DD278413A1 - Faseroptischer stroemungswaechter - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen faseroptischen Stroemungswaechter fuer disperse Mehrphasenstroemungen, die ferromagnetische Verunreinigungen enthalten koennen. Der Volumendurchsatz von Fertigungshilfs-Kreislaeufen (Kuehlmittel) in Bearbeitungszentren mit Hochleistungswerkzeugen soll mittels der Stroemungsgeschwindigkeit, z. B. der Mindest- und/oder Maximalgeschwindigkeit, ueberwacht werden. Auch andere Mehrphasenstroemungen, z. B. in der Medizintechnik, koennen ueberwacht werden. Der Stroemungswaechter soll klein, kompakt, relativ billig sein und schnell Ergebnisse liefern. Es werden faseroptische Ortsfilter als Differenzgitter verwendet. Die Signalauswertung erfolgt analog mittels elektronischer Frequenzfilter in Form von Hoch-, Tief- und/oder Bandpass. Die Zentralfrequenz der Frequenzfilter ist auf die zu ueberwachende Stroemungsgeschwindigkeit abzustimmen. Damit kann ein gewuenschter Wert fuer die Stroemungsgeschwindigkeit eingestellt werden. Mehrere Frequenzfilter ergeben entsprechend viele Schaltstufen. Fig. 1, 2

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft faseroptische Strömungswächter für unterschiedliche, disperse, insbesondere auch feste, ferromagnetische Verunreinigungen enthaltende Mehrphasenströmungen zur Überwachung des Volumendurchsatzes von Fertigungshilfekreisläufen im Werkzeugmaschinenbau, vor allem in Bearbeitungszentren mit Hochleistungswerkzeugen mittels der Strömungsgeschwindigkeit. Weitere Anwendungsgebiete sind die Überwachung von Mindest- und/oder Maximalgeschwindigkeiten oder von Strömungszuständen in Form von Ja/Nein-Entscheidungen für disperse Mehrphasenströmungen, wie beispielsweise in der Medizintechnik zur Überwachung von Blutkreisläufen oder von Blasen- und Tropfenströmungen in der Verfahrenstechnik. Darüber hinaus ist die Erfindung auch anwendbar bei der Überwachung der Geschwindigkeit bewegter Oberflächen auc transparentem und nichttransparentem Material.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Bekannte Strömungswächter für Fluide arbeiten mit mechanischen Bauteilen, mit Druckmeßeinrichtungen, als Wirbelfrequenz-Durchflußmesser, Korrelatoren, magnetisch-induktiv oder mittels konvektivem Wärmetransport durch die zu überwachende Strömung. Ihre Anwendung auf Mehrphasenströmungen ist nicht problemlos, bei Anwesenheit von Verunreinigungen im strömenden Medium sind sie ungeeignet, ihre Empfindlichkeit für die im Mikrometerbereich liegende Teilchengröße ist nicht ausreichend und teilweise erfordern sie einen hohen elektronischen Aufwand.

Bei einer weiteren bekannten Lösung wird der Crchfluß einer Flüssigkeit durch einen transparenten Schlauch mittels Lichtquellen und Fotoempfänger überwacht (DE-OS 2818264). Diese Einrichtung arbeitet bei reinen Flüssigkeiten. Sie erkennt die Zustände gefüllter, teilweise gefüllter und leerer Schlauch. Die Überwachung von Geschwindigkeitswerten ist nicht vorgesehen.

Schließlich sind Lösungen bekannt, die mit faseroptischen Ortsfiltern, z.T. als Differenzgitter, in Mehrphasenströmungen zur Überwachung bzw. Messung der Geschwindigkeit und zur Bestimmung von Größe und Konzentration von Teilchen in der Strömung eingesetzt werden (DD-WP 142606 und DD-WP 243119). Diese Lösungen nutzen die Eigenschaft, daß die im Lichtabsorptions- und/oder im Reflexionsbetrieb arbeitenden Ortsfilter durch die vorbeiströrnenden Teilchen Lichtimpulse aufnehmen, die in elektrische Frequenzen umgewandelt und entsprechend ausgewertet werden können. Diese Frequenzen sind ein direkt proportionales Maß der Strömungsgeschwindigkeit.

