Einrichtung zur Umformung einer Kraft in eine Frequenz, insbesondere für DurchfluBmessungen
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Umformung einer z. B. vom Messwerk einer Zustands- grösse, wie Druck, Temperatur, Wichte usw., ausge übten Kraft in eine Frequenz. Insbesondere, jedoch nicht ausschliesslich, ist eine solche Einrichtung für Durchfluss-oder Strömungsmesser geeignet, bei denen zwischen der Durchflussmenge und dem z. B. an einer Messblende gemessenen Differenzdruck ein qua dratischer Zusammenhang besteht.
Durch die Er- findung wird bezweckt, einen vorzugsweise für Durchflussmessungen bestimmten Kraft-Frequenz- Umformer zu schaffen, bei dem ein quadratischer Zusammenhang zwischen der von dem Messwerk oder dergleichen abgegebenen Kraft und der Frequenz besteht, in welche diese Kraft umgewandelt wird. Es ist dann bei einem Durchflussmesser der Durchfluss proportional der Frequenz, so dass die gemessenen Werte auf verhältnismässig einfache Weise, z. B. über die Zeit, integriert oder auf einem Zählwerk summiert werden können.
Die Erfindung besteht darin, dass die umzuformende Kraft an einem eingespannten, durch Anre gungsmittel in Schwingungen versetzbaren Organ, z. B. einer Saite, angreift, dessen sich proportional zur Wurzel aus seiner Spannung ändernde Frequenz an einem Mess-oder Registriergerät zur Anzeige gebracht wird. Diese Anzeige kann über die Zeit integriert werden. Da die gemessene Frequenz der Saite oder dergleichen dem Durchfluss proportional ist, kann der Durchfluss auf diese Weise unmittelbar angezeigt, aufgezeichnet und gezählt werden. Entsprechend können auch andere Zustandsgrössen gemessen werden, bei denen entsprechende Zusammenhänge vorliegen bzw. konstruiert werden können.
Ferner ist es möglich, die Frequenz des schwin- genden Systems auch durch zwei oder mehr Binfluss- grössen zu ändern. Dadurch können auf einfache Weise gegebenenfalls Korrekturen von Messergeb- nissen bzw. Messungen vorgenommen werden. Dies ist gerade bei Durchflussmessuagem wertvoll, bei denen der Durchfluss nicht nur vom Differenzdruck an der Messblende oder dergleichen, sondern auch vom Druck, von der Temperatur und vom spezifischen Gewicht usw. des strömenden Mediums abhängig ist.
Da die Auswertung relativ hoher Frequenzen mit geringen Amplituden, wie sie bei einer gespannten Saite auftreten können, unter Umständen schwierig ist, kann man die Eigenfrequenz der Saite bzw. die Frequenz des schwingenden Systems auf verhältnis- mässig einfahce Weise dadurch herabsetzen, dass die Saite oder das sonstige schwingende Organ mit einer zusätzlichen Masse verbunden wird.
In der Zeichnung ist die Erfindung in verschiede- nen Ausführungsformen beispielsweise und rein schematisch veranschaulicht.
Fig. 1 zeigt einen Kraft-Frequenz-Umformer für Durchflussmessungen mit Differenzdnuckmesswerk, schwingender Saite und elektrischer Schwingungsan- regung.
Fig. 2 zeigt in abgebrochender Darstellung die Verbindung einer Drehpendelmasse mit einer Saite.
Fig. 3 zeigt in abgebrochener Darstellung die Verbindung einer Drehpendelmasse mit einer Saite.
Fig. 4 zeigt in abgebrochener Darstellung eine mit Versteifungen versehene Saite.
Fig. 5 zeigt einen Kraft-Frequenz-Umformer mit einem Temperaturmesswerk und einem Kniehebel mit zusätzlichem Drehpendel als schwingendes Organ.
