DE2035253A1

DE2035253A1 - Digitaler Dichtemesser

Info

Publication number: DE2035253A1
Application number: DE19702035253
Authority: DE
Inventors: Anthony John Farnborough Hampshire Ley (Grossbritannien)
Original assignee: Solartron Electronic Group Ltd
Current assignee: Gemalto Terminals Ltd
Priority date: 1969-07-17
Filing date: 1970-07-16
Publication date: 1971-02-25
Also published as: CA930064A; FR2051815A1; FR2051815B1; GB1315120A; NL7010202A; US3655956A

Description

Dr.-Ing. \:\ *'.>;..& iiSicl
Dipl-Ing. Woiirang Roichel '

6 Frankfurt a. M. 1

Parksiraße 13 6349

THE SOLARTRON ELECTRONIC GROUP ^τ.ΙΜΤ^φΒϋ, Farnborough, England

Digitaler Dichtemesser

Die Erfindung betrifft einen Dichtemesser mit Dichteumformern, die nach dem Prinzip der Eigenresonanzfrequenz arbeiten und eine quadratische Beziehung zwischen der Dichte γ eines Strömungsmittels, in das der Umformer eingetaucht ist, und Δ t aufweisen, wobei /^ t die Differenz zwischen der Periodendauer eines vom Umformer erzeugten Signals bei der Dichte P und eines vom Umformer erzeugten Signals bei der Dichte Null oder einem anderen vorgegebenen Wert ist.

Bei bekannten Flüssigkeitsdichtemessern hängt die Dichte beispielsweise folgendermaßen von der Frequenz f ab:

wobei f dif Frequenz bei der Dichte Null und γ eine Konstante ist. Setzt man f = 1/t bei Δ t = t - ^/^£ ₀* ^{dann er}~ gibt sich aus (1)

=f₀ (2f₀ At ₊ I₀ ²At²). (2)

109309/uee

_ 2 —

Es läßt sich leicht zeigen, daß die Gleichung (2) bei passend geänderten Konstanten ebenso für die Messung von Δ J= 9 -i gilt» wobei J ein vorgegebener V/ert um gleich Null ist, und ähnliches gilt für die folgenden Gleichungen.

Bei bekannten Gasdichtemessern liegt eine etwas kompliziertere Abhängigkeit vor:

¹ ■ + i£ - 1 . (3)

wobei j³ , f* und £^ Konstanten sind. Gleichung (3) läßt sich wie folgt umformern

S> =f_A (2f₀ At ₊ f/ At²) (4)

Die Gleichungen (2) und (4) haben gleiche Form, und der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Dichteaeßgerät zu schaffen, das ein digitales Maß von_P (oder JS. γ ) erzeugt, wenn diese quadratische Abhängigkeit vorliegt«

Die Erfindung macht von digitalen Verfahren und Insbesondere von binären Frequenzwandlern Gebrauch. Ein binärer Frequenzwandler ist an sich bekannt (siehe z.B. "The Digital Differential Analyser" von T» R«, Η- Sizer, Chapman und HaIl₉ 1968 und enthält einen Binärzähler mit einem Schaltnetz (aus ¥erlcnüpfungsgliedern) zum Auswählen von Ausgängen ver schiedener Kombinationen von Zählerstufen_s wobei das ver-

109809/1366

knüpfte Ausgangssignal der ausgewählten Stufen eine Anzahl von Impulsen enthält, die in bezug auf die Anzahl der Eingangsimpulse um einen Faktor untersetzt ist, der von der Kombination der ausgewählten Stufen abhängt. Das Auswähloder Verknüpfungsschaltnetz führt daher ein veränderbares Übersetzungsverhältnis zwischen den Eingangsimpulsen und den Ausgangsimpulsen ein, und aus diesem Grunde wird dieses Schaltnetz auch "V/andler" genannt.

ICach der Erfindung enthält der Dichteaesser einen ersten Binärzähler und ein erstes voreinstellbares Auswählschaltnetz, das derart betreibbar ist, daß es eine Untersetzung der Impulsfolgefrequenz von Taktimpulsen bewirkt und einem zweiten Binärzähler Ausgangsinpulse zuführt, an den ein zweites Auswählschaltnetz angeschlossen ist, das derart auf Stufen des zweiten Zählers anspricht, daß die Anzahl der Ausgangsiapulse des-zweiten Schaltnetzes den Quadrat der Anzahl der Eingangsimpulse des zweiten Zählers proportional ist, und einen dritten Binärzähler, der derart angeschlossen und ausgebildet ist, daß er die Summe der Anzahl der Ausgangsimpulse des ersten und zweiten Schaltnetzes von dem Zeitpunkt an, in dem die Anzahl im zweiten Zähler einen vorbestimmten Wert erreicht, bis zum Ende der Periodendauer t zählt.

