Dabei zeigt

Fig.! in einer seitlichen Darstellung eine typische Standhöhenmeßartordnuns für ein flüssiges Metallbad, gebildet aus kontinuierlich gekoppelten Induktivitäten,

Fig. IA einen vergrößerten Ausschnitt mit teilweise weggebrochenen Teilen des dualen Spulenaufbaus des Sondenteils der F i g. 1.

Fig. 2 eine dem Sondemeil der Fig. 1 zugeordnete elektrische Schaltung,

F i g. 3 als schematisches Schaltbild eine Schaltungsanordnung zur Korrektur des Temperatureinflusses und sonstiger nichtlinearer Einflüsse mit Hilfe analoger Yerarbeitungstechniken und

F i g. 4 ein Schaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels zur Korrektur von Nichüinearitäten und Temperatureinflüssen.

Wie die Zeichnung und insbesondere die F i g. 1 und 1 A zeigen, ist ein Tank oder Behälter 10 teilweise mit einem flüssigen Metallbad 12 bis zur Höhe L angefüllt. In das Metallbad 12 hinein erstreckr sich ein Tastgeber oder eine Sonde 14, die von geeigneten, nicht dargestellten Mitteln getragen ist. Wie dei Fig. IA entnommen werden kann, besteht die Sonde 14 aus einem Kern 16. um den ein Paar induktiver Spulen oder Spulenwieklungen 18 und 20 herumgewickelt sind. Be; dem speziellen Ausführungsbeispiel der Fig. IA weist die innere Spule 20 einen kleineren Durchmesser auf als die äußere Spule 18. die beiden Spulen können jedoch ineinandergreifen und zwar über eine solche Länge, wie sie induktis miteinander gekoppelt sind, über Zuleitungen 22 und 24 (Fig. 1) sind die beiden Spulen 18 und 20 mit noch zu beschreibenden Treiber- und Anzeigeschaltungen 26 verbunden.

In Fig. 2 ist nun dargestellt, wie die beiden Spulen 18 und 20 in Reihe mit Widerständen 28 und 3ί geschaltet sind, die die den Spulen eigenen Widerstände umfassen. Die Spule 18 ist aus einem Material hergestellt, welches einen hohen Temperaturkoeffixienten des spezifischen Widerstandes aufweist unc ist mit der Sekundärwicklung 32 eines Transformator! 34 verbunden. Die Primärwicklung 36 dieses Transformators 34 ist an den Ausgang eines Operationsver stärkers 38 angeschlossen. Der eine Eingang de: Operationsverstärkers 38 ist mit einer Wechselspan nungsquelle 40. der andere Eingang ist zusammen mi dem unteren Anschluß der Primärwicklung 36 de· Transformators 34 über einen Widerstand 42 mi Masse verbunden. Die Sekundärwicklung 20 de Sonde 14 liegt ar. beiden Eingangen eines zweiter Operationsverstärkers 44.

Der erste Operationsverstärker 38. der den strom .■ibrastenden Shur.t oder P.-rvMehvUier<t.-nd 42 al Rückführele'v.e-n; \ e Γ··-.-: η-.kt. a-be^et als Konstant stromquelle ;ip" dt γ- b.-c!ifre.:'.;c;ix:: Wechselstrom Das heißt mit andere:· Worten. dai3 der die Primär wicklung '8 der Sonde 14 /uce;'ühne Strom über dei Arbeitsbereich gesehen unabhängig. \oii ihrer Im pe danz i-t. Die Primärwicklung 18 im dabei dargestell in der Form, daß sie zwei Anschlußsätzx- aufweist nämlich einmal Stromanschlüsse c und Potential oder Spannunesanschlüsse p. Das Potential über dei

Ar"

