DE2635744A1

DE2635744A1 - Durchflussmesser

Info

Publication number: DE2635744A1
Application number: DE19762635744
Authority: DE
Inventors: Victor P Head; Peter J Herzl
Original assignee: Fischer and Porter Co
Current assignee: Fischer and Porter Co
Priority date: 1975-10-29
Filing date: 1976-08-09
Publication date: 1977-05-12
Also published as: CA1053023A; FR2329979A1; GB1561051A; JPS5255560A; US4041756A

Description

Patentanwälte Dipl. Ing. Hans-Jürgen Müller Dr. rer. nat. Thomas Bereadt D8 Mönchtn 80 Lucllt-Grohn-Stra·· U 26357 Ä 4

■ Gase 86

FISCHER & PORTER COMPANY, Warminater. Pennsylvania (Y.St.A.)

Durchflußmesser

Die Erfindung "bezieht sich auf Durchflußmesser, insbesondere für die präzise Messung und Übertragung besonders geringer Durchflüsse.

Seit einigen Jahren besteht ein verstärktes Interesse bzw. ein Bedarf nach Durchflußmessern und -reglera für Versuchsanlagen und Fabriken, in denen Pharmazeutika und seltene Chemikalien hergestellt werden, wobei extrem geringe Durchflüsse auftreten. Da die Erfindung sich auf einen Durchflußmesser bezieht, der diese Anforderungen erfüllt, werden nachstehend kurz solche Durchflußmesser erörtert, die üb-

709819/0218

licherweise zum Messen relativ geringer Durchflüsse verwendet werden; dabei wird auch erläutert, weshalb diese Durchflußmesser keine präzisen Messungen und Meßwert-Übertragungen extrem geringer Durchflüsse durchführen können.

Eine bekannte Durchflußmesserart ist ein Differenzdruckmeßgerät, bei dem der Differenzdruck an einer Quersehnittsverengung der Strömung in einem das zu messende Fluid führenden Rohr gemessen wird. Dieser Differenzdruck kann durch eine Meßblende, einen Venturiabschnitt, ein Kapillarrohr oder irgendeine andere Art einer Primäreinheit gebildet sein. Differenzdruckmesser arbeiten über einen weiten Durchflußbereich, wobei die einen Venturiabschnitt aufweisenden Geräte Millionen von litern pro Stunde und Kapillargeräte einige cnr/h messen.

Die auf der Primärseite eines solchen Gerätes entstehende Druckdifferenz wird durch druckempfindliche Sekundäreinheiten mit durchbiegbaren Metallmembranen gemessen. Diese Durchflußmesser weisen tJngenauigkeiten auf, die sich besonders schwerwiegend bemerkbar machen, wenn es sich um sehr geringe Durchflüsse handelt, und zwar aufgrund von Hystereseerscheinungen in der Metallmembranen eigenen Durchbiegungs-Druckdifferenz-Kennlinie ·

Ferner kann es sich um eine Ansprechzeit von Minuten oder Stunden handeln, wenn der Durchfluß so gering ist, daß er die Volumenverdrängung der Membran nur in Minuten oder Stunden bewirken kann. Kapillargeräte verschmutzen leicht, oder wenn sie so groß gemacht werden, daß ein Verstopfen nicht auftritt, kann es Stunden dauern, bevor ein am einen Ende eintretendes Fluid am anderen Ende wieder austritt.

709819/0218

Beim Bereichsdurchflußmesser hat man eine verstellbare Blende und einen im wesentlichen konstanten Druckabfall anstatt eine unvorstellbare Blende und einen sich ändernden Druckabfall als eine Funktion des Durchflusses. Beim Bereichsdurchflußmesser ergibt sich der Durchfluß durch den sich ändernden Querschnitt der Ringöffnung, durch die das Fluid strömen muß.

Bei einem üblichen Durchflußmesser mit sich änderndem Querschnitt (vgl. US-PS 3 712 134) weist das vertikale Strömungsrohr, durch das das Fluid nach oben geleitet wird, eine konische Bohrung auf, die einen sich ändernden Querschnittsbereich bietet. Ein in der Bohrung befindlicher beschwerter Schwebe- oder Widerstandskörper nimmt eine Vertikalstellung ein, die einen Gleichgewichtszustand zwischen der nach unten auf den Schwebekörper wirkenden Schwerkraft und der nach oben auf den Schwebekörper wirkenden Kraft des an ihm vorbei durch die umgebende Ringöffnung strömenden Fluids darstellt. Diese Gleichgewichtslage ist daher eine Funktion des Durchflusses;'je stärker der Durchfluß, desto höher ist die Vertikalstellung des Schwebekörpers .