Vorzugsweise enthält der Dichtemesser auch ein Pufferregister oder einen Speicher zur Umwandlung dynamischer in statische Signale und eine derart ausgebildete und angeschlossene Vorrichtung, daß sie den Inhalt des dritten Zählers am Ende der Periodendauer t in den Speicher überträgt.

Das Pufferregister oder der Speicher zur Umwandlung dynamischer in statische Signale kann zum Auswählen der Verknüpfungsglieder eines dritten Auswählschaltnetzes verwendet werden, das mit einem vierten Zähler verbunden ist,

109809/1366

BAD ORIGINAL

dem Impulse von einem Durchflußmesser zugeführt v/erden, der Impulse mit einer Folgefrequenz erzeugt, die proportional dem Volumendurchfluß ist, so daß die Ausgangsimpulse des dritten Schaltnetzes einen Massendurchfluß darstellen. Bei diesen Durchflußiaessern handelt es sich um Turbinendurchflußmesser und Durchflußmesser der Verdrängebauart.

Dagegen bilden Differenzdruckmesser ein Signal, das proportional der V/urzel aus h/j⁷ ist, wobei h der Differenzdruck ist. Diese Meßeinrichtungen können an eine Schaltung angeschlossen sein, die Impulse mit einer Impulsfolgefrequenz erzeugt, die Proportional dem Volumendurchfluß ist. Diese Impulse werden dann dem vierten Zähler zugeführt.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß der Dichtemesser so abgewandelt werden kann, daß er beiden Gleichungen (2) oder (4) genügt. Eine Weiterbildung der Erfindung ist daher dadurch gekennzeichnet, daß ein viertes voreinstellbares Auswählschaltnetz mit dem zweiten Zähler und ein fünftes voreinstellbares Auswählschaltnetz mit dem dritten Zähler verbunden ist, daß das vierte und das fünfte Schaltnetz so ausgebildet sind, daß jeder ihrer Ausgangsimpulse verhindert, daß der nächste Eingangsimpuls des angeschlossenen Zählers gezählt wird, und daß jedes so ausgebildet ist, daß es nur von dem Zeitpunkt an, in dem die Anzahl in dem zweiten Zähler einen vorbestimmten Wert erreicht, bis zum Ende der Periodendauer t betreibbar ist. Es wird nachstehend noch näher erläutert, wie es durch diese Weiterbildung möglich ist, Kaßstabsfaktoren in Abhängigkeit davon einzuführen, welche Gleichung gilt.

Die Erfindung und ihre Weiterbildungen werden im folgenden an Hand von Zeichnungen eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher beschrieben.

109809/1366

_ 3 —

Fig. 1 stellt ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels der Erfindung dar und

Fig. 2 stellt eine Schaltung dar, die zusammen mit dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 verwendet wird, wenn ein Differenzdruck-Volumendurchflußmesser verwendet wird. .

Nach Fig. 1 erzeugt ein bekannter Flüssigkeits- oder Gasdichtemesser 10 Ausgangsimpulse 11 mit einer Periodendauer vonf. Die Periodendauer Ύ. ist normalerweise gering, um die Dichterin befriedigender Weise zu berechnen, und daher werden die Impulse 11 über einen Eingangsverstärker 9 einer 1:N-Teilerschaltung 12 zugeführt, wobei N gewöhnlich im Bereich von 2r bis 2 liegt und in Abhängigkeit von der Frequenzbandbreite voreingestellt werden kann, in dem der Dichtemesser 10 betrieben wird. Die Ausgangsimpulse 13 der Schaltung 12 haben die Periodendauer t = N·^= t_Q + At und werden einer herkömmlichen Zeitgeberschaltung 14 zugeführt, die zwei Impulse am Ende jeder Periode t erzeugen, nämlich einen Halteimpuls auf der Leitung 15 und unmittelbar darauf einen Rücksetzimpuls auf der Leitung 16.

