DE3045284A1 - Float for use in tank gauging systems - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Behälter-Füllstandameßsysteme mit freibeu/eglichem Schwimmer und betrifft insbesondere einen elektrostatisch sicheren Schwimmer für solche Systeme.

Für die Füllstandsmessung der Flüssigkeit in einem Vorratsbehälter wird derzeit verbreitet eine lotrecht im Behälter montierte Führung verwendet, um die herum ein toroidförmiger Schwimmer angeordnet ist, der auf der Flüssigkeitsoberfläche schwimmt. Wenn sich der Schwimmer entsprechend dem Flüssigkeitsspiegel aufwärts und abwärts bewegt, wird seine Position zur Anzeige des Flüssigkeitsspiegels bzw. -füllstands im Behälter durch geeignete Einrichtungen abgegriffen.

Diese Meßvorrichtung ist in den meisten Fällen zufriedenstellend, doch stellt sie bei Behältern, die brennbare Flüssigkeiten enthalten, aufgrund einer elektrostatischen Aufladung eine mögliche Gefahrenquelle dar. Im Fall von Vorratsbehältern, die zur Umgebungsatmosphäre teilweise offen sind, etwa bei

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Kegelkopfbehältern (cone-roof tanks), ist die durch elektrostatische Aufladung bedingte Gefahr weitgehend herabgesetzt.

Es ist bekannt, daß sich eine Flüssigkeit bei der Förde- . rung in einen Vorratsbehälter elektrostatisch auflädt. Die Größe dieses Ladungsaufbaus hängt dabei von der Strömungsgeschwindigkeit und der Leitfähigkeit der Flüssigkeit ab. Wenn diese Ladungsaufbaugröße oder -geschwindigkeit das Aus-maß, in welchem die Ladung neutralisiert wird, übersteigt, ist in der Flüssigkeitsmasse und mithin auch im Schwimmer I eine Netto- bzw. Restladung vorhanden. Beispielsweise können". Flüssigkeiten mit einer Leitfähigkeit von weniger als 50 Pico-Siemens bei Strömungsgeschwindigkeiten von mehr als 1 m/s beim Füllvorgang eine Restladung von 30 - 40 kV entwickeln.

Diese Restladung wird in einer vorbestimmten, als Relaxationszeit bezeichneten Zeitspanne völlig neutralisiert. Diese Zeitspanne kann im Bereich von einigen Sekunden im Fall von Rohöl bis zu mehreren Minuten für Benzin oder Strahltriebwerk-Treibstoff liegen.

Wenn während dieser Zeitspanne der Schwimmer sehr dicht an die lotrechte Führung oder mit dieser in Berührung gelangt, kann im Dampfraum des Behälters ein elektrostatischer Funke so großer Energie entstehen, daß die entflammbaren Dämpfe gezündet werden.

Eine bisherige Lösung dieses Problems sieht vor, daß der Schwimmer mittels eines Erdungsdrahts ständig an elektrische Masse gelegt ist. Dabei werden die beiden Bauteile, d.h. der Schwimmer und der Erdungsdraht, auf gleichem elektrischen Potential gehalten. Der Nachteil dieser Lösung besteht in der Aufrechterhaltung einer zuverlässigen (Masse-)Verbindung bei Ermöglichung einer freien Verlagerung des Schwimmers mit dem Flüssigkeitsspiegel.

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Eine andere diesbezügliche Lösung sieht die Verwendung eines radioaktiven Strahlers im Inneren des Schwimmers vor. Dieser Strahler ionisiert den Dampfraum zwischen dem Schwim-*-. mer und der Führung, so daß dieser Raum leitfähig wird. Hierdurch wird eine Entladungsstrecke niedriger Impedanz zwischen , Schwimmer und Führung hergestellt, so daß die beim Füllvor- :.. gang entstehende statische elektrische Ladung neutralisiert ;. wird, bevor sich eine für Funkenbildung ausreichende Nettooder Restladung aufgebaut hat. Der offensichtliche Nachteil ."\ dieser Maßnahme liegt darin, ob der Benutzer des Behälters II den radioaktiven Strahler akzeptiert.