Fig. 6 zeigt wiederum einen Kraft-Frequenz Umformer für Durchflussmessungen mit einem Diffe renzdruckmesswerk und einem zusätzlichen Druck messwerk zur Frequsnzbeeinflussung, und
Fig. 7 zeigt schliesslich in abgebrochener Dar- stellung ein mit einer Saite oder einem Kniehebel verbundenes Drehpendel mit veränderlichem Träg- heitsmoment.
Bei der zur Durohflussmess. ung dienenden Ein- richtung gemäss Fig. l wird der an einer Messblende 1 entstehende Differenzdruck durch ein Differenizdmck- messwerk 2 in n eine Kraft umgewandelt, die. an dem linken Hebelarm eines doppelarmigen Hebels 3 angreift. An dem. anderen Hebelarm ist das eine Ende einer Saite 4 befestigt, deren anderes Ende ortsfest eingespannt ist. Der Hebel 3 ist um einen Drehpunkt 5 kippbar. Die Saite 4 wird über den Hebel 3 durch die Kraft des Differenzdruckmesswerkes. angespannt.
Durch Verschieben des Hebeldrehpunktes 5 kann das Verhältnis der Kraft des Messwerkes 2 zur Spannung der Saite 4 vaniiert werden, wodurch der Messbereich des Gerätes verändert werden kann. Da die Frequenz der Saite 4 proportional der Wurzel aus der Saitenspannung ist, wird sie auch proportional dem Durchfluss sein.
Die Anregung der Saite 4 zu Schwingungen ge- schieht beispielsweise durch eine Einrichtung, die im wesentlichen aus einem Wegmesselement 6, einem Verstärker 7 und einem Antriebselement 8 gebildet ist. Als Wegmesselement 6 kann z. B. ein kapazitiver oder induktiver Geber dienen. Das Antriebselement 8 kann z. B. aus einem Elektromagneten bestehen.
Der Verstärker 7 hat die Aufgabe, zwischen dem Wegelement 6 und dem Antriebselem & nt 8 eine ent- sprechende Phasenverschiebung zu erzeugen. Durch an sich bekannte zusätzliche Schaltungen wird dafür gesorgt, dass der Ausgang des Verstärkers 7 kurzzeitige Impulse, wie z. B. Rechteckimpulse, oder ein sinusförmiges Wechselfeld liefert. Diese Impulse wirken beim Nulldurchgang auf das schwingende Organ.
Die am Ausgang des Verstärkers 7 auftretenden Impulse, z. B. die Rechteckimpulse, können entweder direkt oder über einen Frequenzteiler, an einem Zähl- werk 9 summiert werden. Durch an sich bekannte elektrische, elektromagnetische, elektromechanische, mechanische oder pneumatische Mittel kann ferner zweckmässigerweise die Amplitude des schwingenden Organs geregelt werden. Beispielsweise kann dies da- durch geschehen, dass beim Überschreiten einer be stimmten, mit dem Wogmesselement 6 gemessenen Amplitude'die Verstärkung des Verstärkers 7 her- abgesetzt oder zeitweise ganz ausgesetzt wird.
Wie bereits erwähnt, kann z. B. bei einer Ein- richtung gemäss Fig. l'dite Saite 4 relativ hohe Frequenzen aufweisen. Um eine niedmgere Frequenz zu erhalten, die für manche Fälle vorteilhafter ist, kann die Saite 4 mit mindestens einer zusätzlichen schwingbaren Masse verbunden werden. Bei der Ausführungsform gemäss Fig. 2 ist zu diesem Zweck aine zusätzliche Masse 10 unmittelbar an der Saite angebracht. Die zur Anregung der Saite dienendem Mittel, z. B. solche, wie in Fig. 1 verwendet, sind zwecks Vereinfachung der Darstellung in den Fig. 2 bis 7 fortgelassen worden.
