NO742093L

NO742093L -

Info

Publication number: NO742093L
Application number: NO742093A
Authority: NO
Inventors: B R Hope
Original assignee: Navaltronic As
Priority date: 1974-06-10
Filing date: 1974-06-10
Publication date: 1975-12-11
Also published as: IT1049152B; ES438360A1; FR2274030A1; US4003259A; JPS518966A; NL7506676A; DD119088A5; DE2524608A1; DK257675A; SE7506577L

Description

FREMGANGSMÅTE OG ANORDNING FOR KÅPASITIV NIVÅMÅLING

Den foreliggende oppfinnelse vedrorer fremgangsmåte og anordning for kapasitiv nivåmåling av fritt flytende stoffer, granulater, faste stoffer eller kombinasjon av disse.

Det er kjent en rekke anordninger for kapasitiv nivåmåling. Vanligvis er nivåmålingen basert på endring av dielektrisitets-konstanten mellom to elektroder tilhorende en kondensator eller en gruppe av slike elektroder dersom flere nivåer skal måles. Ved enkelte anordninger trenger mediet som skal nivåmåles, inn mellom de to elektrodene, og dette vil da gi en endring i di-elektrisitetskonstanten og således en kapasitetsendring. Imidlertid vil mediet i tilfelle dette er seigtf1ytende, lett gi opphav til kontarninering og mulig blokkering av rommet mellom

elektrodene.

Videre er det ved måling av eksplosive stoffer direkte farlig

å operere med for store spenninger over kondensatorene.

Fra US-patent 3.010.320 er det kjent en væskenivåmåler bestående av en soyle med koaksialt anordnede ringer som hver tjener som en forste kondensators elektrode. Veggen av beholderen hvori måleren er anordnet tjener som den andre elektroden og .er.felles 'andre elektrode .for nevnte forste elektrode. Denne måleren er beheftet med flere vesentlige ulemper. Bl.a. kre-kes det en relativt -stor spenning-mellom de to elektrodene for å oppnå gode måleresultater, et forhold som selvsagt er util-latelig ved måling av eksplosive medier. Målemetoden som anvendes, dvs. bruk av brokobling med registrering av ubalanse, er til dels unodig komplisert og kostbar. En desto mer vesentlig ulempe ved den losning som er vist i det nevnte patent, er det store antall ledninger som er nodvendig for tilkobling til hver elektrodering i væskenivåmålersoylen. En slik mengde ledninger gir opphav til vesentlige ledningskapasiteter, hvilket igjen'innvirker lett på målenoyaktigheten. Dette er nokså inn-lysende i og med at avviket mellom dielektrisitetskonstantene for luft og f.eks. parafin og olje er relativt små (<5 luft: 1, £ parafin: 1.7 - 2.3). Et stort, antall ledninger vanskelig-gjør også sammenkobling av en lang målersoyle.

Den foreliggende oppfinnelse tar sikte på å overvinne de nevnte ulemper samt tilveiebringe en nivåmåler hvis funksjon er enkel og pålitelig.

De kjennetegnende trekk ved nivåmåleren ifolge oppfinnelsen fremgår av de etterfolgende patentkrav samt av beskrivelsen neden-for under henvisning til- tegningene. Fig. 1 viser prinsippet for nivåmåleren ifolge oppfinnelsen„

Fig. 2 viser en modifikasjon av utforelsen i fig. 1.

Fig. 3 viser skjematisk kapasitetsendring i forhold til stigning

i væskenivå.

Fig. 4 illustrerer en nivåmålersoyle montert i en tank.

Fig. 5 viser i nærmere detalj et utsnitt av målersoylen ifolge

-fig. 1.

Fig. 6 viser en nivåmåler for måling av absolutt, nivå.

Fig. 7 viser anordning av magnetisk påvirkbar bryter i målersoylen. Fig. 8 viser en forste utforelsesform av magnetforing gjennom

i.målersoylen.

Fig. 9 viser en andre utforelsesform av magnetforingen gjennom målersoylen. Fig. 10 viser en tredje utforelsesform av magnetforingen gjennom målersoylen. Fig. 11 og 12 viser foretrukkede utforelsesformer av en magnet for samvirke med magnetfbringene i fig. 8 - 10.

I fig. 1 er vist en delvis gjennomskåret nivåmåler for nærmere å kunne illustrere virkemåten av måleren. For å redusere ledningskapasitetene er det kun anordnet to hovedledere 11 og 12. De kapasitive elementer 101, 102, 103, 104, 105, 106, 107, 108,

109, 110 osv. danner i par kondensatorene C^, C^, C^, C^, osv.