Durchflußmesser mit sich änderndem Querschnitt können nicht mit extrem geringen Durchflüssen verwendet werden, außer als Sichtanzeigegeräte ohne Übertragungsfunktion. TJm die Lage des leichten Schwebe- oder Widerstandskörpers zu übertragen, muß üblicherweise eine lange Verbindungsstange an diesem befestigt sein, die mit einem magnetischen Folgeglied oder einer anderen Vorrichtung verbunden ist, so daß

709819/0218

- r-

die Vertikalstellung des Schwebekörpers in ein entsprechendes Signal umgewandelt wird. Aufgrund von Reibungs- sowie magnetischen und anderen den Schwebekörper beaufschlagenden Kräften ergeben sich große Strömungswiderstandsfehler, die die Beziehung zwischen dem Durchfluß und der Schwebekörperlage verzerren und falsche Anzeigen zur Folge haben. Bei extrem geringen Durchflüssen besteht sogar die Gefahr, daß aufgrund von Reibung im zugeordneten Lageübertrager der Schwebekörper festsitzt, so daß keine Ablesung erhalten wird.

Übliche Durchflußmesser vom Druckdifferenztyp oder mit sich änderndem Querschnitt können also keine genauen Messungen mit gleichzeitiger Signalübertragung bei.extrem geringen Durchflüssen liefern. Ein Vorschlag zum genauen Messen von extrem geringen Durchflüssen ist der Durchflußmesser nach der US-PS 3 662 598. Dabei wird ein in einem Strömungsrohr befindlicher ferromagnetischer Schwebekörper im Rohr in Richtung der Fluidströmung verdrängt und in seine Ausgangsstellung zurückgebracht durch Einschalten einer magnetischen Rückkehrvorrichtung, wenn der Schwebekörper einen Lichtstrahl unterbricht. Dieser Hin- und Herzyklus der Schwebekörperbewegung wird wiederholt. Die Laufzeit des Schwebekörpers oder seine Schwingungsfrequenz ist eine Funktion des Durchflusses und zeigt diesen daher an.

Dabei ist zwischen dem Schwebekörper und der Sekundäreinheit keine mechanische Verbindung vorgesehen wie im Pail eines mit einem Sender gekoppelten Durchflußmessers mit sich änderndem Querschnitt, und der Strömungsrohrquerschnitt ist über die Gesamtrohrlänge gleich.

709819/0218

Bei dem Durchflußmesser nach der US-PS 3 662 598 wird das Strömungsrohr in Horizontallage gehalten; die die Schwebekörperlage bestimmenden Vektoren umfassen also keine Schwerkraftkomponente, denn auf den Schwebekörper wirken nur magnetische und Strömungswiderstandskräfte ein. Wenn also kein Durchfluß vorhanden oder der Durchfluß extrem gering ist, liegt der Schwebekörper auf der unteren Fläche des aus Glas oder Kunststoff bestehenden Rohrs auf, wodurch sich eine gewisse Reibung ergibt, die die Meßgenauigkeit beeinträchtigt. Jedes ungewollte geringe Abweichen von der genauen Horizontallage kann eine unerwünschte Schwerkraft willkürlicher Stärke und Richtung in bezug auf die Strömungsrichtung einführen, so daß sich starke Nullpunktverschiebungen ergeben. Da ferner der bekannte Durchflußmesser einen Magnet verwendet, dessen Kraft immer horizontal und entgegengesetzt zur Strömungsrichtung ist, kann der Durchflußmesser keine Messung unterhalb eines Mindestdurchflusses aufgrund von Reibung oder kleinen magnetischen Restkräften durchführen, und ferner ist auch eine Messung des Durchflusses in umgekehrter Richtung nicht möglich. D. h., der Durchflußmesser hat keinen beweglichen Nullpunkt.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines leistungsfähigen und kostengünstigen Durchflußmessers der vorstehend genannten Art, der extrem geringe Durchflüsse messen und die Meßwerte übertragen kann. Dabei ist ein ferromagnetischer Schwebekörper in einem Strömungsrohr mit gleichbleibendem Querschnitt vorgesehen, wobei Magnet-, Schwer- und Strömungswiderstandskräfte auf den Schwebekörper einwirken zum Erzeugen eines Signals, das den Durchfluß wiedergibt und zu einer entfernten Station übertragbar ist, um dort auto-

709819/0218

*r-

matische Prozeßsteuerfunktionen auszuführen. Der Durchflußmesser soll ferner ein Zweirichtungs-Durchflußmesser sein und extrem geringe Durchflüsse sowohl von Gasen als auch Flüssigkeiten messen können.

