Vorrichtung zur Konstanthaltung der IIöhe des Flüssigkeitsstandes in einem Vorratsgefäss.
In vielen Fällen besteht die Aufgabe, eine genau dosierte Flüssigkeitsmenge einem chemischen Prozess zuzuführen.
Üblich sind hiefür Dosierpumpen, die aber infolge der bewegten Teile leicht zu Anfälligkeiten, zum Beispiel Undichtigkeiten an Ventilen und Stopfbüchsen, neigen. Besonders können erhebliche Störungen bei stark korrodierenden Flüssigkeiten und Temperaturen der Flüssigkeiten nahe ihrem Verdampfungspunkt auftreten.
In solchen Fällen sind die bekannten Dosiereinrichtungen mittels Ausfluss oder Durchfluss von Blenden, Düsen oder Kapillaren von Vorteil. Hierbei ist aber Voraussetzung, dass der Druck, das heisst die Höhe der Flüssig keitssäule, vor dem Dosiergerät konstant gehalten wird, da bei freiem Ausfluss die Ausflussmenge von der Druckhöhe je nach Art der Dosiereinrichtung quadratisch oder linear abhängig ist.
Die Erfindung bezweckt die Konstanthaltung der Höhe des Flüssigkeitsstandes in einem Vorratsgefäss in bezug auf ein im Raum festliegendes Niveau. Dies wird gemäss Erfindung dadurch erreicht, dass das Vorratsgefäss von der Flüssigkeit, die in einem zweiten feststehenden Gefäss sich befindet, mindestens teilweise getragen wird, wobei die Abmessungen der Gefässe entsprechend den Dichten der beiden Flüssigkeiten so aufeinander abgestimmt sind, dass bei jeder beliebigen Änderung der Stoffmenge im Vorratsgefäss dessen Flüssigkeitsspiegel auf gleicher Höhe bleibt.
Grundsätzlich können die dabei verwendeten Gefässe beliebige Formen haben, sofern man sie entsprechend aufeinander abstimmt.
Praktisch ist es schon aus Herstellungsgrün- den zweckmässig, zylindrische Gefässe zu verwenden.
In den Zeichnungen ist der Erfindungsgegenstand an Hand von Ausführungsbeispielen schematisch veranschaulieht.
Fig. 1 zeigt das erste Beispiel. Die zu dosierende Flüssigkeit von der Dichte Q1 befindet sich in dem zylindrischen Vorratsgefäss V vom Querschnitt F1, das mit dem zylindrischen Schwimmergefäss S vom Querschnitt F2 fest verbunden ist.
Dieses Gefäss S schwimmt in einer Flüssigkeit von der Dichte 82, von der eine vorgegebene Menge in das zylindrische Gefäss Z vom Querschnitt F2 eingebracht ist. Das Gefäss V wird also von der letzterwähnten Flüssigkeit getragen.
Wird das Gefäss V aufgefüllt, so taucht der Schwimmer S tiefer in die Flüssigkeit des Gefässes Z ein. Dadurch steigt aber der Flüssigkeitsspiegel H2 in dem Gefäss Z an und der Auftrieb des Schwimmers S wird grösser. Es lässt sich nun rechnerisch zeigen, dass der Flüssigkeitsspiegel im Gefäss V sich unabhängig von der in das Gefäss V eingefüllten Flüssigkeitsmenge immer auf die Höhe H, einstellt, wobei Ho hier die Höhe ist, gemessen vom Boden B, auf dem das Gefäss Z feststeht, wenn die Bedingung erfüllt ist:
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Der Boden B bildet hier das im Raum festliegende Bezugsniveau. Wie die Formel 1 zeigt, sind die Abmessungen der Gefässe und die Dichten der beiden Flüssigkeiten in be stimmter Weise aufeinander abgestimmt.
Aus dem Gefäss V kann Flüssigkeit über den Heber 4 in Gefäss 5 übertreten, in dem das Niveau mit dem Niveau in V übereinstimmt und dann durch die Messdüse 9 ausfliessen.
Die Anordnung nach Fig. 1 kann zu Schwierigkeiten führen, wenn die Flüssigkeit im Behälter Z zu hohen Dampfdruck hat und dadurch eine merkliche Verdunstung auftritt.
In diesem Falle nimmt die Flüssigkeitsmenge im Gefäss Z im Laufe der Zeit allmählich ab und die Höhe H0 ändert sich ganz langsam, sofern man nicht in gewissen Zeitabständen die Füllung nachprüft und nötigenfalls ergänzt.
