CH669664A5 - - Google Patents

Description

BESCHREIBUNG Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung der Drehzahl des Flügelrades eines Flügelraddurchflussmessers für elektrolytische Flüssigkeiten, d.h. die Flügelradabtastung eines Flügelraddurchflussmessers nach dem Leitfähigkeitsprinzip. Bei einem solchen Durchflussmesser sind im Gehäuse des

Durchflussmessers drei Elektroden eingesetzt, die derart hintereinander angeordnet sind, dass der gegenseitige Winkelabstand benachbarter Flügel mindestens dem Abstand der beiden äusseren Elektroden, die je den gleichen Abstand zur mittleren Elektrode aufweisen, entspricht, und dass alle drei Elektroden so tief in den Flüssigkeitsraum eintauchen, dass durch die Flügel des sich drehenden Flügelrades der elektrische Widerstand zwischen zwei benachbarten Elektroden so geändert wird, dass bei einer an den beiden äusseren Elektroden angelegten Spannungsdifferenz die Spannung an der mittleren Elektrode zu- und abnimmt. Des weiteren ist eine Steuerlogik vorhanden, die dazu dient, periodisch kurzzeitig eine Spannungsdifferenz an die beiden äusseren Elektroden anzulegen.

Eine derartige Vorrichtung ist aus der DE-PS 32 41 222 bekannt. Bei dieser bilden die Elektroden Teile einer Brückenschaltung, in der zwei gleichwertige Widerstände ein Bezugspotential (1/2 Versorgungsspannung) für den Operationsverstärker eines Synchrondemodulators und für einen Komparator erzeugen.

Das Bezugspotential wird mittels eines zwischen dem Verbindungspunkt von zwei Widerständen und dem Massenpunkt geschalteten Kondensators stabilisiert und gespeichert. Die an der mittleren Elektrode erzeugte Mittelspannung wird gleichzeitig mit dem Bezugspotential einem Synchrondemodulator zugeführt. Die Spannungsdifferenz ist nun verstärkt, wobei die Ausgangsspannung des Verstärkers in einem Kondensator bis zum nächsten Impuls des Generators gespeichert wird.

Diese Kondensator-Spannung wird in einem Impedanzwandler weiter verstärkt. Ein Komparator bildet aus dem Ausgangssignal des Impedanzwandlers und aus dem Bezugspotential (1/2 Speisung) Impulse zur Drehzahlmessung. Der Nachteil dieser Auswerteschaltung liegt darin, dass ein in einem Kondensator gespeichertes Bezugspotential für den Synchrondemodulator und für den Ausgangskondensator dauernd hochstabil bleiben muss. Dieses Bezugspotential ist gegen Störungen durch externe Einflüsse sowie gegen Versorgungsspannungs-Schwankungen deswegen sehr empfindlich, weil das Spannungspotential nur während einer kurzen Zeit (beispielsweise alle 500 |is einmal während ca. 1 ns) über zwei gleichwertige Widerstände von der angelegten Versorgungsspannung auf einem Kondensator erzeugt wird.

Falls zerstört, muss das Spannungspotential rekonstruiert werden; dies kann aufgrund der langen Zeitkonstante mehrere Sekunden dauern, was zur Verfälschung der Messung führt.

Im weiteren kann auch zu Schwierigkeiten führen, dass die Ausgangsspannung des Synchrondemodulators in einem Kondensator gespeichert ist. Dieser ist mit dem Ausgangs-Konden-sator über einen Impedanzwandler/-Verstärker verbunden. Störungen auf dem Kondensator (sogenannte «Analog-Speicher») werden weiter verstärkt und können den Komparator schalten, was zur Verfälschung der Drehzahlmessung führt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die die vorstehend beschriebenen Nachteile nicht aufweist, die also insbesondere keinen als Analogspeicher dienenden Kondensator aufweist, die einen breiten Betriebsspannungsbereich aufweist und dazu nur einen geringen Energieverbrauch, der die Verwendung einer handelsüblichen Batterie ermöglicht, aufweist, und die sich im übrigen so ausgestalten lässt, dass zu ihrer Realisierung nur wenige Bauelemente erforderlich sind, und die es auch ermöglicht, zur Stromversorgung und zur Weiterleitung des Messsignals ein und dasselbe Leiterpaar zu verwenden, also mit der Zweidrahtmethode zu arbeiten.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch die kennzeichnenden Merkmale dieses Anspruchs gelöst.