Aufgabe der Erfindung ist damit insbesondere die Schaffung eines Schwimmers für eine Anordnung zur Flüssigkeitsfüllstandsmessung in einem Behälter, wobei der Schwimmer speziell unter Vermeidung der Nachteile der bisherigen Vorrichtungen dieser Art die Entstehung einer elektrostatischen Aufladung sicher verhindern soll.

Diese Aufgabe wird durch die in den beigefügten Patentansprüchen gekennzeichneten Merkmale gelöst.

In bevorzugter Ausführungsform weist der Schwimmer einen Körper mit einer öffnung oder Bohrung zur Aufnahme der Führung auf, wobei der Schwimmer-Körper als Auftriebskörper wirkt, der halterungsfrei auf der Flüssigkeitsoberfläche schwimmt.

Eine mit dem Schwimmer-Körper verbundene Entladungsanordnung umfaßt ein unterhalb des Flüssigkeitsspiegels um die Führung herum angeordnetes rohrförmiges Element, dessen Radius in bezug auf den Radius des Schwimmer-Körpers so gewählt ist, daß die Strecke niedrigsten Widerstands für eine elektrostatische Funkenentladung am Schwimmer unterhalb des Flüssigkeitsspiegels verbleibt.

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Im folgenden ist eine bevorzugte Ausführungsform der
Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen: :.

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Behälter-Füllstandsmeßsystems mit einem Schwimmer gemäß
der Erfindung,

Fig. 2 eine in vergrößertem Maßstab gehaltene, teilweise

weggeschnittene perspektivische Darstellung des '. erfindungsgemäßen Schwimmers und

Fig. 3 eine schematische Darstellung der Beziehung zwischen den beiden Radien Rl und R2 bei der Schwimmerkonstruktion gemäß der Erfindung.

In Fig. 1 ist ein Behälter-Füllstandsmeßsystem 10 mit
einem Schwimmer gemäß der Erfindung dargestellt, wobei ein
Vorrats-Behälter 12 ein Flüssigkeitsvolumen 14, etwa Benzin, dessen Füllstand gemessen werden soll, und einen Dampfraum
16 enthält. Eine Führung(ssäule) 18 ist mittels einer Seilrollenanordnung 20 in lotrechter Stellung verspannt. Der
Behälter 12 und die Führung 18 sind beide elektrisch geerdet.

Ein Schwimmer 22 mit einer Bohrung 24 und einem Magneten
26 ist so auf die Führung 18 aufgesetzt, daß er mit dem Flüssigkeitsspiegel ungehindert in lotrechter Richtung bewegbar
ist. Wenn sich der Schwimmer 22 bei ansteigendem oder fallendem Flüssigkeitsspiegel verlagert, wird die Position des
Magneten 26 auf zweckmäßige Weise mittels einer aufgesetzten Abgreifanordnung 28 (top works assembly) abgegriffen, um
hierdurch eine unmittelbare Anzeige des Flüssigkeitsspiegels zu liefern. Ein Beispiel einer solchen Meßanordnung ist in
der USA-Patentanmeldung 904 692 beschrieben.

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In der Nähe des Bodens des Behälters 12 ist für das Umfüllen der Flüssigkeit eine Einlaß- bzw. Füllanordnung 30 mit einer Pumpe 32, einem Füllrohr 34 und einem Filter 36 angeordnet. Typischerweise wird der Behälter 12 mittels geregelter Förderung gefüllt, wobei die Flüssigkeit in den Behälter hineingedrückt wird. Wie erwähnt, kann sich beim Umfüllvorgang eine Netto- oder Restladung in der Flüssigkeitsmasse aufbauen.

Vor der genaueren Erläuterung der Erfindung seien zunächst.. dre Entstehung und die Auswirkungen def elektrostatischen Aufladung dargelegt.