Bei der Einrichtung gemäss Fig. 3 ist die zu- sätzliche Masse nicht unmittelbar an der Saite selbst angebracht, sondern sie ist in einem Lager 11 in Form einer Drehpendelmasse 12 drehbar gelagert und über ein hebelartiges Zwischenglied 13 fest mit der Saite 14 verbunden. Mit Hilfe einer solchen Anordnung kann man sehr niedrige Frequenzen erzielen.
Die Anordnung wirkt nach Art eines physischen Pendels, dessen. Richtgrösse von der eingespannten Saite 14 gebildet wird. Die Ausbildung der zusätzlichen Masse als Drehpendel hat weiterhin den Vor- teil, dass das Gerät weitgehend lageunempfindlich ist.
Wenn die Frequenz der Saite 14 bzw. des physi schen Pendels dem Durchfluss unmittelbar propor- tional sein soll, muss einem Durchfluss Null auch die Frequenz Null entsprechen. Da die Eigensteifig- keit der Saite 14 jadoch nicht unendlich klein ist, können in der Nähe der Frequenz Null Ungenauig- keiten auftreten, wodurch sich die Saite unter Umständen verwerfen kann. Dieser Mangel kann durch die Anbringung einer Zugfeder 15 beseitigt werden, wie aus Fig. 3 schematisch ersichtlich ist.
Da eine solche Feder bereits bei geringsten Abweichungen von dem labilen Gleichgewichtszustand eins Winkel- grösse hervorruft, die in Richtung einer zunehmenden Winkelabweichung wirkt, wird die Frequenz Null bei einerendlich grossen Spannung der Saite 14 erreicht, so dass der durch eine zu geringe Spannung der Saite 14 verursachte Ubelstand nicht mehr auftreten kann. Die gleiche Wirkung könnte im übrigen auch durch ein Gewicht erzielt werden, welches so angebracht ist, dass der Massenschwerpunkt über dem Drehpunkt der Masse liegt.
Bei der in Fig. 4 veranschaulichten Ausführungs- form wird ein undefiniertes Verwerfen der Saite bei extrem niedrigan Spannungen derselben dadurch vermieden, dass die Saite mit Versteifungen 15o versehen ist. Ansbelle einer eingespannten Saite kann erfindungsgemäss auch ein anderes schwingendes Organ verwendet werden. Eine solche Ausführungsform ist beispielsweise in Fig. 5 schematisch veranschau- licht. Hier ist die Saite durch einen Kniehebel ersetzt, der aus den Schenkeln 16 und 17 besteht, welche die gleiche oder verschiedene Länge haben können.
An n den mittleren Gelenkpunkt des Kniehebels 16, 17 ist eine drehpendelartig gelagerte Masse 18 zur Herab- setzung der Etgsnfrequenz des schwingendon Systems angelenkt. Die Anbringung einer negativen Feder ist bei dieser Anordnung nicht erfonderlich, da die Gelenke des Kniehebels keine Richtkraft besitzen, so dass auch in, der Nähe der Fequenz Null einwandfrei gemessen werden kann. Bei der Ausfühmingsform ge- mäss Fig. 5 handelt es sich beispielsweise um eine Temperaturmessung, bei der die von einem Tempe raturmesswerk 19 ausgeübte Kraft in eine Frequenz umgewandelt wird.
Die Gelenke einer Kniehabelanordnung gemäss
Fig. 5 können praktisch nicht ganz reibungsfrei arbeiten, was unter Umständen störend wirken kann.
Dieser Nachteil ist bei der Ausfühpungsform gemäss Fig. 6 dadurch beseitigt, dass die Gelenks des einge- spannten Kniehebels durch Federblätter 20, 21 und
22 ersetzt sdnd, die z. B. als Einfachfedern, Kreuz- federn oder dergleichen. ausgebildet sein können.
