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Einrichtung zum Messen. der Durchflußmenge eines strömenden Mediums
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Messen der insgesamt und/oder
in der Zeiteinheit zu bestimmenden Durchflußmenge des weiter unten der Einfachheit
halber als Flüssigkeit bezeichneten strömenden Mediums mit einem volumetrischen
Strömungsmesser, der elektrische Impulse einer Frequenz erzeugt, die der Strömungsgeschwindigkeit
des Mediums proportional ist. Auf Grund der Erfindung kann die Menge des durch ein
Rohr oder eine Leitung strömenden Mediums unabhängig von der Art, in der der Durchfluß
erfolgt und unabhängig von Änderungen der Dichte des Mediums gemessen werden, wobei
eine fortlaufende Anzeige sowohl der Durchflußmenge in der Zeiteinheit als auch
der in einem bestimmten Zeitraum durchgeflossenen Gesamtmenge erfolgen kann.
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Gemäß der Erfindung ist ein elektrische Wellen erzeugendes Hochfrequenzgerät
über eine Impedanz mit einem von dem Medium bespülten elektroakustischen Wandler
verbunden und steuert dieser in einem an ihn angeschlossenen Verbindungsgerät, z.
B.
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Detektor, die Erzeugung einer sich proportional der Dichte des Mediums
ändernden Anfangsspannung, welche von diesem auf Verbundkreise übertragen werden,
auf die auch die vom volumetrischen Strömungsmesser erzeugten Impulse übertragen
werden; dabei sind die Verbundkreise so gestaltet, daß sie an ihrem Ausgang einen
Ausgangsstrom (Endstrom) mit einer dem Produkt der Anfangsspannung und der Impulsfrequenz
proportionalen Größe erzeugen. Ferner sind erfindungsgemäß an den Ausgang der Verbundkreise
Meßvorrichtungen zur Messung der Durchflußmenge des Mediums angeschlossen; Das Hochfrequenzgerät
ist vorzugsweise mit einem Oszillator konstanter Frequenz ausgerüstet, der mit dem
elektroakustischen Wandler über eine Impedanz verbunden ist, die den Wandler auf
die Frequenz des Oszillators abstimmt, wobei der Detektor die Ausgangsspannung von
dem mit ihm verbundenen Wandler empfängt. Die Impedanz besteht dabei zweckmäßig
aus einer Induktionsspule, und der Detektor ist mit dem Oszillator verbunden und
führt diesem eine Spannung zu, die seine Schwingungsamplituden so regelt, daß der
Einfluß des Widerstandes der Induktionsspule auf die iiber den Wandler erzeugte
Spannung ausgeglichen wird.
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Bei der praktischen Ausführung der Erfindung enthält die Meßvorrichtung
eine Meßuhr zur Messung des Durchschnittswertes des Ausgangs stromes der für die
Anzeige der Durchflußmenge in der Zeiteinheit dienenden Verbundkreise, ferner Geräte
für die Messung des gesamten elektrischen Energiegehaltes, der vom Ausgangsstrom
der Verbundkreise für die Anzeige der gesamten Durchflußmenge des Mediums
erzeugt
wird. Der dabei verwendete Strömungsmesser ist von der Art, die Druckwellen durch
das Medium in und entgegen der Strömungsrichtung aussendet und Impulse erzeugt,
die eine F.ortpflanzungsgeschwindigkeit der akustischen Wellen proportionale Frequenz
besitzen, wobei ein Multiyibrator die Impulse an die Verbundkreise abgibt und 'diese
die Anfangsspannung und die Impulse vereinigen und eine Ausgangs spannung erzeugt
wird, die der Dichte des Mediums proportional und unabhängig von der Fortpflanzungsgeschwindigkeit
der akustischen Wellen in dem'Medium ist.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung gehen an Hand der
Zeichnung aus nachstehender Beschreibung ihrer Ausführ.ung hervor, und zwar zeigt
beispielsweise Fig. 1 ein Blockschema einer Ausführungsform der Erfindung, Fig..2
eine Schemazeichnung einer Einrichtung zur Errechnung der Gesamt-Fluß menge der'
Flüssigkeit, Fig. 3 eine schematischeZeichnung eines der durch die Einrichtung erzeugten.Wellenzüge.
