DE2504275A1

DE2504275A1 - Schwebekoerper-durchflussmesser mit elektrischem messumformer

Info

Publication number: DE2504275A1
Application number: DE19752504275
Authority: DE
Inventors: Hubert A Riester; John S Yard
Original assignee: Fischer and Porter GmbH
Current assignee: Fischer and Porter GmbH
Priority date: 1974-02-13
Filing date: 1975-02-01
Publication date: 1975-08-14
Also published as: DE2504275C3; JPS50115864A; JPS5752816A; DE2504275B2; JPS573003B2; US3894433A

Description

FP 75/1

Ana.: I¹ISOHER & PORTER GMBH, 3401 Groß Ellershausen

Schwebekörper-Durchflußmesser mit elektrischem Meßumformer

Die Erfindung besieht sich auf einen Schwebekörper-Durchflußmesaer mit einem die durchflußmengenabhängige Position des längs einer im Meßrohr angeordneten Führungsstange verschieblichen Schwebekörpers linearproportional erfassenden elek-^ trischen Meßumformer, wozu der Schwebekörper permanentmagnetisch mit dem Meßumformer gekuppelt ist.

Bei solchen z.B.. aus dem Katalog d 50 E (September 1968) der Anmelderin "Elektronische Systeme und Geräte", Seite 13 bekannten Durchflußmeßsystemen sind zur Übertragung der u.U. nicht visuell erfaßbaren Schwebekörperposition - die ein Maß für die Durchflußmenge des Meßstoffes bildet - auf den Meßumformer von einem Permanentmagneten betätigte mechanische übertragungsgestänge notwendig, welcher Permanentmagnet seinerseits magnetisch mit einer Schwebekörperverlängerungsstange gekoppelt ist. Eine solche mechanische Übertragungsvorrichtung vergrößert die Meßvorrichtung und ist außerdem einen Verschleiß ausgesetzt, weshalb sie der Wartung bedarf, wobei durch verschleißbedingte Lose in der Übertragungsvorrichtung auch die Möglichkeit einer Beeinträchtigung der linearen Beziehung zwischen Schwebekörperposition und dem elektrischen Signal des Meßumformers besteht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bewegliche verschleißbehaftete und empfindliche mechanische Übertragungsvorrichtungen zu vermeiden und statt dessen mit ruhenden, verschleißlosen und dauerhaft genau linear übertragenden elektrischen Schaltungsmitteln auszukommen.

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Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt nach der Erfindung dadurch, daß die als elektrische Verbindung zum Meßumformer mitbenutzte Führungsstange am jeweiligen Ort des Schwebekörpers erzeugte Schallimpulse zu einer festgelegten Empfangsstelle im Meßumformer leitet und der Meßumformer Schaltglieder für die Erfassung der Zeitintervalle zwischen dem Erzeugen der Schallimpulse und ihrem Eintreffen an der Empfangsstelle sowie Schaltglieder zum umwandeln dieser Zeitintervalle in die Position des Schwebekörpers linearproportional anzeigende elektrische Signale aufweist.

Der nur unbewegliche kompakte Schaltungsmittel enthaltende Meßumformer kann leicht als Baueinheit auf den Geber aufgesetzt werden, zumal keine dem Verstellweg des Schwebekörpers entsprechenden äußeren Übertragungswege für die elektrischen Übertragungsmittel erforderlich sind.

Es sind nur Schaltungsmittel erforderlich, die die Stromimpulse erzeugen und aus den von ihnen herrührenden Schallimpulsen dann elektrische Empfangsimpulse machen, diese hinsichtlich ihres zeitlichen Auftretens vergleichen und eine der Zeitspanne entsprechende Spannung erzeugen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Weitere Einzelheiten sind anhand einiger schematisch in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele der Erfindung nachfolgend näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 ein Meßsystem nach der Erfindung mit Geber und Meßumformer,

Fig. 2 den Meßwertumformer im Blockschaltbild,

Fig. 3 die zeitlichen Zusammenhänge zwischen ausgesendeten und empfangenen Impulsen und die dadurch festgelegte Rechteckwelle als Maß für die Strömungsgeschwindigkeit,

Fig. 4 und 5 Details abgewandelter Geber.

