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Die Erfindung betrifft ein Schwebekörperdurchflussmessgerät zur Messung des Durchflusses eines durch ein Messrohr strömenden Fluids, mit einem im Messrohr angeordneten und durch die Strömung des Fluids auslenkbaren Schwebekörper, einem Messumformer mit einem Indikator zur Detektion und Umsetzung der Auslenkung des Schwebekörpers in eine verhältnismäßige Auslenkung des Indikators, mindestens einem Auslöser und mindestens einem Grenzwertschalter, wobei der Auslöser mit dem Indikator gekoppelt ist und der Auslöser den Grenzwertschalter bei Erreichung eines Grenzdurchflusses betätigt.
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Gattungsgemäße Schwebekörperdurchflussmessgeräte werden aufgrund ihrer Einfachheit und Robustheit in einer Vielzahl von Anwendungen zur Durchflussmessung von Fluiden, seien es Gase oder Flüssigkeiten, eingesetzt. Das Messprinzip der Schwebekörperdurchflussmessgeräte basiert auf der Auslenkung des durch ein strömendes Fluid ausgelenkten Schwebekörpers, wobei aus der Auslenkung der Durchfluss abgeleitet wird. Üblicherweise ist der Schwebekörper in dem Messrohr entlang der Längsachse des Messrohrs translatorisch auslenkbar angeordnet und der Innenquerschnitt des Messrohrs weitet sich entlang des Auslenkungsbereichs des Schwebekörpers in Strömungsrichtung des Fluids auf. Häufig sind im Montagezustand die Längsachse des Messrohrs und damit auch die Bewegungsachse des Schwebekörpers derart parallel zur Wirkungsrichtung des Erdschwerefelds angeordnet, dass die Strömungsrichtung des Fluids im Wesentlichen entgegengesetzt zur Wirkungsrichtung des Erdschwerefeldes ist, also das Messrohr von unten nach oben durchströmt wird. Der Gewichtskraft des Schwebekörpers wirken die zur Differenz zwischen der Dichte des Schwebekörpers und der Dichte des Fluids proportionale – statische – Auftriebskraft und die – dynamische – Strömungskraft auf den Schwebekörper entgegen. Es ist unmittelbar ersichtlich, dass die Dichte des Fluids geringer als die Dichte des Schwebekörpers sein muss, da andernfalls auch bei Abwesenheit einer Strömung der Schwebekörper aus der Ausgangsposition ausgelenkt würde. Übersteigt die Summe aus Auftriebskraft und Strömungskraft die Gewichtskraft, wird der Schwebekörper entgegengesetzt zur Wirkungsrichtung des Erdschwerefelds aus der Ausgangsposition ausgelenkt. Mit zunehmender Auslenkung des Schwebekörpers wird die Fläche des Spalts zwischen dem Innenquerschnitt des Messrohrs und dem Schwebekörper größer, wodurch die auf den Schwebekörper wirkende Strömungskraft abnimmt. Die Auslenkung des Schwebekörpers vergrößert sich so lange, bis sich die Summe aus Auftriebskraft und Strömungskraft auf der einen Seite und die Gewichtskraft auf der anderen Seite kompensieren. Die sich im Kräftegleichgewicht einstellende Auslenkung des Schwebekörpers ist ein Maß für den Volumenstrom des Durchflusses, wobei aus dem Volumenstrom mit der Dichte des Fluids auch der Massestrom berechnet werden kann. Da sowohl die Auftriebskraft abhängig von der Dichte des Fluids ist als auch die Strömungskraft abhängig von der Reynolds-Zahl des Fluids ist, ist die Durchflussmessung mit einem Schwebekörpermessgerät abhängig von dem durch das Messrohr strömenden Fluid.