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In Fig. 1 ist eine Leitung 1,0 für Flüssigkeiten dargestellt, durch
die ein Flüssigkeitsstrom, beispielsweise in der durch den Pfeil 11 angedeuteten
Richtung, fließen soll. Ein Paar elektroakustischer W.andler 12 bzw. 13, die z.
B.-in Anordnungen mit geeigneten
piezoelektrischen Kristallen bestehen
können, sind auf gegenüberliegenden Seiten des Leitungsrohres so in diesem angebracht,
daß sie einander gegenüberstehen und daß akustische Wellen, die vom Wandler 12 erzeugt
werden, in der Richtung des Pfeiles 14 auf den Wandler 13 hin übertragen werden.
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Die Wandler 12 und 13 sind miteinander durch einen Rückkopplungskreis
verbunden, der aus dem Verstärkerl5, einem Detektor 16 und einem Modulator 17 besteht
und wobei dem Modulator 17 durch einen Trägerfrequenzgenerator bzw. dem Oszillator
18 Schwingungen zugeführt werden.
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Ein zweites Paar elektroakustischer Wandler 19 bzw. 20, vorzugsweise
ebenfalls in der Form von piezoelektrischen Anordnungen, sind an einer anderen Stelle
so in das Rohr bzw. die Leitung eingebaut, daß akustische Wellen durch die Flüssigkeit
in der durch den Pfeil 21 angedeuteten Richtung übertragen werden. Der empfangende
elektroakustische Wandler 20 ist durch einen Rückkopplungsweg, der einen Verstärker
22, einen Detektor 23, einen Modulator 24 und einen Oszillator 25 enthalten kann,
mit dem sendenden Wandler verbunden. Die elektrischen Schwingungen, die von den
Verstärkern 15 bzw. 22 aufgenommen werden gelangen von diesen zu den Detektoren
16 bzw. 23, deren Ausgangsspannungen die Modulatoren 17 bzw. 24 steuern, und zwar
so, daß die Übertragung von Schwingungen auf die sendenden elektroakustischen Wandler
12 bzw. 19 entweder erfolgt oder aber gesperrt wird. Auf diese Weise werden fortlaufende
Wellenzüge von Impulsen in den Richtungen 14 und 21 durch die Flüssigkeit übertragen.
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Die Impulsfolgefrequenz f2 der Impulse im Rückkopplungskanal 22,
23 ist dabei proportional V + X cos 0, und auch die Impulsfolgefrequenz fj der Impulse
im Rückkopplungskanal 15, 16 ist proportional V-X cos , wobei X die Flußgeschwindigkeit
darstellt und Q, den Winkel zwischen der Flußgeschwindigkeit und der Fortpflanzungsrichtung
der Wellen in der Flüssigkeit bezeichnet.
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Die Ausgangsimpulse der Detektoren 16 und 23 werden über die Verbindungen
26 bzw. 27 einer geeigneten Kombinationseinrichtung zugeführt, die aus einer Mischstufe
39, aus einem mit einem Tiefpaßfilter ausgerüsteten Demodulator 40 und einem Generator
41 zur Erzeugung kurzer, scharfer Impulse besteht. Die Kombinationseinrichtung erzeugt
eine Impulsreihe, deren Impulsfolgefrequenz f,-fi ist.
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Diese Impulse werden einem Multivibrator 42 zugeführt, der durch
jeden der eintreffenden Steuerimpulse zur Erzeugung eines Rechteckimpulses ge gebener
Dauer angeregt wird. Da f,-f, der Größe X proportional ist, ist auch die Impulsfolgefrequenz
des Multivibrators 42 dem Wert X proportional, der die Strömungsgeschwindigkeit
darstellt.
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Die Rechteckimpulse vom Multivibrator 42 werden einer Regeleinrichtung
43 bekannter Art zugeführt, die die Amplitude der Rechteckimpulse proportional einer
vom Detektor 34 gelieferten Spannung einregelt. Die Ausgangsspannung des Detektors
34 wird der Dichte der Flüssigkeit proportional gehalten, und zwar durch eine Anordnung,
die im folgenden be schrieben wird.