Der Halteimpuls bewirkt, daß der neuberechnete Wert von aus einem Zähler C* in einen Speicher zur Umwandlung dynamischer in statische Signale oder Pufferregister 17 übertragen wird. Der Rücksetzimpuls setzt dann den Zähler CU und auch einen Zähler Cg zurück.

Ein frequenzstabilisierter Oszillator 18, z. B. ein Quarzoszillator, der mit einer Frequenz von 1 MHz schwingt, führt einem Binärzähler Cj Impulse zu, und diese Impulse stellen die inkrementelle Zeitvariable dt dar. An den Zähler C₁ ist ein Impulsfolgefrequenzwandler G-, angeschlossen, der (in an sich bekannter Weise) voreinstellbar ist, dadurch daß Tore zur Einstellung des gewünschten Wertes von

109809/1366

f ausgewählt werden. Die Ausgangsimpulse des Frequenzwandlers G₁ stellen daher f · dt dar und werden über ein Tor 19, das in dieser ersten Betriebsphase zwangsläufig " geöffnet ist, einem Zähler Cp zugeführt, so daß dieser f · t aufsummiert. ¥enn der Zählerstand des Zählers C2 den Wert 1 erreicht, gilt t = 1/f_0> d.h. t = t_Q. Der Zähler Cp gibt dann über eine Leitung 20 einen Impuls ab, der ein Flipflop 21 setzt. Dieses Flipflop wird durch den über die Leitung 16 abgegebenen Impuls zurückgesetzt, so daß der Setzzustand dieses Flipflop das Intervall A t bestimmt. Während dieses Intervalls, d.h. der zweiten Betriebsphase, öffnet das Flipflop 21 zwei Tore 22 und 23»

Das Tor 23 läßt die Ausgangsimpulse sowohl des Frequenzwandlers G₁ als auch eines Frequenzv/andlers Gp, die durch ein ODER-Tor 24 verknüpft sind, über ein Tor 25 zum Zählers C, durch. Ein Verzögerungsglied 26 mit einer verhältnismäßig kurzen Verzögerungszeit, z.B. 0,5 MikroSekunden, gewährleistet, daß die Ausgangsimpulse der Frequenzwandler dem ODER-Tor 24 phasenverschoben zugeführt werden, so daß -sie sich nicht gegenseitig verdecken.

An den Zähler Cp sind zwei Frequenzwandler angeschlossen, nämlich der erwähnte Frequenzwandler Gp und ein Frequenzwandler G'p· Der Frequenzwandler G'p ist auf einen Viert von (f^/f/k ~ Ό eingestellt, und jeder Ausgangsimpuls die-» ses Frequenzwandlers wird vom Tor 22 durchgelassen, wenn dies während der zweiten Betriebsphase göffnet ist. Jeder dieser Ausgangsimpulse sperrt das Tor 19 und ist zeitlich so gelegt, daß er aus dem Signal f dt einen Impuls ausblendet (unterdrückt). Die Folge davon ist, daß das Eingangssignal des Zählers C2 nicht mehr f_odt, sondern f. · dt darstellt.

109809/1308

_ "7 — "

Dies läßt sich dadurch zeigen, daß man das Ausgangssignal des Tores 19 gleich A setzt. Daraus folgt, daß A = f · dt - A (£_O/£_A - 1) ist, wenn A = f_A · dt ist.

Der Frequenzwandler G₂ ist nicht voreinstellbar, doch werden die sich darin befindenden Tore (auch Verknüpfungsglieder genannt) durch die höherstelligen Stufen des Zählers C₂ ausgewählt, und sie steuern die Auswahl der Ausgangssignale der niedrigerstelligen Stufen des Zählers C₂. Da das Eingangssignal des Zählers C₂ in der zweiten Betriebsphase: gleich f. · dt ist und der Zähler mithin f« * t aufsummiert und da der Frequenzwandler G'₂ um f_A · t untersetzt, stellen die Ausgangsimpulse der Frequenzwandlers G₉ den Ausdruck

2
f _A · tdt dar. Die dem Tor 25 zugeführten Impulse .reellen

daher (f_Q + f² _A«t)dt dar.

Die dem Zähler C* zugeführten Impulse werden veranlaßt, ZS_k (f_o + f² _A*t)dt darzustellen, so daß der im Zähler C-aufsummierte Zählwert den Ausdruck 2 _A (2f_Q · t + f² _A * t²) darstellt. Der Zähler führt also eine Integration aus, so daß gilt

«At - -

j ²^A (^fo ⁺ ^£A²*^- ²^A < V ⁺ \ ^£A^V)

= -?₀ (2f₀ At + f/ ²

= ? (aus Gleichung (4)).