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Aus dem Stand der Technik bekannte Schwebekorperdurchflussmessgeräte weisen eine einen Messzeiger und eine Skala umfassende Vorrichtung zur Anzeige des Durchflusses, sei es der Volumenstrom oder der Massenstrom, eines Fluids auf, wobei der Messzeiger mit einer drehbar gelagerten Welle gekoppelt ist und der Messzeiger den Durchfluss durch das Messrohr auf der Skala anzeigt. Der Messumformer detektiert dabei die Auslenkung aus der Ausgangsposition des Schwebekörpers und setzt die Auslenkung in einen korrespondierenden Winkel der Welle um, weshalb die Welle auch als Indikator bezeichnet wird. Die Detektion der Auslenkung des Schwebekörpers und Umsetzung in einen korrespondierenden Winkel der Welle erfolgt durch einen im Schwebekörper angeordneten Permanentmagneten, der mit einem weiteren auf der drehbar gelagerten Welle angeordneten Permanentmagneten magnetisch gekoppelt ist. Schwebekörperdurchflussmessgeräte benötigen zur Messung und Anzeige von Durchflüssen prinzipiell keine elektrische Energie, wodurch sie auch bei Ausfall der elektrischen Energieversorgung funktionsfähig sind.
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Zur Erzeugung sowohl eines elektrischen Grenzsignals bei Überschreitung eines als maximal zulässig definierten Grenzdurchflusses als auch eines elektrischen Grenzsignals bei Unterschreitung eines als minimal zulässig definierten Grenzdurchflusses sind aus dem Stand der Technik bekannte Schwebekörperdurchflussmessgeräte mit zwei Grenzwertschaltern und zwei Auswertungsschaltungen ausgestattet. Die Grenzwertschalter sind als induktive Schlitzinitiatoren ausgebildete induktive Näherungsschalter. Ein induktiver Näherungsschalter umfasst einen elektrischen Oszillator mit einer Spule, wobei der durch die Spule fließende oszillierende Strom ein magnetisches Wechselstreufeld in einem definierten Bereich des Außenraums um den induktiven Naherungsschalter erzeugt. Bei Schlitzinitiatoren erstreckt sich das Wechselstreufeld im Wesentlichen auf den im Gehäuse des Schlitzinitiators vorgesehenen Schlitz.
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Der mit der als Indikator dienenden Welle gekoppelte Auslöser ist eine aus einem elektrisch leitfähigen Material hergestellte Fahne. Die Fahne und die beiden Schlitzinitiatoren sind derart zueinander angeordnet, dass sich die Fahne bei entsprechender Drehung der Welle durch die Schlitze der Schlitzinitiatoren bewegt. Nähert sich der Durchfluss einem der beiden Grenzdurchflüsse, beispielsweise dem maximal zulässigen Grenzdurchfluss, nähert sich die Fahne entsprechend dem Schlitz des Schlitzinitiators und dringt schließlich in den Schlitz ein. Das Wechselstreufeld im Schlitz induziert in der Fahne Wirbelströme, welche dem Oszillator Energie entziehen und auf diese Weise die Oszillation beeinflussen. Die Beeinflussung der Oszillation wird von der Auswerteschaltung des Schlitzinitiators detektiert und bewertet und bei Erreichung des Grenzflusses erzeugt die Auswerteschaltung ein elektrisches Grenzsignal. Um Signaländerungen bei nur geringfügigen Schwankungen des Durchflusses um den Grenzdurchfluss zu vermeiden, ist in der Auswerteschaltung eine Hysterese implementiert, wodurch die Erzeugung des Grenzsignals erst dann eingestellt wird, wenn der Durchfluss um einen bestimmten Betrag geringer ist als der maximal zulässige Grenzdurchfluss. Die Einstellung der als zulässig definierten Grenzdurchflüsse erfolgt durch entsprechend beabstandete Positionierung der induktiven Schlitzinitiatoren von der Fahne und die eingestellten Grenzdurchflüsse werden von Grenzzeigern auf der Skala angezeigt.
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Die Schwebekörperdurchflussmessgeräte weisen ein Gehäuse auf in dem die Anzeigevorrichtung, der Messumformer und die induktiven Schlitzinitiatoren mit dazugehörigen Auswerteschaltungen angeordnet sind.