Potentialanschlüssen ρ ist eine Funktion der Spulenimpedanz und wird von einem geeigneten Umformer 43 in ein Gleichstromsignal umgewandelt. Der Ausgang des Umformers 43 bildet ein Temperatursignal T_s. Es ist eine bekannte Tatsache, daß die Primärwicklung eines Sensors oder einer Sonde dieser Art weitgehend ohmisch ist, insbesondere wenn kein Magnetkern verwendet wird. So ist in dieser Hinsicht ein Widerstand/Reaktionsverhältnis von 700:1 gemessen worden. Wenn dies der Fall ist, dann ist das Potential über der Primärwicklung 18 nahezu gleich dem ohmschen Spannungsabfall über dem mit dem Bezugszeichen 28 bezeichneten Spulenwiderstand. Wenn dieser Spulenwiderstand seinerseits nun, wie schon erwähnt, einen hohen spezifischen Temperaturwiderstandskoeffizieriten aufweist, dann ist dieser Spannungsabfall gleichzeitig auch eine Funktion der Spulentemperatur. Auf Grund der Erregung mittels einer Konstantstromquelle werden die primären Amperewindungen durch diese Widerstandsänderung nicht beeinflußt. Die sekundäre Windung oder Wicklung 20 blockiert nun den großen ohmschen Spannungsabfall an der Primärspule und überträgt lediglich die kleine quadratische Spannung, die eine Funktion der Standhöhe der metallischen Flüssigkeit in dem Bad ist. Da der Operationsverstärker 44 in der Weise geschaltet ist, daß er als Schaltung mit hoher Eingangsimpedanz arbeitet, wird der Abschwächeffekt des sekundären Spulenwiderstandes R₅ stark reduziert. Von einem weiteren Umformer 45 wird der Ausgang des Operationsverstärkers 44 in ein Gleichstromsignal umgewandelt; dieser zweite Umformer 45 besteht ebenfalls aus einem Operationsverstärker, einem phasenempfindlichen Glied oder einem sonstigen geeigneten Schaltungselement. Der Ausgang des Umformers 45 stellt das unkompensierte Standhöhensignal L₅ der Flüssigkeit dar.

Signale von solchen induktiven Sensoren werden üblicherweise mit Hilfe eines elektronischen Verstärkers verarbeitet, der eine lineare Übertragungsfunktion hat. In diesem Falle ist jedoch das verarbeitete Ausgangssignal eine nichtlineare Funktion zweier

ίο Eingangsvariabler, des Temperatursignals T_s und des Standhöhensignals L₅. Die nichtlineare Übertragungsfunktion / (T₅, L₃) kann elektronisch synthetisiert werden, also zusammengesetzt werden,entweder digital, indem die beiden erwähnten Signale T₅ und L₅ in digitale Signale umgewandelt werden, oder durch eine analoge Signalverarbeitung.

Analoge Systeme zur elektronischen Zusammensetzung der nichtlinearen Übertragungsfunktion sind in den F i g. 3 und 4 gezeigt. In der Schaltung der Fig. 3 werden die erwähnten Temperatur-und Standhöhensignale T₅ und L₅ über Leitungen 46 und 48 an Potentiometer P₂ und P₃ angelegt; die gleichen Signale werden in Multiplizierschaltungen X₁, X₂, Z₃ und X_A multipliziert. Die Ausgänge der Multiplizierschaltungen sind ihrerseits an Potentiometer P₄, P₅, P„ und P₇ angelegt. Mit einem Potentiometer P₁ ist eine Batterie 58 oder eine sonstige ähnliche Quelle für Gleichstrom verbunden; die Abgriffe sämtlicher Potentiometer P₁ bis P₇ werden einem Summierverstärker 60 zugeführt, dessen Ausgang eine nichtlineare Übertragungsfunktion j (T₅, L₅) bildet. Mit der Schaltung der Fig. 3 läßt sich die Übertragungsfunktion wie folgt festlegen:

f(T_s, L₅) = C₁ + C₂L₅

C₃T₅

2 _{+ Cf}.L_sT₅ + C₇LfT₅...

Die Anzahl der benötigten Begriffe oder Terme hängt von dem gewünschten Korrekturwert ab. Die Potentiometer P₁ bis P₇ und die ihnen zugeordneten Widerstände bestimmen den Wert der Koeffizienten C₁ bis C₇ in der vorhergehenden Gleichung. Bei der Eichung werden die Signale T₅ und L_s gemessen und tabellenmäßig über den gewünschten Temperaturarbeitsbereich festgelegt. Dabei wird das Temperatursignal T₅ aufgezeichnet und nicht die tatsächliche Temperatur. Auf diese Weise läßt sich jede Nichtlinearität der Temperaturmessung herauseichen. Diese Daten werden dann mit Hilfe eines digitalen Rechners weiterverarbeitet, der bekannte Kurvenanpassungstechniken verwendet, um die Werte der Koeffizienten C₁ bis C₇ zu berechnen und festzulegen. Die Potentiometer P₁ bis P₇ werden dann entsprechend diesen Werten eingestellt.