Wenn zwei verschiedenartige Materialien, von denen mindestens eines ein guter Isolator ist, in innige Berührung miteinander gebrächt und relativ zueinander bewegt werden, entsteht bekanntlich eine elektrostatische Ladung, wobei das eine Material positiv und das andere negativ aufgeladen wird. Diese Erscheinung tritt auch beim Befüllen eines Vorratsbehälters auf. Wenn dabei eine Flüssigkeit mit hoher dielektrischer Durchschlagsfestigkeit (etwa eine entflammbare Flüssigkeit) mit hoher Strömungsgeschwindigkeit in den Behälter gefördert wird, wird die Flüssigkeit elektrostatisch aufgeladen.

Die Hauptursache für die elektrostatische Aufladung ist die Strömungsgeschwindigkeit. Die elektrostatische Ladung entsteht dabei in erster Linie aufgrund der Reibungsberührung zwischen der Flüssigkeit und der Oberfläche eines etwa in der Förderleitung vorhandenen Filters. Die Erzeugung der elektrostatischen Ladung wird durch andere Bedingungen, wie Flüssigkeitsberührung mit den Innenwandflächen der Förderleitung, Turbulenz und Druck der eingeschlossenen Luft, Wasser und dgl. in der Flüssigkeit, noch begünstigt.

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Als Gegenmaßnahme für den Einfluß der Strömungsgeschwindigkeit bietet sich die Neutralisierung der Ladung im Behälter während des Befüllens desselben an. Im allgemeinen ist die Ladung bestrebt, zu den Behälterwandungen und zur Führung abzufließen, die, wie erwähnt, beide elektrisch an Masse liegen bzw. geerdet sind.

Das Ausmaß der Ladungsneutralisierung, d.h. die Relaxationszeit (T), ist der Leitfähigkeit der Flüssigkeit umgekehrt" proportional. Diese Beziehung läßt sich wie folgt ausdrücken: ".'.

T = ^EEo

Darin bedeuten:

E dielektrische Konstante der Flüssigkeit (etwa 2 im Fall von Kohlenwasserstoffen),

E dielektrische Konstante eines Vakuums und k Leitfähigkeit der Flüssigkeit.

Die Gefahr für eine elektrostatische Funkenbildung (electrostatic hazard) läßt sich als eine Erscheinung definieren, bei der ein zur Zündung der Dämpfe im Dampfraum ausreichend starker Funke erzeugt wird. Ein Schwimmer stellt aufgrund seines Vorhandenseins bereits eine Ursache für eine solche Gefahr dar, da er einen Ort bildet, an dem eine elektrostatische Funkenentladung auftreten kann. Der beim Füllvorgang zwischen dem Schwimmer und der Führung bestehende große Potentialunterschied führt zur Entstehung eines elektrostatischen Felds im Bereich zwischen Schwimmer und Führung. Wenn die Oberfläche des Schwimmers leitfähig ist, wird durch dieses elektrostatische Feld der Schwimmer an die Führung herangezogen. Wenn der Schwimmer nahe genug an die Führung oder in Berührung mit ihr gelangt, kann im Dampfraum ein Spalt oder eine Strecke kleinsten Widerstands entstehen, an dem bzw. der eine elektrosta-

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tische Funkenentladung auftreten kann. Der für die Funkenbildung nötige Mindesfcwiderstand dieser Strecke hängt von der Ladungsmobilität in der Nähe des Schwimmers, dem elektrostatischen Potential und der dielektrischen Konstante des Dampfraums ab.

Damit ein Funke zd einer Zündung führen kann, müssen zu/ei: Faktoren gegeben sein» Erstens muß das Dampf/Luft-Mischungsverhältnis im Dampfraum im explosionsfähigen Bereich, als ^: stöchiometrischer Bereich bezeichnet, liegen, und zweitens ;* muß der Funke genügeHd Energie enthalten.