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Der Aufwand zur Erzeugung der elektrischen Grenzsignale bei Erreichung von Grenzdurchflüssen ist beträchtlich im Vergleich zum Aufwand zur Messung des Durchflusses und steigert die Komplexität, den Konstruktionsaufwand und den Herstellungsaufwand deutlich, womit höhere Kosten einhergehen. Darüber hinaus bedingt die Erzeugung von elektrischen Grenzsignalen bei Grenzdurchflüssen eine Versorgung sowohl der induktiven Schlitzinitiatoren als auch der Auswerteschaltungen mit elektrischer Energie.
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An den Messrohren von den Schwebekörperdurchflussmessgeräten, deren Schwebekörper mit Permanentmagneten ausgestattet sind, werden seit langem Reedschalter als Grenzwertschalter außerhalb der zuvor beschriebenen Gehäuse installiert. Ein solcher Reedschalter wird unmittelbar durch den Permanentmagneten eines Schwebekörpers betätigt und erzeugt auf diese Weise ein elektrisches Grenzsignal, wobei der Grenzdurchfluss durch die Position des Reedschalters längs der Achse des Messrohres bestimmt wird. Diese Art der Detektion eines Grenzflusses ist allerdings mit einem wesentlich größeren Messfehler des Grenzflusses und einer wesentlich größeren und daher nachteiligen Hysterese behaftet als die Detektion mit induktiven Schlitzinitiatoren.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Angabe eines Schwebekörperdurchflussmessgeräts mit verringerter Komplexität, reduziertem Konstruktionsaufwand und Herstellungsaufwand und damit einhergehenden niedrigeren Kosten bei gleichbleibend guter oder verbesserter Detektion von Grenzdurchflüssen.
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Das erfindungsgemäße Schwebekörperdurchflussmessgerät, bei dem die zuvor hergeleitete und aufgezeigte Aufgabe gelöst ist, ist zunächst und im Wesentlichen dadurch gekennzeichnet, dass der Grenzschalter ein Reedschalter ist. Ein Reedschalter besteht im Wesentlichen aus zwei in einem hermetisch abgeschlossenen Gehäuse angeordneten, sich mit geringem Abstand überlappenden, aber nicht berührenden, elastischen und elektrisch leitfähigen Kontaktzungen aus einem ferromagnetischen Material. Ist die von einem Magnetfeld geeigneter Richtung auf die Kontaktzungen ausgeübte Kraft größer als die Federkraft der Kontaktzungen, berühren sich die Kontaktzungen und der Schalter ist geschlossen, andernfalls ist der Schalter offen. Reedschaltern inhärent ist eine durch das ferromagnetische Material der Kontaktzungen verursachte geringe Hysterese, die darin in Erscheinung tritt, dass die vom Magnetfeld aufzubringende Kraft zum Schließen des Schalters größer ist als die Kraft zum aufrechterhalten dieses Zustands.
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Die Verwendung des erfindungsgemäßen Schwebekörperdurchflussmessgeräts mit einem Reedschalter anstelle der aus dem Stand der Technik bekannten Schwebekörperdurchflussmessgeräte mit einem induktiven Schlitzinitiator hat den Vorteil einer verringerten Komplexität und eines reduzierten Aufwands bei der Konstruktion, da die Auswerteschaltung entfällt und die induktiven Näherungsschalter durch einfachere Reedschalter ersetzt werden, wodurch auch der Aufwand bei der Herstellung und damit auch die Kosten reduziert werden. Da Reedschalter im Gegensatz zu induktiven Näherungsschaltern keine Versorgung mit elektrischer Energie benötigen, ist ein weiterer Vorteil, dass erfindungsgemäße Schwebekörperdurchflussmessgeräte keine Versorgung mit elektrischer Energie benötigen.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist auf dem Auslöser ein Permanentmagnet angeordnet. Nähert sich der Durchfluss durch das Messrohr dem Grenzdurchfluss, nähert sich der Permanentmagnet dem Reedschalter entsprechend und die von dem Magnetfeld des Permanentmagneten auf die Kontaktzungen ausgeübte Kraft steigt an. Erreicht der Durchfluss den Grenzdurchfluss, wird der Reedschalter durch die vom Magnetfeld ausgeübte Kraft geschlossen. Entfernt sich der Durchfluss vom Grenzdurchfluss, so nimmt auch die vom Magnetfeld auf die Kontaktzungen ausgeübte Kraft entsprechend ab, jedoch öffnet sich der Reedschalter aufgrund seiner Hysterese erst bei einem Durchfluss, der von dem Grenzdurchfluss um einen gewissen Betrag verschieden ist. Diese inhärente Hysterese verhindert unerwünschte Schaltvorgänge des Reedschalters bei nur geringfügigen Schwankungen des Durchflusses im Bereich des Grenzdurchflusses. Da der Reedschalter bei Betätigung geschlossen wird und andernfalls offen ist, handelt es sich um einen Schließer.