Dieser Nachteil lässt sich vermeiden, wenn der Querschnitt des Gefässes Z unendlich gross ist. In Gleichung 1 verschwindet dann das zweite Glied und die Beziehung vereinfacht sich zu
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Ist das Gefäss Z im Durchmesser unendlich gross, so bleibt die Spiegelhöhe H2 konstant, wenn das Schwimmergefäss S endlichen Querschnitt hat.
Praktisch lässt sich dieser Fall auch bei endlichem Querschnitt des Gefässes Z verwirklichen, sofern man nur dafür dorgt, dass der Flüssigkeitsspiegel H2 durch einen Überlauf auf gleicher Höhe gehalten wird. Der Durchmesser des Gefässes Z kann dann beliebig gewählt werden.
Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel für diesen Fall.
Hier sitzt das zylindrische Vorratsgefäss auf einem zylindrischen Schwimmer, der in dem mit dem Überlauf U versehenen Behälter in die in ihm enthaltene Flüssigkeit eintaucht.
Die in Fig. 1 und 2 gezeigten Anordnungen sind grundsätzlich für alle vorkommenden Fälle anwendbar, die Dichte 21 der zu dosierenden Flüssigkeit kann dabei grösser oder kleiner sein als ctie Dichte Q2 der Badflüssigkeit.
In manchen Fällen kann bei den Ausführungen nach Fig. 1 und 9 die hohe Schwerpunktlage der beiden miteinander verbundenen Gefässe V und S sich störend bemerkbar machen, indem das Schwimmersystem instabil wird. Man kann dann die Stabilität durch ein Gegengewicht Q wieder herstellen, wie beispielsweise in Fig. 2 gezeigt wird. Dabei kann dann das Gegengewicht das Leergewicht der Behälter V lmd S ganz oder auch nur zum Teil ausgleichen. Hier wird also das Vorratsgefäss nur teilweise von der Flüssigkeit im Behälter Z getragen.
Für den Fall, dass die zu dosierende Flüssigkeit schwerer ist als die Flüssigkeit im Behälter Z, also Q1 > Q2, lassen sich zweckmässigere Anordnungen anwenden, die auch einen Gewichtsausgleich des Schwimmersystems unnötig machen.
Fig. 3 zeigt eine solche Anordnung, bei der der Schwimmer S wegfällt. Diese Ausführungsform lässt sich, wie Gleichung 3 ohne weiteres erkennen lässt, nur in Fällen anwenden, wenn in das Gefäss Z eine vorgegebene Menge Flüssigkeit von der Dichte Q2 eingefüllt wird. Man kann hier also nicht den durch Überlauf U konstant gehaltenen Flüssigkeitsspiegel H2 im Gefäss Z anwenden.
Der Spiegel der zu dosierenden Flüssigkeit von der Dichte Q1 bleibt unabhängig von der in das Gefäss V eingebrachten Menge dieser Flüssigkeit auf der konstanten Höhe H,, gemessen von der festen Unterlage für das Gefäss Z, wenn die Bedingung erfüllt ist: (3) F1 f 1 *) 1e2
F2 Q 1 0i
Bei dieser besonders einfachen, praktischen Ausführung des Erfindungsgedankens besteht aber bei leicht verdunstbaren Flüssig eiten im Behälter Z wieder die Gefahr einer allmählichen Änderung der Höhe H,. Diese kann man hier durch die folgende, in Fig. 4 gezeigte Anordnung vermeiden.
Das die zu dosierende Flüssigkeit von der Dichte Q1 enthaltende zylindrische Gefäss V vom Querschnitt, F1 ist mit einem Hohlschwimmer S fest verbunden, der sich zweckmässig als zylindrisches Mantelgefäss konzentrisch um das Gefäss V herumlegt. Das mit dem Schwimmermantel versehene Gefäss V schwimmt in dem Gefäss Z, das beliebigen Durchmesser hat und mit einer Flüssigkeit von der Dichte 82 gefüllt ist, deren Höhe durch einen Überlauf U konstant gehalten wird.
Wird in das Gefäss V Flüssigkeit von der Dichte el nachgefüllt, so hat es das Bestreben, tiefer in die Flüssigkeit von der Dichte 22 einzutauchen, gleichzeitig wird aber auch der mit dem Gefäss V fest verbundene Schwimmer S mit eintauchen und die Eintauchtiefe teilweise kompensieren.
