DE1498326B2 - Vorrichtung zum Messen der Durchsatzmenge eines Fluids - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit weitem Ansprechbereich zum fortlaufenden Messen der Durchsatzmenge eines Fluids durch die Vorrichtung, mit einem fluiddicht abgeschlossenen Metallgehäuse, das einen Einlaßstutzen, welcher das Fluid der Außenfläche einer im Inneren des Gehäuses vorgesehenen Druckdose zuführt, einen mit dem Inneren der Druckdose in Verbindung stehenden Auslaßstutzen, sowie eine im Fluidstrom im Gehäuse vorgesehene Drosselstelle aufweist, deren Öffnungsweite sich unter dem Einfluß der auf die Druckdose einwirkenden Differenz zwischen dem stromauf und dem stromab der Drosselstelle herrschenden Druck ändert.

Aus den deutschen Patentschriften 567 890, 610 113 und 722 989 sind verschiedene Ausführungsformen von Differenzdruckreglern bekannt, bei denen das Fluid durch einen Einlaßstutzen in ein geschlossenes Gehäuse geführt wird, wo es auf die eine Seite einer Membrane einwirkt, die eine Kammer in dem Gehäuse abschließt. Über eine Drosselstelle strömt das Fluid zu dem Auslaßstutzen des Gehäuses. Die von der Membran abgeschlossene Kammer steht mit der Auslaßseite in Verbindung, so daß der Druck des Fluids stromab von der Drosselstelle auf die Rückseite der Membran einwirkt. Durch die Verschiebung der Membran unter der Wirkung der Differenz des Druckes des Fluids stromauf und stromab von der Drosselstelle wird der Öffnungsquerschnitt eines Ventils gesteuert, das diese Drosselstelle bildet. Auf diese Weise können diese bekannten Vorrichtungen die Druckdifferenz zwischen der Zufluß- und der Abflußseite auf einen Sollwert einregeln.

Aus dem Buch J. Hengstenberg, B. Sturm, O. W i η k 1 e r »Messen und Regeln in der chemischen Technik«, Springer-Verlag, 1957, insbesondere S. 223/224, ist es bekannt, Differenzdruckregler zur Messung von Durchflußmengen zu verwenden. Dazu wird durch einen Differenzdruckregler die Differenz zwischen dem Fluiddruck stromauf und stromab von einer Drosselstelle konstant gehalten und die dazu erforderliche Öffnungsweite der Drosselstelle wird als Maß für die Durchflußmenge verwendet.

