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Verfahren und Vorrichtung zur Kraft- bzw. Druckmessung Die Erfindung
bezieht sich auf ein Verfahren zur Kraftmessung oder zur Druckmessung unter Verwendung
eines von der Druckkraft beaufschlagten MeBgliedes und auf eine Vorrichtung zur
Durchführung dieses Verfahrens, insbesondere zur Differenzduckbestimmung zum Zwecke
der Durchflußmessung nach dem dirkdruckverfahren mit einem durch den Wirkdruck betätigten
MeßgliedO Für die Durchflußmessung strömender Medien wird häufig ein Verfahren angewendet,
bei welchem der an einer durchströmten
Blende oder einer Düse auftretende
Differenzdruck, der sogenannte Wirkdruck, mit hilfe von Trennflüssigkeiten oder
trockenen Differenzdruckmeßwerken gemessen wird. Die zur Meßwertanzeige verwendeten
Vorrichtungen sind teilweise mit Gliedern mit radizierender Charakteristik ausgerüstet,
beispielsweise mit Kurvenscheiben, so daß die der Wurzel aus dem Wirkdruck proportionale
Durchflußmenge am Meßgerät direkt angezeigt werden kann. Andere Meßvorrichtungen
arbeiten nach dem Verfahren der Kraftkompensation und benutzen zur Erzeugung der
Kompensationskraft ein Element mit quadra--tischer Kennlinie, z.B. ein elektrodynamisches
Meßwerk. Allen bekannten Meßvorrichtungen haftet der Nachteil an, daß die Bewegung
des Meßgliedes bzw. die Meßkraft aus einem abgeschlossenen Druckraum nach außen
übertragen werden muß.
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Diese Aufgabe ist stets mit Schwierigkeiten, insbesondere konstruktiver
Ar-t, verbunden, weil auf alle Fälle vermieden werden muß, daß Undichtigkeiten auftreten
oder beispielsweise durch Reibung oder andere vorrichtungsbedingte Fehler der augenblicklich
anzuzeigende Meßwert verfälscht wird.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile der bekannten
Verfahren und Vorrichtungen zu vermeiden. Das erfindungsgemäße Verfahren besteht
darin, daß die zu messende Kraft durch Erzeugung einer Zugspannung in einer schwingenden
Saite ermittelt wird, deren der Zugspannung proportionale Eigenfrequenz als Meßgröße
für die Kraft dient.
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Eine besonders vorteilhafte Verwendung kann das erfindungsgemäße Verfahren
in einer Vorrichtung zur Durchflußmessung nach dem Wirkdruckverfahren finden, wenn
die von der Meßkraft beaufschlagte Saite als frequenzbestimmendes Element eines
elektrischen tonfrequenzgenerators benutzt wird, wobei die der Wurzel aus der Saitenspannung
proportionale Eigenfrequenz der Saite eine radizierende Charakteristik der Anordnung
hervorruft und eine der Durchflußmenge direkt proportionale Meßwertanzeige erlaubt.
Auf diese Weise kann namlich auf die Anordnung eines besonderen Gliedes mit radizierender
Charakteristik verzichtet werden, so daß sich das neue Verfahren zur Kraft- bzw.
Druckmessung insbesondere für diesen Zweck eignet.
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Die Vorrichtung zur Durchflu#bestimmung kann dann besonders einfach
gestaltet werden, wenn das vom Wirkdruck beaufschlagte Me#glied eine Membran ist,
die mit einem Ende der Saite verbunden ist, so daß die durch den auf beide Seiten
der Membran wirkenden Differenzdruck, beispielsweise einer Durchflußmeßblende oder
dgl., nervorgerufene, dem Produkt aus Differenzdruck und Membranfläche entsvrecnende
Kraft auf die Saite einwirkt. Besonders einfach wird @ie Me#vorricntung dann, wenn
die Membran auf der Seite, auf die der höhere Druck von der =-olende oder dgi. her
einwirkt, mit einem Ende ier Saite verbtirden ist, während das zweite Ende der Saite
in einem festenLager angelenkt ist.
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Vorteilhaft kann die Saite in einer solchen Vorrichtung aus ferromagnetischem
Material bestehen und durch eine im Ausgang eines Tonfrequenzverstärkers eingeschaltetes
elektromagnetisches Kraftglied zu Schwingungen angeregt werden.