Das Dampf/Luft-Migbhungsverhältnis im Dampfraum hängt von verschiedenen Faktoren ab, etwa der Art des Behälters und der Behältertemperatur. Wenn die Konzentration der entflammbaren Dämpfe zu groß ist, kann aufgrund des Sauerstoffmangels keine Entzündung erfolgen. Ist die Konzentration dagegen zu niedrig, so ist nicht genügend Brennstoff für die Zündung vorhanden. Zwischen diesen Grenzbereichen liegt ein Konzentratiönsbereich mit liner (bestimmten) Konzentration, bei welcher eine Zündung am leichtesten auftreten kann. Dies ist etwa bei einem stöchilometrischen Mischungsverhältnis von Dampf und Luft der Fall. Oberhalb der Explosionsgrenze ist die Dampfkonzentratiön derart, daß keine Zündung auftritt, wieviel Energie auch immer zur Verfügung steht. Am anderen Endpunkt befindet sich die untere Explosionsgrenze, unter welcher ebenfalls keine Zündung erfolgt. Wenn die Dampfkonzentration vom etöchiom&trischen Mischungsverhältnis abweicht, ist eine höhere Energie für die Zündung nötig, bis einer der Grenzpunkte erreicht ist, ab welchem keine Energiemenge mehr zu einer Zündung' führt. Im Fall von Kohlenwasserstoffen liegt der stöchiometitische Bereich typischerweise bei einer Dampfkonzentration vbn 1,5 - 11 Vol.-?o.

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V V ""ν *-' ■— -»

Im Fall von Kohlenwasserstoffen beträgt die für eine Zündung erforderliche Energiemenge eines Funken typischerweise G,25 Millijoule. Diese Energiemenge kann in einem ;--Körper mit genügend hoher Kapazität ohne weiteres gespeichert, werden. Wenn beispielsweise ein statisches elektrisches Potential von 1600 \l vorausgesetzt wird, das für eine static., sehe Ladung vergleichsweise klein ist, beträgt die für die '--Speicherung einer Energie von 0,25 Millijoule erforderliche Kapazität nur 200 pF. _:"

Fig. 2 veranschaulicht in perspektivischer Darstellung den Schwimmer 22 mit einer Entladungseinrichtung, die derart unterhalb der Flüssigkeitsoberfläche angeordnet ist, daß ein etwa erzeugter Funke unterhalb des Flüssigkeitsspiegels und nicht im Dampfraum auftritt. Dies bedeutet, daß der erfindungsgemäße Schwimmer eine Geometrie besitzt, durch die gewährleistet wird, daß die Entladungsstrecke für einen Funken unterhalb des Flüssigkeitsspiegels bleibt. Infolgedessen kann wegen des Sauerstoffmangels keine Zündung erfolgen.

Der Schwimmer 22 umfaßt einen Körper 38, eine Entladungsanordnung 40 und einen Magneten 26. Vorzugsweise ist der Schwimmer 22 aus einem nicht-leitfähigen Werkstoff hergestellt, so daß die Ladungsmobilität an seiner Oberfläche weitgehend herabgesetzt ist und die Auswirkungen des im Bereich der Bohrung 24 erzeugten elektrostatischen Felds weitgehend unterdrückt werden.

Der die Bohrung 24 aufweisende Schwimmer-Körper 38 dient als Auftriebselement, um den Schwimmer auf der Flüssigkeitsoberfläche in stabiler Lage zu halten. Der Körper 38 besteht aus einem Kern 42 aus Urethanschaum, der mit einer dichten Schale 44 überzogen ist. Die Schale 44 besteht aus einem Gemisch aus Epoxyharz mit winzigen Glashohlkügelchen.