Die Erfindung betrifft eine Durchflußmessung nach diesem bekannten Verfahren, wobei ein Differenzdruckregler der zuvor beschriebenen Art verwendet wird. Die Erfindung stellt sich die Schaffung einer Vorrichtung zum fortlaufenden Messen der Durchsatzmenge eines Fluids durch die Vorrichtung zur Aufgabe, die sich insbesondere zum kontinuierlichen Messen des Kraftstoffverbrauchs einer Brennkraftmaschine bei sich ständig ändernder Leistung eignet, wie es dem praktischen Betrieb einer solchen Brennkraftmaschine entspricht. Für diesen und ähnlich gelagerte Anwendungsfälle sind an die Meßvorrichtung die folgenden Bedingungen zu stellen. Die Meßvorrichtung muß die jeweilige momentane Durchsatzmenge mit großer Empfindlichkeit und großer Ansprechgeschwindigkeit feststellen können. Der Druckabfall zwischen dem Einlaß- und dem Auslaßende der Vorrichtung muß gering gehalten werden, und trotzdem soll die Vorrichtung bereits auf Änderungen von etwa 1% der maximalen Durchsatzmenge ansprechen. Insbesondere soll die Vorrichtung über den weiten Meßbereich, wie er insbesondere für die stark schwankenden Durchflußmengen bei der Speisung einer Brennkraftmaschine unter wechselnden Leistungsbedingungen erforderlich ist, mit gleichbleibender Meßgenauigkeit, d. h. mit gleichbleibender prozentualer Fehlerangabe arbeiten können. Schließlich soll die Meßvorrichtung auch gegen Temperaturschwankungen und Erschütterungen unempfindlich sein.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Druckdose mit einer kreisscheibenförmigen ferromagnetischen Platte und einem sich daran anschließenden rohrförmigen Ansatz fest verbunden ist, welcher von einem mit dem Gehäuse festverbundenen, ringförmigen, ferromagnetischen, eine Drosselspule aufnehmenden hohlen Kern hoher Permeabilität umschlossen ist, daß der Öffnung des rohrförmigen Ansatzes gegenüber ein rohrförmiges Einstellglied angeordnet ist, dessen Abstand von dem Ansatz die Drosselstelle bildet, durch die das Fluid durch den Ansatz in das Innere der Druckdose strömt, und daß sich die Öffnungsweite dieser Drosselstelle bei Druckschwankungen zwischen dem Inneren und dem Äußeren der Druckdose in gleicher Weise ändert wie die Breite des Luftspaltes zwischen der ferromagnetischen Platte und dem ferromagnetischen hohlen Kern.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung liefert eine unmittelbare Anzeige der Änderung der Öffnungsweite der Drosselstelle, da der die Öffnungsbreite der Drosselstelle bestimmende rohrförmige Ansatz fest mit der die Breite des Luftspaltes der Drosselspulenanordnung bestimmenden Platte verbunden ist. Die durch die Änderung der Breite des Luftspaltes hervorgerufene Induktivitätsänderung der Drosselspule zeigt daher ohne zeitliche Verzögerung und mit höhster Genauigkeit die Änderung der Öffnungsbreite der Drosselstelle an. Diese Änderung der Induktivität der Drosselspule gibt den Meßwert für die Durchflußmenge an. Da der einzige bewegliche und auch die Meßgenauigkeit bestimmende Teil der erfindungsgemäßen Vorrichtung der in dem Drosselspulenkern geführte rohrförmige Ansatz der Druckdose ist, ist die Vorrichtung äußerst robust und einfach, so daß Stöße und Erschütterungen weder eine Beschädigung noch eine Störung der Meßgenauigkeit hervorrufen können. Außerdem kann die Vorrichtung verhältnismäßig preisgünstig hergestellt werden und besitzt eine hohe Lebensdauer.

Die sich ändernde Induktivität der Drosselspule kann in irgend einer gewünschten Weise verarbeitet und einem elektrischen Anzeigeinstrument, einer Aufzeichnungseinrichtung oder einer Einstelleinrichtung zugeführt werden. In einer besonders zweckmäßigen Ausführungsform der Erfindung, die die Empfindlichkeit der Vorrichtung voll ausnutzt, ist die Drosselspule in eine, einen Teil eines Anzeigekreises bildende elektrische Meßbrücke eingeschaltet und ruft bei einer Induktivitätsänderung deren Fehlabgleichung hervor. Um bei dieser Ausführungsform auch weitere störende Einflüsse von außen auf die Genauigkeit auszuschalten, kann weiter der induktive Zweig dieser elektrischen Meßbrücke durch Einschaltung einer zweiten Drosselspule, die dieselben Eigenschaften besitzt wie die erstgenannte Drosselspule, symmetrisch ausgebildet sein, und die zweite Drosselspule ist dabei in einen das rohrförmige Einstellglied umschließenden Kern eingebaut, der dieselben Eigenschaften besitzt wie der die erstgenannte Drosselspule umschließende Kern.

Um auch den Einfluß von Temperaturschwankungen auf die Dichte des durchströmenden Fluids bei der Messung auszuschalten, kann gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung in dem Gehäuse nahe der Druckdose ein mit dem Fluid in thermischem Kontakt stehender temperaturabhängiger Widerstand angeordnet sein, der in den die Stromversorgung der Meßbrücke liefernden Stromkreis eingeschaltet ist und die Stromzufuhr zu der Meßbrücke regelt.

