DE4006567A1 - Messeinrichtung zur bestimmung der fuellstandshoehe einer nicht-leitenden fluessigkeit in einem behaelter - Google Patents

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:

ρ_fl und ρ_g 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 U_c von z. B. 5 V aus der Spannungsversorgung benötigt. Die am Drucksensor als Meßsignal abgenommene Ausgangsspannung (Signalspannung) U_s 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 (U_s) 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.