DE2241095C3

DE2241095C3 - Meßumformer für einen Druck- und Durchflußmengenmesser

Info

Publication number: DE2241095C3
Application number: DE19722241095
Authority: DE
Inventors: Helmut 8521 Neunkirchen Forster; Paul 8520 Erlangen Hini
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1972-08-21
Filing date: 1972-08-21
Publication date: 1980-02-28
Also published as: DE2241095B2; DE2241095A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Meßumformer für einen Druck- und Durchflußmengenmesser nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Es ist bekannt, durch elektrische Signalübertragung den Inhalt oder das Niveau von Flüssigkeitstanks zur Anzeige zu bringen. Solche Verfahren arbeiten vielfach mit Schwimmern, wobei entweder über Einzeikontakte punktweise das Niveau angezeigt oder über Potentio-

• mete» bzw. Regelwiderstände eine kontinuierliche Anzeige erfolgt In einer aus der deutschen Auslegeschrift 12 76 919 bekannten Einrichtung erfolgt die Tankinhaltsmessung bzw. die Flüssigkeitspegelmessung dadurch, daß ein stabförmiger Auftriebskörper an einer Meßfeder aufgehängt ist und daß der kleine Weg dieser Meßfeder auf einen elektrischen Tastindikator gebracht wird. Dieser Tastindikator zeigt die Wegverschiebung und damit den Tankinhalt in vergrößertem Maßstab an. Die kleine Wegverschiebung des stabförmigen Auf-

. triebskörpers wird über einen elektrischen Indikator auf ein Anzeigeinstrument übertragen. Der Indikator enthält magnetfeldabhängige Widerstände, deren Magnetfluß durch die sehr kleine Verschiebung eines ferromagnetischen Elementes bzw. eines Permanentmagneten zur Anzeige gebracht wird.

Die Verschiebung kann in der Größenordnung von nur etwa einem zehntel Millimeter liegen. Die beiden Feldplatten arbeiten gegenläufig, so daß der Steuerkörper den Fluß in den beiden Feldplatten entgegengesetzt

. ändert Mit der Bewegung des Steuerkörpers ändert sich allerdings auch die Entfernung des Steuerkörpers von den Fe'dplatten. Es entsteht nämlich ein mit der Bewegung veränderlicher Luftspalt im Magnetfluß der Feldplatten. Mit dieser Änderung des magnetischen

ι Widerstandes im Magnetkreis erhält man entsprechende Reaktionskräfte. Die Abstandsänderung des Steuerkörpers bewirkt nämlich im empfindlichen Meßbereich eine mehr als quadratische Flußänderung in den Feldplatten.

In einer aus dem deutschen Gebrauchsmuster 19 48 934 bekannten Druckmeßeinrichtung befindet sich eine Feldplatte im Luftspalt eines Magnetkreises, der einen Permanentmagneten enthält. Der gesamte Magnetkreis ist an einer Membran befestigt, deren Lage

. sich mit der Einwirkung eines äußeren Druckes auf die Dose ändert. Entsprechend ändert sich auch die Lage der Feldplatte im Luftspalt des Magneten, und es wird somit der vom Fluß durchsetzte Teil der Feldplatte in Abhängigkeit vom Druck geändert. In dieser Einrichtung ändert sich somit der Widerstand in der Feldplatte etwa proportional mit dem Weg des Magneten. Eine ausreichende Empfindlichkeit der Einrichtung erhält man mit einer entsprechend weichen Lagerung der Membran. Je weicher aber die Federung der Membran

ι ist, desto geringer ist auch die gesamte Stabilität des Magnetkreises, der an der Membran befestigt ist. Diese Anordnung ist somit geeignet für verhältnismäßig hohe Drücke.