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Das Meßsystem besteht gemäß Fig. 1 aus dem Geber 10 und dem elektrischen Meßumformer 11. Als Geber 10 dient ein Schwebekörper-Durchflußmesser, bestehend aus einem sich von unten nach oben erweiternden und von unten nach oben von dem Meßstoff durchströmten Meßrohr 12, das einen von dem Meßstoff ;je nach dessen Durchflußmenge mehr oder minder höhenversteilten .Schwebekörper 13 enthält, der längs einer koaxial im Meßrohr 12 unbeweglich angeordneten elektrisch leitenden Führungsstange 14 reibungsarm geführt ist. Die Zu- und Ableitung des Meßstoffes erfolgt durch das Meßrohr haltende Endfittings 15 und 16, die seitliche Ein- und Auslässe 15a, 16a aufweisen, mit denen ein nicht gezeigtes Rohrleitungssystem verbunden ist. Durch die rohrförmige Führungsstange 14 ist ein magnetostriktiver elektrischer Leiter 18 aus einer vergüteten stabilisierten Nickel-Cadmium-Legierung geführt, der mit dem Meßumformer 11 elektrisch verbunden ist. Hierzu ist das obere Ende der Führungsstange 14 samt dem leiter 18 aus dem oberen Endfitting 16 abgedichtet herausgeführt und mit dem an diesem gehaltenen Meßumformer 11 verbunden. Das untere Ende des Leiters 18 ist über eine außerhalb des Meßrohres angeordnete elektrische Verbindung 21 ebenfalls mit dem Meßumformer 11 zu einem geschlossenen Stromkreis verbunden.

Bei durchsichtigen Meßstoffen kann das Meßrohr aus durchsichtigem Werkstoff bestehen und eine Meßskala zur unmittelbaren visuellen Überwachung der Lage des Schwebekörpers aufweisen. Der elektrische Meßumformer kann von anzeigender, schreibender, regelnder oder ähnlicher Art sein. Die Führungsstange 14 schützt den magnetostriktiven Leiter 18 gegen den Meßstoff, wobei die Oberfläche der Führungsstange 14 mit einer korrosionsbeständigen, glatten, nichtleitenden Gleitschicht bedeckt sein kann, damit ein Klemmen des Schwebekörpers 13 vermieden wird. Der Effekt der Magnetostriktion bedeutet Dimensionsveränderungen eines ferromagnetischen Körpers in Abhängigkeit von auf ihn ausgeübten magnetischen Kräften. Als Material eignet sich Eisen, Nickel, Kobalt und

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Legierungen dieser Metalle. Es gibt eine Anzahl von physikalischen Veränderungen, denen solch ein magnetostriktives Material unterworfen ist, so Änderung in der linearen Richtung, in Kreisrichtung oder im Volumen. Die Kreisrichtungsbeeinflussung in einem magnetostriktiven Draht tritt als Dreheffekt auf, der als sogenannter "Wiedmann"-Effekt bekannt ist.

Der Schwebekörper 13 enthält mindestens einen Permanentmagneten 17» dessen Permanentmagnetfeld die Führungsstange 14 und den Leiter 18 am jeweiligen Lageort des Schwebekörpers quer durchsetzt, Wenn dem Leiter 18 von außen ein Stromimpuls zugeführt wird, entsteht an der vom Permanentmagnetfeld durchsetzten Stelle im magnetostriktiven Leiter 18 jeweils ein Schallimpuls, der über den Leiter 18 auf den Meßumformer 11 gelangt. Dies wird bei der Erfindung ausgenutzt.

Der linearproportional arbeitende elektrische Meßumformer 11 enthält gemäß Fig. 2 einen Impuls-Spannungs-Konverter 20, dessen Ausgangsgröße einem Verstärker A- zugeführt wird, der so gewählt ist, daß sein Ausgangsstrom im Meßbereich (Verstellbereich des Schwebekörpers) etwa 4 bis 20 mA beträgt, was für Prozeßrege!vorrichtungen günstig ist. Die Durchflußmengenskala des Durchflußmessers ist in entsprechende Stromwerte übersetzt. Die Ausgangsgröße des Verstärkers A- wird einem Operationsverstärker Ap zugeführt, der dem Strombereich in gewünschter Weise angepaßt ist.

