DE4006567A1 - Messeinrichtung zur bestimmung der fuellstandshoehe einer nicht-leitenden fluessigkeit in einem behaelter - Google Patents
Messeinrichtung zur bestimmung der fuellstandshoehe einer nicht-leitenden fluessigkeit in einem behaelterInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Meßeinrichtung zur konti
nuierlichen Bestimmung der Füllstandshöhe einer elektrisch
nicht-leitenden Flüssigkeit in einem Behälter mittels einer
Differenzdruckmessung zwischen einem Flüssigkeits- und einem
Gasraum.
Eine derartige Meßeinrichtung ist aus dem "Bericht
über die Kälte-Klima-Tagung 1987 des Deutschen Kälte- und
Klimatechnischen Vereins", Köln, 18. bis 20. November 1987,
Seiten 81 bis 94 bekannt.
Solchen Meßeinrichtungen sind dann kontinuierliche Meßmethoden
zugrundegelegt, wenn die Kenntnis eines exakten Füllstandes
einer Flüssigkeit in einem Behälter benötigt wird. In der ge
nannten Veröffentlichung sind verschiedene Möglichkeiten auf
gezeigt, kontinuierlich den Füllstand einer kryogenen Flüssig
keit wie z. B. von den verflüssigten Gasen LN2 und LHe zu
messen. Um ein zur Füllstandshöhe analoges Meßsignal zu erhal
ten, kann man insbesondere die Druckdifferenz zwischen dem
hydrostatischen Druck der Flüssigkeit und dem Druck des über
ihr befindlichen Gasraumes heranziehen. Hierzu werden bei einer
bekannten Ausführungsform der Druck in der Flüssigkeit und der
Druck in dem Gasraum über kapillare Verbindungsleitungen einem
außerhalb des Gefäßes befindlichen Druckmanometer zugeführt und
dort gemessen. Auch kapazitive Meßsonden mit unterschiedlichen
Dielektrizitätskonstanten sind bekannt. Sie erfordern, insbe
sondere zur Bestimmung der Füllstandshöhe von LHe, eine sehr
empfindliche und aufwendige Meßelektronik. Gegebenenfalls kön
nen auch supraleitende Meßsonden eingesetzt werden. Wegen der
hierfür erforderlichen Wärmeerzeugung sind sie jedoch für LHe
weniger geeignet. Die einfachste Art einer Füllstandshöhen
messung ist das sogenannte Schwimmerprinzip, das jedoch bei
Flüssigkeiten mit geringer Dichte zu Schwierigkeiten führt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, eine Meßeinrich
tung mit den eingangs genannten Merkmalen dahingehend auszuge
stalten, daß sie ohne einen zu hohen apparativen Aufwand eine
exakte Messung des Füllstandes von elektrisch nicht-leitenden,
insbesondere beliebigen kryogenen Flüssigkeiten erlaubt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in der
Flüssigkeit ein Drucksensor mit einer Membran angeordnet ist,
deren eine Flachseite dem hydrostatischen Druck der Flüssig
keit und deren gegenüberliegende Flachseite über eine durch die
Flüssigkeit hindurchführende Leitung dem Druck in dem Gasraum
oberhalb der Flüssigkeit ausgesetzt sind, wobei ein von der
Membran abzunehmendes, durch deren Durchbiegung aufgrund des
Unterschiedes der an ihren beiden Flachseiten herrschenden
Drücke hervorgerufenes Meßsignal als Maß der relativen Füll
standshöhe einer nachgeschalteten Elektronik zur Weiterverar
beitung zuzuführen ist.
Die mit dieser Ausgestaltung der Meßeinrichtung verbundenen
Vorteile sind insbesondere darin zu sehen, daß die Einrichtung
verhältnismäßig einfach und kostengünstig mit handelsüblichen
Einzelteilen aufzubauen ist. Dabei läßt sich ein gebräuchlicher
Drucksensor verwenden, der ohne weiteres auch bei tiefen Tempe
raturen und in Magnetfeldern betrieben werden kann. Somit ist
ein Einsatz der erfindungsgemäßen Meßeinrichtung insbesondere
in kryotechnischen Geräten der Supraleitungstechnik möglich.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Meßeinrich
tung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird nachfolgend auf die
schematische Zeichnung Bezug genommen, in deren Fig. 1 ein
Drucksensor für eine erfindungsgemäße Meßeinrichtung veran
schaulicht ist. Fig. 2 zeigt eine solche Meßeinrichtung mit
einem derartigen Drucksensor. Aus Fig. 3 geht eine weitere
Ausführungsform einer Meßeinrichtung hervor. Ein für diese
Einrichtung geeignetes Transport- und Spülrohr ist aus Fig. 4
ersichtlich. In den Figuren sind sich entsprechende Teile mit
denselben Bezugszeichen versehen.