Im folgenden ist eine bevorzugte beispielhafte Ausführungsform der Erfindung an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 einen Querschnitt durch eine Vorrichtung gemäß der Erfindung und

F i g. 2 ein elektrisches Schaltbild der Speise- und Meßkreise für die Vorrichtung gemäß F i g. 1.

Gemäß F i g. 1 weist die erfindungsgemäße mechanisch-hydraulische Vorrichtung einen Anschlußstutzen 1 auf, über den das Fluid, dessen Durchsatzmenge festgestellt werden soll, in ein Gehäuse 2 eingeleitet wird, welches mit Hilfe eines Deckels 3 und einer Dichtung 4 gas- und flüssigkeitsdicht abgeschlossen ist.
. Das den Gehäuseraum 5 füllende Fluid strömt über eine Drosselstelle 6 in einen starr mit einer Druckdose 8 verbundenen rohrförmigen Ansatz 7 und sodann über · einen mit der das Fluid verbrauchenden Vorrichtung verbundenen Auslaßstutzen 9 aus dem Gerät aus. Die Drosselstelle 6 befindet sich zwischen dem Ende des Ansatzes 7 und dem Ende eines Einstellglieds 10, welches durch eine Blattfeder 11 in Anlage gegen eine Einstellschraube 12 gehalten wird. Die Schraube 12 ermöglicht somit eine Einstellung der Weite der Drosselstelle 6 auf einen für die Messung der Mindest-Durchsatzmenge erforderlichen Ausgangswert.

An der dem Ansatz 7 zugewandten Seite der Druckdose 8 ist an dieser eine mit dem Ansatz 7 verbundene kreisscheibenförmige Platte 13 vorgesehen, die ebenso wie ein eine Drosselspule 15 aufnehmender hohler Kern 14 aus ferromagnetischem Material hoher Permeabilität besteht. Der Kern 14 ist an einem Halter 16 befestigt, der seinerseits derart in den Deckel 3 eingeschraubt ist, daß eine Einstellung des Luftspalts zwischen der Platte 13 und dem Hohlkern 14 möglich ist. Der Halter 16 nimmt außerdem in seinem oberen Abschnitt eine in einem hohlen Kern 18, der mittels eines Spreizrings 19 am Halter befestigt ist, angeordnete Drosselspule 17 auf.

Der Halter 16 ist bei 16a mit öffnungen zur Ermöglichung eines freien Fluidflusses durch die Drosselstelle 6 längs der durch die Pfeile in F i g. 1 angedeuteten Strömungsbahn versehen. Im Deckel 3 sind elektrisch isolierte und gas- und flüssigkeitsdicht eingepaßte Durchführungen 20 für die elektrischen Anschlüsse der Drosselspulen und eines in F i g. 1 nicht dargestellten temperaturempfindlichen Widerstands 32 vorgesehen, der unmittelbar zwischen zwei derartigen Durchführungen 20 befestigt ist. Die Zentralöffnung 14a des Kerns 14 besitzt solchen Durchmesser, daß sie eine freie Axialverschiebung des starr mit der Druckdose 8 verbundenen Ansatzes 7 zuläßt.

F i g. 2 zeigt die elektrische Schaltung der vorstehend beschriebenen Vorrichtung. Als Stromquelle dient eine durch eine Zenerdiode 22 und einen Arbeitswiderstand 23 stabilisierte Gleichstromquelle 21, deren Innenwiderstand bei der Arbeitsfrequenz eines aus zwei Transistoren 25, 26, einem Transformator 27 und den zugeordneten Bauteilen bestehenden Oszillators durch einen Kondensator 24 herabgedrückt wird.