Der Nachteil dieser faseroptischen Lösungen besteht in der aufwendigen Signalanalyse zur Ermittlung der gesuchten Zentralfrequenz fo im Leistungsdichtespektrum des Ausgangssignals. Die hierzu bekannten Verfahren wie Fast-Fourier-Transformation (digitale FFT-Analyse), Counter-Processor oder Autokorrelation erfordern sämtlich eine Digitalisierung des Meßsignals und dessen Verarbeitung mittels Mikrorechner. Daraus resultieren ein großer Hardware- und Softwareaufwand und lange Meßzeiten.

Ziel der Erfindung

Die Erfindung hat das Ziel, bei der Frequenzauswertung zur Untersuchung von Melirphasenströmungen mittels faseroptischer Ortsfilter den Hardwareaufwand zu verringern, durch den Wegfall der Digitalisierung der Signale außerdem zu kürzeren Meßzeiten zu kommen sowie auf Grund der analogen Signalanalyse auf jegliche Software zu verzichten.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung faseroptischer Strömungswächter für unOrschiedliche, disperse, insbesondere auch feste, ferromagnetische Verunreinigungen enhaltende Mehrphasenströrr.ungen mit faseroptischem Ortsfillor als Differenzgitter im Absorptions- und Reflexionsbetrieb zur Überwachung des Volumendurchsatzes mittels der Strömungsgeschwindigkeit, beispielsweise der Mindest- und/oder Maximalgeschwindigkeit, oder von Bewegungszuständen unabhängig von Druck, Temperatur, elektrischer Leitfähigkeit, Dichte und Viskosität dns Mediums, bei dem die als Sollwert vorgegebene Strömungsgeschwindigkeit ein schmalbandiges Signal ergibt, das mit einer Zentralfrequenz fo autritt, die der Strömungsgeschwindigkeit direkt proportional ist, unter Verwendung von in der Eloktronik bekannten Frequenzfiltern. Außerdem soll der Schaltpunkt des Strömungswächters einstellbar sein.

Erfin^ungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß Frequenzfilter höherer Ordnung in Form von Hoch-, Tief- und/oder Bandpässen vorgosehen sind, deren untere, obere bzw. mittlere Frequenz mit der geforderten Strömungsgeschwindigkeit entsprechenden Zentralfrequenz fo in Übereinstimmung bringbar ist und deren bei Erreichen der geforderten Strömungsgeschwindigkeit abgegebenes Signal auf an sich bekanntem elektronischem Wege in reiner Analogtechnik als Anzeige- und Stellsignal bereitstellbar ist. Das Anzeige- und Stellsignal kann zur manuellen oder automatischen Beeinflussung des Strömungs- oder Bewegungszustandes dienen. Es kann in einer beliebigen Anzahl von Schaltstufen bereitgestellt werden, wenn entsprechend viele Frequenzfilter vorgesehen werden. Der Strömungswächter stellt mit allen optischen ;md elektronischen Elementen eine kompakte Baugruppe dar, die auch in bereits vorhandene Leitungssysteme nachträglich integrierbar ist und von der lediglich Leitungen für die Stromversorgung und für das Anzeige- und Stellsignal nach außen führen.

Ausführungsbeispiel

Anhand von Zeichnungen soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1: den kompletten Strömungswächter im Betriebsfall Absorption in einer vereinfachten Darstellungsweise, Fig. 2: die Sensorfläche mit oiner Anzahl von Gitterelementen je Ortsfilter.