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Diese Anordnung zur Erzeugung einer der Dichte der Flüssigkeit proportionalen
Spannung enthält einen auf piezoelektrischem Prinzip arbeitenden elektroakustischen
Wandler 30, der vorzugsweise parallel zum Wandler, 12 in einer der Wandungen des
Behälters bzw. der Leitung 10 angebracht ist. Ein
Oszillator 31 zur Erzeugung einer
konstanten Frequenz mit konstanter Amplitude ist über eine Induktivität 32, die
mit dem Wandler 30 eine Serienresonanz erzeugt, mit diesem verbunden. Wenn der piezoelektrische
Wandler genau auf Serienresonanz abgestimmt ist, stellt der Spannungsabfall über
dem Wandler eine im wesentlichen lineare Funktion der akustischen Impedanz der Flüssigkeit
dar. Wenn der Kristall 30 so angeordnet ist, daß er Wellen unter dem gleichen Winkel
wie der Kristall 12 ausschickt, dann wird die Geschwindigkeit T71 = T7-cos ? und
die akustische Impedanz e V1 betragen, worin Q die Dichte der Flüssigkeit ist. Für
kleine Werte von x kann Vl= V gesetzt werden. Die am Kristall 30 auftretende Spannung
wird einem Detektor 33 zugeführt.
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Die Ausgangsspannung des Detektors 33 wird dem stabilisierten Oszillator
31 zugeführt und durch sie der Widerstand der Induktivität 32 ausgeglichen.
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Dazu wird die Ausgangs spannung des Detektors 33 oder ein gewisser
Bruchteil dieser Spannung zu einem Anschluß am Oszillator 31 geführt, der mit den
Anordnungen zur Amplitudenregelung im Oszillator verbunden ist. Der Regelvorgang
erfolgt in dem Sinne, daß die Ausgangsspannung des Oszillators jeweils um einen
Betrag vergrößert wird, der gleich der Größe der Ausgangsspannung des Detektors
33, dividiert durch das Q (Gütewert), der Induktivität 32 ist.
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Die Ausgangsspannung des Detektors 33 ist im wesentlichen proportional
e Vi/+C, worin e V1 die akustische lmpedanz der-Flüssigkeit darstellt und C eine
Konstante ist, die von der Halterung des Kristalls abhängt.
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Die Ausgangsspannung des Detektors 33 wird einer Regeleinrichtung
35 zugeführt und diese regelt die Amplitude einer Rechteckschwingung, die vom Multivibrator
28 geliefert wird, proportional zur Größe dieser Ausgangsspannung. Der Multivibrator
28 steht in Verbindung mit der Leitung 26 und wird über diese mit Impulsen von der
Frequenz 1 gespeist. Der Multivibrator 28 führt daher der Regeleinrichtung 35 Rechteckschwingungen
29 zu, deren Impulsdauer dem Wert tIT'1 proportional ist. Die Regeleinrichtung 35
regelt die Amplitude der Rechteckschwingungen auf einen Wert ein, der dem Ausdruck
Q V1 + C proportional ist. Um die in der Fig. 3 abgebildete Rechteckschwingung zu
erhalten, deren Amplitude proportional dem Wert e- V1 ist und deren Impulsdauer
proportional 1/Vl ist, werden die in der Amplitude geregelten Rechteckschwingungen
aus der Regeleinrichtung 35 dem Kathodenverstärker 36 zugeführt, der mit einer Vorspannung
der Kathode arbeitet, die dem Wert C entspricht. Die Ausgangsspannung des Kathodenverstärkers
36 wird einem Integrator, 37 zugeführt, der eine Dreieckschwingung 38 erzeugt, deren
Spitzenamplitude dem Produkt aus e V1 und 1/kl, d. h. der Dichte e der Flüssigkeit
direkt proportional ist. Die Dreieckschwingung 38 wird einem Detektor 34, vorzugsweise
einem Spannungsverdoppler, zugeführt, der eine Gleichstromspannung proportional
zu e erzeugt.