Man kann nun die Abmessungen so wählen, dass unabhängig von der im Gefäss V befindlichen Menge die Spiegelhöhe H0 die gleiche bleibt. Die theoretischen Uberlegungen zeigen nach Gleichung 1, dass das der Fall ist, wenn
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Die in Fig. 3 und 4 dargestellten Ausfüh rnngsbeispiele sind besonders dann brauchbar, wenn die zu dosierende Flüssigkeit im Gefäss V auf einer bestimmten, von der Umgebung abweichenden Temperatur gehalten werden muss. Das Gefäss V kann auch als Schmelzgefäss Verwendung finden, wobei der Stoff also in fester Form eingebracht wird und durch Wärmezufuhr von der Flüssigkeit des Behälters Z aus der festen in die flüssige Phase übergeführt wird.
Die zu dosierende Flüssigkeit von der Dichte 21 befindet sich in Fig. 4 in dem Speicherbehälter 1 und wird je nach Bedarf in grö sseren oder kleineren Zeitabständen durch Öffnen des Hahns 2 dem mit einem Schwimmermantel entsprechender Abmessungen versehenen Gefäss V zugeführt. Gefäss V und Schwimmer S schwimmen in der Flüssigkeit von der Dichte 8 2, zum Beispiel Wasser in dem Gefäss Z, dessen Spiegel durch den Überlauf 4 auf gleicher Höhe gehalten wird.
Die in dem Überlauf abfliessende Wassermenge wird durch den Zulauf 3 wieder ergänzt. Aus dem Schwimmergefäss 5 wird die Flüssigkeit mittels des Hebers 4 von reichlichem Durchflussquerschnitt in das Gefäss 5 gefördert, dessen Flüssigkeitsspiegel mit dem im Gefäss V kommuniziert. Am Boden 6 des Gefässes 5 befindet sich eine Messdüse 9, durch die infolge der kor xtanten Höhe H0 stets die gleiche Flüssigke; menge ausfliesst, in dem Trichter 7 aufgefangen und durch die Rohrleitung 8 dem Verbraucher zugeführt wird.
Die vorstehend beschriebenen Vorrichtungen können für alle Fälle der Mess- oder Regeltechnik, in denen es darauf ankommt, einen Flüssigkeitsspiegel unabhängig von Zuund Ablauf konstant zu halten, angewendet werden.
Device for keeping the height of the liquid level constant in a storage vessel.
In many cases, the task is to feed a precisely measured amount of liquid to a chemical process.
Dosing pumps are common for this, but due to the moving parts they tend to be susceptible, for example leaks in valves and stuffing boxes. In particular, considerable disturbances can occur in the case of highly corrosive liquids and temperatures of the liquids close to their evaporation point.
In such cases, the known metering devices by means of outflow or throughflow from orifices, nozzles or capillaries are advantageous. A prerequisite here is that the pressure, i.e. the height of the liquid column, is kept constant in front of the dosing device, since when the outflow is free, the outflow quantity depends on the pressure level as a square or linear function, depending on the type of dosing device.
The invention aims to keep the height of the liquid level in a storage vessel constant with respect to a level fixed in space. According to the invention, this is achieved in that the storage vessel is at least partially supported by the liquid which is located in a second stationary vessel, the dimensions of the vessels being coordinated with one another in accordance with the densities of the two liquids so that with any change in the Amount of substance in the storage vessel whose liquid level remains at the same level.
In principle, the vessels used can have any shape, provided they are matched to one another accordingly.
In practice, it is advisable to use cylindrical vessels for manufacturing reasons.
In the drawings, the subject matter of the invention is illustrated schematically on the basis of exemplary embodiments.
Fig. 1 shows the first example. The liquid to be dosed with the density Q1 is located in the cylindrical storage vessel V with the cross section F1, which is firmly connected to the cylindrical float vessel S with the cross section F2.
This vessel S floats in a liquid of density 82, of which a predetermined amount is introduced into the cylindrical vessel Z of cross section F2. The vessel V is thus carried by the last-mentioned liquid.
If the vessel V is filled, the float S dips deeper into the liquid in the vessel Z. As a result, however, the liquid level H2 in the vessel Z rises and the buoyancy of the float S increases. It can now be shown mathematically that the liquid level in the vessel V always adjusts to the height H, regardless of the amount of liquid filled into the vessel V, where Ho is the height, measured from the bottom B, on which the vessel Z is fixed, if the condition is met:
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The floor B is the fixed reference level in the room. As Formula 1 shows, the dimensions of the vessels and the densities of the two liquids are coordinated in a certain way.