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Bei einer alternativen ganz besonders bevorzugten Ausgestaltung besteht der Auslöser aus einem Material hoher magnetischer Permeabilität und in unmittelbarer räumlich konstanter Nähe zum Reedschalter ist ein Permanentmagnet angeordnet, dessen Magnetfeld die Kontaktzungen des Reedschalters durchsetzt und in Berührung bringt, der Reedschalter also schließt. Nähert sich der Durchfluss durch das Messrohr dem Grenzdurchfluss, nähert sich der Auslöser dem Reedschalter entsprechend und durch die hohe magnetische Permeabilität des Auslösers wird das die Kontaktzungen durchdringende Magnetfeld deformiert. Erreicht der Durchfluss schließlich den Grenzdurchfluss, wird das die Kontaktzungen durchsetzende Magnetfeld derart deformiert und eine korrespondierende Kraftwirkung auf die Kontaktzungen bewirkt, dass der Reedschalter öffnet. Da der Reedschalter bei Betätigung geöffnet wird, handelt es sich um einen Öffner. Auch bei einem als Öffner ausgebildeten Reedschalter ist die vorteilhafte Hysterese vorhanden. Ein Umrüsten des erfindungsgemäßen Schwebekörperdurchflussmessgeräts von einem Öffner-Reedschalter auf einen Schließer-Reedschalter ist auf einfache Weise möglich, da beide Reedschaltertypen gleiche Gehäuse aufweisen und die beiden Auslösertypen die gleiche Aufnahme für den Indikator aufweisen.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist das Schwebekörperdurchflussmessgerät mit einer einen Messzeiger und eine Skala umfassenden Anzeigevorrichtung ausgestaltet und der Messzeiger ist der Auslöser. Der Messzeiger kann zu diesem Zweck entweder mit einem Magneten ausgestattet werden oder aus einem Material hoher magnetischer Permeabilität bestehen. Durch die Einsparung des Auslösers und die Übernahme der Auslöserfunktion durch den Messzeiger vereinfacht sich das Schwebekörperdurchflussmessgerät. Auch bei dieser Ausgestaltung ist ein Umrüsten von einem Öffner-Reedschalter auf einen Schließer-Reedschalter auf einfache Weise möglich, da die beiden Messzeigertypen die gleiche Aufnahme für den Indikator aufweisen.
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In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Reedschalter auf einem Hilfsträger angeordnet und in dem Hilfsträger ist ein Langloch vorgesehen. Der Hilfsträger ist mit einem Träger durch eine Schraube, die durch das Langloch geht, fest verbunden und der Messumformer ist auch auf dem Träger angeordnet. Die Orientierung des Langlochs ist derart gewählt, dass durch den bei gelöster Schraube einstellbaren Abstand zwischen dem Reedschalter und dem Auslöser der Grenzdurchfluss einstellbar ist. Des Weiteren ist an dem Hilfsträger ein Grenzzeiger angeordnet, der den eingestellten Grenzfluss auf der Skala anzeigt. Selbstverstandlich ist es möglich, das erfindungsgemäße Schwebekörperdurchflussmessgerät mit mehr als einem Reedschalter und mehr als einem Grenzzeiger auszurüsten.
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In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel sind zumindest der Reedschalter, der Auslöser, der Messumformer und die Anzeigevorrichtung in einem Gehäuse angeordnet. Dieses Schwebekörperdurchflussmessgerät ist kompakt und benötigt keine Versorgung mit elektrischer Energie.