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Die Ausgangsspannung des Detektors 34 wird dann der Regeleinrichtung
43 zugeführt, die die Amplitude der Rechteckschwingung aus dem Multivibrator 42
auf eine Größe einregelt, die der Dichte der Flüssigkeit proportional ist. Auf diese
Weise wird erreicht, daß die rechteckige Ausgangsschwingung der Regeleinrichtung
43 eine Amplitude besitzt, die im wesentlichen der Dichtee der Flüssigkeit proportional
ist, während ihre-Impulsfolgefrequenz der Strömungsgeschwindigkeit X proportional
ist.
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Die Rechteckschwingungen der Regeleinrichtung 43 werden über ein
geeignetes Kupplungsglied, wie z. B. einen Kathodenverstärker 44, einer Einrichtung
zur Messung der Mengenströmung und gleichzeitig einer Einrichtung zur Messung der
durch die Leitung 10 geflossenen Gesamtmenge der Flüssigkeit zugeführt.
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Es ist einzusehen, daß zur Bestimmung der Größe des Mengeuflusses
nur die mittlere Stromstärke der Rechteckschwingungen gemessen zu werden braucht,
und eine solche Meßeinrichtung 45 ist in der Fig. 1 mit dem Kathodenverstärker 44
verbunden.
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Zur Messung der in einem bestimmten Zeitraum durchgeflossenen Gesamtmenge
muß der Energieinhalt aller in dieser Zeit aufgetretenen Rechteckschwingungen bestimmt
werden. Integratoranordnungen zur Integrierung einer Impuls reihe sind allgemein
bekannt, und jede für den vorliegenden Zweck geeignete Anordnung dieser Art kann
Verwendung finden.
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Mit dem Ausgang der Regeleinrichtung 43 wird daher ein geeigneter
Integrator 46 verbunden, und der Ausgang dieses Integrators 46 wird seinerseits
mit einer Einrichtung 47 verbunden, die geeignet ist, die integrierenden Ladungen
zu messen bzw. zu zählen.
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Die Ausgänge des Kathodenverstärkers 44 und des Integrators 46 können
auch noch mit weiteren Einrichtungen verbunden werden, so z. B. Einrichtungen, um
den Flüssigkeitsstrom zu regulieren.
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Fig. 2 zeigt eine Anordnung zur Integrierung bzw. der Berechnung
des Energieinhaltes der -amplitudengeregelten Impulse, die von der Regeleinrichtung43
geliefert werden. Die Recheneinrichtung enthält zwei Elektronenröhrensysteme, die
z. B. in einer Doppeltriode 50 vereinigt sein können und deren Anoden über Kondensatoren
51 bzw. 52 an den positiven Pol einer Anodenspannungsquelle gelegt sind. Die beiden
Kathoden der Doppeltriode 50 sind über Widerstände 53 bzw. 54 an das Nullpotential
gelegt, die groß genug sind, um sicherzustellen, daß die Anodenströme den Schwankungen
der Gitterspannung getreu folgen.
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Einer der beiden Kondensatoren 51 bzw. 52 ist jeweils an ein festes
Potential gelegt, während der andere frei ist und sich durch die ankommenden Rechteckschwingungen
schrittweise aufladen kann.
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Der Stromkreis, über den der Kondensator 52 am festen Potential liegt,
führt über die Verbindung 55, die Kontakte 56 und 57, die Diode 58 und den Widerstand
59 zur Plusspannung der Anodenstromquelle.
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Der untere Anschluß des Kondensators 52 ist auf diese Weise an ein
festes, positives Potential gelegt.
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Die Verbindungspunkte zwischen den Anoden der Röhre 50 und den Kondensatoren
51 und 52 sind getrennt an die Kathodenverstärker 60 bzw. 61 geführt.
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Die Ausgänge dieser Kathodenverstärker 60 und 61 liegen an einer Spannungsvergleichseinrichtung
62, die außerdem aus einem Spannungsteiler 63, der wie die Kondensatoren 51 und
52 an der Plus-Anodenspannung liegt, eine Bezugsspannung erhält. Sobald das Potential
des sich aufladenden Kondensators 51 den Betrag der Bezugsspannung erreicht, wird
die Vergleichseinrichtung 62 leitfähig. Die Vergleichseinrichtung 62 kann z. B.
aus einem Diodenpaar bestehen, deren Anoden mit der Stromquelle für die Bezugsspannung
verbunden sind, während die eine der Kathoden mit dem Kathodenverstärker 60 und
die andere mit dem Kathodenverstärker 61 verbunden ist.