Die erfindungsgemäße Meßeinrichtung kann vorteilhaft mit einem
handelsüblichen Drucksensor ausgestattet sein, der als ein Meß
wandler die physikalische Größe "Druck" in ein elektrisches
Signal umzuwandeln vermag. Der Aufbau und die Funktionsweise
entsprechender Drucksensoren geht beispielsweise aus der Ver
öffentlichung "Elektropraxis", Band 18, Heft 9, 1983, Seiten 30
bis 33 hervor. In Fig. 1 ist als Längsschnitt ein entsprechen
der, allgemein mit 2 bezeichneter Drucksensor dargestellt. Er
enthält in einem metallischen Gehäuse 3 als Kernstück einen
Silizium(Si)-Körper 4. Dieser Körper ist z. B. durch Ätzen so
strukturiert, daß er bis auf einen stützenden Randbereich 4a
eine dünne Si-Membran 5 bildet. In dieser Membran sind z. B.
durch Ionenimplantation dünne Widerstandsbahnen 6 erzeugt.
Der somit topfartige Si-Körper 4 ist mit seinem Randbereich 4a
an einem Bodenteil 3a des Gehäuses 3 so befestigt, daß er eine
Öffnung 7 in diesem Bodenteil umschließt. Über diese Öffnung
ist die dem Bodenteil 3a zugewandte Flachseite 5a der Membran 5
mit einem auf einem Druck p1 befindlichen Außenraum 8 verbun
den.
Das Gehäuse 3 mündet auf seiner dem Bodenteil 3a abgewandten
Seite in eine halsartige rohrförmige Öffnung. Über dieses
Öffnungsrohr 9 ist der Innenraum 10 des Gehäuses und damit die
entsprechende Flachseite 5b der Membran 5 an einen weiteren
Druckraum auf einem Druck p2 anzuschließen. Bei Druckunter
schieden p1 und p2 zwischen dem Innenraum 10 und dem über die
Öffnung 7 angeschlossenen Außenraum 8 biegt sich dann die Mem
bran 5 druckabhängig durch. Diese Durchbiegung führt dabei zu
Widerstandsänderungen in den Widerstandsbahnen 6 nach dem soge
nannten piezoresistiven Effekt. Um diese Widerstandsänderungen,
die ein Maß für die Durchbiegung der Membran 5 und damit auch
für den Druckunterschied |p1-p2| sind, detektieren zu können,
sind die Widerstandsbahnen 6 mit entsprechenden Anschlußleitern
11a und 11b verbunden. An diese Leiter ist eine nachgeschaltete
Elektronik anzuschließen.
Der in Fig. 1 veranschaulichte Relativdrucksensor 2 ist Teil
einer erfindungsgemäßen Meßeinrichtung, deren prinzipieller
Aufbau aus Fig. 2 als schematischer Schnitt hervorgeht. Mit
Hilfe dieser allgemein mit 15 bezeichneten Einrichtung 2 ist
die relative Höhe Δ h des Füllstandes einer elektrisch nicht
leitenden Flüssigkeit 16 zu bestimmen. Bei dieser Flüssigkeit
kann es sich insbesondere um ein kryogenes Medium wie z. B. LN2
oder LHe handeln. Diese Flüssigkeit füllt einen entsprechenden
Behälter 17 bis zu einer Höhe h aus. In die Flüssigkeit 16 ist
der Drucksensor 2 so weit bis zu einer Höhe h1 eingetaucht, daß
seine Si-Membran 5 gegenüber der Oberfläche 16a um die Höhe h
beabstandet ist. Im allgemeinen sollte h1 in der Nähe des Bo
dens 17a des Behälters 17 liegen. An dem oberen Öffnungsrohr 9
des Drucksensorgehäuses 3 ist ein z. B. aus Cu bestehendes Rohr
18 druckfest angeschlossen. Dieses als Druckverbindungsleitung
dienende Rohr ragt aus der Flüssigkeit 16 in den oberhalb die
ser ausgebildeten, von einem Gas 19 eingenommenen Gasraum 20
soweit hinein, daß seine freie Mündung 18a immer oberhalb des
höchsten zu erwartenden Füllstandes h im Behälter 17 liegt. Die
mit dem Drucksensor 2 und dem Druckverbindungsrohr 18 gebildete
Füllstandssonde 21 ist über Halterungen 22a und 22b an der Be
hälterwand befestigt. Die Halterungen können zweckmäßig aus
Kunststoff bestehen.