De kapasitive elementene er fortrinnsvis anordnet som ringer rundt soylen 13 med isolasjon mellom hver ring. Alternativt kan de kapasitive elementer lages i form av trykt krets eller monstret folie,f.eks. metallduk, eller annen form for ledende materiale, som legges rundt soylen på hensiktsmessig måte. Hvert andre kapasitive element er koblet, til den forste felles leder 11, som kan være jordet eller ha samme potensial som tankveggen, mens hvert av de mellomliggende elementer er koblings- bare via respektive brytere, henholdsvis S^, S osv. til en andre felles leder 12. De nevnte brytere kan f.eks. være Reed-brytere e.l. som opereres ad magnetisk eller elektromagnetisk vei. Kondensatorelementene 101, 102, .....osv. kan være galvanisk isolert fra det medium som omgir nivåmåleren. Nivå-målerens indre forutsettes også fullstendig isolert fra det medium som skal måles.

Virkemåten av nivåmåleren skal nå beskrives nærmere med henvisning til fig. 1 og ved hjelp av et par eksempler: 1. Anta at nivåmåleren er plassert i en tank som inneholder luft og olje. Oljenivået stiger f.eks. slik at det når opp til kondensatorelementet 105. Kapasitetsverdien for kondensatoren vil som bekjent være proporsjonal med di-elektrisitetskonstanten (£ luft = 1, £°olje = 2).

Bryterne S^, osv. kobles så i tur og orden inn og ut. Antar man at kapasiteten mellom to elementer, hvor kun luft er til stede i tanken, er lik C og at tilsvarende verdi for olje er 2C, vil man ved måling få folgende verdier (kondensatorene er koblet i parallell):

S-^innkoblet: C + C = 2C

S2innkoblet:C ,+ C = 2C

S3innkoblet: 2C + 2C = 4C

med andre ord er væskenivået beliggende ved element 105. Antar man så at væskenivået stiger over elementet 105 og når elementet 104, vil den suksessive måling gi folgende verdier:

51 innkoblet: C + C = 2C

52 innkoblet: C + 2C = 3C

53 innkoblet: 2C + 2C = 4C

Således er det nå klart at oljenivået ligger på elementet 104.

2. Dersom tanken f.eks. inneholder luft, olje og vann, og man forutsetter q luft = 1, q olje = 2, vann = 80, samt at vannet når til element 108, oljen fra element 108 til element

104 og luften fra element 104 og oppad, vil den suksessive målingen gi folgende utslag:

S, innkoblet: C + C = 2C

52innkoblet: C + 2C = 3C

53innkoblet: 2C + 2C = 4C

54innkoblet: 2C + 80C = 82C

Sc innkoblet: 80C + 80C = 160C

Den målte kapasitive verdien kan inngå som kapasiteten i en re-sona-nskrets med—t-ilhorende -detektor, eller -er den - f rekvensbe-stemmende del i en oscillator der frekvensen er en funksjon av kåp~asiteten. ""Den nevnte oscillator eller "résonanskrets inngår

i signalbehandleren 14. Ettersom cf er forskjellig for de for-skjellige medier, vil det i realiteten kunne dannes n - 1 reso-nanskrets-frekvenser for n medier. Blokken 15 angir en hensiktsmessig fremvisnings- eller indikatoranordning. Denne kan f.eks. være av skrivende type eller visende med tall.

I fig. 2 er illustrert en variant av utforelsen ifolge fig. 1. Den eneste forskjellen er i dette tilfelle at to og to brytere inn- og utkobles ad gangen, således at man måler kun en kondensator C^, C2osv. ad gangen. Denne varianten kan være hensiktsmessig i de tilfeller hvor måleoyaktigheten ikke trenger å være særlig stor, f.eks. et målepunkt pr. 10 cm.

Fig. 3 gir en illustrasjon av kapasitetsendri ng/&C som folge av at-væsken eller mediet beveger seg fra et element over mellom-rommet til neste element. Slik det fremgår av figuren, vil kapa-- sitetsendringen være storst idet mediet passerer stykket h2- h^.

Man får således en markant kapasitetsendring ved nivåendring fra et element til det neste.

I fig. 4 er vist hvorledes en nivåmåler-soyle er tenkt montert i f.eks. en tank. Det ovre stykket H av målersoylen er gitt stor målenoyaktighet, f.eks. 20 målepunkter pr. meter. Det midtre stykket er gitt noe mindre målenoyaktighet, f„eks. 3 målepunkter pr. meter, mens det nedre stykket Hcer gitt samme målenoyaktighet som det ovre stykket.

I fig. 5 er det vist del av en målersoyle som illustrert i fig..