Liquid can pass from the vessel V via the siphon 4 into the vessel 5 in which the level corresponds to the level in V and then flow out through the measuring nozzle 9.
The arrangement according to FIG. 1 can lead to difficulties if the liquid in the container Z has too high a vapor pressure and, as a result, noticeable evaporation occurs.
In this case, the amount of liquid in the vessel Z gradually decreases over time and the height H0 changes very slowly, unless the filling is checked at certain time intervals and, if necessary, supplemented.
This disadvantage can be avoided if the cross section of the vessel Z is infinitely large. The second term in equation 1 then disappears and the relationship simplifies to
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If the diameter of the vessel Z is infinitely large, the mirror height H2 remains constant if the float vessel S has a finite cross-section.
In practice, this case can also be realized with a finite cross-section of the vessel Z, provided that it is only ensured that the liquid level H2 is kept at the same height by an overflow. The diameter of the vessel Z can then be chosen as desired.
Fig. 2 shows an embodiment for this case.
Here the cylindrical storage vessel sits on a cylindrical float, which is immersed in the liquid contained in the container provided with the overflow U.
The arrangements shown in FIGS. 1 and 2 can in principle be used for all cases that occur; the density 21 of the liquid to be metered can be greater or smaller than the density Q2 of the bath liquid.
In some cases, in the embodiments according to FIGS. 1 and 9, the high center of gravity of the two interconnected vessels V and S can be noticeable in a disruptive manner in that the float system becomes unstable. The stability can then be restored by a counterweight Q, as shown for example in FIG. The counterweight can then compensate for the empty weight of the container V lmd S completely or only partially. So here the storage vessel is only partially supported by the liquid in the container Z.
In the event that the liquid to be dosed is heavier than the liquid in the container Z, i.e. Q1> Q2, more expedient arrangements can be used which also make a weight compensation of the float system unnecessary.
Fig. 3 shows such an arrangement in which the float S is omitted. As equation 3 shows, this embodiment can only be used in cases when a predetermined amount of liquid of density Q2 is poured into the vessel Z. The liquid level H2 in the vessel Z, which is kept constant by the overflow U, cannot be used here.
The level of the liquid to be dosed with the density Q1 remains independent of the amount of this liquid introduced into the vessel V at the constant level H ,, measured from the solid base for the vessel Z, if the condition is met: (3) F1 f 1 *) 1e2
F2 Q 1 0i
In this particularly simple, practical embodiment of the concept of the invention, however, there is again the risk of a gradual change in the height H i with easily evaporable liquids in the container Z. This can be avoided here by the following arrangement shown in FIG.
The cylindrical vessel V of cross-section F1 containing the liquid to be dosed with a density Q1 is firmly connected to a hollow float S, which expediently lies concentrically around the vessel V as a cylindrical jacket vessel. The vessel V provided with the float jacket floats in the vessel Z, which has any diameter and is filled with a liquid of density 82, the height of which is kept constant by an overflow U.
If the vessel V is refilled with liquid of density el, it tends to immerse more deeply in the liquid of density 22, but at the same time the float S firmly connected to the vessel V will also immerse and partially compensate for the immersion depth.
You can now choose the dimensions so that the mirror height H0 remains the same regardless of the amount in the vessel V. According to Equation 1, the theoretical considerations show that this is the case if
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The exemplary embodiments shown in FIGS. 3 and 4 are particularly useful when the liquid to be dosed in the vessel V has to be kept at a certain temperature that differs from the surroundings. The vessel V can also be used as a melting vessel, the substance thus being introduced in solid form and being transferred from the solid to the liquid phase by the supply of heat from the liquid in the container Z.
The liquid to be dosed with a density of 21 is located in the storage container 1 in FIG. 4 and is supplied to the vessel V provided with a float jacket of corresponding dimensions at greater or lesser time intervals as required by opening the tap 2. Vessel V and float S float in the liquid with a density of 8 2, for example water in the vessel Z, the level of which is kept at the same level by the overflow 4.
The amount of water flowing off in the overflow is replenished by the inlet 3. The liquid is conveyed from the float vessel 5 by means of the siphon 4 with a large flow cross section into the vessel 5, the liquid level of which communicates with that in the vessel V. At the bottom 6 of the vessel 5 there is a measuring nozzle 9 through which, due to the cor xtanten height H0, always the same liquid; amount flows out, is collected in the funnel 7 and fed through the pipe 8 to the consumer.
The devices described above can be used for all cases of measurement or control technology in which it is important to keep a liquid level constant regardless of the inflow and outflow.