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Im Einzelnen gibt es nun verschiedene Möglichkeiten, das erfindungsgemäße Schwebekörperdurchflussmessgerät weiterzubilden und auszugestalten. Dazu wird verwiesen auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche und auf die Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen
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1 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Schwebekörperdurchflussmessgeräts in perspektivischer Darstellung,
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2 das Schwebekörperdurchflussmessgerät aus 1 in Explosionsdarstellung,
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3 das Schwebekörperdurchflussmessgerät aus 1 in Draufsicht und
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4 das Schwebekörperdurchflussmessgerät aus 1 in Seitenansicht.
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In den 1 bis 4 ist ein erfindungsgemäßes Schwebekörperdurchflussmessgerät 1 teilweise dargestellt, das ein Messrohr, einen Schwebekörper und ein Gehäuse umfasst, die hier nicht dargestellt sind. Ein Messumformer 2 mit einer Welle 3 als Indikator detektiert die Auslenkung des Schwebekörpers und setzt die Auslenkung in einen korrespondierenden Winkel der Welle 3 um. Im zylinderförmigen Gehäuse 4 des Messumformers ist auf der Welle 3 ein Magnet angeordnet, der magnetisch mit dem im Schwebekörper angeordneten Magneten gekoppelt ist, wodurch die Auslenkung des Schwebekörpers in einen korrespondierenden Winkel der Welle 3 umgewandelt wird. Die Welle 3 ist mit einem Auslöser 5 durch eine Schraubverbindung 6 verbunden, wobei der Auslöser 5 als eine Fahne 7 ausgestaltet und mit einer ferromagnetischen Folie 8 beklebt ist. Der Auslöser 5 betätigt einen der beiden als Grenzwertschalter verwendeten Reedschalter 9 bei Erreichung des jeweiligen vorgesehenen Grenzdurchflusses. Ein Messwertzeiger 10 ist ebenfalls mit der Schraubverbindung 6 an die Welle 3 gekoppelt und zeigt den gegenwärtigen Durchfluss auf einer hier nicht dargestellten Skala an.
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Jeder der beiden Reedschalter 9 ist mit einem Hilfsträger 11 verschraubt. Die Hilfsträger 11 weisen zum einen eine kreisförmige Aussparung 12 auf, die am zylinderförmigen Gehäuse 4 des Messumformers 2 anliegt, und zum anderen ein zur Welle 3 konzentrisches Langloch 13. Auch der Messumformer 2 ist am Träger angeordnet. Die beiden Hilfsträger 11 werden übereinander auf einem Träger 14 platziert und eine Schraube 15 geht durch die Langlöcher 13 und ist mit dem Träger 14 verschraubt. An der Schraube 15 angeordnet ist eine Feder 16, welche eine Kraft in Richtung auf den Träger 14 auf die beiden Hilfsträger 11 ausübt und auf diese Weise die Hilfsträger 11 auf dem Träger fixiert, wobei die Hilfsträger aber durch die begrenzte Kraft der Feder um die Welle 3 mit einer gewissen Kraft rotierbar bzw. verschwenkbar sind. An jedem der beiden Hilfsträger 11 ist ein Grenzzeiger 17 ausgebildet, der den aktuell durch Rotation der Hilfsträger um die Welle 3 eingestellten Grenzdurchfluss, bei dem einer der Reedschalter 9 betätigt wird, auf der Skala darstellt.
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Die verwendeten Reedschalter 9 sind Öffner-Reedschalter. Die Reedschalter 9 sind durch die Hilfsträger 11 derart in Bezug zu den Auslöser 5 angeordnet, dass bei Erreichung des durch einen Grenzzeiger 17 auf der Skala angezeigten Durchflusses der Auslöser 5 diesen Reedschalter 9 betätigt, ihn also öffnet. Die Betätigung erfolgt durch eine Deformation des vom Permanentmagneten des Reedschalters 9 erzeugten Magnetfelds. Die Deformation des Magnetfelds wird dabei von der ferromagnetischen Folie 8 hervorgerufen.