1. Ringene 501, 502 ..... tilsvarer elementene 101, 102„,,..

i fig. 1. I den i fig. 5 viste utforelse befinner de to felles lederne 51, 52 seg som en del av den trykte krets eller monster. Det er imidlertid klart at de nevnte ringer kan utgjores av andre hensiktsmessige elektrisk ledende materialer med den utforming som foretrekkes utifrå de herskende måleforhold. Ved en hensiktsmessig fremstilling av soylen vil koblingsarbeidet kunne forenkles vesentlig. Imidlertid er det klart at flere losninger for tilkobling av bryterne eller Reed-bryterne vil være mulig. Likeledes vil soylen f.eks. kunne lages av lose kondensatorringer med mellomliggende isolerende ringer og således at disse lett kan sammenfoyes og festes fast til hverandre. Lederen 52 kan fortrinnsvis være jordet eller ha samme potensial som tankveggen.

Målersoylen ifolge oppfinnelsen innebærer den vesentlige fordel at sammenkobling av soylestykker forenkles fordi antall til-koblinger er redusert. Dette reduserer selvsagt ogsa fremstil-

i

lingsomkostningene for overgangsleddene mellom hvert soylestykke. Bryterne, dvs. i den foretrukne utforelse Reed-bryterne, kan enten åpnes og lukkes ved hjelp av en på hensiktsmessig måte gjennom soylen forlopende magnet (fig. 7) eller ad elektromagnetisk vei ved hjelp av tidsmultipleksing. Av hensyn til at ledningskapasitetene bor holdes lavest mulig- vil det være mest hensiktsmessig å legge hver multipleksenhet direkte ved hver respektive Reed-bryter.

Etter at målersoylen er ferdigmontert, kan det være hensiktsmessig å forsyne den utvendig med et tynt,galvanisk isolerende belegg og eventuelt fylle soylen innvendig med et isolerende materiale, f.eks. av plast, for å hindre eventuell utilsiktet inntrengning av mediet eller mediene inn i soylen.

I fig. 6 er vist en nivåmåler hvor det kun er to kapasitive elementer 601 og 602 som er isolert fra hverandre ved hjelp av et isoleringslag 603. I prinsipp virker denne måleren som den som er vist i fig. 2, med unntak, av at den alene kun kan måle et absolutt nivå.

Fig. 6b viser snittet A-A av måleren i fig. 6a.

I fig. 7 er vist hvorledes magneten 702 kan forflyttes i en foring 703 som er anordnet fortrinnsvis midt inne i soylen 701. Idet magneten passerer Reed-bryteren 704, vil denne operere.

I fig. 8 er vist en forste utforelsesform av foringen for magneten. Magneten fores f.eks. ved hjelp av olje under trykk fra

huset 805, -gjennom soylen i foringen 801, foringsovergangen 802 og foringen 803 til mottakerhuset 804. Fra huset 804 kan så magneten sendes"tilbake i motsatt retning. Operasjonen vil være koordinert mellom huset 804 og 805.

I fig. 9 er vist en andre utforelsesform av foringsanordningen, hvor et hus 903 opererer en gjennom foringen 901 forlopende skrueformet stand 902. Ved anvendelse av et magnetlegeme slik som f.eks. vist i fig. 12 og ved å fylle foringen 901 med en væske, f.eks. olje, kan magneten skrus gjennom foringen i hele dens lengde. I fig. 12 er vist hvordan magneten 1202 kan være utformet f.eks. med finner 1203, som ved stangens 902 dreining tjener til å motvirke rotasjon av magneten om stangen.

I fig. 10 er illustrert en tredje utforelsesform av foringsanordningen for magneten, som eksempelvis kan ha form som magnetlegemet vist i fig. 11.

I fig. 11 betegner henvisningstallet 1101 selve magneten, mens 1102 betegner resten av det stromlinjeformede legemet. Foringsanordningen styres fra huset 1004, og magnetlegemet . kan f.eks. ved hjelp av tyngdekraften lope gjennom en væske i foringen 1001. Når legemet når huset 1003, bevirker f.eks. et sjokktrykk gjennom forbindelsen 1002 legemet til å returnere til huset 1004, hvorpå operasjonen gjentas.

Innenfor oppfinnelsens ramme vil det selvsagt være mulig å modifisere nivåmålerne. Således kan det f.eks. tenkes plassert andre former for brytere enn Reed-brytere, utformingen av de kapasitive elementer kan endres for å tilpasses spesielle inåleforhold, og valg av isolasjonsmaterialer vil selvsagt kunne endres avhengig av de medier som skal måles. Likeledes vil det være mulig å modifisere magnetforingsanordningen som vist i fig. 8-10 for derved å kunne oppnå en mer hensiktsmessig funk-sjonering av anordningen. De i figurene viste utforelser av oppfinnelsen er ikke begrensende for oppfinnelsen, idet alterna-tive utforelser er mulige innenfor oppfinnelsens ramme.