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Die Vergleichseinrichtung 62 steuert einen Impulsgenerator 64, der
einen Ausgangsimpuls erzeugt, sobald die Vergleichseinrichtung leitfähig wird. Der
Impulsgenerator
liegt mit seinem Ausgang an einem monostabilen Multivibrator 65, der jeweils nur
einen Impuls erzeugt. Die Ausgangsspannung des Multivibrators 65 wird einer Flip-Flop-Stufe
67 (Schaltung nach Eccles-Jordan, die abwechselnd an zwei getrennten Ausgängen,
pro Eintreffen eines Eingangsimpulses, je einen Ausgangsimpuls erzeugt bzw. an einem
Ausgang je einen Impuls ausläßt) zugeführt, die ihrerseits mit einer Einrichtung
zur Steuerung eines Relais, z. B. einem Verstärker 68, verbunden ist.
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Der Verstärker 68 führt der Relais spule 72 des Relais 70 abwechselnd
Strom zu bzw. unterbricht diesen wieder beim nächsten Impuls der von der Flip-Flop-Stufe
67 zugeführten Impulsreihe.
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Mittels der Relaisspule 72 können zwei Umschaltkontaktfedern 57 und
73 betätigt werden. Wenn die Kontaktfeder 57 in der gezeichneten Stellung steht,
ist der Kondensator 52 mit dem festen Potential verbunden, und wenn der Kontakt
umgeschaltet wird, so daß die Verbindung mit der Kontaktfeder 71 hergestellt ist,
wird der Kondensator 51 an das feste Potential gelegt. Diese Umkehrung erfolgt jedesmal
dann, wenn die Spannung an dem sich gerade- aufladenden Kondensator die vorbestimmte
Grenzspannung erreicht hat, die einer bestimmten durchgeflossenen Flüssigkeitsmenge
entspricht.
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Die Relais spule 72 betätigt mittelbar außerdem noch einen Kontakt
73, 74, 75, der den Stromkreis eines geeigneten Zählers 80, z. B. eines elektromechanischen
Zählwerks, öffnet bzw. schließt. Auf diese Weise wird durch jeden Zählschritt die
Flußmenge dargestellt, - die einer Aufladung der beiden Kondensatoren 51 und 52
bis zur Bezugsspannung entspricht.
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Das Zählergebnis stellt daher augenscheinlich die Gesamtmenge der
durchgelaufenen Flüssigkeit dar.
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Die Vertauschung der Kondensatoren bei der Anschaltung an das feste
Potential, die durch das Relais vorgenommen wird, erfordert naturgemäß- eine gewisse
Zeit auf Grund der Tatsache, daß das Relais 70 nicht trägheitslos arbeitet. Würde
ein Zeitunterschied zwischen dem Augenblick, in dem der eine der beiden Kondensatoren
die Bezugsspannung erreicht und dem Augenblick der Abschaltung des anderen, ungeladenen
Kondensators von dem festen Potential auftreten, so würde ein Meßfehler entstehen.
Um ein augenblickliches Abtrennen des ungeladenen Kondensators von dem festen Potential
sicherzustellen, wird vom Verstärker 66 ein negativer Impuls auf die Anode der Diode
58 gegeben. sobald der Multivibrator 65 ausgelöst wird. Hierdurch wird die Diode
58 gesperrt und gibt den ungeladenen Integrierungskondensator frei. Diese um ein
Geringes zu früh eintretende Freigabe des Kondensators wird während einer Zeitspanne
aufrechterhalten, die ausreicht, um die Schaltfeder 57 umzuschalten.
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Die Zeitdauer des vorzeitigen Abschaltens kann leicht durch eine
entsprechende Einstellung der Zeitkonstante des Multivibrators 65 auf eine entsprechende
Impulsdauer erreicht werden.