Bei dem für Durchflussmessungen bestmimten Gerät gemäss Fig. 6 wird die Eigenfrequenz des Sy stems zunächst oinmal durch Veränderung der von dem Differenzdruckmesswerk 23 ausgeübten Kraft variiert. Es kann aber auch eine Änderung der Eigenfrequenz des Systems durch eine weitere Einfluss- grösse erfolgen. Zu diesem Zweck ist gemäss Fig. 6 der Angriffspunkt 24 des Hebels 27 an der drehbar gelagerten Masse 26 verschiebbar angeordnet. Die Verstellung des Angriffspunktes 24 kann z. B. durch ein Druckmesswerk 28 vorgenommen werden, dessen federgefesselter Mstallbalg z. B. an die Leitung ange- schlossen ist, deren Durchflussmenge gemessen werden soll. Auf diese Weise erhält man eine druckkorrigierte Durchflussmessung.
Anstelle eines Druck messwerkes oder zusätzlich zu demselben könnten auch Messwerke für beliebige andere Zustandsgrössen, wie Temperatur, Wichte oder dergleichen, zur Korrektur der Durchflussmessung vorgesehen werden.
Bei Verwendung eines Drehpendels oder sonsti en physischen Pendels kann eine Änderung der Eigenfrequenz des schwingenden Systems auch durch Veränderung des Trägheitsmoments der Pendelmasse in Abhängigkeit von einer weiteren Zustandsgrösse erzielt werden. Gemäss Fig. 7 ist das Drehpendel zu diesem Zweck mit radial verschiebbar gelagerten Schwungmassen oder Gewichten 29 und 30 versehen. Die Verschiebung der Gewichte kann z. B. in Abhängigkeit von einem statischen Druck vorgenommen werden, der in das Innere eines zwischen den fodergefesseltan Gewichten angeordneten Metallbalges eingeführt wird.
Da das Trägheitsmoment der drehbar gelagerten Masse von dem abstand der Schwungmassen 29 und 30 vom Drehpunkt abhängt, wird auch auf diese Weise eine Änderung der Frequenz des schwingenden Systems in Abhängigkeit von einer Zustandagrösse ermöglicht.
Wie die vorstehend beschriebenen iund in der Zeichnung schematisch veranschaulichten Ausfüh- rungsbeispiele zeigen, kann der wesentliche Erfin dungsgedanke auf verschiedene Weise verwirklicht werden. Somit beschränkt sich die Erfindung auch nicht auf diese Ausführungsbeispiele, sondern sie umfasst alle Variante im Rahmen des wersentlichen Erfindungsgemdankens. Beispielsweise kann die Rege lung oder Begrenzung der Amplitude des schwingen- den Systems auch auf pneumatischem Wege erfolgen, z. B. durch pneumatische Bremsung eines berüh- rungsfrei durch einen Druckluftstrahl angetriebenen physischen Pendes, insbesondere eines Drehpendels.
Device for converting a force into a frequency, especially for flow measurements
The invention relates to a device for forming a z. B. by the measuring mechanism of a state variable, such as pressure, temperature, weight, etc., exerted force in a frequency. In particular, but not exclusively, such a device is suitable for flow or flow meters in which between the flow rate and the z. B. There is a quadratic relationship measured at a measuring orifice differential pressure.
The aim of the invention is to create a force-frequency converter, preferably intended for flow measurements, in which there is a quadratic relationship between the force emitted by the measuring mechanism or the like and the frequency into which this force is converted. In the case of a flow meter, the flow is proportional to the frequency, so that the measured values can be obtained in a relatively simple manner, e.g. B. over time, can be integrated or totaled on a counter.
The invention consists in that the force to be reshaped on a clamped, by excitation means can be set in vibration organ, z. B. a string, whose frequency, which changes proportionally to the square root of its voltage, is displayed on a measuring or recording device. This display can be integrated over time. Since the measured frequency of the string or the like is proportional to the flow, the flow can be displayed, recorded and counted immediately in this way. Correspondingly, other state variables can also be measured for which corresponding relationships exist or can be constructed.