Das gleiche gilt für eine Druckmeßeinrichtung nach der deutschen Auslegeschrift 12 90 346. In dieser Anordnung ist ebenfalls eine Feldplatte im Luftspalt eines Permanentmagneten beweglich gelagert und ihre Lage ändert sich in Abhängigkeit von einem Druck auf das Gehäuse, das zum Teil als Federbalg ausgebildet ist. In Abhängigkeit vom Druck wird somit der vom Magnetfluß durchsetzte Teil der Feldplatte geändert. Die Feldplatte ist indirekt mit dem Federbalg verbunden. Mit der Bewegung der Feldplatte bleibt die Größe des Luftspaltes nur dann angenähert konstant, wenn nur die nackte Feldplatte im Luftspalt bewegt wird. Eine ausreichende mechanische Stabilität der Feldplatte erhält man aber im allgemeinen nur durch die Anordnung der Feldplatte auf einem Träger aus

magnetisch unwirksamen Material oder zwischen zwei solchen Trägerplatten. Mit dieser Einfassung wird die Dicke des die Feldplatte enthaltenden Meßkörpers wesentlich erhöht Er kann somit auch nur in einem entsprechend großen Luftspalt bewegt werden, durch > den die Empfindlichkeit der Anordnung erheblich geringer wird. Eine Vergrößerung der Länge des Luftspaltes bewirkt nämlich eine mehr als quadratische Verminderung des magnetischen Flusses.

Der ErÜEdung liegt daher die Aufgabe zugrunde, m einen Meßumformer der eingangs genannten Art anzugeben, der sich über großen Druckbereichen durch eine hohe Empfindlichkeit auszeichnet

Diese Aufgabe wird bei einem Meßumformer der eingangs genannten Art durch die Merkmale des ι > kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 erfindungsgemäß gelöst

Bei der Erfindung ist die Bewegung des Steuerkörpers den beiden Feldplatten so zugeordnet, daß sein Abstand im Empfindlichkeitsbereich der beiden Feldplatten annähernd konstant bleibt Da der Steuerkörper wenigstens teilweise aus Weicheisen oder einem Material mit ähnlichen magnetischen Eigenschaften besteht, wird bei seiner Bewegung im Feld wenigstens einer der Feldplatten der Streufluß in dem Teil des Magnetkreises geändert, in dem sich diese Feldplatte befindet Damit ändert sich auch der Fluß in der Feldplatte und entsprechend deren Widerstandwert. Mit der Bewegung des Steuerkörpers aus dem Streufluß der einen Feldplatte in den Streufluß der anderen m Feldplatte wird die Einwirkung auf den Widerstandswert der einen Feldplatte entsprechend geschwächt, und in annähernd dem gleichen Maße nimmt der Einfluß auf den Widerstandswert der anderen Feldplatte entsprechend zu. 3i

Dadurch kann ein Meßumformer erhalten werden, der sich über einen großen Druckbereich durch eine hohe Empfindlichkeit auszeichnet.

Die Differenz der beiden Widerstandswerte dient als Stellgröße für den Signalgeben Werden die beiden Feldplatten jeweils in einem Brückenzweig einer Widerstandsanordnung in Brückenschaltung angeordnet, so kann an der Brückendiagonalen eine Ausgangsspannung abgenommen werden, die ebenfalls proportional ist der Widerstandsänderung in wenigstens einer 4i der beiden Feldplatten.

Zur Verminderung der Haftreibung des Steuerkörpers, der auch als Drosselklappe oder als Schwimmer ausgebildet sein kann, wird sein Rand zweckmäßig als Kegel gestaltet, dessen Mantel formschlüssig an der μ entsprechenden Auflagefläche des Behälters für das Medium anliegt, dessen Druck, Strömungsgeschwindigkeit oder dessen Oberflächenhöhe gemessen werden soll.