Der Maßstabs- oder Untersetzungsfaktor 2 5>_A im Eingangssignal des Zählers C-, wird durch einen Frequenzwandler G, eingeführt, der mit dem Zähler C, verbunden und auf den Wert Ci/2JP_A - 1) eingestellt ist. Die Ausgangsimpulse dieses

109809/1366

Frequenzwandlers werden dem Tor 25 zugeführt, um dieses zu sperren. Wenn daher das Eingangssignal des Zählers CU = B ist, folgt daraus, daß

B = (f₀ + f_A ²t)dt - (1/2 £_A - 1)B wobei B = 2i'_A (f_Q + f_A ².t)dt ist.

Wenn die Gleichung (2) angemessen ist, und nicht die Gleichung (4), braucht man lediglich f_A = f und 5^; _A -^₀ ^zu setzen. Der Frequenzwandler G₂ wird daher auf Null und der Frequenzwandler G* auf (1/2.P - 1) voreingestellt.

Die Ausblend- oder Unterdrückungswirkung der Frequenzwandler G^f und G-x läßt sich dadurch erreichen, daß man jeden Aus-

gangsimpuls dieser Frequenzwandler dazu verwendet, ein entsprechendes Flipflop zu setzen, das das entsprechende Tor oder 25 sperrt. Der nächste vom Frequenzwandler G^ oder dem Tor 23 eintreffende Impuls wird nicht von dem Tor durchgelassen, sondern setzt das entsprechende Flipflop zurück, so daß nur ein Impuls vom Tor 19 oder 25 gesperrt wird.

Der auf diese Weise errechnete Wert vonS wird in dem Speicher 17 während der folgenden Periode gespeichert und kann im Bedarfsfalle verwendet werden. Der binäre Wert kann di-' rekt über Leitungen 28 ausgelesen werden, die auch einen weiteren Frequenzwandler G'^ steuern, der mit dem Zahler C^ verbunden ist. Die Ausgangsimpulse des Frequenzwandlers G'* stellen den Wert 9 dt dar und stehen auf der Leitung 29 als eine dem Dichtewert analoge Frequenz zur Verfügung. Die Leitung 29 ist auch mit einem Frequenz/Analog-Umsetzer 30 . verbunden, der über eine Ausgangsleitung 31 ein die Dichte P darstellendes analoges Signal abgibt.

109809/1366

Zur Bestimmung der Durchflußmasse steuert der Speicher 17 . auch einen Frequenzwandler G^,, dessen angeschlossener Zähler C^ über einen Verstärker 32 von einem Turbinen- oder Verdränge-Durchflußmesser 33 Impulse erhält. Die Ausgangsimpulse auf einer Leitung 34 stellen den Massendurchfluß dar und werden von einem Zähler C= gezählt, um eine integrierte Durchflußmasse zu messen. Ein Frequenz/Analog-Umsetzer 35 gibt über eine Leitung 3$ ein analoges Signal ab, das in Abhängigkeit von der Einstellung eines Schalters 37 entweder einen Massendurchfluß oder einen Volumendurchfluß darstellt.

Wenn ein Differenzdruck-(Staurand-) Durchflußmesser verwendet wird, dann ist der Volumendurchfluß -^ = κ/§ , wobei K eine Konstante und h die Druckdifferenz ist. Das Eingangssignal des Zählers C^ kann dann durch die in Fig. 2 dargestellte Schaltung gebildet werden. Der Durchflußmesser 40 erzeugt ein analoges Signal h, das dem einen Eingang eines Differenzverstärkers 41 zugeführt wird. Das Ausgangssignal χ dieses Verstärkers wird einem Spannung/ Frequenz-Umsetzer 42 zugeführt. Über die Leitung 31 (Fig. 1) wird ein analoges Signal γ ebenfalls dem Umsetzer 42 zugeführt, der so ausgebildet ist, daß er über eine Leitung 43 Impulse abgibt, die das Verhältnis x/J⁷ darstellen. Der Umsetzer 42 kann auf verschiedene Art ausgeführt sein, z.B. als Integrierschaltung nd/t negativer Rückführung, die jedesmal dann eine Ladungseinheit zurückführt, wenn das Ausgangssignal einen Schwellwert überschreitet, wobei die C öße der zurückgeführten Ladungseinheit durch die analoge Spannung-P bestimmt und ein Impuls jedesmal dann über die Leitung 43 abgegeben wird, wenn eine Ladungseinheit zurückgeführt wird.Mit anderen Worten,bei dem Umsetzer kann es sich um einen an sich bekannten digitalen Spannungsmesser handeln,bei dem die Bezugsspannung durch J^ ersetzt ist.

109809/1366

- ίο -

Die Signale χ und χ/y werden einem Zeichen/Pause-Multiplizierer 44 (Tastverhältnis-Multiplizierer) zugeführt, der ein analoges Signal erzeugt, das das Produkt χ /β darstellt. Dieses Signal wird dem anderen Eingang des Differenzverstärkers 41 zugeführt, so daß sich die Einrichtung bei h = X ²ZJ³ stabilisiert, also bei χ =/hjF, was dem AusdruckPjh/f , d.h./* *dv/dt bzw. dem Massendurchfluß proportional ist. Am Ausgang des Differenzverstärkers 41 kann man daher über einen Ausgangsverstärker 46 an einer Leitung 45 ein analoges, den Massendurchfluß darstellendes Signal abnehmen. Andererseits ist die Impulsfolgefrequenz des über die Leitung 43 abgegebenen Signals x/J* proportional Jh./P , so daß es als das dv/dt-Eingangssignal des Zählers Ca verwendet werden kann.

109809/1386

Claims

Patentansprüche

1. Dichteinesser zur Erzeugung einer digitalen Dichtemeß*- größe in Abhängigkeit von einem Signal, dessen Periodendauer t = t_ +At ist und bei dem eine Gleichung in der Form der Gleichung (2) gilt,
gekennzeichnet durch einen ersten Binärzähler (C₁) und ein erstes voreinstellbares Auswählschaltnetz (G₁), das derart betreibbar ist, daß es eine Untersetzung der Impulsfolgefrequenz von Taktimpulsen bewirkt und einem zweiten Binärzähler (C₂) Ausgangsimpulse zuführt, an den ein zweites Auswählschaltnetz (Gp) angeschlossen ist, das derart auf Stufen des zweiten Zählers anspricht, daß die Anzahl der Ausgangsimpulse des zweiten Schaltnetzes dem Quadrat der Anzahl der Eingangsimpulse des zweiten Zählers proportional ist, und durch einen dritten Binärzähler (C,), der derart angeschlossen und ausgebildet ist, daß er die Summe der Anzahl der Ausgangsimpulse des ersten und zweiten Schaltnetzes von dem Zeitpunkt an, in dem die Anzahl im zweiten Zähler einen vorbestimmten Viert erreicht, bis zum Ende der Periodendauer t zählt.

. rf ■ ■ .

2. Dichtemesser nach Anspruch 1,
gekennzeichnet durch einen Speicher (17) zur Umwandlung dynamischer in statische Signale und eine derart ausgebildete und angeschlossene Vorrichtung, daß sie den Inhalt des dritten Zählers (Cj) am Ende der Periodendauer t in den Speicher überträgt.

3« Dichtemesser nach Anspruch 2,
g e k e η nz.e lehnet durch einen vierten Zähler (C^) und ein daran angeschlossenes drittes Auswählschaltnetz (G^), das auf Stufen des Speichers (17) anspricht, und eine Impulsquelle (33), die an den vierten Zähler angeschlossen ist und deren Impulse dem Volumendurchfluß des Strömungsmittels proportional sind, dessen Dichte gemessen werden soll.

109809/136 6

4. Dichtemesser nach Anspruch 1, 2 oder 3*
dadurch gekennzeichnet,
daß ein viertes voreinstellbares Auswählschaltnetz (G^T ₂) mit dem zweiten Zähler und ein fünftes voreinstellbares Auswahlschaltnetz (G,) mit dem dritten Zähler verbunden ist, daß das vierte und das fünfte Schaltnetz so ausgebildet sind, daß Jeder ihrer Ausgangsimpulse verhindert, daß der nächste Eingangsimpuls des angeschlossenen Zählers (Cg bzw. Ca) gezählt wird, und daß jedes so ausgebildet ist, daß es nur von dem Zeitpunkt an, in dem die Anzahl in dem zweiten Zähler einen vorbestimmten Wert erreicht, bis zum Ende der Periodendauer t betreibbar ist.

109809/1366

Lee-r seite