It is also possible to change the frequency of the oscillating system using two or more influencing variables. In this way, if necessary, corrections of measurement results or measurements can be made in a simple manner. This is particularly valuable in the case of flow measurements, in which the flow is dependent not only on the differential pressure at the measuring orifice or the like, but also on the pressure, the temperature and the specific weight etc. of the flowing medium.
Since the evaluation of relatively high frequencies with low amplitudes, as they can occur with a tensioned string, is difficult under certain circumstances, the natural frequency of the string or the frequency of the vibrating system can be reduced in a relatively simple manner by using the string or the other vibrating organ is connected to an additional mass.
In the drawing, the invention is illustrated, for example and purely schematically, in various embodiments.
1 shows a force-frequency converter for flow measurements with a differential pressure measuring mechanism, a vibrating string and electrical vibration excitation.
Fig. 2 shows a broken representation of the connection of a rotary pendulum mass with a string.
Fig. 3 shows a broken representation of the connection of a rotary pendulum mass with a string.
Fig. 4 shows a broken representation of a string provided with stiffeners.
Fig. 5 shows a force-frequency converter with a temperature measuring mechanism and a toggle lever with an additional rotary pendulum as a vibrating organ.
6 again shows a force-frequency converter for flow measurements with a differential pressure measuring unit and an additional pressure measuring unit for influencing the frequency, and
Finally, FIG. 7 shows, in a broken representation, a rotary pendulum with a variable moment of inertia connected to a string or a toggle lever.
At the Durohflussmess. In the device according to FIG. 1, the differential pressure arising at a measuring orifice 1 is converted by a differential pressure measuring mechanism 2 into a force which. engages on the left lever arm of a double-armed lever 3. To the. the other lever arm is attached to one end of a string 4, the other end of which is clamped in place. The lever 3 can be tilted about a pivot point 5. The string 4 is set via the lever 3 by the force of the differential pressure measuring mechanism. tense.
By moving the fulcrum 5, the ratio of the force of the measuring mechanism 2 to the tension of the string 4 can be varied, whereby the measuring range of the device can be changed. Since the frequency of the string 4 is proportional to the square root of the string tension, it will also be proportional to the flow.
The excitation of the string 4 to vibrate occurs, for example, by a device which is essentially formed from a displacement measuring element 6, an amplifier 7 and a drive element 8. As a displacement measuring element 6, for. B. serve a capacitive or inductive encoder. The drive element 8 can, for. B. consist of an electromagnet.
The amplifier 7 has the task of generating a corresponding phase shift between the path element 6 and the drive element 8. Additional circuits known per se ensure that the output of the amplifier 7 short-term pulses, such as. B. square-wave pulses, or a sinusoidal alternating field. These impulses act on the vibrating organ at the zero crossing.
The pulses occurring at the output of the amplifier 7, e.g. B. the square-wave pulses can either be added up directly or via a frequency divider on a counter 9. The amplitude of the vibrating organ can furthermore expediently be regulated by means of electrical, electromagnetic, electromechanical, mechanical or pneumatic means known per se. For example, this can be done in that when a certain amplitude measured with the weighing element 6 is exceeded, the amplification of the amplifier 7 is reduced or temporarily stopped entirely.
As already mentioned, z. B. in a device according to FIG. 1'dite string 4 have relatively high frequencies. In order to obtain a lower frequency, which is more advantageous in some cases, the string 4 can be connected to at least one additional oscillatable mass. In the embodiment according to FIG. 2, an additional mass 10 is attached directly to the string for this purpose. The means serving to excite the string, e.g. B. those as used in Fig. 1 have been omitted to simplify the illustration in Figs.
In the device according to FIG. 3, the additional mass is not attached directly to the string itself, but is rotatably mounted in a bearing 11 in the form of a rotating pendulum mass 12 and is firmly connected to the string 14 via a lever-like intermediate member 13. With the help of such an arrangement one can achieve very low frequencies.