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Zweckmäßig erzeugen dabei die Amplituden der Schwingungen der Saite
in einem elektromagnetischen Aufnehmerglied eine elektrische Steuerspannung, die
dem Eingang des Tonfrequenzverstärkers zugeleitet werden. Auf diese Weise entsteht
ein schwingendes System, dessen Frequenz der Eigenfrequenz der Saite entspricht
und als Maß für die Durchflußmenge verwendet werden kann. Vorteilhaft wird das elektromagnetische
Kraftglied und das Aufnehmer glied an Schwingungsbäuchen der Saite, beispielsweise
bei der zweiten Harmonischen jeweils ein Viertel der Länge der Saite von den Aufhängepunkten
entfernt angeordnet, weil bei einer solchen Anordnung der beste Wirkungsgrad erzielt
wird.
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In einer anderen vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Meßvorrichtung besteht die Saite aus nichtmagnetischem aber elektrisch leitfähigem
Material, ist von elektrischem Strom durchflossen, zwischen den Polschuhen eines
Dauermagneten angeordnet und an dem festen Lager isoliert angebracht sowie mit einem
Ende mit einem Rückkopplungsnetzwerk mit dem Ausgang eines Verstärkers und mit dem
anderen Ende mit dem Eingang eines Verstärkers elektrisch verbunden. Auf diese Seise
wird ebenfalls ein schwingungsfähiges ;3ystem geschaffen, dessen Frequenz von der
Eingenfreguenz der Saite abhängt, dic
wiederum von der auf die Saite
wirkenden Kraft bestimmt wird.
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Besonders vorteilhaft kann das Rückkopplungsnetzwerk eine Brückenschaltung
sein, die vom Ausgang des Verstärkers gespeist wird. Vorteilhaft wird die Saite
als Glied dieser Brückenschaltung eingesetzt, so daß die durch die Bewegung der
stromdurchflossenen Saite zwischen den Polschuhen des Dauermagneten hervor gerufene
komplexe Widerstandsänderung der Saite eine Spannungsänderung in der Diagonale der
Brücke bewirkt, die an den Eingang des Verstärkers angeschlossen eine der Eigenfrequenz
der Saite entsprechende Schwingung hervorruft.
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In einfacher und vorteilhafter Weise können bei beiden Ausführungsformen
an den Ausgang des Verstärkers Brequenzmeßgeräte, wie beispielsweise Frequenz-Strom-Me#umformer,
oder digitale Zähleinrichtungen angeschlossen sein, die in an sich bekannter Weise
durch die aufgrund der Schwingungen hervorgerufene echselspannung, deren Frequenz
proportional der wurzel der auf die Saite wirkenden Meßkraft ist, gesteuert werden
und ermöglichen, die Menge des in einer Rohrleitung oder dgl. strömenden Meßstoffes
zu zählen oder den Durchfluß in dieser Leitung zu messen.
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In der Zeichnung sind zwei besonders vorteilhafte Ausfuhrungsformen
einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsge mäßen Verfahrens dargestellt
und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert.
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Dabei zeigt: Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung
zur Durchflußmessung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren; Fig. 2 eine Vorrichtung
wie nach Fig. 1, jedoch in einer anderen Ausführungsform und Fig. 3 eine Teildarstellung
des elektrischen Schaltbildes der Anordnung gemäß Fig. 2.
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In Fig. 1 ist in einer in Richtung des Pfeiles 3 durchströmten Rohrleitung
2 eine Meßblende 1 eingebaut. Der auf grund der Strömung vor und hinter der Blende
1 auftretende Differenzdruck Pl - P2 wird durch die Meßleitungen 4 bzw. 5 einer
Druckmeßdose 6 zuleitet, welche durch die Membran 7 in zwei Teilräume 8 und 9 unterteilt
wird, wobei in dem hier gezeigten Beispiel bei einer Strömung des Mediums in Richtung
des Pfeiles 3 der Druck im Teilraum 9 größer ist als der Druck im Teilraum 8. In
der Mitte der Membran 7 ist eine Saite 10 befestigt, die in diesem Beispiel aus
ferromagnetischem Material besteht. Auf der rechten Seite ist die Saite 10 an einem
festen Lager 11 angebracht, so daß die auf die Membran 7 wirkende Kraft, die dem
Produkt aus Membranfläche und Differenzdruck in den Teilräumen 9 und 8 entspricht,
direkt auf die Saite 10 wirkt.