Ein Strömungswächter 1 im Absorptionsbetrieb (Fig. 1) besteht aus einem Grundkörper 2 mit einem Strömungskanal 3, einem Lichtgeber 4 und einem Meßrohr 5 mit einer Sensorfläche 6, wobei Lichtgeber 4 und Sensorfläche 6 in einem Abstand 7 zueinander angeordnet sind, und aus einem Elektronikteil 8 mit einer Lichtleitfaser-Erweiterungshülse 9, die Fotoempfänger 10 enthält, mit einer Leiterplatte 11, auf der Frequenzfilter 12 angeordnet sind, mit einer nach außen führenden Leitung für die Stromversorgung 13 und mit einer weiteren nach außen führenden Leitung für das Anzeige- und Stellsignal 14. Vom Lichtgeber 4, der beispielsweise eine Infrarotemitterdiode beinhaltet, führt eine Anschlußieitung 15 zur Leiterplatte 11. In Figur 2 ist die Sensorfläche 6 in der Draufsicht auf das Msßrohr 5 gezeigt, in der Lichtleiterfasern 16,17 in einer parallel zur Strömungsrichtung verlaufenden Achse 18 angeordnet sind, üie Lichtleitfasern 16 bilden ein erstes Ortsfilter, die Lichtleitfasern 17 bilden ein zweites Ortsfilter des Differenzgitters. Beide Ortsfilter haben die gleiche Gitterkonstante g, die Anzahl der Gittfiralemente beträgt N = 3. Die Anzahl der Gitterelemente N kann in Abhängigkeit von der Dicke der Lichtleitfasern 16,17 und vom Durchmesser des Meßrohres 5 gewählt werden. Sie ist in Abhängigkeit zur räumlichen Teilchenkonzentration und zur Toleranzbreite des Sollgeschwindigkeitswertes zu wählen. Bei hohen Teilchenkonzentrationen und geringen Toleranzbreiten genügt eine Ausführung des Differenzgitters mit wenig Gitterelementen N, um ein ausreichendes Meßsignal zu erhalten. Damit kann der Fertigungsaufwand bezüglich des faseroptischen Seⁿccr3 gesenkt werden.

Die Wirkungsweise der beschriebenen Einrichtung ist folgende:

Die Teilchen der Mehrphasenströmung, im Falle eines Kühlmittels für ein Werkzeugmaschinen-Bearbeitungszentrum sind das Tröpfchen in einer Flüssigkeit, lösen an den einzelnen Lichtleitfasern 16,17 des Differenzgitters optische Signale aus, wenn sie während ihrer Bewegung von dem infraroten Licht des Lichtgebers 4 beleuchtet werut.i. Um eine ausreichende Signalamplitude zu erhalten, ist der Abstand 7 zwischen dem Lichtgeber 4 und der Sensorfläche 6 entsprechend festzulegen. Ferner ist auf ein Verhältnis zwischen einer maximal vorkommenden Teilchengröße d_p gegenüber der Gitterkonstanten g von etwa 1,25 zu achten. Die zum Maximum gehörende Frequenz fo im Leistungsdichtespektrum des Signals stellt die zu überwachende Free jenz dar.

Jedes Ortsfilter des Differenzgitters ist mit einem Fotoempfänger 10 verbunden, indem die Lichtleitfasern 16 und die Lichtleitfasern 17 in der Lichtleitfaser-Erweiterungshülse 9 jeweils zusammengefaßt und je einem Fotoempfänger 10 zugeordnet werden. Die Ausgangssignaleder Fotoempfängor 10 worden in Differenz geschaltet, um so alle statischen Lichtsignale auszublenden, verstärkt, über eine Regelstrecke geleitet, um die Ausgangssignale auf einem konstanten Wert zu halten und anschließend dem Frequer zfilter 12 zugeführt, dessen Zentralfrequenz auf die der geforderten Strömungsgeschwindigkeit ν

proportionale Zentralfreque.iz f = — abzustimmen ist. Liegt die Frequenz der ankommenden Signaleim Durchlaßbereich des

Frequenzfilters 12, wird, nach entsprechender Verarbeitung das Anzeige- und Stellsignal 14 bereitgestellt, das zur Abgabe von Warn- oder Notsignalen, zur Veränderung des Strömungszustandes, zum Stillstand der Werkzeugmaschine oder zu ähnlichen Zwecken benutzt werden kann. Bei Verschmutzung der Sensorfläche 6 wird über eine Regelschaltung der Durchlaßstrom der Infrarotdicde so weit erhöht, daß die ursprünglich vorhandene Signalintensität vorhanden ist. Bei Überschreiten des Regelbereichs wird über die Signalleitung 14 ein Signal abgegeben. Der Strömungswächter 1 kann leicht an geeigneter Stelle mit Hilfe bekannter Methoden in ein entsprechendes Leitungssystem, auch nachträglich, eingebaut werden. Der Strömungskanal 3 kann dabei problemlos unterschiedlichen Rohrdurchmessern angepaßt werden. Der Schaltpunkt des Strömungswächters 1, d. h., die Grenzfrequenz des Frequenzfilters 12 ist einstellbar. Je nachdem, ob Hoch-, Tief- oder Bandpaßfilter angewendet werden, ist die untere, die obere oder die Mittelfrequenz mit der geforderten Zentralfrequenz fo in Übereinstimmung zu bringen. Bei Einsatz einer entsprechenden Anzahl von Frequenzfiltern 12 können außerdem beliebig viele Schaltstufen realisiert werden. Gegenüber den bekannten Lösungen zur Anwendung faseroptischer Ortsfilter in Mehrphasenströmungen hat die vorgeschlagene Lösung folgende Vorteile:

Sie ist räumlich kleiner und kompakt, weil die gesamte Meßwerterfassung in einer geschlossenen Baugruppe erfolgt. Sie ist weniger aufwendig, weil auf eine vollständige Frequenzanalyse verzichtet wird, wodurch die Digitalisierung des Meßsignals und eine mikrorechnergestützte Auswertung entfällt. Sie reagiert schneller, weil durch die unmittelbare analoge Verarbeitung der aufgenommenen Signale die Auswertung über das Frequenzfilter 12 schneller zu einem Anzeige- und Stellsignal 14 führt. Jegliche Software entfällt. Die Anwerdung der faseroptischen Ortsfilter als Differenzgitter bietet die bereits bekannten Vorteile, wovon hier auf die Zuverlässigkeit vor Verunreinigungen, insbesondere auch ferromagnetischer Art, besonders hingewiesen werden soll, weil derartige Verunreinigungen hier weder die Genauigkeit des Meßergebnisses, noch die Funktionssicherheit der Meßanordnung beeinträchtigen.

Claims (4)

1. Faseroptischer Strömungswächter für unterschiedliche, disperse, insbesondere auch feste, ferromagnetische Verunreinigungen enthaltende Mehrphasenströmungen mit faseroptischem Ortsfilter als Differenzgitter im Absorptions- und Reflexionsbetrieb zur Überwachung des Volumendurchsatzes mittels der Strömungsgeschwindigkeit, beispielsweise der Mindest- und/oder Maximalgeschwindigkeit, oder von Bewegungszuständen unabhängig von Druck, Temperatur, elektrischer Leitfähigkeit, Dichte und Viskosität des Mediums, bei dem die als Sollwert vorgegebene Strömungsgeschwindigkeit ein schmalbandiges Signal ergibt, das mit einer Zentralfrequenz fo auftritt, die der Strömungsgeschwindigkeit direkt proportional ist, unter Verwendung von in de Elektronik bekannten Freq^dnzfiltern, dadurch gekennzeichnet, daß Frequenzfilter (12) höherer Ordnung in Form von Hoch-, Tief- und/oder Bandpässen vorgesehen sind, deren untere, obere bzw. mittlere Frequenz mit der der geforderten Strömungsgeschwindigkeit entsprechenden Zentralfrequenz fo in Übereinstimmung bringbar ist und deren bei Erreichen der geforderten Strömungsgeschwindigkeit abgegebenes Signal auf an sich bekanntem elektronischem Wege in reiner Analogtechnik als Anzeige- und Stellsignal (14) bereitstellbar ist.

2. Faseroptischer Strömungswächter nach Anspruch !,dadurch gekannzeichnet, daß das Anzeige- und Stellsignal (14) zur manuellen oder automatischen Beeinflussung des Strömlings- oder Bewegungszustandes dient.

3. Faseroptischer Strömungswächter nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine entsprechende Anzahl Frequenzfilter (12) beliebig viele Schaltstufen zur Erzeugung von Anzeige- und Stellsignalen (14) realisierbar sind.

4. Faseroptischer Strömungswächter nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungswächter (1) mit allen optischen und elektronischen Elementen eine auch in bereits vorhandene Leitungssysteme integrierbare kompakte Baugruppe ist, von der nach außen lediglich Leitungen für die Stromversorgung (13) und für das Anzeige- und Stellsignal (14) führen.

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