The arrangement works like a physical pendulum, its. The guide size of the clamped string 14 is formed. The design of the additional mass as a rotary pendulum also has the advantage that the device is largely insensitive to its position.
If the frequency of the string 14 or of the physical pendulum is to be directly proportional to the flow, a flow of zero must also correspond to the frequency of zero. Since the inherent stiffness of the string 14 is not infinitely small, inaccuracies can occur in the vicinity of the frequency zero, as a result of which the string may warp under certain circumstances. This deficiency can be eliminated by attaching a tension spring 15, as can be seen schematically in FIG.
Since such a spring produces an angular magnitude even with the slightest deviations from the unstable state of equilibrium, which acts in the direction of an increasing angular deviation, the frequency zero is reached when the tension of the string 14 is infinitely high, so that the tension of the string 14 caused nuisance can no longer occur. The same effect could also be achieved by a weight which is attached so that the center of gravity lies above the center of rotation of the mass.
In the embodiment illustrated in FIG. 4, undefined warping of the string at extremely low tensions is avoided in that the string is provided with stiffeners 150. Instead of a clamped string, another vibrating organ can also be used according to the invention. Such an embodiment is illustrated schematically in FIG. 5, for example. Here the string is replaced by a toggle lever, which consists of legs 16 and 17, which can have the same or different lengths.
A mass 18, mounted in the manner of a rotating pendulum, is articulated to the central articulation point of the toggle lever 16, 17 in order to reduce the frequency of the oscillating system. The attachment of a negative spring is not necessary in this arrangement, since the joints of the toggle lever have no straightening force, so that measurements can be carried out correctly even in the vicinity of the frequency zero. The embodiment according to FIG. 5 is, for example, a temperature measurement in which the force exerted by a temperature measuring mechanism 19 is converted into a frequency.
The joints of a knee fork arrangement according to
Fig. 5 can practically not work without friction, which can have a disruptive effect under certain circumstances.
This disadvantage is eliminated in the embodiment according to FIG. 6 in that the joints of the clamped toggle lever are provided with spring leaves 20, 21 and
22 replaces sdnd, e.g. B. as single springs, cross springs or the like. can be formed.
In the device according to FIG. 6, which is intended for flow measurements, the natural frequency of the system is initially varied by changing the force exerted by the differential pressure measuring mechanism 23. However, the natural frequency of the system can also be changed by a further influencing variable. For this purpose, according to FIG. 6, the point of application 24 of the lever 27 is arranged displaceably on the rotatably mounted mass 26. The adjustment of the point of application 24 can, for. B. be made by a pressure measuring unit 28, the spring-mounted Mstallbalg z. B. is connected to the line whose flow rate is to be measured. In this way a pressure-corrected flow measurement is obtained.
Instead of or in addition to a pressure measuring unit, measuring units for any other state variables, such as temperature, weight or the like, could also be provided for correcting the flow measurement.
When using a rotary pendulum or other physical pendulum, a change in the natural frequency of the oscillating system can also be achieved by changing the moment of inertia of the pendulum mass as a function of a further state variable. According to FIG. 7, for this purpose the rotary pendulum is provided with centrifugal masses or weights 29 and 30 mounted in a radially displaceable manner. The shifting of the weights can e.g. B. be made in dependence on a static pressure which is introduced into the interior of a metal bellows arranged between the tied weights.
Since the moment of inertia of the rotatably mounted mass depends on the distance between the centrifugal masses 29 and 30 from the pivot point, this also enables the frequency of the oscillating system to be changed as a function of a state variable.
As the exemplary embodiments described above and schematically illustrated in the drawing show, the essential inventive concept can be implemented in various ways. The invention is therefore not restricted to these exemplary embodiments either, but rather it encompasses all variants within the scope of the essential inventive concept. For example, the regulation or limitation of the amplitude of the oscillating system can also be done pneumatically, e.g. B. by pneumatic braking of a physical pendulum, in particular a rotary pendulum, which is driven contactlessly by a compressed air jet.