Der Konverter 20 enthält einen hochgenauen quarzkristallgesteuerten oder anderweitig stabilen, fortlaufend arbeitenden Stromimpulsgenerator 2, wobei die Zeitfolge der von ihm gelieferten Stromimpulse von seiner Frequenz abhängt. Jeder dem Leiter 18 zugeführte Stromimpuls erzeugt ein kurzzeitiges Feld, das mit dem Permanentmagnetfeld des Schwebekörpers 13, 17 zusammenwirkt und am Lageort des Schwebekörpers in dem magnetostriktiven Leiter 18 einen Schallimpuls hervorruft,

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der sich im Leiter 18 vom Entstehungsort in beiden Richtungen fortsetzt, d.h. zu einer festgelegten Empfangsstelle im Meßumformer 11 hin sowie in entgegengesetzter Richtung. Mit dem Stromimpuls wird also praktisch gleichzeitig der Schallimpuls am Schwebekörper-Lageort erzeugt und von dort zur Empfangsstelle durch den Leiter 18 gesendet. Die Laufzeit des Schallimpulses vom jeweiligen Entstehungsort bis zur festgelegten Empfangsstelle entspricht somit genau der jeweiligen Schwebekörperposition. An der Smpfangsstelle ist ein Torsionsfühler 23, z.B. ein Dehnungsmesser, vorgesehen, der den Schallimpuls aufnimmt und daraus unverzögert einen elektrischen Empfangsimpuls ableitet. Die Zeitspanne zwischen dem Aussenden des Stromimpulses auf den Leiter 18 und dem Empfang des Schallimpulses, bzw. dem Auftreten des Empfangsimpulses, die linearproportional der geweiligen Position des Schwebekörpers ist, braucht nur noch in eine analoge Spannung umgewandelt zu werden, deren Amplitude der besagten Zeitspanne und damit der Schwebekörperposition, d.h. der Durchflußmenge , entspricht.

Dies wird durch einen Multivibrator 24 erreicht, der Rechteckwellen mit einer Dauer erzeugt, die gleich dem Zeitabstand zwischen den ausgesendeten Stromimpulsen und den abgeleiteten Empfangsimpulsen ist. Der Multivibrator 24 ist hierzu einerseits mit dem Impulsgenerator 22 so gekuppelt, daß beim Auftreten jedes Stromimpulses und damit auch des davon abhängigen Schallimpulses die Rechteckwelle beginnt. Der Multivibrator 24 ist außerdem mit dem Torsionsfühler gekuppelt, so daß mit dem Auftreten des betreffenden Empfängerimpulses die Rechteckwelle beendet wird. Die so bestimmten Rechteckwellen werden fortlaufend einem Integrator 25 zugeführt, der daraus einen Gleichstrommittelwert bildet, dessen Größe der jeweiligen Durchflußmenge linearproportional ist, wobei vorausgesetzt ist, daß durch einen Amplitudenbegrenzer die Amplituden der einzelnen Rechteckwellen auf gleicher Höhe gehalten sind.

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Die besagte Wirkungsweise des Konverters 20 ist in Fig. 3 dargestellt. Die Impulse P, stellen die ausgesendeten Stromimpulse (Schallimpulse) und Pp die Empfangsimpulse dar. Die Zeitspanne t^ zwischen beiden Impulsen ist proportional der jeweiligen Lage des Schwebelcörpers und somit ein Maß für die Durchflußmenge. Der Anfang ,jeder Rechteckwelle P^ des Multivibrators 24 fällt mit dem Auftreten des Strom- bzw. Schallimpulses P- und das Ende mit dein des Empfangsimpulses Pp zusammen. Durch Filtern urd Integrieren erhält man den Mittelwert V der Gleichspannung, der in einem nachgeordneten Indikator die Durchflußmenge linearproportional anzeigt. Wichtig ist dabei, daß die Amplituden der einzelnen Rechteckwellen P-7 konstantgehalten werden, was mit Hilfe von Zenerdioden od.dgl₀ Konstantspannungshaltern gelingt.

Die Amplitude der Rechteckwellen P_n kann auch durch eine Fremdbezugsspannung U_R ~ geregelt werden, in welchem Falle der Gleichspannungsmittelwert eine Funktion der Fremdbezugsspannung ist, so daß eine genaue Sperrsteuerung des Systems erreicht wird. Der Mittelwert V entspricht wie gesagt der jeweiligen Schwebekörperposition.