Der Steuerkörper kann zweckmäßig an einer Welle befestigt sein, die in Strömungsrichtung des Mediums angeordnet und al beiden Enden gelagert ist. Zur Lagerring der We'le sind vorzugsweise Spitzenlager geeignet Der Reibungswiderstand der Auflage des SieueAörpers und der Lagerung der Welle kann to zvtsätzl'ch noch dadurch vermindert werden, daß das slrömc'hde Medium <;len Steuerkörper in Drehung vfcrset/'t Zu diesefii ^weck kann der Steuerkörper in bekannter Weise mit bohrungen versehen sein, deren Achse⁰ sich in eine'¹ zur Welle parallelen Ebene b^r> befinden und die geg^liüber der Welle geneigt sind In diesen Bohrungen tfhtsteht durch das strömende Medium eine Kraftkomponente in radialer Richtung zum Steuerkörper, der diesen in Drehung versetzt Die Strömung hat somit lediglich die gleitende Reibung zu überwinden.

In einer weiteren Ausführungsform der Anordnung kann der Steuerkörper selbst als Dauermagnet ausgebildet sein, dessen Fluß wenigstens eine der beiden Feldplatten durchsetzt Die beiden Feldplatten sind dann jeweils in einem Magnetkreis angeordnet der einen Permanentmagneten mit kleiner Permeabilität und an dessen Polenden anliegende ferromagnetische Polplatten enthält, die über einen ferromagnetischen Rückflußkörper des Magnetkreises sowie die Feldplatte selbst miteinander verbunden sind. Durch die Magnetkreise erhalten die beiden Feldplatten jeweils eine magnetische Vorspannung, die so gerichtet ist, daß die beiden Feldplatten gegenläufig arbeiten. Das Feld des Steuerkörpers bildet dann ein Mit- oder Gegenfeld zu dem Vorspannungsfeld wenigstens einer der beiden Feldplatten und ändert dementsprechend auch den Widerstand in wenigstens einer der Feldplatten. Die Differenz der Widerstandswerte der beiden Feldplatten wird entsprechend geschwächt und diese Differenz dient als Ausgangssignal für den Geber.

Eine besonders vorteilhafte weitere Ausgestaltung dieser Ausführungsform des Gebers erhält man dadurch, daß die beiden Rückschlußkörper in den getrennten magnetischen Vorspannungskreisen der beiden Feldplatten jeweils in einem vorgegebenen Abstand voneinander angeordnet sind; DE-AS 22 41107. Dadurch schließt sich ein Teil des vom Steuerkörper vorgegebenen Flusses bereits durch den entsprechenden Luftspalt zwischen den beiden Rückschlußkörpern, der mit einem diamagnetischen Material, vorzugsweise Luft oder auch Aluminium oder auch Messing, gefüllt ist. Dieser Luftspalt zwischen den beiden Rückschlußkörpern hat die Wirkung, daß in einem vorbestimmten Bereich des Abstandes der beiden Feldplatten von dem Steuerflußgeber die Empfindlichkeit sich in diesem Bereich nicht wesentlich ändert. Die Justierung des Abstandes der beiden Feldplatten von dem Steuerkörper ist somit nicht mehr kritisch und der Arbeitsaufwand wird entsprechend vermindert. Es ist nicht erforderlich, daß die gesamte Scheibe des Steuerkörpers magnetisch ist, es kann vielmehr zweckmäßig sein, nur den äußeren ringförmigen Bereich der Steuerscheibe aus magnetischem Material herzustellen. Dieser ringförmige Steuerflußgeber kann dann sowohl mit einer axialen Magnetisierung als auch mit einer radialen Magnetisierung versehen sein.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der zwei Ausführungsbeispiele eines Signalgebers nach der Erfindung schematisch veranschaulicht sind.