Nachfolgend wird anhand der beiliegenden Zeichnung ein Ausführungsbeispiel beschrieben. In der Zeichnung zeigt:

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Fig. 1 einen Schnitt durch einen erfindungsgemässen Flügelraddurchflussmesser,

Fig. 2 eine Draufsicht auf diesen Durchflussmesser, Fig. 3 das elektrische Ersatzschaltbild der Elektroden und der sie umgebenden Flüssigkeit,

Fig. 4 ein Blockdiagramm derjenigen Teile der elektrischen Schaltung zur Messung der Drehzahl des Flügelrades, die zweckmässigerweise in unmittelbarer Nähe des Durchflussmessers angeordnet sind,

Fig. 5 bis 10 die zeitliche Änderung der Spannung der in der Figur 4 mit V-X angegebenen Leitungspunkte und

Fig. 11 ein Blockschaltbild für die Teile der elektrischen Schaltung, die sich für die Stromversorgung und die Abnahme des Signals verwenden lassen.

Der in den Figuren 1 und 2 dargestellte Flügelradzähler weist ein Gehäuse 1 auf, in welchem das Flügelrad 2 frei drehbar gelagert ist. Dieses weist im gezeichneten Ausführungsbeispiel neun Flügel 2a aus nicht-leitendem Material auf. Drei Elektroden 3, 4 und 5 sind im Gehäuse derart hintereinander angeordnet, dass der gegenseitige Winkelabstand benachbarter Flügel 2a mindestens dem Abstand der beiden äusseren Elektroden 3 und 5, die je einen gleichen Abstand zur Mittelelektrode 4 aufweisen, entspricht. Alle drei Elektroden 3, 4 und 5 tauchen so tief in den Flüssigkeitsraum ein, dass durch die Flügel 2a des sich drehenden Flügelrades der elektrische Widerstand Zi zwischen den Elektroden 3 und 4 sowie Z2 zwischen den Elektroden 4 und 5 geändert wird, wenn sich ein Flügel im Gebiet zwischen den Elektroden 3 und 4 bzw. 4 und 5 befindet.

Die symmetrische Zuordnung der äusseren Elektroden 3, 5 auf beiden Seiten der mittleren Elektrode 4 hat zur Folge, dass auch starke zeitliche Schwankungen der absoluten Leitfähigkeit der Flüssigkeit praktisch ohne Auswirkung auf die Messergebnisse sind.

Die Elektrode 3 ist über einen Kondensator 8 und einen Schalter 9 mit der Speiseleitung 16 verbunden, wobei die Verbindungsstelle zwischen dem Kondensator 8 und dem Schalter 9 über einen Widerstand 6 an Masse gelegt ist. Analog dazu ist die Elektrode 5 über einen Kondensator 18 und einen Schalter 10 mit der Masse verbunden, wobei die Verbindungsstelle zwischen dem Kondensator 18 und dem Schalter 10 über einen Widerstand 7 mit der Speiseleitung 16 verbunden ist. Die beiden Schalter 9 und 10 werden je über eine Leitung 20 durch die Steuerlogik 15 geschlossen und geöffnet. Die Elektrode 4 ist mit dem Verstärker 12 verbunden, bei welchem es sich um ein durch die Speiseleitung 16 gespiesenes C-MOS-Gatter handelt. Der Ausgang dieses Verstärkers 12 wird einem ebenfalls von der Speiseleitung 16 gespiesenen Schmitt-Trigger 13 zugeleitet, dessen Ausgang zum Eingang des durch die Steuerlogik 15 gesteuerten, von der Speiseleitung 16 gespiesenen Ditigalspeichers 14 geführt ist. Es ist dabei ohne weiteres möglich, die Steuerlogik 15, den Schmitt-Trigger 13 und den Digitalspeicher 14 als ein einziges IC-Element 26 auszugestalten.

Die ganze Vorrichtung arbeitet wie folgt:

Solange die Steuerlogik im Stillstand ist, d.h. kein Signal aussendet, befinden wir uns im Zeitintervall to bis ti in den Figuren 5 bis 10. Die Elektroden 3, 4 und 5 weisen wegen der Leitfähigkeit der elektrolytischen Flüssigkeit Massenpotential auf, wobei zu beachten ist, dass das Gehäuse 1 des Flügelradzählers an Masse liegt. Jeder der beiden je mit einer der Elektroden 3 bzw. 5 verbundenen Kondensatoren 8 und 18 hat wegen des mit ihm verbundenen Widerstandes 6 bzw. 7 eine definierte Spannung. Im Zeitpunkt ti, der sich beispielsweise alle 1/2 ms wiederholt, schaltet, wie man aus der Figur 5 ersehen kann, die Steuerleitung 21 den Verstärker 12 ein. Dieser Zustand bleibt bis zum Zeitpunkt t3 erhalten und dauert beispielsweise 50 |j.s, wobei zu bemerken ist, dass die Steuerlogik 15 so bemessen sein muss, dass die Zeitdauer ti bis t4 kleiner ist, als die halbe Zeitdauer, die ein Flügel 2a benötigt, um von der

