Maja Haberecht

Untersuchung des Hydrostatic Levelling System (HLS)

Das HL-System ist ein komplexes hydrostatisches Messsystem, welches auf dem Prinzip des "halbgefüllten Rohres" basiert. Dieses hochgenaue System ist für die Höhenüberwachung der Neutronenbeschleunigeranlage SLS (Synchrotron Lichtquelle Schweiz) am Paul-Scherrer-Institut (PSI, Villigen, Schweiz) entwickelt worden und arbeitet mit einem kapazitiven Abstandsgeber. Die vom PSI geforderte Genauigkeit des HL-Systems, welches aus 192 Messtöpfen besteht und einen Kreisumfang von 250 m aufweist, beträgt = 10µm. Die bis jetzt gesammelten Erfahrungen über das Verhalten der Gesamtanlage am PSI erfüllen diese Genauigkeitsanforderungen. Für weitere Untersuchungen ist ein Experimentieraufbau, bestehend aus drei Messtöpfen an der ETH Zürich installiert worden. Der Schwerpunkt der Untersuchungen war die Aufstellung eines eindeutigen funktionalen Zusammenhanges zwischen der Eingangsgröße "Höhe der Flüssigkeitssäule im Messtopf" und den daraus resultierenden "Spannungen". Des Weiteren sind Auswirkungen von vermuteten Einflussgrößen sowie von Veränderungen am Messtopf untersucht worden.
Die Untersuchungen an der Experimentieranlage der ETH führten zu folgenden Ergebnissen: Aus den einzeln aufgenommenen Messreihen für die Aufstellung des funktionalen Zusammenhanges ergaben sich stetig wiederholende Korrelationen zwischen den Spannungsmessungen der Messtöpfe 171 und 172 innerhalb einer Messreihe. Die Ursache wird in den Ungenauigkeiten bei der Pegelbestimmung der Flüssigkeit mittels Tiefenmaß vermutet.
In den Langzeitbeobachtungen zeigte sich ein Driftverhalten der drei Messtöpfe. Dabei teilt sich die Drift in einen linearen und einen periodischen Anteil auf. Die Ursache des linearen Driftanteils liegt in der Verdunstung des "Wasser?Alkohl?Gemisches" und der elektrischen Drift, welche für jeden Messtopf variieren kann. Als Wert für diesen linearen Driftanteil wurden etwa 90 µm/Woche bestimmt. Der periodische Anteil ist stark mit den Temperaturschwankungen des Messumfeldes korreliert. Die Temperaturen schwanken zwischen Tag und Nacht um ungefähr 0,5 K und verursachen eine periodische Spannungsänderung von 8 mV, was einer Änderung des Flüssigkeitsspiegels von etwa 7 µm entspricht.
Des Weiteren wurde das Einschwingverhalten des Experimentiersystems an der ETH bestimmt. Für eine Steigerung der Auflösung der Höhenangaben in Abhängigkeit der Spannungen sind Versuche mit veränderten Sensoren durchgeführt wurden. Als Ergebnis dieser Untersuchungen kann der Sensor mit einer verlängerten Keramikscheibe (Kapitel 6.5.1) als geeignet angesehen werden. Die Annahmen einer Steigerung der Auflösung bei dem Sensor mit "ausgenommenem Abschirmkörper" (Kapitel 6.5.2) erwiesen sich jedoch als unzutreffend.
Ein weiterer Versuchsaufbau ergab sich aus der Neigung eines Messtopfes, Um die Abhängigkeit der resultierenden Spannungsmessungen und den daraus berechneten Höhe der Flüssigkeit von der Neigung des Messtopfes untersuchen zu können, ist der Messtopf um rund 2° geneigt wurden. Es zeigte sich, dass dieses Messsystem mit einer Neigung von 2° nicht mehr einsatzfähig ist.
Der Berührpunkt ist eine Neuentwicklung am diesem HL?System und soll für eine Selbstkalibrierung des Systems eingesetzt werden. In dieser Arbeit sollte erstmals untersucht werden mit welcher Wiederholgenauigkeit die Abtastung des Berührpunktes von der Flüssigkeitsoberfläche möglich ist. In den Auswertungen zeigte sich eine deutliche Abhängigkeit von der Einfließgeschwindigkeit der Flüssigkeit.
Aufgrund des Driftverhaltens, welches durch das hohe Verdunstungsvolumen des "Wasser?Alkohol?Gemisches" verursacht wird, sind abschließend Versuche mit Silikonöl durchgeführt worden. Silikonöl zeichnet sich durch sein niedriges Verdunstungsvolumen pro Zeiteinheit aus.
Aus den Messdaten ergibt sich abschließend eine reproduzierbare Genauigkeit der Bestimmung der Höhenwerte von = 5 µm, welche somit unter der vom PSI geforderten Genauigkeit von = 10 µm liegt. Des Weiteren konnte die Auflösung von = 2 µm bestätigt werden.