In F i g. 1 ist ein Durchflußmengenmesser dargestellt, dessen zylindrisches Gehäuse mit 2, zwei mit Gewinde versehene Anschlußflansche mit 4 und 5 und eine Schraubverbindung mit 6 bezeichnet sind. Das rohrförmige Gehäuse 2 bildet einen erweiterten Hohlraum, der von einem Medium durchflossen sein soll, dessen Strömungsrichtung durch einen Pfeil 8 angedeutet ist Ein Steuerkörper 10 ist auf einer Welle 14 gleitend befestigt, deren Enden jeweils in einem Spitzenlager 15 bzw. 17 einer Zentrierscheibe 16 bzw. 18 gelagert sind. Die Position des Steuerkörpers 10, der aus einem kegelstumpfförmigen Gehäuse 11 und einer Bodenscheibe 12 sowie einem Ringkörper 13 aus ferromagnetischem Material bestehen kann, ergibt sich aus dem Gleichgewicht des Strömungsdruckes des in Richtung

des Pfeiles 8 strömenden Mediums und dem Gegendruck einer auf der Welle 14 angeordneten Feder 19.

Das Gehäuse 11 und die Bodenplatte 12 des Schwimmers 10 können zweckmäßig aus nichtmagnetischem Material, beispielsweise einer Leichtmetallegierung oder Messing oder auch aus Kunststoff, bestehen. Der ringförmige ferromagnetische Körper 13 bewegt sich in der Achsrichtung der Welle 14 d.h. in einer Richtung parallel zu zwei Feldplatten 22 und 23, die jeweils in einem Teilfluß eines Dauermagneten 24 angeordnet sind. Die beiden Feldplatten 22 und 23 können beispielsweise jeweils auf einem hörnerartigen Fortsatz 25 bzw. 26 eines Polschuhs 28 des Dauermagneten 24 angeordnet sein. Die Feldplatten 22 und 23 sollen beispielsweise ohne magnetische Vorspannung jeweils einen Grundwiderstand von etwa 100 Ohm haben. Sie können vorzugsweise nach Art eines Potentiometers in Reihe geschaltet sein, so daß sich infolge ihrer Teilflüsse des Magneten 24 der Widerstand des Gesamtsystems auf 300 Ohm bei einer Toleranz von beispielsweise etwa ±60 Ohm erhöht. Zum Schutz gegen mechanische Beanspruchungen kann dieses Gebersystem 21 in einem Kunststoff 27 eingegossen und zusätzlich auch noch in einem in der Figur nicht dargestellten Gehäuse aus einem nichtmagnetischen Material, beispielsweise Messing, angeordnet sein. Neben dem Geber 20 sind auch noch die elektrischen Anschlüsse 30,31 und 32 der beiden Feldplatten 22 und 23: angedeutet, die in der dargestellten Ausführungsform als Potentiometer mit den äußeren Anschlüssen 30 und 32 und einem Mittelabgriff 31 geschaltet sein sollen.

Neben der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform mit als Potentiometer geschalteten Feldplatten 22 und 23 des Gebers 20 ist aber auch die Anordnung der beiden Feldplatten 22 und 23 jeweils in einem Brückenzweig einer Widerstandsanordnung in Brükkenschaltung möglich.

Mit der Bewegung des Steuerkörpers 10 aus einer Nullstellung, die in F i g. 1 dargestellt sein soll und in der ohne Strömung der Mantel des Gehäuses 11 an einem entsprechend kegelförmig gestalteten Ansatz des Gehäuses 2 anliegt, ändert das Ringsegment des ferromagnetischen Körpers 13 den Streufluß des Magneten 24 und damit auch den Fluß in den beiden Feldplatten 22 und 23 derart, daß sich mit der Bewegung des Steuerkörpers 10 eine sich etwa sinusförmig ändernde Ausgangsspannung der Brückenschaltung ergibt, in welcher die beiden Feldplatten 22 und 23 angeordnet sind. Den Nulldurchgang der Sinusschwingung zwischen den beiden Haibschwingungen erhält man etwa in der Stellung des ferromagnetischen Körpers 13 in der Mitte über den beiden Feldplatten 22 und 23, in dem der ferromagnetische Körper 13 zu beiden Feldplatten den gleichen Abstand hat Durch den Neigungswinkel des Kegelmantels des Gehäuses 11 wird die Empfindlichkeit der Meßanordnung beeinflußt Die Empfindlichkeit der Bewegung des Steuerkörpers 10 in Abhängigkeit von dem durchfließenden Medium wird mit einem steilen Konus erhöht Zugleich erhöht man damit aber auch den Strömungswiderstand des Steuerkörpers 10 im strömenden Medium. Eine günstige Steigung des Kegelmantels gegenüber der Achse erhält man deshalb mit einem Winkel von etwa45°.