Mit dem Drucksensor 2 ist so der Druckunterschied
Δp=|p1-p2|
zwischen dem an seiner Membran 5 herrschenden
hydrostatischen Druck p1 und dem in dem Gasraum 20 an der Mün
dung 18a des Rohres 18 herrschenden Druck p2 zu messen. Das von
dem Drucksensor 2 zu erzeugende Meßsignal ist dabei mit der re
lativen Füllstandshöhe h über folgende Gleichung verknüpft:
ρfl und ρg sind die Dichten der Flüssigkeit 16 bzw. des Gases
19. g ist die Erdbeschleunigung (=9,81 m/s2).
Zur Weiterverarbeitung des an dem Drucksensor 2 zu gewinnenden
Meßsignals ist eine Elektronik 23 vorgesehen, die insbesondere
eine Spannungsversorgung, eventuell einen Signalverstärker
sowie ein Anzeigegerät umfaßt. Zur elektrischen Versorgung des
Drucksensors 2 wird nur eine Konstantspannung Uc von z. B. 5 V
aus der Spannungsversorgung benötigt. Die am Drucksensor als
Meßsignal abgenommene Ausgangsspannung (Signalspannung) Us ist
vorteilhaft der Druckdifferenz Δp und damit der relativen Füll
standshöhe Δh direkt proportional. Die erforderlichen elektri
schen Verbindungsleitungen 24 zwischen der Elektronik 23 und
dem Drucksensor 2 sind in der Figur nur durch eine gestrichelte
Linie angedeutet.
Gemäß der Darstellung nach Fig. 2 wurde davon ausgegangen, daß
der Drucksensor 2 bzw. die ihn enthaltende Füllstandssonde 21
einer erfindungsgemäßen Meßeinrichtung 15 starr über Halterun
gen 22a und 22b innerhalb eines Behälters 17 angebracht ist. Es
ist jedoch auch ohne weiteres möglich, den Behälter so auszu
gestalten, daß die Füllstandssonde nachträglich von außen in
ihn einzuführen ist. Ein entsprechendes Ausführungsbeispiel
geht aus dem in Fig. 3 gezeigten schematischen Schnitt hervor.
Hierzu ist ein entsprechender Behälter 26 mit einem rohrförmi
gen Öffnungsstutzen 27 versehen, der mit einem Flansch 18 dicht
zu verschließen ist. An dem Flansch ist ein in den Öffnungs
stutzen 27 hineinragendes Halterohr 29 befestigt. Mit diesem
Halterohr ist das an dem Drucksensor 2 angebrachte Druckver
bindungsrohr 18 einer Füllstandssonde 30 über einen Isolierkör
per 31 aus Kunststoff starr verbunden. Damit ein druckmäßiger
Ausgleich zwischen dem Gasraum 20 in dem Behälter 26 und der
Mündung 18a des Rohres 18 gegeben ist, muß mindestens ein ent
sprechender kanalartiger Durchlaß 32 in dem Isolierkörper 31
vorhanden sein. Durch diesen Durchlaß sind auch die elektri
schen Verbindungsleitungen 24 hindurchgeführt. Die für diese
Leitungen noch erforderlichen Durchführungen 33 durch den
Flansch 28 können beispielsweise in diesen integriert sein.
Bei Füllstandsmessungen nach dem Differenzdruckprinzip kann
gegebenenfalls bei kalten Flüssigkeiten und vor allem bei LHe
generell das Problem bestehen, daß die Druckanschlußleitungen
durch kondensierte Gase blockiert werden. Bei einem Einbau
gemäß Fig. 2 kann diese Schwierigkeit dadurch vermieden wer
den, daß man den ganzen Behälter 17 zunächst evakuiert und dann
mit dem späteren Füllmedium im warmen, gasförmigen Zustand
füllt. Entsprechende Spültechniken sind allgemein bekannt.