Der Durchflußmesser nach der Erfindung umfaßt ein vertikal angeordnetes Strömungsrohr, durch das das zu messende Fluid strömt; im Rohr "befindet sich ein ferromagnetischer Schwebekörper, der der Schwerkraft und auch dem durch das Fluid "bedingten Strömungswiderstand unterliegt. Dem Strömungsrohr ist ein Lageerfasser zugeordnet, der typischerweise aus einer Lichtquelle·, die einen Lichtstrahl quer durch das Rohr richtet, und einem Fotomeßfühler, der den Lichtstrahl auffängt, "besteht, wobei der Fotomeßfühler ein Steuersignal erzeugt, wenn der Schwebekörper im Erfassungsbereich liegt und den Lichtstrahl unterbricht.

Ferner unterliegt der Schwebekörper einer magnetischen Kraft, die von einem Elektromagnet erzeugt wird, der von einem durch das Steuersignal betätigten Stromerzeuger erregt wird; diese Kraft trachtet danach, den Schwebekörper im Rohr nach oben und weg vom Lichtstrahl zu bewegen. So wirkt der Schwebekörper als Kraftadditionsstelle und nimmt eine Lage ein, die von der Yektorresultierenden der zusammenwirkenden Komponenten Strömungswiderstand, Schwerkraft und Magnetkraft abhängt. Der vom Stromerzeuger im Zeitmittel erzeugte Strom ist eine Funktion des Durchflusses und wird als Durchflußmessung zur Anzeige gebracht.

709819/0218

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungs"b ei spiel des Durchflußmessers nach der Erfindung;

Fig. 2 das Verhalten des Durchflußmessers;

Pig. 5 ein zweites Ausführungsbeispiel des Durchflußmessers nach der Erfindung;

Pig. 4 ein Blockschaltbild, das die Kräfte veranschaulicht, die auf den als Additionsstelle wirkenden Schwebekörper wirken;

Pig. 5 eine graphische Darstellung der auf den Schwebekörper einwirkenden Kräfte;

Pig. 6 den Signalverlauf des pulsierenden Ausgangssignals des zweiten Ausführungsbeispiels ;

Pig. 7 ein schematisch.es Schaltbild eines dritten Ausführungsbeispiels; und

Pig. 8 den Verlauf des im dritten Ausführungsbeispiel erzeugten Magnetstroms.

Pig. 1 zeigt das erste Ausführungsbeispiel des mit konstantem Querschnitt und Schwebekörper arbeitenden Durchfluß-

709819/0218

messers nach der Erfindung. Das zu messende Fluid wird auf einem Strömungsweg durch ein vertikal angeordnetes Rohr 10 geleitet, dessen Querschnittsbereich über die Gesamtlänge
gleich ist. Die Strömungsrichtung im Rohr 10 verläuft nach unten, so daß das Auslaßende des Rohrs 10 unten liegt. Das Rohr besteht aus G-las oder durchsichtigem Kunststoff, wobei bevorzugt Borsilikatglas verwendet wird.

Im Rohr 10 befindet sich ein Schwebe- oder Kugelkörper 11, der ferromagnetische Eigenschaften hat und daher auf magnetische „ Kräfte anspricht. Der Durchmesser des Schwebekörpers ist kleiner als derjenige des Rohrs 10, so daß der Schwebekörper frei im Rohr beweglich ist. Bei einem gebauten Durchflußmesser kann der Schwebekörper eine höhle Weicheisenkugel mit einer Schutzbeschichtung sein, oder er kann aus
einem leichten Kunststoffkörper bestehen, in dem Eisenfeilspäne verteilt sind. Alternativ kann der Schwebekörper auch aus massivem Kunststoff oder G-las mit einem mittig darin eingebetteten Eisenkern sein, oder er kann massiv sein und aus einem Schwermetall bestehen, z. B. magnetischem korrosionsfreiem Stahl mit niedriger Remanenz.