In F i g. 2 ist eine Ausführungsform eines Durchflußmengenmessers nach der Erfindung mit einer besonderen Gestaltung eines Steuerkörpers 40 und mit einem Gebersystem 50 dargestellt Wie in der Ausführungsform nach F i g. 1 ist auch der Steuerkörper 40 auf einer Welle 14 gleitend gelagert, die ebenfalls in Spitzenlagern 15 und 17 gehalten wird. Der Steuerkörper 40 besteht im wesentlichen aus einer Scheibe, 42 mit einem flanschartigen Fortsatz 44, dessen äußerer Rand mit einem Ringmagneten 46 versehen ist, der sowohl eine radiale als auch eine axiale Magnetisierung haben kann. Die gegen die Strömung gerichtete Oberfläche des Steuerkörpers 40 ist mit einer Profilierung versehen, die aus Rillen bestehen soll, von denen in der Figur nur zwei

ίο Rillen 48 und 49 angedeutet sind und die so gerichtet sind, daß der Steuerkörper 40 eine Kraftkomponente in tangentialer Richtung enthält, sobald das strömende Medium durch diese Rillen tritt Jede dieser Rillen 48 und 49 verläuft deshalb in einer Ebene senkrecht zur

ι > Achse 14 und hat eine Neigung gegenüber der radialen Richtung. Die Rillen können beispielsweise nach Art einer Schrägverzahnung gestaltet sein oder auch eine Spirale bilden, deren Ausgangspunkt jeweils auf der Welle liegt.

.'o Das Gebersystem 50 enthält zwei Feldplatten 52 und 53, die jeweils zwischen einer Polplatte 54 bzw. 55 und einem Rückschlußkörper 56 bzw. 57 eines magnetischen Vorspannungskreises angeordnet sind. Diese magnetischen Vorspannungskreise enthalten jeweils einen

-·"· Permanentmagneten 58 bzw. 59, deren Magnetisierungsrichtung so gewählt ist, daß die Feldplatten 52 und 53 gegenläufig arbeiten. Zu den magnetischen Vorspannungskreisen gehört noch jeweils eine hintere Polplatte 61 bzw. 62. Die gesamte Anordnung kann zweckmäßig

·>» zum Schutz gegenüber mechanischen Beschädigungen in einem selbsthärtenden Kunststoff 64 eingegossen sein und unter Umständen zusätzlich noch in einem in der Figur nicht dargestellten Gehäuse aus nichtmagnetischem Material angeordnet sein.

r> Die beiden Feldplatten 52 und 53 können zweckmäßig jeweils in einem Brückenzweig einer Widerstandsanordnung in Brückenschaltung angeordnet sein. Unterhalb des Gebers 50 sind noch drei elektrische Anschlüsse 66, 67 und 68 der Feldplatten 52 und 53 angedeutet

Mit einer Bewegung des magnetischen Steuerkörpers 46 parallel zu den Polplatten 54 und 55 wird der Fluß des Magneten 46 jeweils dem Fluß mindestens eines der magnetischen Vorspannungskreise und damit dem Fluß in den Feldplatten 52 oder 53 oder zugleich auch dem Fluß in beiden Feldplatten überlagert Die Einwirkung dieses Steuerflusses auf den magnetischen Vorspannungsfluß bewirkt somit eine Änderung des Widerstandswertes der Feldplatten 52 und 53, die als

y> Steuersignal für die jeweilige Lage des SicUerniägricteri 46 relativ zu dem Geber 50 herangezogen werden kann und die dann ein Maß für die Durchflußmenge des strömenden Mediums darstellt Zur Flußkonzentration ist der Steuermagnet 46 des Meßwertwandlers 50 noch mit einem ferromagnetischen Rückschluß 47 versehen, mit dem man eine exakte Kennlinie des Ausgangssignals der Meßeinrichtung erhält (DE-OS 22 41 073).

