DE1648153A1

DE1648153A1 - Kapazitiver Fuehler fuer Fluessigkeitsniveaus mit phasenempfindlichem Detektor

Info

Publication number: DE1648153A1
Application number: DE19671648153
Authority: DE
Inventors: Kingston Floyd E
Original assignee: Varian Associates Inc
Current assignee: Varian Medical Systems Inc
Priority date: 1966-02-28
Filing date: 1967-02-24
Publication date: 1971-03-18
Also published as: JPS5413795B1; GB1117409A; FR1512815A; US3391547A

Description

Kapazitiver Fühler für Flüssigkeitsniveaus mit phasenempfindlichem Detektor Priorität: 28. Februar 1966 - V. St. v. Amerika - Ser. No. 530,54 Die Erfindung betrifft allgemein kapazitive Flüssigkeitsniveau fühler, und insbesondere ein verbessertes Brückensystem, bei dem als Endstufe eine phasenempfindliche Gleichrichtung verwendet wird, um Fehler zu vermeiden, die durch Widerstandsänderungen in der Brücke eingeführt werden. Ein solches verbessertes Flüssigkeitsniveau-Fühl- und -Anzeige-System ist besonders brauchbar zur Messung der Flüssigkeitsniveaus von Helium und/oder Stickstoff in Dewar-Gefä#en zur Kühlung von supraleitenden Spulen, Jedoch nicht hierauf beschränkt.
Es sind bereits kapazitive Flüssigkeitsniveau-PZhlsonden als Elemente von Hochfrequenzbrückenschaltungen verwendet worden.
Das Flüssigkeitsniveau wird dadurch gemessen, dass die Kapazität änderung der kapazitiven Flüssigkeitsniveau-Fühlsonde abgefühlt wird, die sich als festgestelltes Ungleichgewicht der Brücke darstellt. Eines.der Hauptprobleme bei den bekannten Brückenschaltungen bestand darin, dass der Transformator, der dazu verwendet wurde, die Erregungsenergie fiir die Brücke in-diese einzuspeisen, temperaturempfindliche Widerstands-Ungleichgewichte in die Brücke einführte, die nicht von Kapazitätsänderungen in der Sonde unterschieden werden konnten, so dass Fehler in dem festgestellten Flüssigkeitsniveau auftraten. Darüber hinaus waren die Ungleichgewichtssignale von der Brücke bekannter Art doppeldeutig in dem Sinne, dass sie lediglich die Grösse des Ungleichgewichts angaben und nicht den Sinn des Ungleichgesichts, d.h. ob die Kapazität der Sonde grösser oder kleiner geworden war. Diese Doppeldeutigkeit wurde im gerissen Ma#e dadurch unschädlich gemacht, dass die Brücke in einem Bereich betrieben wurde, der erheblich auf einer Seite des Gleichgewichts lag, und dann das Ungleichgewichtesignal auskompensiert wurde, während der Änderungesinn der Kompensationsspannung zur Anzeige eines Anstiegs oder Abfalls des Flüssigkeitsniveaus verwendet wurde. Dadurch wurde es zwar möglich, den Änderungssinn des Flüssigkeitsniveaus festzustellen, der Betriebsbereich der Brücke wurde jedoch verkleinert, und as wurde die Möglichkeit eingeführt, dass sich das FlUssigkeitsniveau genügend weit ändert, um über den Gleichgewichtspunkt der -Brücke hinauszuwandern, wodurch sich eine Phasenumkehr in der Ausgangsspannung ergibt, die einen Anstieg des Flüssigkeitsniveaus -anzeigt, wenn dieses tatsächlich fällt.
Erfindungsgemäss wird das - Ungleichgesicht-ssignal von der Brücke phasenempfindlich gleichgerichtet, so dass nur kapazitive Ungleichgesichte-der Brücke festgestellt werden, so dass Fehler in Flüssigkeitsniveaumessungen durch variable Widerstandseffekte eliminiert werden. Die phasenempfindliche Gleichrichtung gib auch ein unzweideutiges Ausgangssignal ab, das anzeigt-, ob--das Flüssigkeitsniveau über oder unter einem vorbestimmten, abgelichenen Niveau für die Brücke liegt.
Durch die Erfindung soll also vor allem ein verbes ; sertes Flüssig keitsniveau-Feststell- und/oder -Anzeige-Sytem verfügbar gemacht werden.
Erfindungsgemäss wird ein phasenemfindlicher Detektor zur Feststellung des Ungleichgewichtssignals von der Brücke verwendet, so dass die Ausgangsspannung unemfindlich gegen Widerstands-Ungleichgewichte in der Brücke -ist und das Flüssigkeitsniveau unzweideutig gegenüber einem vorbestimmten Bezugsniveau bestimmt wird.
Ferner wird erfindungsgemäss ein dielektrischer Faden als Abstandhalter zwischen den Kondensatorteilen der kapazitiven Flüssigkeitsniveau-Fühlsonde verwendet, so dass die mechanische und elektrische Stabilität der Sonde verbessert wird0 Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung; es zeigen: Fig. 1 ein schematisches Schaltbild eines Systems zur Anzeige und Kontrolle von Flüssigkeitsniveaus mit Merkmalen der Erfindung; und Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie 2-2 in Fig. 1.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten System ist eine kapazitive Flüssigkeitsniveau-Fühlsonde 1 als ein Zweig einer Wheatstone'schen Brücke 2 geschaltet. Die Brücke 2 wird über die Eingänge 3 und 4 mit einem Transformator 6 mit Wechselstrom von einem 10-kHz-Oszillator 5 erregt. Die Ausgangsspannung der Brücke 2 mit 10 kHz wird über den Klemmen 7 und 8 abgenommen und in einem Operationsverstärker 9 verstärkt, beispielsweise einem Fairchild-Model #A-709.