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Die mit dem Schwimmer-Körper 38 verbundene, (im Betrieb) unter dem Flüssigkeitsspiegel liegende Entladungsanordnung umfaßt Tragelemente 46, einen Tragring 48 und ein Rohrelement bzw. einen Rohrstutzen 50. Die Tragelemente 46 sind auf passende Weise, etwa mittels Verblockungsbohrungen 52, mit dem Körper 38 verbunden und zur Halterung des Tragrings 48 in fester Lage vorgesehen.

Der Tragring 48 dient als Schutz bzw. Aufnahme für den Magneten 26 und zur Halterung des Rohrstutzens 50 in festgelegter, konzentrischer Lage zum Schwimmer-Körper 38. Vorzugsweise bestehen die Tragelemente aus Nylon, während der Tragring aus demselben Werkstoff besteht wie die Schale 44.

Der Rohrstutzen 50 befindet sich im Normalbetrieb unterhalb des Flüssigkeitsspiegels, wobei er als die hauptsächliche Entladungseinrichtung des Schwimmers wirkt. Der Radius (Rl) des Rohrstutzens 50 ist in bezug auf den Radius (R2) der Bohrung 24 so gewählt, daß sich die Strecke kleinsten Widerstands für eine elektrostatische Funkenentladung in allen Orientierungen des Schwimmers in der Ebene gemäß Fig. 1 unterhalb des Flüssigkeitsspiegels befindet.

Fig. 3 verdeutlicht die Beziehung zwischen den Radien Rl und R2. Dabei ist ein elektrostatisch aufgeladenes Element mit einer einem Halbschnitt des Schwimmers 22 ähnelnden geometrischen Form relativ zu einem elektrisch geerdeten Draht 56 dargestellt. Das Element 54 besitzt eine in einem Abstand R2 vom Draht angeordnete Fläche 58 und eine in einem Abstand Rl vom Draht befindliche Fläche 60. Infolgedessen sind zwei mögliche Entladungsstrecken gegeben, nämlich die Strecke Rl und die Strecke R2.

Bekanntlich entlädt sich eine elektrostatische Ladung stets auf der Strecke des kleinsten Widerstands, nämlich beim angenommenen Beispiel über die Strecken Rl oder R2, je nach deren relativem Widerstand.

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-M-

Der Widerstand der Strecken Rl und R2 hängt worn spezifischen Widerstand der Flüssigkeit 14 bzvi/. des Dampfs 16 ab. Beispielsweise beträgt der spezifische Widerstand eines typischen Kohlenwasserstoffs 150 kV/25,4 mm (etwa 5,9 kV/mm), I* während derjenige des Dampfraums 16 in der Größenordnung von '-30 kV/25,4 mm (etwa 1,18 kV/mm) liegt. Der Faktor (k) des spezifischen Widerstands von Dampf zu Flüssigkeit beträgt da- ;-her 5. Wenn somit der Radius R2 das Fünffache des Radius Rl beträgt, sind die Widerstände der Entladungsstrecken unter und über dem Flüssigkeitsspiegel jeweils gleich groß. Diese Bemes-I sung ist offensichtlich nicht zulässig, weil in diesem Fall oberhalb und unterhalb der Flüssigkeitsoberfläche eine gleich gr.oße Wahrscheinlichkeit für eine Funkenbildung besteht.

Um die Strecke kleinsten Widerstands unter der Flüssigkeitsoberfläche zu halten, hat es sich gezeigt, daß ein Sicherheitsfaktor (SF) von 3 oder 4 annehmbar ist. Bei einem Radius R2 von 76,2 mm und einem Sicherheitsfaktor von 3 ergibt sich somit der Radius Rl zu:

R2
Rl = (_SF) (_k) = 5,08 mm.

Die Länge des Rohrstutzens 50 wird so gewählt, daß bei der Drehung des Schwimmers in der Ebene gemäß Fig. 1 sichergestellt ist, daß die Strecke kleinsten Widerstands unterhalb des Flüssigkeitsspiegels bleibt. Wenn sich mithin das Element 54 in der Ebene von Fig. 3 dreht, bildet die durch die Fläche 60 gebildete Strecke (Rl) stets die Strecke kleinsten Widerstands für die im Element 54 enthaltene Ladung. Vorzugsweise besitzt der Rohrstutzen 50 beim beschriebenen Ausführungsbeispiel eine Länge von 152,4 mm.