Elektrode 3 zur Elektrode 4 zu gelangen. Da bei einem Durchflussmesser mit einem Anschlussrohrdurchmesser von 15 mm ein Flügel 2a ca. 6-8 ms benötigt, um von einer Elektrode zur benachbarten Elektrode zu gelangen, ist eine Periodendauer von 500 |is für die Steuerlogik kurz genug.

Vom Zeitpunkt ti bis zum Zeitpunkt t2 beträgt die Spannung im Verstärkerausgang, wie aus der Figur 8 zu ersehen ist, ca. 1/2 UB, während der Ausgang des Schmitt-Triggers 13 in einem Undefinierten Zustand sein darf, was in der Figur 9 dargestellt ist.

Im Zeitpunkt t2 werden nun durch die Steuerlogik die Schalter 9 und 10 geschlossen und somit die Elektroden 3 und 5 über die Kondensatoren 8 bzw'. 18 mit der Spannung +Uq bzw. -Ub versorgt, wie das in den Figuren 6 und 7 dargestellt ist. Dadurch wird an der Elektrode 4 ein Signal erzeugt, dessen Polarität und Amplitude von der Stellung der Flügel 2a des Flügelrades 2 abhängig ist. Dieses Signal wird im Verstärker 12 verstärkt, so dass dessen Ausgang auf ungefähr Ub oder ungefähr 0 schaltet (wie das die Figur 9 einerseits zwischen den Zeitpunkten t2 und t3 und andererseits zwischen den Zeitpunkten t5 und U zeigt) je nachdem, ob sich ein Flügel 2a des Flügelrades 2 zwischen den Elektroden 3 und 4 bzw. 4 und 5 befindet.

Wenn nun im Zeitpunkt t3 die Schalter 9 und 10 wieder geöffnet werden, wird gleichzeitig der Ausgangszustand der Schmitt-Trigger 13 im D-Kippglied (14) abgespeichert, wie das in der Figur 10 dargestellt ist, und es wird, wie die Figur 5 zeigt, der Verstärker 12 ausgeschaltet. Auch werden, wie aus den Figuren 6 und 7 ersichtlich ist, die Elektroden 3 und 5 durch das genannte Öffnen der Schalter 9 und 10 von der Versorgungsspannung getrennt, was in den Figuren 6 und 7 darge-' stellt ist.

Wie sich aus dem Vorstehenden ergibt, betrifft das Zeitintervall t2 bis t3 einen Zustand, in welchem sich ein Flügel 2a des Flügelrades 2 zwischen den Elektroden 3 und 4 befindet, während das Zeitintervall ts bis tg einen Zustand zeigt, in welchem sich ein Flügel 2a zwischen den Elektroden 4 und 5 befindet.

Weil die Arbeitszeitabschnitte t\ bis t3 und t4 bis to so kurzzeitig sind, lässt sich ein Verstärker 12 mit niederohmigen Schaltkreisen verwenden, was zur Verringerung der Störanfälligkeit dient. Dabei ist es ohne weiteres möglich, die Schaltung so zu dimensionieren, dass die Speisespannung + Ub zwischen 3 V und 12 V liegen kann. Es lässt sich also eine Spannungsquelle verwenden, deren positiver Pol mit der Leitung 16 und deren negativer Pols mit der Masse verbunden wird.

Es ist aber auch möglich, die Vorrichtung mit Fremdspannung über ein langes zwei-adriges Kabel zu versorgen.

Weil zum Betrieb des vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiels der Erfindung nur während verhältnismässig kurzer Zeiten ein nur kleiner Strom nötig wird und weil die Arbeitsweise dieser von Schwankungen der Speisespannung unabhängig ist, kann eine Spannungsquelle mit verhältnismässig grossem Innenwiderstand verwendet werden. Dies ermöglicht es, die von einer ausserhalb der Vorrichtung angeordneten Spannungsquelle zu den einzelnen Elementen dieser Vorrichtung führende Leitung 16 gleichzeitig als Signalleitung zur Übertragung der Signale von dieser Vorrichtung zum Ort der Spannungsquelle zu verwenden, wie das nachfolgend anhand des in der Figur 11 dargestellten Prinzipschemas beschrieben wird: Die durch die Spannungsquelle 24 zur Verfügung gestellte Spannung von beispielsweise 8 V wird durch einen Spannungsteiler, gebildet aus dem Widerstand 23 und dem aus den beiden Widerständen 19 und dem Transistor 17 bestehenden schaltbaren Widerstand 25 unterteilt, wobei je nach dem Zu5