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Die Saite 10 wird in einer gehäuseartigen Verlängerung der Druckmeßdose
6 angeordnet, in welcher auch eine als elektromagnetisches Kraftglied wirkende Spule
13 zur Schwingungserregung der Saite 10 und eine als elektromagnetisches Aufnehmerglied
wirkende Spule 12 angeordnet sind. Die Anordnung der Spulen 12 und 13 ist dabei
so getroffen, daß die Spule 12 in einer Entfernung von einem Viertel der Länge der
Saite 10 vom linken Ende und die Spule 13 in der gleichen Entfernung vom rechten
Ende der Saite 10 in die gehäuseartige Verlängerung der Druckmeßdose 6 eingebaut
sind. Auf diese Weise liegen die Spulen 12 und 13 jeweils an Schwingungsbäuchen
der zweiten Harmonischen der Saite 10, so daß ein guter wirkung grad erzielt werden
kann.
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Die Spule 12 liegt am Eingang eines von Hilfsenergie gespeisten Tonfrequenzverstärkers
14, während die Spule 13 an den Ausgang dieses Verstärkers angeschlossen ist. Ebenfalls
an den Ausgang an geschlossen ist ein Fre@uenzme#gerät 15, eine Zähleinrichtung
16 und ein Digital-Analogumsetzer, welche von der durch die Schwingungen der Saite
10 hervorgerufenen Wechselspannung am Ausgang des Verstärkers 14, deren Frequenz
proportional der Wurzel der auf die Saite 10 wirkenden rsekraft ((P1-P2 x Fläche
der Membran) ist, gesteuert werden und die es ermöglichen, entweder die Menge des
in der Rohrleitung 2 strömenden Meßstoffes zu zählen oder den Durchfluß in dieser
Leitung zu messen. Die Me#geräte 15, 16 und 17 können
gleichzeitig
an den Ausgang des Verstärkers 14 angeschlossen sein oder wahlweise einzeln, je
nach der zu bewältigenden Aufgabe.
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Die Saite 10 wird durch die als elektromagnetisches Kraft glied ausgebildete
Spule 13 nach dem Anschluß der Vorrichtung an den Stromkreis zu Schwingungen angeregt.
Die Schwingungsamplitude der Saite 10 erzeugt in dem als Aufnehmerglied ausgebildeten
Spulenkörper 12 eine elektrische Steuerspannung, die dem Eingang des Verstärkers
14 zugeführt wird. Die Verstärkung der Einrichtung ist so gewählt, daß sich eine
Schwingung ausbildet, deren Frequenz von der Eigenfrequenz der Saite bestimmt wird.
Da die Schwingungsfrequenz der Saite proportional der Xurzel aus der Spannung der
Saite ist, die wiederum proportional der Meßkraft ist, ändert sich auch die Frequenz
des gesamten Systems in gewünschter Weise in Abhängigkeit von der auf die Saite
wirkenden Kraft. Bei der Anordnung gemäß der Erfindung nach Fig. 1 wird die Meßkraft
daher in eine dem Durchfluß proportionale Frequenz umgesetzt. Es erübrigt sich die
Durchführung von Bewegungen des Meßgliedes oder von der auf das Meßglied wirkenden
Meßkraft bewegten Teilen durch die ßandgungen des Druckraumes des Meßgerätes, so
daß eine besonders einfache Ausfahrungsform entsteht.
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Eine weitere Ausführungsform für eine Vorrichtung zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in Fig. 2 gezeigt
Hier wurde
in der Darstellung einfachheitshalber das Gehäuse der Vorrichtung weggelassen, weil
es im Prinzip eine ähnliche Form wie das in Fig. 1 gezeigte Gehäuse aufweisen kann.
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Auf die Membran 7 wirkt wie in Fig. 1 die Differenz der Drükke P1
und Pa vor bzw. hinter der Blende 1. Die auf diese weise auf die Membran 7 wirkende
Kraft spannt die Saite 10, welche an ihrem rechten Ende unter Zwischenschaltung
einer elektrisch isolierenden Schicht 18 mit dem Lager 11 an dem Gehäuse oder dgl.
befestigt ist. Die Saite 10 besteht in dieser Ausführungsform aus nichtmagnetischem
jedoch elektrisch leitfähigem Material und läuft in einem Luftspalt zwischen den
Polschuhen 19 und 20 eines Dauermagneten hindurch Mit dem rechten Ende ist die Saite
10 einmal mit dem Eingang des Verstärkers 14 verbunden, zum anderen aber auch über
ein Rückkopplungsnetzwerk 21 mit dem Ausgang des Verstärkers 14.