Mit Hilfe des in Fig. 4 schematisch als Längsschnitt gezeig
ten Transport- und Spülrohres 34 kann man bei einer Ausfüh
rungsform gemäß Fig. 3 die von außen eingebrachte Füllstands
sonde 30 für sich evakuieren und mit dem späteren Meßmedium
(Flüssigkeit 16) füllen. Das Medium ist dabei meist gasförmig,
kann aber auch in Form eines Gas/Flüssigkeitsgemischs vorlie
gen. Als Sonde 30 sind die mit dem Flansch 28 gemäß Fig. 3
starr verbundenen Teile einer erfindungsgemäßen Meßeinrichtung
bezeichnet. Das diese Sonde 30 aufnehmende Transport- und Spül
rohr 34 weist an seiner dem Behälter 26 bzw. dessen Öffnungs
stutzen 27 zugewandten Ende eine Gasschleuse 35 auf, über die
zunächst eine Vakuumpumpe und danach ein entsprechendes Spülgas
angeschlossen werden kann. Zum Einbau in den Behälter 26 wird
dann die Sonde 30 in senkrechter Lage aus dem Transportrohr 34
genommen und in den Öffnungsstutzen 27 des Behälters 26
eingeführt.
Bei den anhand der Figuren erläuterten Ausführungsbeispielen
wurde die Bestimmung einer Füllstandshöhe von kryogenen Medien
wie z. B. LN2 oder LHe mittels einer erfindungsgemäßen Meßvor
richtung in einem Behälter vorausgesetzt. Die Anwendung der
erfindungsgemäßen Meßvorrichtung ist jedoch nicht auf der
artige kryogene Flüssigkeiten beschränkt. Ohne wesentliche
Änderungen kann sie ebensogut auch direkt für alle elektrisch
nicht-leitenden, chemisch nicht all zu aggressiven Flüssig
keiten wie z. B. Öl oder Benzin vorgesehen werden.
Claims (5)
1. Meßeinrichtung zur kontinuierlichen Bestimmung der Füll
standshöhe einer elektrisch nicht-leitenden Flüssigkeit in
einem Behälter mittels einer Differenzdruckmessung zwischen
einem Flüssigkeits- und einem Gasraum, dadurch
gekennzeichnet, daß in der Flüssigkeit (16) ein
Drucksensor (2) mit einer Membran (5) angeordnet ist, deren
eine Flachseite (5a) dem hydrostatischen Druck (p1) der
Flüssigkeit (16) und deren gegenüberliegende Flachseite (5b)
über eine durch die Flüssigkeit (16) hindurchführende Leitung
(18) dem Druck (p2) in dem Gasraum (20) oberhalb der Flüssig
keit (16) ausgesetzt sind, wobei ein von der Membran (5) abzu
nehmendes, durch deren Durchbiegung aufgrund des Unterschiedes
der an ihren beiden Flachseiten (5a, 5b) herrschenden Drücke
(p1, p2) hervorgerufenes Meßsignal (Us) als Maß der relativen
Füllstandshöhe (Δh) einer nachgeschalteten Elektronik (23) zur
Weiterverarbeitung zuzuführen ist.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Membran (5) des Drucksensors (2)
aus Silizium (Si) besteht und implantierte Widerstandsbahnen
(6) enthält, deren Widerstandswert von der Durchbiegung der
Membran (5) abhängt.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Drucksensor (2) und die mit
ihm starr verbundene Druckverbindungsleitung (18) durch eine
Öffnung (27) in den Behälter (26) einzubringen sind (Fig. 3).
4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Drucksensor (2) und die Druckver
bindungsleitung (18) vor einem Einbau in den Behälter (26) in
einem Transport- und Spülrohr (34) zu evakuieren und mit einem
der Flüssigkeit (16) entsprechenden gasförmigen und/oder
flüssigen Medium zu füllen sind (Fig. 4).
5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da
durch gekennzeichnet, daß der Drucksen
sor (2) in der Flüssigkeit (16) so angeordnet ist, daß seine
Membran (5) sich in der Nähe des Bodens (17a) des Behälters
(17, 26) befindet.
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19904006567 DE4006567A1 (de) | 1990-03-02 | 1990-03-02 | Messeinrichtung zur bestimmung der fuellstandshoehe einer nicht-leitenden fluessigkeit in einem behaelter |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE (1) | DE4006567A1 (de) |
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- 1990-03-02 DE DE19904006567 patent/DE4006567A1/de not_active Withdrawn
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Legal Events
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8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |