DE69516896T2 - Messgerät - Google Patents

Description

• Diese Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung der Position eines Übergangs zwischen zwei Fluids in einem Zentrifugenrotor während einer Drehung, umfassend einen elektrischen oder magnetischen Sensor, der integral auf einer Wand in dem Zentrifugenrotor angebracht ist, und eine Einrichtung für eine kontaktfreie und intermittierende Übertragung von Meßsignalen von dem Sensor an eine stationäre Meßeinheit außerhalb des Zentrifugenrotors.
• Von besonderem Interesse für diese Erfindung ist eine Messung in Zentrifugen für die Trennung von Fluids, die erhalten werden, wenn Öl aus Formationen unter der Erde produziert wird, einschließlich einer küstennahen Ölproduktion. In vielen Fällen wird während einer solchen Produktion zusammen mit dem Öl auch Wasser und Gas erhalten. In Zentrifugen, die zur Trennung der Fluidteile verwendet werden, ist es von großer Wichtigkeit, daß sie den Pegel der Wasserschicht und der Ölschicht im Zentrifugenrotor messen können, d. h. in bezug zur Innenwand des Rotors. Ein hohes Maß an Genauigkeit ist bei dieser Pegelmessung erwünscht, d. h. einer Messung der Position des Übergangs zwischen den Fluids oder Medien. Insbesondere ist es wichtig, die Position des Übergangs zwischen Wasser und Öl mit hoher Genauigkeit messen zu können.
• Eine genaue Messung der Position oder des Pegels in diesem Zusammenhang ist jedoch aufgrund von Fehlerquellen und, Störfaktoren als schwierig befunden worden, und zwar vielleicht insbesondere aufgrund der Tatsache, daß der Pegel des Übergangs von Übergängen in einem Zentrifugenrotor während einer Drehung etwas schwanken kann, wie beispielsweise als Folge des Durchflusses von Fluids in der axialen Richtung des Rotors. Ebenso können andere Faktoren einen Einfluß auf die Messung haben, wie beispielsweise eine sich ändernde Salzhaltigkeit des Wassers, ein Kapillareffekt und so weiter. Diese Faktoren oder Umstände können entweder in einer günstigen oder in einer ungünstigen Richtung unter den hohen Beschleunigungskräften beeinflußt werden, welchen die Fluids in den betroffenen Zentrifugen ausgesetzt sind, wie beispielsweise 3000 G. Eine weitere wichtige Angelegenheit ist die Ansprechzeit für die Messungen, da schnelle Änderungen des Übergangspegels im Zentrifugenrotor eine schnelle Einstellung oder andere Vorkehrungen von einem Bediener oder einem Umgebungssystem erfordern können.
• Aus der Schweizer Patentspezifikation 653,129 ist eine Meßvorrichtung bekannt, wie sie oben im einleitenden Absatz angegeben ist. Diese bekannte Vorrichtung wird jedoch keine ausreichend genaue Messung zum Ergebnis haben, wie es gemäß der obigen Diskussion erforderlich ist, und zwar insbesondere nicht angesichts der angegebenen Störfaktoren oder Umstände.
• Weiterhin kann auf die deutsche Patentspezifikation 2.914.423 Bezug genommen werden, die eine Zentrifuge mit Mitteln für optische Messungen durch im Zentrifugenrotor enthaltene Zellen betrifft. Es sind auch Anzeigen außerhalb des Zentrifugenrotors zum Messen oder zum Steuern der Drehgeschwindigkeit des Rotors gezeigt. Was bei der Vorrichtung gemäß der Erfindung an erster Stelle neu und spezifisch ist, besteht darin,
• daß der Sensor eine derartige Ausdehnung in der radialen Richtung des Rotors aufweist, daß der Sensor den Übergang penetriert,
• daß der Sensor eine aktive elektronische Schaltung umfaßt, die dafür ausgelegt ist, um Meßwerte zu speichern, die während wenigstens eines Teils einer Drehung des Rotors aufgezeichnet werden, vor der Übertragung von entsprechenden Meßsignalen an die Meßeinheit, und
• daß eine elektrische Energieversorgung für die elektronische Schaltung durch eine Generatoreinrichtung bereitgestellt wird, die einen stationären Magneten in der Nähe des Zentrifugenrotors und eine Spule, die in dem Rotor so angebracht ist, daß eine Spannung in der Spule während einer Bewegung vorbei an dem Magneten durch eine Drehung des Rotors induziert wird, umfaßt, und die Spule mit der elektronischen Schaltung verbunden ist.
• Ein wesentlicher Vorteil der hier angegebenen Lösung besteht darin, daß die Messung einen Durchschnitt von Pegelwerten über einen Teil einer Drehung des Rotors oder des Behälters oder möglicherweise mehrere Drehungen darstellen kann. Dies kann ein Teil einer Drehung sein, aber es wird normalerweise in der Praxis angenehm sein, Meßsignale an die Meßeinheit einmal für jede Drehung des Zentrifugenrotors zu übertragen. Die Erfindung macht es möglich, die Position des Übergangs zwischen Wasser und Öl mit einer Genauigkeit in der Größenordnung von 0,1 mm zu messen.
• In bezug auf das Grundprinzip einer Messung im Sensor kann dies ein kapazitives Meßprinzip sein, wie in der oben angegebenen Schweizer Patentspezifikation, oder die Messung kann auf anderen physikalischen Parametern basieren, wie beispielsweise magnetischen Eigenschaften der betroffenen Fluids.
• Obwohl der primäre und besonders interessierende Einsatz der Erfindung Zentrifugen für eine Ölseparation betrifft, können auch andere Fluids von Interesse sein.
• In der folgenden Beschreibung soll die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erklärt werden, wobei:
• Fig. 1 die Funktion einer Vorrichtung gemäß der Erfindung, die zu einer Zentrifuge gehört, schematisch und im Prinzip darstellt,
• Fig. 2 in einer vergrößerten Querschnittsansicht einen Teil des Zentrifugengehäuses und des Rotors in Fig. 1 mit der zugehörigen Meßvorrichtung zeigt,
• Fig. 3 wichtige Komponenten bei einem Ausführungsbeispiel des Sensors bei der Meßvorrichtung gemäß den Fig. 1 und 2 mit drei umgebenden Fluids, d. h. Wasser, Öl und Gas, schematisch zeigt,
• Fig. 4 ein vereinfachtes elektrisches System oder ein Blockdiagramm der gesamten Meßvorrichtung zeigt, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist,
• Fig. 5 eine besonders vorteilhafte Oszillatorschaltung schematisch zeigt, die im System der Fig. 4 verwendet werden kann,
• Fig. 6 ein Beispiel eines praktischen Ausführungsbeispiel eines Sensors teilweise in einer Querschnittsansicht und teilweise in einem Längsschnitt zeigt, und
• Fig. 7 eine sehr vergrößerte Querschnittsansicht eines kapazitiven Meßelements zeigt, das in einem Sensor eingebaut werden kann, wie er unter anderem in Fig. 6 dargestellt ist.
• Fig. 1 zeigt einen Teil des Umkreises eines Zentrifugenrotors 2, der mit zwei Meßsensoren 4 und 4' versehen ist. Vorzugsweise sind diese Sensoren in einem winkelmäßigen Abstand von 180º voneinander angeordnet, d. h. diametral gegenüberliegend im Rotor. Es ist offensichtlich, daß die Anzahl von Sensoren in einem Zentrifugenrotor 1, 2 oder darüber sein kann. Ein Übergang 1X zwischen zwei Fluids im Rotor 2 ist ebenso in Fig. 1 gezeigt. Im Sensor 4 ist ein Meßelement 25 schematisch gezeigt, das dafür ausgelegt sein kann, die Position des Übergangs 1X zu messen. Weiterhin ist im Sensor 4 ein Block 8 gezeigt, der eine elektronische Schaltung darstellt. An einer Seite ist diese Schaltung mit dem Meßelement 25 verbunden, und an der anderen Seite mit einem Teil 5A einer Übertragungsvorrichtung für Meßsignale vom Sensor 4 an eine stationäre Meßeinheit. In Fig. 1 ist die stationäre Meßeinheit als ein Block 7 in einem Meßgehäuse 10 gezeigt, das auch einen weiteren Teil 5B der gerade genannten Übertragungsvorrichtung umfaßt, sowie eine Magnetvorrichtung 11, die in einem Generator enthalten ist, wie es nachfolgend unter Bezugnahme auf Fig. 2 genauer beschrieben wird.
• Der Einfachheit halber ist der Sensor 4 in Fig. 1 mit nur einem Meßelement 25 zum Messen der Position eines Übergangs 1X gezeigt, aber wie es aus der folgenden Beschreibung klar wird, kann es in der Praxis für den primären Einsatz bei einer Wasser-Öl-Gas-Separation von Vorteil sein, zwei Meßelementteile mit einer wechselseitigen Beabstandung in der Längsrichtung des Sensors zu verwenden, d. h. bei unterschiedlichen radialen Positionen im Zentrifugenrotor 2.
• Die Meßeinheit 7 im Gehäuse 10 gemäß Fig. 1 ist mit einer externen Steuerung oder einem Regelsystem 30 verbunden, das wenigstens einen Ausgang 30A zur Steuereinrichtung für die Zentrifuge aufweist.
• Fig. 2 zeigt etwas detaillierter und im Querschnitt den Zentrifugenrotor und die zylindrische Wand 2 davon, sowie ein umgebendes Gehäuse 3. Wie in Fig. 1 ist der Sensor 4 in Fig. 2 schematisch mit dem Meßelement 25 gezeigt, mit der elektronischen Schaltung 8, und genauer mit dem Übertragungsteil oder Kopf 5A, der am Ende des Sensors 5 angeordnet ist, der sich dem Außenumfang des Rotors 2 nähert. Somit ist der Sensor 4 bei diesem Ausführungsbeispiel in einer Bohrung in der Rotorwand 2 so angebracht, daß das radial äußere Ende des Sensors 4, das unter anderem den Senderkopf 5A umfaßt, mit stationären Elementen oder Vorrichtungen zusammenarbeiten kann, die im Meßgehäuse 10 angeordnet sind, das beispielsweise mittels Bolzen am Zentrifugengehäuse 3 angebracht ist. Zusätzlich zum Kopf 5A ist im Endteil des Sensors 4 auch eine Spule 12 gezeigt, die in der oben angegebenen Generatorvorrichtung enthalten ist und die wie der Kopf 5A mit der elektronischen Schaltung 8 elektrisch verbunden ist.
• Die Meßeinheit 7 in Fig. 2 kann, wie es dargestellt ist, eine Leiterplatte oder ein Substrat aufweisen, die bzw. das die nötigen Schaltungen mit elektronischen Komponenten und Anschlüssen trägt. Ebenso kann der stationäre Senderkopf 5B, der zum Zusammenarbeiten mit dem Kopf 5A im Sensor 4 ausgelegt ist, derart angesehen werden, daß er zur Meßeinheit 7 gehört.
• Der Pfeil A in Fig. 2 zeigt die Richtung der Drehung des Rotors 2 an. Vor dem stationären Kopf 5B, wie es in der Drehrichtung zu sehen ist, ist eine Reihe von Magneten 11, die vorzugsweise Permanentmagnete sind, zur Zusammenarbeit bzw. zur Kooperation mit der Spule 12 am Endteil des Sensors 4 angeordnet. Demgemäß wird dann, wenn sich der Rotor 2 dreht, und aufgrund der Magnete 11 eine Spannung in der Spule 12 induziert werden, und dadurch wird eine ausreichende Menge an elektrischer Energie zum Versorgen der elektronischen Schaltung 8 für ihren Betrieb erzeugt werden. Eine solche Leistungsversorgung ist nötig, weil die elektronische Schaltung 8 aktive Elemente aufweist, die zum Speichern von Meßwerten geeignet sind, die durch ein Meßelement 25 während der Drehung aufgezeichnet werden.
• Es ist bevorzugt, daß die Spule 12 auf einen Ferritkern gewickelt ist. Wenn sich der Sensor vorbei an den Permanentmagneten 11 bewegt, wird in der Spule ein Wechselstrom erzeugt. Auf eine per se bekannte Weise kann dieser Wechselstrom gleichgerichtet und gefiltert werden, bevor er an die elektronische Schaltung 8 angelegt wird. Diese Komponenten in einer Schaltung 20, die durch die Generatorvorrichtung umfaßt ist, soll nachfolgend in Zusammenhang mit Fig. 4 näher diskutiert werden.
• Es ist klar, daß die hohe Drehgeschwindigkeit, die eine Lineargeschwindigkeit des Rotorumfangs von 100 m/s enthalten kann, zu einem hohen Ausmaß zu einer ausreichenden induzierten Spannung und einer dadurch erzeugten Leistung in der Generatorvorrichtung als Ganzes beiträgt.
• Von großer Wichtigkeit in diesem Zusammenhang ist auch der Spalt oder der Abstand zwischen der äußeren Rotorwand 2 mit dem Sensor-Endteil, der den Kopf 5A und den Spulen-Ferritkern 12 umfaßt, und der benachbarten gekrümmten Oberfläche des Meßgehäuses 10, und insbesondere den Permanentmagneten 11 darin. Beispielsweise kann der Luftspalt in einer Größenordnung von 2 mm sein. Die Grundfunktion der hier beschriebenen Anordnung wird jedoch auch mit einem etwas breiteren Spalt dieselbe und in der Praxis vollständig möglich sein.
• Ein zusätzlicher wichtiger Faktor in diesem Zusammenhang ist die Tatsache, daß die Reihe von Permanentmagneten 11 eine bestimmte Ausdehnung in der Umfangsrichtung in bezug auf die Rotordrehung hat, nämlich so, daß die Magnetvorrichtung 11 eine signifikant größere Ausdehnung in der Umfangsrichtung als die kooperierende Spule 12 mit ihrem zugehörigen Ferritkern hat. Daher findet die elektrische Leistungsversorgung für die elektronische Schaltung 8 über eine Entfernung statt, die allgemein der Länge der Magnetvorrichtung 11 in der Umfangsrichtung entspricht. Dies bildet nur einen sehr kleinen Bruchteil des gesamten Umfangs, aber, wie es nachfolgend unter Bezugnahme auf Fig. 4 genauer erklärt wird, umfaßt die elektronische Schaltung 8 eine Einrichtung zum Speichern der elektrischen Energie vom Generator während einer ausreichend langen Zeit für den erforderlichen Betrieb der elektronischen Komponenten.
• Der Sender- oder Empfängerkopf 5B ist wie die Magnetvorrichtung 11 in der Umfangsrichtung entsprechend ausgedehnt, wie es aus Fig. 2 gesehen wird. Dies trägt dazu bei, die Signalübertragung vom Senderkopf 5A im Rotor 2 während der Drehung hoher Geschwindigkeit von ihm am Kopf 5B vorbei zu ermöglichen. Angesichts einer möglichen Störung oder eines Einflusses auf den Empfängerkopf 5A von den Hauptteilen 11 und 12 der Generatorvorrichtung ist es gemäß einem besonderen Ausführungsbeispiel ein Vorteil, daß die Magnetfeldrichtung für die induktive Übertragung zwischen den Köpfen 5A und 5B normal zur Magnetfeldrichtung in der Generatorvorrichtung 11-12 ist.
• Vorteilhafterweise können beide Magnetköpfe 5A und 5B in der Übertragungsvorrichtung Ferritkerne aufweisen, wie beispielsweise eine Reihe von U-Kernen, die im Empfängerkopf 5B angeordnet sind.
• Für den primären und spezifischen Einsatz in Zentrifugen für eine Separation bzw. Trennung von Wasser, Öl und Gas ist es wichtig, daß die gesamte Vorrichtung und Struktur einen explosionssicheren Aufbau hat. Eine Sicherheitsmaßnahme in diesem Zusammenhang besteht darin, die Leistungsversorgung von der Generatorvorrichtung 11-12 zur elektronischen Schaltung 8 über Zenerbarrieren (nicht gezeigt) stattfinden zu lassen. Ein weiteres Merkmal in bezug auf den Aufbau, das auf eine solche Sicherheit abzielt, besteht im Einkapseln der elektrischen und elektronischen Komponenten, was auch zu einer erhöhten Zuverlässigkeit und einem sicheren Betrieb führt.
• Vom Meßgehäuse 10 in Fig. 2 ausgehend sind zwei Leitungen oder Kabeln 10A und 10B zum Weiterleiten gesendeter bzw. übertragener und möglicherweise irgendwie verarbeiteter Meßsignale zur oben angegebenen Schaltung oder Regelsystem 30 gezeigt, das in Fig. 1 schematisch gezeigt ist, wobei die Verbindung 10A-B den gerade angegebenen Leitungen oder Kabeln entspricht.
• Fig. 3 stellt etwas detaillierter, aber immer noch schematisch, die Komponenten dar, die im Sensor 4 bei einem praktischen Ausführungsbeispiel von ihm enthalten sind. Ein Ende (links in Fig. 3) des Sensors 4 ist in der Rotorwand 2 angebracht und steht (nach rechts) in drei Fluids 1A, 1B und 1C vor, die aufgrund der Drehung in Schichten separiert bzw. getrennt werden, wie es gezeigt ist. Somit kann bei dem betrachteten Beispiel das Fluid 1A Wasser sein, und das Fluid 1B Öl, mit einem Übergang 1X dazwischen, wie es oben angegeben ist. Zwischen der Ölschicht 1B und dem dritten Fluid 1C, das hier ein Gas ist, gibt es einen weiteren Übergang 1Y.
• Im. Sensor 4 ist ein erstes kapazitives Meßelement 25 für die Position des Übergangs 1X gezeigt, und ein zweites kapazitives Meßelement 26 für den Übergang 1Y. Der magnetische Senderkopf 5A und die Generatorspule 12 sind am radial äußeren Ende des Sensors 4 gezeigt, d. h. an dem Ende, das in der Rotorwand 2 angebracht ist. Die Spule 12 ist mit der Generatorschaltung 20 verbunden.
• Auf eine rein schematische Weise in Blockform sind für den Sensor 4 in Fig. 3 Komponenten oder Blöcke gezeigt, die in der elektronischen Schaltung 8 enthalten sind, d. h. an der ersten Stelle eine Senderschaltung 41 und ein Frequenzzähler 42, der auf einen Kapazitätswert von den Meßelementen 25 und 26 antwortet bzw. reagiert. An der zweiten Stelle sind ein Kristalloszillator 44 und zwei weitere Oszillatorschaltungen 46 und 48 gezeigt, die jeweils zu einem Meßelement 25 und 26 gehören.
• Das Meßelement 25 für den Wasser-Öl-Übergang 1X wird in Abhängigkeit davon eine sich ändernde Kapazität haben, ein wie großer Anteil des Oberflächenbereichs des Meßelements gegenüber den Fluids mit Wasser bedeckt ist, da das Wasser 1A, wie es in Fig. 3 gezeigt ist, eine der zwei Elektroden in einem Kondensator bildet, der durch die Meßelemente 25 ausgebildet wird. Im Meßelement 26 sind jedoch zwei permanente Kondensatorplatten oder Elektroden eingebaut, wodurch das Dielektrikum dazwischen zu einem größeren oder kleineren Ausmaß aus Öl oder Gas besteht, so daß der Unterschied bei einer Dielektrizitätskonstante zwischen Öl und Gas zu Schwankungen bei dem Kapazitätswert des Meßelements 26 führt.
• Die elektronischen Hauptkomponenten, die auf eine vereinfachte Weise im Aufbau der Fig. 3 gezeigt sind, sind in Fig. 4 etwas detaillierter dargestellt, wobei die Hauptteile der Meßvorrichtung in der Form des Sensors 4, der Meßeinheit 7 und des externen Steuersystems 30 gesehen werden können.
• Meßwerte, die durch die Kapazität des Meßelements 25 dargestellt sind, dienen als Eingangssignal zur elektronischen Schaltung 8, die einen Kapazitäts-Frequenz- Wandler 46, einen Frequenzzähler 42, der möglicherweise einen Verarbeitungsteil 42A enthalten kann, die Treiber- oder Senderschaltung 41 und den tatsächlichen Sender-Magnetkopf 5A aufweist. Darüber hinaus weist die Schaltung 8 den Referenzoszillator 44 auf, der vorzugsweise kristallgesteuert wird, und darüber hinaus eine Zeit-Steuerschaltung 40.
• Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Kapazitäts-Frequenz- Wandlers 46 ist etwas detaillierter in Fig. 5 gezeigt. Wie es darin gezeigt ist, kann die Wandlerschaltung derart angesehen werden, daß sie einen auf einer phasenverriegelten Schleife basierenden selbstkompensierenden Oszillator bildet. Dieser enthält einen Phasendetektor 43, ein Filter 45 und zwei identische spannungsgesteuerte Oszillatoren 47 und 49, die jeweils auf einen separaten Meßkondensator, nämlich jeweils das Referenzelement oder den Referenzkondensator 37 und den Meßkondensator 35 im Meßelement 25, wie es beispielsweise in Fig. 3 gezeigt ist, reagieren bzw. antworten. Eine Wandlerschaltung 48, die der Schaltung 46 vollständig entspricht, ist für das Meßelement 26 vorgesehen. Der Klarheit halber ist in Fig. 4 nur die Wandlerschaltung 46 gezeigt. Die Betriebsweise der beschriebenen Schaltungen kann kurz wie folgt erklärt werden: die kapazitiven Elemente sind frequenzbestimmende Elemente im selbstkompensierenden Oszillator oder in der Wandlerschaltung 46, und in der Zählerschaltung 42 wird die Frequenz beim Zählen der Frequenz während eines genau bestimmten Zeitintervalls in ein digitales Ausgangssignal umgewandelt. Die Erzeugung des digitalen Ausgangssignals, möglicherweise kombiniert mit einer weiteren Signalverarbeitung, kann derart angesehen werden, daß sie im gezeigten Verarbeitungsteil 42A stattfindet, der mehr oder weniger mit dem Frequenzzähler 42 integriert sein kann.
• Die genaue Bestimmung der Zählperiode oder des Intervalls findet mittels des Kristalloszillators 44 statt. Das kapazitive Meßelement, wie beispielsweise das Element 35, wird bei einem gegebenen Kapazitätswert in einer Ausgangsfrequenz vom Oszillator in Abhängigkeit von einer Umgebungstemperatur, einer Versorgungsspannung und einer Alterung der Schaltungskomponenten, die enthalten sind, resultieren. Zum Kompensieren solcher und anderer Fehlerquellen werden zwei identische Oszillatoren 47 und 49 verwendet, die mit dem kapazitiven Referenzelement 37 bzw. dem kapazitiven Meßelement 35 verbunden sind, wie es oben angegeben ist. Idealerweise ist die Ausgangsfrequenz des Oszillators 47 stabil, außer für eine mögliche unerwünschte Drift. Wenn die zwei Oszillatoren 47 und 49 als identisch angesehen werden können und vorzugsweise auf demselben Siliziumchip eingebaut sind, kann angenommen werden, daß auch die Drift für die zwei Oszillatorschaltungen identisch sein wird. Schwankungen in bezug auf die Ausgangsfrequenz vom "stabilen" Oszillator 47 können daher zum Kompensieren der Drift im Meßoszillator 49 verwendet werden. Beste Ergebnisse in bezug auf die Stabilität werden mit zwei spannungsgesteuerten Oszillatorschaltungen 47 und 49 erhalten, von welchen der Referenzoszillator 47 in der oben angegebenen (Fig. 5) phasenverriegelten Schleife eingebaut ist, gegenüber einer Referenzfrequenz vom Kristalloszillator 44. Dadurch wird ein kompensierter Arbeitspunkt für den Meßoszillator 49 gebildet.
• Zum Übertragen bzw. Senden der erhaltenen Meßsignale zur Meßeinheit 7 in einer kurzen Zeit während einer Bewegung des Sensors 4 vorbei an der Meßeinheit 7 ist es bevorzugt, die Meßsignale in digitale Worte umzuwandeln, wie es bereits angegeben ist. Eine Wortlänge von 12 Bits ist als geeignet befunden worden. Dies macht eine maximale Auflösung von 4096 Stufen möglich, was mehr als ausreichend ist. In der tatsächlichen Praxis weist die elektronische Schaltung 8 drei parallele Frequenz-Digital-Wandler auf, d. h. jeweils für den Wasserpegel, den Ölpegel und die Temperatur, da es auch von Interesse ist, die Temperatur des angegebenen Fluids in einem Zentrifugenrotor während eines Betriebs zu messen. Die drei resultierenden digitalen Worte von jeweils 12 Bits werden aufeinanderfolgend durch die Magnetköpfe 5A und 5B, wie sie zuvor beschrieben sind, ausgelesen.
• Ein Speichern von Meßwerten, die über wenigstens einen Teil einer Drehung des Zentrifugenrotors aufgezeichnet werden, wird durch Steuern des Zählintervalls bewirkt, was beispielsweise 10% weniger als die Zeit für eine vollständige Drehung sein kann. Demgemäß wird der Ausgangspegel, gemessen über 90% des Zentrifugenumfangs, ein Durchschnittswert der verschiedenen Pegel der Fluids in der Zentrifuge sein. Details in bezug auf die zugehörige digitale Signalverarbeitung in diesem Zusammenhang werden Fachleuten auf dem Gebiet klar sein und werden hier nicht detaillierter diskutiert werden. Zum Sicherstellen, daß die Signalübertragung vom Rotor bei einer richtigen Winkelposition stattfindet, wird ein Startimpuls von der Generatorvorrichtung 11-12 abgeleitet, um eine Bewegung am letzten Permanentmagneten 11 vorbei anzuzeigen.
• In bezug auf die Generatorschaltung in Zusammenhang mit der Spule 12 zeigt Fig. 4 eine Gleichrichterbrücke 22, ein Filter 23 und einen Spannungsregler 27.
• Die Meßeinheit 7 weist eine Unterscheidungsschaltung 15 zwischen dem Magnetkopf 5B und einem Leitungstreiber oder einer Verstärkungsschaltung 17 zum Weiterleiten der digitalen Meßsignale entlang einer Leitung 10A zum Steuersystem 30 auf. Vom Steuersystem 30 führt die Leitung 108 eine elektrische Leistung zur Meßeinheit 7. Vorzugsweise werden Zenerbarrieren 50A und 50B im Steuersystem 30 gegenüber den verbindenden Leitungen 10A und 10B für die Meßeinheit 7 verwendet. Dies ist angesichts des Risikos einer Explosion bevorzugt. Im Steuersystem oder im Block 30 sind darüber hinaus Schaltungen enthalten, die mehr oder weniger auf der Hand liegen, wie beispielsweise eine Stromversorgungsschaltung 51, eine Verstärkerschaltung 52 und eine Mikrosteuerung oder ein Prozessor 53, sowie ein zusätzlicher Verstärker 54, wobei eine elektrische Schnittstelle bei 55 für Verbindungen zu Steuerungen, Alarmeinrichtungen usw., die zum Betrieb der Zentrifugen gehören, gezeigt ist.
• Bei dem Beispiel eines praktischeren Ausführungsbeispiels eines Sensoraufbaus, wie er in Fig. 6 mit zugehörigen Querschnittsansichten 6A und 6B sowie einer längsgeschnittenen Ansicht 6C gezeigt ist, hat der Sensor 4 ein Gehäuse 61 mit einer stromlinienförmigen äußeren Querschnittsform, wie es aus den Querschnitten der Fig. 6A und 6B klar wird. Die Querschnittsform entspricht hier einem Fluß der Fluids in der axialen Richtung des Rotors 2.
• In Fig. 6 sind dieselben drei Fluids 1A, 1B und 1C wie sie in Fig. 3 gezeigt sind. An den zwei Übergängen zwischen den Fluids dort sind hier insbesondere Beispiele von Maximalpegeln gezeigt, nämlich jeweils 1Xmax und 1Ymax, sowie von Minimalpegeln, nämlich jeweils 1Xmin und 1Ymin. Wie es aus Fig. 6 zu sehen ist, weist das Meßelement 25 ein kapazitives Elektrodenelement oder eine Oberfläche 35 auf, das bzw. die ausgelegt ist, um den Bereich einer Schwankung (1Xmin - 1Xmax) eines Übergangs 1X zwischen den Fluids 1A und 1B abzudecken, und darüber hinaus eine Referenzelektrode 37, die ausgelegt ist, um während eines Betriebs der Zentrifuge immer im äußeren Fluid 1A angeordnet zu sein. Völlig dementsprechend hat das Meßelement 26 einen Meßteil oder eine Elektrodenoberfläche 31 für den Übergang 1Y zwischen den Fluids 1B und 1C und eine Referenzelektrode 32, die ausgelegt ist, während eines Betriebs im Fluid 1B eingetaucht zu sein. Dieser Aufbau mit Referenzelektroden 32 und 37 gemäß der Erfindung bildet eine vorteilhafte Lösung für den Zweck, bestimmte Fehlerquellen zu eliminieren. Dies ist bereits oben unter Bezugnahme auf das Blockdiagramm der Fig. 4 erklärt worden.
• Fig. 6A zeigt in einer Querschnittsansicht, wie das Meßelement 26 in bezug auf einen durchlaufenden Schlitz 36 im Sensor 4 entsprechend der axialen Durchflußrichtung durch den Rotor, wie sie oben angegeben ist, angeordnet ist, wodurch die zwei betreffenden Fluids 1B und 1C, d. h. jeweils Öl und Gas im primären Feld einer Verwendung, wie es angegeben ist, aufgrund des Durchflusses durch den Schlitz 63 in den Schlitz 63 ohne einen Versatz oder eine ungünstige Beeinflussung der zu messenden Übergangsposition eintreten werden. Die obigen festen Elektroden im Meßelement 26 sind jeweils an einer und der anderen Seite des Schlitzes 63 angeordnet.
• Die Querschnittsansicht der Fig. 6B zeigt das Meßelement 25, das von einer Seitenwand des Gehäuses 61 für eine direkte Kooperation mit dem umgebenden Fluid 1A, beispielsweise dem Wasser, oder dem Fluid 1B, das beim gegenwärtigen Beispiel Öl ist, nach außen gerichtet ist. Hinter dem Meßelement 25 in Fig. 6B ist die obige elektronische Schaltung 8 rein schematisch und innerhalb eines inneren Hohlraums im Gehäuse 61 angeordnet gezeigt. Siehe auch die entsprechende Stelle im Längsschnitt der Fig. 6C. Die Sensorumhüllung oder das Sensorgehäuse 61 kann angenehmerweise durch Gießen von Titan hergestellt werden, das Festigkeit und niedriges Gewicht kombiniert.
• Schließlich zeigt Fig. 7 in einem vergrößerten Maßstab ein Ausführungsbeispiel des kapazitiven Meßelements 25, das an einer Oberfläche des Gehäuses 61 angebracht ist, das hier nur teilweise und im Querschnitt gezeigt ist. Das Meßelement 25 ist auf einem plattenförmigen Substrat 50 ausgebildet, das vorzugsweise Ceram oder ein anderes stabiles Material ist. An der Hauptoberfläche 51, die nach außen gerichtet ist, ist das Substrat 50 an der ersten Stelle mit einem Elektrodenelement oder einem Überzug 35 versehen, wie es bereits oben erklärt ist, und darüber hinaus mit einem Referenzelektrodenüberzug 37. Dieser Aufbau entspricht im wesentlichen dem, was auch in bezug auf das Meßelement 25 in Fig. 6 gezeigt ist. Die gegenüberliegende Hauptoberfläche 52 des Substrats 50 ist vorzugsweise ein leitender Überzug 54, der eine Grundebene bildet. Dies trägt dazu bei, das gesamte Meßelement 25 in bezug auf elektrische Bedingungen definierter zu machen, und auch unabhängig von den Umgebungen im Gehäuse 61.
• Vor den Elektrodenüberzügen 35 und 36 und vorzugsweise in engem Kontakt zu diesen ist eine elektrisch isolierende Platte 55 als Fenster gegenüber den Fluids vorgesehen, die das Sensorgehäuse 61 umgeben. Wie es oben diskutiert ist, wird die häufigste Verbindung des Sensors das Vorhandensein von Öl oder Wasser an der Außenseite der Platte 55 enthalten. Bei einer solchen praktischen Anwendung wird die Platte sehr ernsthaften äußeren Belastungen ausgesetzt werden, wie beispielsweise den oben angegebenen sehr hohen Drücken, einer Abnutzung aufgrund von Partikeln, die in den Fluids enthalten sein können, und einer hohen G-Belastung. Ein bevorzugtes Material in bezug auf die Platte 55 ist Saphir, was abnutzungsresistent ist und die in dieser Meßelementstruktur erforderliche mechanische Festigkeit hat.
• Die Betriebsweise eines solchen kapazitiven Meßelements ist bereits oben diskutiert worden, wobei eine größere oder kleinere Bedeckung der Elektrode 35 mit Wasser in größeren oder kleineren effektiven Kondensatorflächen mit der Platte 55 dazwischen als das Dielektrikum resultiert. Es kann ein Vorteil sein, die Elektrode 35 eine Oberflächenform mit einer spitz zulaufenden Breite haben zu lassen, so daß die Kapazitätsschwankung in bezug auf Änderungen des Wasserpegels linear sein wird, d. h. die Position des Übergangs zwischen Wasser und Öl.