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stand des D-Kippgliedes 14 der schaltbare Widerstand 25 den einen oder anderen von zwei diskreten Widerstandswerten annimmt. Die Anzahl der zwischen den beiden Widerständen 23 und 25 auftretenden Spannungsänderungen ist nun ein Mass für die Drehzahl des Flügelrades 2, das sich mit einer an sich bekannten Vorrichtung weiter erarbeiten lässt. Dabei ist die Leitung 16 über eine mit 28 bezeichnete Gleichrichter-Kondensator* Anordnung zum Glätten an den Verbindungspunkten 27 zwischen den beiden vorgenannten Widerständen 23 und 25 an-5 geschlossen.

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3 Blätter Zeichnungen

Claims (7)

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1. Vorrichtung zur Messung der Drehzahl des Flügelrades (2) eines Flügelraddurchflussmessers für elektrolytische Flüssigkeiten, bei welchem drei Elektroden (3, 4, 5) in Umfangsrich-tung derart hintereinander angeordnet sind, dass der gegenseitige Winkelabstand benachbarter Flügel (2a) mindestens dem Abstand der beiden äusseren Elektroden (3, 5), die je den gleichen Abstand zur mittleren Elektrode (4) aufweisen, entspricht, und dass alle drei Elektroden (3, 4, 5) so tief in den Flüssigkeitsraum eintauchen, dass durch die Flügel (2a) des sich drehenden Flügelrades (2) der elektrische Widerstand zwischen zwei benachbarten Elektroden (3/4, 4/5) so geändert wird, dass bei einer an den beiden äusseren Elektroden (3, 5) angelegten elektrischen Spannung das Potential an der mittleren Elektrode (4) zu- und abnimmt, sowie mit einem Verstärker (12) für das an der mittleren Elektrode (4) sich einstellende Potential und einer Steuerlogik (15) zum periodischen in bezug auf die Betriebsbereitschaftsdauer des Verstärkers kurzzeitigen Anlegen der Spannung an die beiden äusseren Elektroden (3, 5), wobei diese Steuerlogik (15) so ausgebildet ist, dass sie den Verstärker (12) im Rhythmus, der dem Anlegen der Spannung an die äusseren Elektroden (3, 5) entspricht, so steuert, dass er immer dann, wenn die Spannung an die äusseren Elektroden (3, 5) angelegt ist, betriebsbereit ist, und zwar während einer Zeitdauer, die höchstens der halben Zeitdauer zwischen einem ersten und einem darauffolgenden zweiten Anlegen der Spannung an die äusseren Elektroden (3, 5) entspricht, gekennzeichnet durch einen Detektor, der die Polarität des vom Verstärker (12) gelieferten Spannungsimpulses feststellt, und einen Digitalspeicher, der ein Signal dieser Polarität so lange speichert, bis ein Spannungsimpuls anderer Polarität vom Detektor festgestellt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerlogik (15) so ausgebildet ist, dass das Intervall zwischen zwei Einschaltungen des Verstärkers höchstens 1 ms, vorzugsweise aber höchstens 500 (xs beträgt.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die das kurzzeitige Anlegen der Spannung bewirkende Steuerlogik (15) so dimensioniert ist, dass der Verstärker höchstens während 10%, vorzugsweise höchstens während 1%, der Zeit zwischen einem ersten und dem darauffolgenden Anlegen der Spannung an die Elektroden in Betrieb steht.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärker (12) ein C-MOS-Gatter ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Verstärker (12) und dem Digitalspeicher (14) ein Schmitt-Trigger (13) angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass Steuerlogik (15), Schmitt-Trigger (13) und Digitalspeicher (14) als einziges IC-Element (26) ausgebildet sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei welcher jede der beiden äusseren Elektroden (3, 5) je über einen Kondensator (8, 18) und einen Schalter (9, 10), der durch die Steuerlogik (15) kurzzeitig geschlossen gehalten wird, mit der Leitung (16, Masse) verbunden ist, die zum Anlegen der Spannung dient, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils der Verbindungspunkt (9/8, 10/18) zwischen Schalter und Kondensator über einen Widerstand (6, 7) mit der der anderen Elektrode zugeordneten Versorgungsleitung (Masse, 16) verbunden ist.