In Fig. 1 ist bei seitlicher Anordnung der Ein- und Auslässe 15a, 16b eine koaxiale Herausführung der Führungsstange 14 samt Leiter 18 aus dem Meßrohr 12 möglich. Bei achsparalleler Anordnung des Ein- bzw. Auslasses ist dagegen gemäß Fig. 4 eine seitliche Herausführung des betreffenden Endes des Leiters 18 erforderlich, wobei die koaxiale Halterung im Meßrohr 12 durch einen Haltestern 19 erfolgt, dessen eine Speiche 19a als elektrische Verbindung zum lorsionsfühler 23 dient.

Gemäß Fig. 5 kann die Führungsstange 14 samt Leiter 18 auch am oberen Ende abgewinkelt sein und dieser Abschnitt 14a abgedichtet aus dem Meßrohr 12 seitlich herausgeführt werden. Die elektrische Verbindung ist in gleicher Weise zu denken.

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Claims

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Patentansprüche

ο, Schwebekörper-Durchflußmesser mit einem die durchfluß- "~" mengenabhängige Position des längs einer im Meßrohr angeordneten Führungsstange verschieblichen Schwebekörpers linearproportional erfassenden elektrischen Meßumformer, wozu der Schwebekörper permanentmagnetisch mit dem Meßumformer gekuppelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die als elektrische Verbindung zum Meßumformer (11) mit "benutzte Führungsstange (H) am ;je weiligen Ort des Schwebekörpers (13) erzeugte Schallimpulse zu einer festgelegten Empfangsstelle (23) im Meßumformer (11) leitet und der Meßumformer (11) Schaltglieder (24) für die Erfassung der Zeitintervalle zwischen dem Erzeugen der Schallimpulse und ihrem Eintreffen an der Empfangsstelle sowie Schaltglieder (25) zum Umwandeln dieser Zeitintervalle in die Position des Schwehekörpers (13) linearproportional anzeigende elektrische Signale aufweist,
2. Durchflußmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Führungsstange (14) ein magnetostriktiver elektrischer Leiter 13 geführt ist, dessen oberes Ende mit einem Stromimpulsgenerator (22) des Meßumformers (11) verbunden ist, dessen dem Leiter periodisch aufgedrückten Stromimpulse zusammen mit dem den Leiter (18) durchsetzenden Magnetfeld der im Schwebekörper (13) angebrachten Permanentmagnete (17) am jeweiligen Lageort des Schwebekörpers im Leiter (18) Schallimpulse hervorrufen.
3. Durchflußmesser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Stromimpulsgenerator ein mit bestimmter Erreger— frequenz arbeitender Quarzkristallschwinger dient.
4. Durchflußmesser nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schallimpulse an der Empfangsstelle

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durch einen lorsionsfühler (23) erfaßt sind, der sie zeitverschoten sum jeweiligen Stromimpuls unverzögert in elektrische Empfangsimpulse umwandelt.
5. Durchflußmesser nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßumformer (11) einen Rechteckwellengenerator (24) hat, der Rechteckwellen (P·*) mit einer dem zeitlichen Abstand (t^) zwischen Stromimpuls (P-i) und Empfangsimpuls (P₂) entsprechender Dauer abgibt, und einen Integrator (25) für die Umwandlung der Rechteckwellen in eine kontinuierliche Gleichspannung enthält, deren jeweiliger Wert (Y) der Schwebekörperposition entspricht.
6. Durchflußmesser nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Rechteckwellengenerator (24) einen Amplitudenbegrenzer enthält.
7. Durchflußmesser nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß dem Integrator (25) ein Verstärker (A-) nachgeschaltet ist zur Verstärkung der Gleichspannung auf einen im gesamten Verstellbereich des Schwebekörpers linearproportionalen Wert.
8. Durchflußmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsstange (14) durch einen Haltestern (19) koaxial im Meßrohr (12) gehalten und über eine Speiche (19a) desselben elektrisch leitend mit dem Meßumformer (11) verbunden ist.
9. Durchflußmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das obere Ende (14a) der Führungsstange (14) abgebogen und seitlich abgedichtet aus dem Meßrohr (12) herausgeführt und elektrisch mit dem Meßumformer (11) verbunden ist.

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10. Durchflußmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitende Führungsstange (14) bzw. der in sie eingebettete elektrische Leiter (18) aus einer Nickel—Oadmium-Legierung besteht und die Führungsstange mit einer korrosionsbeständigen glatten nichtleitenden Gleitschicht versehen ist«"

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