Claims (12)

1. Vorrichtung zur Messung der Position eines Übergangs zwischen zwei Fluids in einem Zentrifugenrotor (2) während der Drehung, umfassend einen elektrischen oder magnetischen Sensor (4), der integral auf einer Wand in dem Zentrifugenrotor (2) angebracht ist, und eine Einrichtung (5A, 5B) für eine kontaktfreie und intermittierende Übertragung von Messsignalen von dem Sensor (4) an eine stationäre Messeinheit (7) ausserhalb des Zentrifugenrotors,

dadurch gekennzeichnet, dass

der Sensor (4) eine derartige Ausdehnung in der radialen Richtung des Rotors (2) aufweist, dass der Sensor den Übergang penetriert;

der Sensor (4) eine aktive elektrische Schaltung (8) umfasst, die dafür ausgelegt ist, um Messwerte zu speichern, die während wenigstens eines Teils einer Drehung des Rotors (2) aufgezeichnet werden, vor der Übertragung von entsprechenden Messsignalen an die Messeinheit (7); und

eine elektrische Energieversorgung für die elektronische Schaltung (8) durch eine Generatoreinrichtung bereitgestellt wird, die einen stationären Magneten (11) in der Nähe des Zentrifugenrotors (2) und eine Spule (12), die in dem Rotor so angebracht ist, dass eine Spannung in der Spule (12) während einer Bewegung vorbei an dem Magneten (11) durch eine Drehung des Rotors (2) induziert wird, umfasst, und die Spule (12) mit der elektronischen Schaltung verbunden ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Schaltung (8) eine Einrichtung (42A, 46) zum Ausführen einer bestimmten Signalverarbeitung auf Grundlage der Messwerte, vorzugsweise zum Bilden wenigstens eines digitalen Worts für die Übertragung an die Messeinheit (7) umfasst (Fig. 4).

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine kapazitive Messung in dem Sensor (4) dafür ausgelegt ist, um in eine Frequenzänderung in der elektronischen Schaltung (8) umgewandelt zu werden, die einen Frequenzzähler (42) umfasst, der von einem Taktgenerator (44) gesteuert wird, der die Zählperiode(n) bestimmt (Fig. 4).

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Taktoszillator (44) auch ein Referenzoszillator für die Kapazitätsmessung (46) mit sich ergebenden Frequenzänderungen ist, so dass eine Instabilität in dem Taktoszillator ausgeglichen wird (Fig. 4).

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (4) einen Messteil (35, 31) für den Übergang (1X, 1Y) und einen Referenzteil (37, 32), der dafür ausgelegt ist, um nur von einem Fluid (1A, 1B) beeinflusst zu werden, umfasst (Fig. 6 und 7).

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5 zum Messen des Übergangs zwischen zwei Flüssigkeitsfluids, dadurch gekennzeichnet, dass ein kapazitives Messelement (25) in dem Sensor (4) ein plattenförmiges Substrat (50) aus einem stabilen Material, beispielsweise Ceram, umfasst, wobei eine Hauptoberfläche (51) davon dafür ausgelegt ist, um in Richtung auf die zwei Fluids (1A, 1B, 1C) hin gerichtet zu sein, ein kapazitives Messelektrodenelement (35) und möglicherweise ein kapazitives Referenzelektrodenelement (37) trägt, wobei die gegenüberliegende Hauptoberfläche (52) des Substrats (50) vorzugsweise mit einer Masseebenebeschichtung (54) versehen ist (Fig. 7).

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Messelektrodenelement (35) und möglicherweise dem Referenzelektrodenelement (37) eine elektrisch isolierende Platte (55) aus einem gegenüber Abnutzung wiederstandsfähigem und mechanisch starkem Material, vorzugsweise Saphir, vorgesehen ist (Fig. 7).

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragung von Messsignalen induktiv mit Hilfe eines magnetischen Senderkopfes (5A) auf dem Zentrifugenrotor (2) und einem zusammenarbeitenden magnetischen Empfängerkopf (5B), der auf der Messeinheit (7) vorgesehen ist, stattfindet (Fig. 1 und 2).

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Empfängerkopf (5B) im wesentlichen in der Umfangsrichtung länglicher ist als der Senderkopf (5A) (Fig. 2).

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der stationäre Magnet der Generatoreinrichtung wenigstens einen Permanentmagneten und vorzugsweise eine Anzahl von Permanentmagneten (11) nacheinander in der Umfangsrichtung umfasst (Fig. 2).

11. Vorrichtung nach Anspruch 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfeldrichtung für die induktive Übertragung (5A, 5B) von Messsignalen im wesentlichen rechtwinklig zu der Magnetrichtung der Generatoreinrichtung (11, 12) orientiert ist (Fig. 2).

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (4) ein Gehäuse (60, 70) mit einer stromlinienförmigen äußeren Querschnittsform (61, 71) bezüglich einer Strömung der Fluids in der axialen Richtung des Zentrifugenrotors (2) aufweist (Fig. 6).