Die verstärkte Ausgangs spannung wird einem Eingang eines phasen empfindlichen Detektors 11 zugeführt, in dem sie mit-der Phasenlage eines Bezugssignals voh 10 kHz verglichen wird, das über einen variablen Phasenschieber 12 von der Wechselstromquelle 5 abgeles tet wird.
Die Ausgangsspannung des phasenempfindlichen Detektors ist ein Gleichstromsignal, dessen Phasenlage festlegt, ob das Flüssigkeitsniveau, das von der Sonde 1 gemessen wurde, über oder unter einem Bezugsniveau liegt, das durch den Gleichgewichtszustand der Brücke 2 festgelegt ist. Die Größe der Ausgangs-Gleichspannung gibt den Betrag an, um den das Flüssigkeitsniveau vom vorgewählten Bezugsniveau abweicht.
Diese Ausgangsspannung wird einem Gleichstromme#instrument 13 zugeführt, um eine visuelle Anzeige des Flüssigkeitsniveaus zu erhalten. Statt dessen kann die Ausgangs-Gleichspannung- einem Steuerventil 14 zugeführt werden, mit dem mehr oder weniger Flüssigkeit eingelassen wird, beispielsweise flüssiges Helium oder flüssiger Stickstoff von einer Flüssigkeitsversorgung 15, um ein vorgewähltes Flüssigkeitsniveau 16 in einem Verbraucher aufrechtzuerhalten, beispielsweise. einem Dewar-Gefäß, das durch die Sonde 1 gemessen wird.
Die Flüssigkeitsniveau-Fühlsonde 1 besteht aus einem Kondensatorteil 17 von beispielsweise 240 pF, der im wesentlichen die gesamte Kapazität der Sonde 1 enthält. Der Kondensatorteil besteht aus zwei koaxial angeordneten, sich axial gleich weit ausdehnenden -leitenden Elementen 18 und 19,-beispielsseise aus rostfreiem Stahl. Das innere Element ist zum Beiepiel 35 cm lang und haut einen Aussendurohmesser von 7,93 mm (0,312 Zoll). Das äussere, rohrförmige Element 19 von beispielsreise 0,51 mm (0,020 Zoll) Wandstärke ist bei 21 über die Länge des inneren Elementes per~ foriertf um der Flüssigkeit, in die die Sonde 1 eingetaucht ist, und deren Niveau gemessen werden eoll,-zu ermöglichen, die hohlzylindrische Säule oder den Spalt 22 von beispielsweise 0,32 mm (0,013 Zoll) Stärke zwischen den Kondensatorelementen 18 und 19 bis zu einem Niveau zu füllen, das das Flüssigkeitsniveau 16 in dem Gefäß anzeigt, das die Flüssigkeit enthält, beispielsweise in dem Dewar-Gerfä# für flüssiges Helium oder flüssigen Stickstoff.
Die Flüssigkeit im Spalt 224ändert die Kapazität des Kondensatorteils 17 der Sonde 1 um bis zu 10 pF, variabel entsprechend dem Niveau, um das sie im Kondensatorteil I7'steigt Diese Kapazität wird mit der Brücke 2 gemessen, um die Ausgangsspannung zu erhalten, die das Flüssigkeitsniveau angibt.
Ein dielektrischer Fadan 23, beispielsweise aus Tetrafluoräthylen-Harz mit einem Durchmesser von 0,254 mm (0,O18 Zoll) ist in dem Spalt 22 von 0,32 mm (0,013 Zoll) Stärke zwischen den -Kondensatorelementen 18 und 19 vorgesehen, um eine höhere mechanische und damit elektrische Stabilität des Kondensators 17 zu erhalten. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Faden 23 wendelförmig um das Xussere des inneren Kondensatorelemntes 18 gewickelt.
Der Kondensator 17 der Sonde 1 ist in einen Zweig der Brücke 2 über ein Moaxialkabel 24 eingeschaltet, das aus einem Mittelleiter 25 besteht, der an einem Ende mit dem inneren Kondensatorelement 18 und mit dem anderen Ende an Inschluss 3 der Brücke angeschlossen ist.
Der äussere Leiter 26 des Koaxialkabels wird vom oberen Teil des Kondensatorrohrs 19 gebildet und ist an Anschluss 8 der Brücke 2 angeschlossen, der ebenfalls geerdet ist. Isolierscheiben 27 sind in der Koaxialleitung vorgesehen, um die Mittellage des Mittelleiters 25 auf'rechtzuerhalten.
Ein veriable Kondensator 28 von einer Grösse gleich den 240 pF der Sonde t liegt über den Anschlüssen 4 und 8 der Brücke 2, um die Kapazität der Sonde 1 auszugleichen und damit den Null-Bezugs-Flüssigkeitsniveau-Wert für die Sonde 1 einzustellen. Zwei Widerstände 29 und 31 von beispielsweise 6,8 Kilo-Ohm lidgen in den aaderen Zweigen der Brücke 2. Der Widerstand der Widerstände 29 und 31 ist gleich der Blindkomponente der Impedanzen der Sonde 1 und des Kondensators 28 bei der Betriebsfrequenz von 10 kHz der Brücke 2, so dass die Brücke für kapazitive Effekte abgeglichen ist. Die Kondensatoren 32 und 33 von beispielsweise 5 pF liegen über den Widerstände 29 bzw. 31, um Widerstandseffekte in der Sonde 1 und Widerstandsverluste im Transformator 6 auszugleichen, die über den Kapazitiven Armen der Brücke zu Erde stehen. Es ist erwänscht. diese Widerstands-Ungleichgevichtseffekte aus zugleichen. obwohl der phasenempfindliche Detektor 11 eine Messung des Kapazitäts-Ungleichgewichts mit Ausschlus der Widerstandskomponenten ermöglicht, weil durch solche Widerstandseffekte ein grosses Brücken-Ungleichgewichts-Ausgangssignal hervorgerufen werden kann, das den Verstärker 9 aussteuern kann. Das Flüssigkeitsniveau-Fühl- und -Anzeige-System nach der Erfindung. hat ermöglicht, Flüssigkeitsniveaus auf + 0,25 cm genau in einem Niveaubereich von 35 cm festzustellen.
.../Patentansprüche