Die Innenfläche des vorzugsweise aus Nylon bestehenden Rohrstutzens 50 ist zur Gewährleistung einer ungehinderten Bewegung des Schwimmers an beiden Enden abgeschrägt bzw. angefast.

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Weiterhin ist eine sekundäre Entladuhgseinrichtung für den Fall vorgesehen, daß sich der Schwimmer 22 von der Führung trennen sollte. Dar Schwimmer-Körper 38 ist zu diesem Zweck mit einer normalerweise unter dem Flüssigkeitsspiegel befindlichen Lippe bzw. Kante 62 versehen, deren Länge so bemessen ist, daß sie im Fall einer Trennung des Schwimmers von der Führung unterhalb der Flüssigkeitsobörfläche die Strecke des kleinsten Widerstands festlegt, falls sich der Schwimmer gegen die Wandung des Behälters 10 oder ausreichend dicht an diese heran bewegt.

Obgleich vorstehend nur eine derzeit bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dargestellt und beschrieben ist, ist die Erfindung keineswegs hierauf beschränkt, vielmehr sind dem Fächmann verschiedene Änderungen, Abwandlungen und ersatzweise Verwendungen möglich, ohne daß vom Rahmen der Erfindung abgewichen wird. .

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Claims (6)

1. Henkel, Kern, heiler & Hänzel Patentanwälte

   Registered Representatives

   before the

   European Patent Office

   -M-

   MÖhlstraße 37

   tu r u D-8000 München 80 :...:.

   The Foxboro Company

   Foxboro Mass V St A Tel.: 089/982085-87

   t-oxDoro, nass., u.st.A. Telex: 0529802 hnkl d -

   Telegramme: ellipsoid :

   ANF-103 ^: '■-" 11. Dezember 1980 ■..'.^:

   Patentansprüche

   Schwimmer zur Bestimmung des Flüssigkeitsfüllstands in einem Behälter mit einer darin angeordneten lotrechten Führung, dadurch gekennzeichnet, daß er einen Schwimmer-Körper (38) mit einer Bohrung (24), mit welcher der Schwimmer-Körper um die Führung (18) herum so aufgesetzt ist, daß er auf der Flüssigkeitsoberfläche zu schwimmen vermag, und eine mit dem Schwimmer-Körper verbundene Entladungseinrichtung (46, 48, 50) mit einem unteren, sich unter die Flüssigkeitsoberfläche erstreckenden Element (50) aufweist, das mit einer Bohrung zur Aufnahme der Führung versehen ist, und daß die Abmessungen der beiden genannten Bohrungen ein vorbestimmtes Verhältnis zueinander besitzen, derart, daß das untere Element (50) eine Strecke kleinsten Widerstands für eine elektrostatische Funkenentladung am Schwimmer (22) bildet.
2. 2. Schwimmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwimmer-Körper (38) und das untere Element (50) aus einem nicht-leitfähigen Werkstoff hergestellt sind.

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3. 3. Schwimmer¹ nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrungen konzentrische kreisförmige Bohrungen sind, deren Radien eine feste.Beziehung zueinander besitzen.
4. 4. Schwimmer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Radius der Bohrung (24) des Schwimmer^Körpers (38) mehr als fünfmal so groß iöt wie der Radius der Bohrung im unteren Element (50).
5. 5. Schwimmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Entladungseinrichtung ein unterhalb der Flüssigkeitsoberflache befindliches, langgestrecktes rohrf^örmiges Element (50) aufweist.
6. 6. Sohwimmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

   daß der Schwimmer-Körper (38) eine umlaufende Lippe oder Kahte (62) aufweist, die sich im Betrieb unterhalb der Flüssigkeitsoberfläche befindet*

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