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Mit dem linken Ende ist die Saite 10 über die in dieser Ausführungsform
elektrisch leitfähige Membran 7 mit dem Eingang des Verstärkers 14 verbunden.
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In der Fig. 3 ist dargestellt, in welcher Weise das Rückkopplungsnetzwerk
21 vorteilhaft ausgebildet werden kann. Dieses Rückkopplungsnetzwerk nach Fig. 3
ist eine Brückenschaltung, die vom Ausgang des Verstärkers 14 gespeist wird. Die
schwingende Saite 10 ist als Widerstandsglied zusammen mit den uafiderständen 22,
23 und 24 in die Brückenschaltung eingesetzt.
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Die Brücke wird durch Anschluß an den Punkten 27 und 28 an den Ausgang
des Verstärkers gespeist; an den Punkten 25 und 26 wird die Diagonalspannung der
Brücke abgegriffen und dem Eingang des Verstärkers 14 zugeleitet Wird an das System
der Fig. 2 und 3 eine elektrische Spannung angelegt und bewegt sich demzufolge die
stromdurchflossene Saite 10 im Luft spalt zwischen den Polschuhen 19 und 20 parallel
zu den Polschuhen, so wird in der Saite eine geschwindigkeitsproportionala Spannung
induziert, die vom Verstärker 14 verstärkt wird und über das eingeschaltete Netzwerk
21 einen erneuten Stromfluß in der Saite erzeugt, der eine auf die Saite wirkende
elektromagnetische Kraft zur Folge hat, welche die Bewegung der Saite vergrößert.
Dadurch ändert sich der komplexe Widerstand der Saite 10. Diese Widerstandsänderung
wird durch die Brückenschaltung erfaßt. Da die Brücke vom Ausgang des Verstärkers
gespeist wird, kann bei geeigneter Dimensionierung-der Widerstände 22, 23 und 24
an den Punkten 25 und 26 eine Spannung abgegriffen werden, die auf den Eingang des
Verstärkers 14 wirkend eine Schwingung hervorruft, die der Eigenfrequenz der Saite
10 entspricht. Diese Eigenfrequenz f0 ist, wenn 1 die freie Seitenlänge der Saite
10 ist, K die auf die Saite 10 wirkende Meßkraft auf grund des auf die Membran 7
wirkenden Differenzdruckes, p die Dichte der Saite und q der iuerschnitt der Saite
Am Ausgang des Verstärkers 14 tritt demnach eine Nechselspannung
auf, deren Frequenz der Eigenfrequenz fO der Saite 10 entspricht. Diese Eigenfrequenz
ist - wie aus der Formel zu entnehmen ist-proportional der wurzel der auf die Saite
10 wirkenden Meßkraft K, die wiederum direkt proportional dem Differenzdruck P1
- P2 ist. Die Frequenz der am Austritt des Verstärkers 14 auftretenden Wechsel spannung
ist demnach proportional der durch die (in der Fig. 1 gezeigten) Rohrleitung 2 strömenden
Durchflußmenge. Die Wechselspannung kann zur Steuerung von Frequenzmessern, wie
beispielsweise Frequenz-Strom-Meßumfo rmern oder digitaler Zähleinrichtungen benutzt
werden, die an den Punkten 29 und 30 der Fig. 3 am Ausgang des Verstärkers 14 angeschlossen
werden können.
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In den Ausführungsbeispielen wurde gezeigt, wie das erfindungsgemäße
Verfahren in besonders vorteilhafter Weise zur Durchflußmessung nach dem Wirkdruckverfahren
verwendet werden kann.
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Selbstverständlich kann das erfindungsgemäße Verfahren aber auch für
eine reine Kraftmessung Verwendung finden, wenn andere Meßglieder benutzt werden,
ebenso wie in den erläuterten Ausführunsbeispielen als Me#glied nicht unbedingt
eine druckbeaufschlagte Membran vorgesehen sein muß, sondern anstelle der Membran
beispielsweise Rohrfedern oder dgl0 verwendet werden könnten.