Die Transistoren 25 und 26 arbeiten als Gegentaktgenerator in einem Stromkreis mit gemeinsamem Emitter. Widerstände 28 und 29 bilden einen Spannungsteiler zur Vorspannung der Transistor-Basen, während ein Widerstand 30 zur Temperaturstabilisierung dient. Der Transformator 27 weist zwei mit den Kollektoren der Transistoren 25 bzw. 26 in Reihe geschaltete Wicklungen 27a, 27Zj, zwei mit den Basen derselben Transistoren in Reihe geschaltete Wicklungen

27c und 27d sowie eine von den vier vorgenannten Wicklungen galvanisch getrennte Wicklung 27e auf, deren Spannung über einen temperaturempfindlichen Widerstand 32 eine Drosselspulen 15 und 17 sowie ein Potentiometer 33 aufweisende Meßbrücke speist. Parallel zu den Transformatorwicklungen 27a und 276 liegt ein mit den Kollektoren der Transistoren 25 und 26 verbundener Kondensator 31, welcher die gewünschte Schwingungsfrequenz festlegt.

Falls als temperaturempfindlicher Widerstand 32 ein entsprechend dimensionierter Widerstand mit negativem Temperaturkoeffizienten verwendet wird, erhöht sich die an den Ausgängen der Meßbrücke auftretende Spannung bei einem Anstieg der Temperatur des untersuchten Fluidums, der naturgemäß von einer Abnahme der Dichte dieses Fluidums begleitet ist. Die verringerte Induktivitätsänderung der regelbaren Drosselspule bestimmt somit eine Spannung der Brücke, welche der einer größeren Induktivitätsänderung bei niedrigerer Temperatur des Fluidums entsprechenden Spannung gleich ist.

Die Meßbrücke weist ein Abgleichpotentiometer 33 auf, das so eingestellt werden kann, daß bei der Durchsatzmenge Null die Brücke abgeglichen ist. Die eine Funktion der Fluidum-Durchsatzmenge bildende Spannung der Brücke wird über einen Kondensator 38 einem aus Gleichrichtern 39, einem Anzeigeinstrument 40 und einem Widerstand 41 bestehenden Meßkreis zugeführt, welchem zwischen dem Instrument 40 und dem Widerstand 41, d. h. an der Klemme 42, eine Spannung entommen werden kann, die eine Funktion der Durchsatzmenge darstellt und irgendwelchen entfernt gelegenen Aufzeichnungs- und/oder Übertragungssystemen zugeführt werden kann.

Die von der Meßbrücke gelieferte Spannung wird weiterhin einem aus zwei antiparallelgeschalteten, in Reihe mit einem Widerstand 37 liegenden Dioden 36 bestehenden Kreis zugeführt, der erforderlichenfalls eine Zusammenziehung der höheren Meßwerte ermöglicht, da durch entsprechende Auswahl der Spannungswerte der Zenerdioden und der Größe des Widerstands 37 erreicht werden kann, daß das Gesamt-Ansprechvermögen V = f(Q) logarithmisch wird, so daß am Anzeigeinstrument 40 sowohl bei hohen als auch bei niedrigen Durchsatzmengen eine gleich große Anzeigegenauigkeit mit gleichbleibendem Fehlanzeigeprozentsatz erzielt werden kann.

Durch die Kopplung der praktisch linear verlaufenden Charakteristik der mechanischen Verschiebung des Luftspalts in Abhängigkeit vom Durchsatz des zu untersuchenden Fluidums mit der Charakteristik der Spannung der Meßbrücke in Abhängigkeit von der mechanischen Verschiebung des Luftspalts wird eine Gesamtcharakteristik erzielt, die sich in ihrem unteren Bereich bereits sehr stark an einen logarithmischen Verlauf der Kurve V = /(O^ annähert. Bei höheren Werten für ζ) wird dieser logarithmische Verlauf dann durch die Wirkung des vorstehend beschriebenen Zusatzkreises aufrechterhalten.