Claims

1. Fremgangsmåte for kapasitiv nivåmåling av frittflytende stoffer, granulater, faste stoffer eller kombinasjon av disse,karakterisert vedat det anvendes en nivåmålersoyle bestående av to innbyrdes mellomliggende sett av kapasitive elementer som hver isoleres fra hverandre, at det forste sett av elementer kobles til en forste felles leder eller i det forste sett av elementer hvert element tilkobles valgfritt den

-forste felles lederen ved hjelp av hensiktsmessige midler, at i det andre sett av elementer hvert element tilkobles valgfritt en andre felles leder ved hjelp av hensiktsmessige midler, og . at de registrerte kapasitive måleverdier kobles via de nevnte to ledere til hensiktsmessig registrerings- og indikeringsutstyr.

2. Fremgangsmåte som angitt i krav 1,karakterisertved at kun et av nevnte andre elementer innkobles ad gangen.

3. Fremgangsmåte som angitt i krav 1,karakterisertved at "kun ett av nevnte forste elementer og ett av nevnte andre elementer innkobles ad gangen.

4. Anordning for kapasitiv nivåmåling av frittflytendestoffer, granulater, faste stoffer eller kombinasjon av disse og for utforelse av fremgangsmåten som angitt i krav 1,karakterisertv, ed nivåmålersoyle bestående av to innbyrdes mellomliggende sett - av kapasitive elementer som er iso lert fra hverandre, hvor det forste sett av elementer er koblet til en forste felles leder eller i det forste sett av elementer hvert element kan tilkobles valgfritt den forste felles leder ved hjelp av hensiktsmessige midler, og hvor i det andre sett av elementer hvert element kan tilkobles valgfritt en andre felles leder ved hjelp av hensiktsmessige midler, og at de nevnte to ledere kobler de registrerte kapasitive måleverdier til hensiktsmessig registrerings-■og indikasjonsutstyr.

5. -Anordning som angitt i krav 4,karakterisertved at elementenes hosliggende kanter samt mediet som måles tilsammen danner kondensatoren som gir den målte kapasiteten.

6. Anordning som angitt i krav 4 og 5,karakterisertv e d at elemehtenés"hosliggende"kanter"med mellomliggende isolasjon er parallelle.

7. Anordning som angitt i krav 4 og 5,karakterisertved at elementenes hosliggende kanter med mellomliggende isolasjon danner en vinkel med hverandre.

8. -Anordning som angitt i krav 4,karakterisertved at nevnte hensiktsmessige midler innbefatter brytere hvis funksjon er magnetisk, elektromagnetisk eller elektronisk, samt innretninger for påvirkning av bryterne.

9. Anordning som angitt i krav 8,karakterisertved at hver bryter er en Reed-bryter som er anordnet i målersoylens indre.

10. Anordning som angitt i krav 8 og 9,karakterisert vedat bryteren er -skråstilt i -forhold til hori-sont alplanet.

11. Anordning som angitt i krav 10,karakterisertved at bryterens vinkel i forhold til horisontalplanet er 30° - 60°, fortrinnsvis 45°.

12. -Anordning som.angitt i krav 4,karakterisertved at nivåmålersoylens kapasitive elementer kan være galvanisk isolert fra det medium som skal måles ved hjelp av et tynt dielektri.sk belegg av f .eks. kunst stoff materi ale.

13. Anordning som angitt i krav 4 og 8,karakterisert vedat nevnte hensiktsmessige middel eller midler styres av tidsmultipleks-innretninger som fortrinnsvis er direkte koblet til nevnte middel eller midler.

14. Anordning som angitt i krav 8,karakterisertved at nevnte elektroniske brytere kan være montert inne i målersoylen.

15. Anordning som angitt i krav 8,karakterisertved at nevnte innretninger for påvirkning av bryterfunk-sjonen utgjores av en forbi bryterne forflyttbar magnet.

16. Anordning som angitt i krav 9 og 15,karakterisert vedat magneten loper i en fortrinnsvis i midten av målersoylen og i dennes langsgående retning anordnet foring, idet nevnte Reed-brytere på hensiktsmessig måte er anordnet i forhold til foringen.

17. Anordning som angitt i krav 16,karakterisertved at nevnte foring utgjores av et ror som er fylt med en hensiktsmessig væske, f.eks. olje.

18. Anordning som angitt i krav 15-17,karakterisert vedat magneten er forflyttbar ved hjelp av me-kaniske midler, f.eks. en gjennom magneten forlopende, dreibar skrue.

19. Anordning som angitt i krav 15 - 17,karakterisert vedat magneten er forsynt med friksjonsvirkende organ, f.eks. finner.

20. Anordning som angitt i krav 15-17,karakterisert vedat magneten er stromlinjeformet.

21. Anordning som angitt i krav 15-17,karakterisert vedat magnetens forflytning påvirkes av magnetiske, pneumatiske eller hydrauliske midler, eller en kombinasjon av disse midler.