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e lc Vorrichtung zum Feststellen von Flüssigkeitsniveaus mit einer kapazitiven Flüssigkeitsspiegel-Fühlsonde, die eine Flüssigkeits säule bis zu einem Niveau enthält, das entsprechend dem festzustellenden Flüssigkeitsniveau steigt und fällt, bei der die Flüssigkeit in der Sonde dazu dient, die Kapazität der Sonde entsprechend dem Niveau zu ändern, einer elektrischen Brücke, die die Sonde als ein Brückenelement enthält, und einer Wechselstromquelle, die derart an die Brücke geschaltet ist, daß Änderungen in der Kapazität der Sonde eine Wechselstrom-Ausgangsspannung von der Brücke bewirken, dadurch gekennzeichnet, dass ein phasenempfindlicher Detektor vorgesehen ist, in dem die Phasenlage der Brücke Ausgangs-Wechselspannung mit der Phasenlage der Wechselspannung verglichen wird, die in die Brücke eingespeist wird, um eine Ausgangs-Gleichspannung zu erzeugen, deren Phasenlage den Xnderungssinn des Flüssigkeitsniveaus gegenüber einem vorbestimmten Bezugswert angibt, und deren Grösse den Betrag angibt, um den das Flüssigkeitsniveau vom Bezugawert abweicht.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durcheinen Phasenschieber, mit dem die Phasenlage einer der Eingangespannungen des phasenempfindlichen Detektors gegenüber der Phasenlage der anderen Eingangaspannung verschoben wird, so dass das kapazitive Ungleichgewicht der Brücke mit Aucschluss ton Widerstands-Ungleichgesichten feststellbar ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen induktiven Transformator, mit dem der Erregungs-Wechselstrom von der Quelle in die Brücke eingespeist wird.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die kapazitive Sonde aus zwei entfernt voneinander und koaxial zueinander angeordneten leitenden Elementen besteht, die den Kondensatorteil der kapazitiven Sonde bilden, und ein dielektrischer Faden zwischen den koaxialen leitenden Elementen angeordnet ist, der als Abstandhalter zwischen den beiden Elementen des gondensatorteils dient.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch Kombination mit einem Dewar-Gefäß für flüssiges Kühlmittel, um das Kühlmittelniveau im Dewar-Gefäß festzustellen.
6, Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine Einrichtung, mit der flüssiges Kühlmittel auf Grund eines Eingangssignals in das Gefäß geliefert wird, und eine Einrichtung, mit der die Ausgangsspannung des phasenempfindlichen Detektors an die Flüssigkeitsversorgung gegeben wird, um das Kühlmittelniveau im Dewargefäß zu kontrollieren.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine Anzeigeeinrichtung für die Ausgangsspannung des phasenempfindlichen Detektors, durch die das Flüssigkeitsniveau angezeigt wird.
8. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass-der dielektrische Faden als Wendel in den Spalt zwischen den beiden leitenden Elementen des Kondensatorteils gewickelt ist.

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