Da die Induktivität L eine umgekehrte Funktion der Eigenschaften des Luftspalts und der diesen umgebenden Drossel ist, weiche der Gleichung L = AI(B + t) genügt, in der A eine Dimensionskonstante der Drosselspule, B eine physikalische Dimensionskonstante des Drosselspulenkerns und t die Breite des Luftspalts bedeuten, besitzt die Meßdrossel bei kleinem Luftspalt eine niedrige Induktivität, so daß bei geringen Änderungen des Luftspalts bereits relativ große Induktivitätsänderungen hervorgebracht werden.

Wie erwähnt, ist die Drosselspule in den Zweig der Meßbrücke eingeschaltet, welcher bei der einer Durchsatzmenge Null entsprechenden geringsten Luftspaltbreite abgeglichen wird. Außerdem wird der Brücke eine Wechselspannung aufgeprägt, deren Frequenz und Amplitude durch die Eigenschaften des den Transformator speisenden Schwingkreises gesteuert werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung mit weitem Ansprechbereich zum fortlaufenden Messen der Durchsatzmenge eines Fluids durch die Vorrichtung, mit einem fluiddicht abgeschlossenem Metallgehäuse, das einen Einlaßstutzen, welcher das Fluid der Außenfläche einer im Inneren des Gehäuses vorgesehenen Druckdose zuführt, einen mit dem Inneren der Druckdose in Verbindung stehenden Auslaßstutzen, sowie eine im Fluidstrom im Gehäuse vorgesehene Drosselstelle aufweist, deren Öffnungsweite sich unter dem Einfluß der auf die Druckdose einwirkenden Differenz zwischen dem stromauf und dem stromab der Drosselstelle herrschenden Druck ändert, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckdose (8) mit einer kreisscheibenförmigen ferromagnetischen Platte (13) und einem sich daran anschließenden rohrförmigen Ansatz (7) fest verbunden ist, welcher von einem mit dem Gehäuse (2) fest verbundenen, ringförmigen, ferromagnetischen, eine Drosselspule (15) aufnehmenden hohlen Kern (14) hoher Permeabilität umschlossen ist, daß der Öffnung des rohrförmigen Ansatzes (7) gegenüber ein rohrförmiges Einstellglied (10) angeordnet ist, dessen Abstand von dem Ansatz (7) die Drosselstelle (6) bildet, durch die das Fluid durch den Ansatz (7) in das Innere der Druckdose (8) strömt, und daß sich die öffnungsweite dieser Drosselstelle (6) bei Druckschwankungen zwischen dem Inneren und dem Äußeren der Druckdose (8) in gleicher Weise ändert wie die Breite des Luftspaltes zwischen der ferromagnetischen Platte (13) und dem ferromagnetischem hohlen Kern (14).

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselspule (15) in eine einen Teil eines Anzeigekreises bildende elektrische Meßbrükke eingeschaltet ist und bei einer durch die Änderung des Luftspalts zwischen dem Kern (14) und der Platte (13) verursachten Induktivitätsänderung deren Fehlabgleichung hervorruft.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der induktive Zweig der elektrischen Meßbrücke durch Einschaltung einer zweiten Drosselspule (17), die die gleichen Eigenschaften besitzt wie die erstgenannte Drosselspule (15), symmetrisch ausgebildet ist, und daß die zweite Drosselspule (17) in einen das rohrförmige Einstellglied (10) umschließenden Kern (18) eingebaut ist, der dieselben Eigenschaften besitzt wie der die erst genannte Drosselspule (15) umschließende Kern (14).

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Gehäuse (2) nahe der Druckdose (8) ein mit dem Fluid in thermischem Kontakt stehender temperaturabhängiger Widerstand (32) angeordnet ist, der in den die Stromversorgung der Meßbrücke liefernden Stromkreis eingeschaltet ist und die Stromzufuhr zu der Meßbrücke regelt.