Im Ausführungsbeispiel wurde die Erfindung erläutert an Hand eines Durchflußmengenmessers. Die darge-

bo stellten Anordnungen können aber auch zur Messung des Strömungsdruckes eines strömenden Mediums dienen. Ferner kann die Anordnung nach der Erfindung auch als Flüssigkeitspegelmesser verwendet werden, wenn der Steuerkörper als Schwimmer ausgebildet ist

f>5 und der Flüssigkeitsspiegel sich nur in relativ geringen Grenzen ändert

Der im Ausführungsbeispiel nach Fi g. 1 vorgesehene Meßwertwandler mit den beiden Feldplatten, die

jeweils auf einem hörnerartigen Fortsatz des Permanentmagneten 24 angeordnet sind, kann auch unabhängig von deren Druck- und Durchflußmengenmesser nach der Erfindung allgemein als Positionsgeber für die Stellung eines ferromagnetischen Steuerkörpers im magnetischen Streufluß des Magneten 24 verwendet werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Meßumformer für einen Druck- und Durchflußmengerunesser mit einer magnetfeldabhängigen Widerstandsanordnung, die zwei Feldplatten enthält, die im Magnetfluß eines Dauermagneten angeordnet sind, und deren Differenz der Widerstandswerte das Ausgangssignal bestimmt, das sich in Abhängigkeit von der Lage eines ferromagnetischen Steuerkörpers relativ zu den Feldplatten ändert, dadurch gekennzeichnet, daß der beweglich angeordnete ferromagnetische Steuerkörper (10, 40) die Güte des magnetischen Rückschlusses im Magnetkreis wenigstens einer der beiden Feldplatten (22,23; 52,53) ändert

2. Meßumformer für einen Druck- und Durchflußmengenmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rand des Steuerkörpers (10) als Kegel ausgebildet ist

3. Meßumformer für einen Druck- und Durchflußmengenmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerkörper auf einer Welle gleitend gelagert ist, die in der Strömungsrichtung eines strömenden Mediums angeordnet ist und deren Enden in Spitzenlagern (15,17) gehalten sind.

4. Meßumformer für einen Druck- und Durchflußmengenmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die der Strömung zugewandte Flachseite des Steuerkörpers (40) mit Rillen (48, 49) oder Kerben versehen ist, deren Richtung eine tangentiaie Komponente in bezug auf den Steuerkörper (40) hat.

5. Meßumformer für einen Druck- und Durchflußmengenmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerkörper selbst ein Dauermagnet (46) ist, dessen Fluß wenigstens eine der beiden Feldplatten (52, 53) durchsetzt, die jeweils in einem Magnetkreis angeordnet sind, der einen Permanentmagneten (58, 59) mit kleiner Permeabilität sowie an dessen Polenden anliegende ferromagnetische Polplatten (54, 55; 61,62) enthält, die über einen ferromagnetischen Rückschlußkörper des Magnetkreises sowie die entsprechende Feldplatte miteinander verbunden sind, und daß die Feldplatten gegenläufig arbeiten.

6. Meßumformer für einen Druck- und Durchflußmengenmesser nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Rückschlußkörper der Magnetkreise in einem vorbestimmten Abstand voneinander angeordnet sind und daß der Zwischenraum mit einem diamagnetischen Material gefüllt ist.

7. Meßumformer für einen Druck- und Durchflußmengenmesser nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein ringförmiger Steuerflußgeber mit axialer Magnetisierung vorgesehen ist.

8. Meßumformer für einen Druck- und Durchflußmengenmesser nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein ringförmiger Steuerflußgeber mit radialer Magnetisierung vorgesehen ist.