Die Schaltung der F i g. 3 kann beträchtlich vereinfacht werden und wird lediglich zur Darstellung verwendet. Sind beispielsweise nur 6 Terme erforderlieh, dann läßt man sich die Übertragungsfunktion so erneut ordnen, daß lediglich eine Multiplizierschaltung benötigt wird. Dies ist in der Schaltung der F i g. 4 gezeigt, bei welcher die Abgriffe der Potentiometer P₁ und P₃ dem Eingang eines Summierverstärkers 62 zugeführt werden, während die Abgriffe der Potentiometer P₄ bis P₆ dem Eingang eines Summierverstärkers 64 zugeführt sind.

Die Ausgänge der beiden Summierverstärker 62 und 64 werden dann in der Multiplizierschaltung 66

multipliziert zur Erzeugung der gewünschten Übertragungsfunktion in Übereinstimmung mit der Gleichung:

/(J_S! L_s) = (A₁ + A_nT₅ + A₃L₅) (B₁ + B₂T₅ + B₃L₅)

Wo eine größere Genauigkeit oder andere Um- auf die beiden Variablen T₅ und L beschränkt zu stände in Betracht gezogen werden müssen, können werden brauchen. Beispielsweise kann auch eine die Signale T₅ und L₇ auch in eine digitale Form 6o dritte Variable t, die die Zeit darstellt, verwendet umgewandelt und dann, wie erwähnt, mit Hilfe eines werden, um zeitabhängige Effekte zu korrigieren und digitalen Rechners weiterverarbeitet weiden. Es ver- zu kompensieren, steht sich auch, daß ein solches Verfahren nicht nur

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Meßanordnung zur Feststellung der Standhöhe eines flüssigen Metallbades, bestehend aus zwei miteinander induktiv gekoppelten Spulen, deren Kopplung durch die Standhöhe des umgebenden Metallbades veränderbar ist, und aus einer mit einer der Spulen verbundenen Wechselstromquelle, dadurch gekennzeichnet, daß von der mit der Wechselstromquelle (40, 38, 34) verbundenen ersten Spule (18, 28) ein sich mit der Temperatur des Metallbades änderndes Temperatursignal (T_s) abgeleitet ist, daß dieses Temperatursignal (T_s) und das unkorrigierte, durch die magnetische Kopplung des Bades in der zweiten Spule (20) induzierte Standhöhensignal (L_s) einer elektronischen Syntheseschaltung (P₁ bis P₇; X, X₁ bis Af₄; 60, 62, 64, 66) zugeführt sind, die so ausgebildet ist, daß durch Verknüpfung beider Eingangssignale (T_s, L_s) ein der Flüssigkeitsstandhöhe proportionales Ausgangssignal gewonnen wird, welches eine nichtlineare Funktion der Amplituden des Temperatursignals (T_s) und des Standhöhensignals (L_s) ist.

2. Meßanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mit der ersten Spule (18, 28) verbundene Wechselstromquelle (40, 38, 34) eine Konstantstromquelle ist.

3. Meßanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kopplung der Wechselspannung auf die eine Spule (18) ein Operationsverstärker (38) vorgeschaltet ist.

4. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die andere Spule (20) mit dem Eingang eines weiteren Operationsverstärkers (44) verbunden ist.

5. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Spule (18) aus einem einen hohen spezifischen Widerstandstemperaturkoeffizienten aufweisenden Material besteht.

6. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die auf elektronischem Wege ein der Flüssigkeitsstandhöhe proportionales Ausgangssignal erzeugende Syntheseschaltung von auf das Temperatursignal (7"_s) und das Standhöhensignal (L₅) ansprechende Potentiometer (P, bis P₇) und Multiplizierschaltungen (X₁ bis A^) umfaßt.

7. Meßanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangssignale (T_s, T₁) der Syntheseschalt'ing den Potentiometern (P₁ bis P₃) entweder direkt oder über Multiplizierschaltungen (X_x bis X_t) zugeführt sind, deren Ausgänge wiederum über Potentiometer (P₁ bis P₇) einem summierenden Verstärker (60) zugeführt sind, der an seinem Ausgang die nichtlineare Übertragungsfunktion der beiden Eingangssignale bildet.

8. Meßanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Eingangssignale (T_s, T₁) der Syntheseschaltung jeweils mit dem einen Anschluß von Potentiometern (P₁ bis P₅) verbunden sind, deren Abgriffe getrennt den Eingängen von Summierverstärkern (63, 64) zugeführt sind und daß die Ausgänge der Summierverstärker mit einer nachgeschalteten Multiplizierschaltung (66) verbunden sind.