Am Unterende des Rohrs 10 ist ein Lageerfasser angeordnet, der aus einer parallelen Lichtquelle 12 besteht, deren
Strahlen durch das Rohr 10 projiziert und von einem geeigneten Fotomeßfühler 13, der auf der anderen Seite des
Rohrs angeordnet ist, aufgefangen werden. Das vom iOtomeßfühler empfangene Licht erreicht Beine höchste Stärke, wenn der Schwebekörper 11 sich oberhalb des kreuzenden Licht-

709819/0218

Strahls befindet, und seine geringste Stärke, wenn die Mitte des Schwebekörpers 11 von -der querverlaufenden optischen Achse X, die zwischen der Lichtquelle und dem Fotomeßfühler verläuft, geschnitten wird; in diesem Pail wird der lichtstrahl beinahe völlig blockiert. Im Rohr 10 ist ein Anschlag 14 angeordnet, der verhindert, daß sich der Schwebekörper unter den Lichtstrahl bewegt.

Ein Elektromagnet 15 umgibt das Oberende des Rohrs 10; die Magnetspule wird von dem in einer spannungsempfindlichen Magnetstromregeleinrichtung 16 erzeugten Strom aktiviert. Das Ausgangssignal der Regeleinrichtung 16 wird der Erregerspule des Elektromagnets über einen Strommesser 17 zugeführt, der so geeicht ist, daß er die Durchflußmenge anzeigt. Der durch den Strommesser fließende Strom, der eine Funktion der Durchflußmenge ist, kann als Steuersignal verwendet und übertragen werden, so daß in üblicher Weise eine automatische Prozeßsteuerung erfolgt.

Der dem Elektromagnet 15 zugeführte Strom wird als eine Punktion der dem Eingang der Regeleinrichtung 16 vom Potomeßfühler 13 zugeführten Spannung moduliert; je größer die Spannung, desto stärker ist der Magnetstroia. Es ist zu beachten, daß der Potomeßfühler Änderungen der Lage des Schwebekörpers innerhalb eines sehr engen Bereichs erfaßt, denn wenn der Schwebekörper einmal übär den Lichtstrahl hinaus verdrängt ist, blockiert er diesen nicht mehr und hat daher keinen Einfluß auf die Ausgangsspannung des Potomeßfühlers.

^09819/0218

-W-

Wenn Fluid im Rohr abwärts strömt, unterliegt der Schwebekörper drei Kraftkomponenten, und die vom Schwebekörper eingenommene Lage ist die Yektorresultierende dieser Komponenten. Die erste Komponente ist der aufgrund des Pluidstroms auf den Schwebekörper einwirkende Strömungswiderstand, der dazu tendiert, den Schwebekörper■stromab zu schieben. Die Stärke der Strömungswiderstandskomponente hängt natürlich von der Durchflußmenge bzw. dem Durchsatz ab. Die zweite Komponente ist die konstante Schwerkraft, die so auf den Schwebekörper einwirkt, daß er ebenfalls stromab verschoben wird. Die gegenwirkende dritte Komponente ist die vom Elektromagnet erzeugte Magnetkraft, die den ferromagnetischen Schwebekörper anzieht und danach trachtet, ihn nach oben in die Einlaßrichtung des Strömungsrohrs zu schieben.

Bei diesem ersten Ausführungsbeispiel wird der magnetische Strom so geregelt, daß der Schwebekörper unabhängig vom Durchfluß eine im wesentlichen konstante Lage einnimmt. Die Schwerkraftkomponente ist konstant, und da die Strömungswiderstandskomponente sich mit dem Durchfluß ändert, ändert sich die gegenwirkende Magnetkraft entsprechend, so daß der Schwebekörper in seiner Gleichgewichtslage gehalten wird.

Der Abstand zwischen dem Elektromagnet und dem Lichtstrahl ist ausreichend groß, so daß die Strahlbreite und die noch kleineren Änderungen der Einstellage des Schwebekörpers unbeachtlich sind. Infolgedessen ist die auf den Schwebekörper einwirkende Kraft der magnetischen Komponente der Magnetstromstärke, die zum Unterhalten der im wesentlichen kon-

709819/0218

stanten Schwebekörperlage bei gegebenem Durchfluß erforderlich ist, direkt proportional. Der rom Strommesser angezeigte Wert des magnetischen Stroms ist daher eine Anzeige des Durchflusses oder Durchsatzes.

Der von der Regeleinrichtung 16 gelieferte magnetische Strom ist bevorzugt Gleichstrom; es kann jedoch auch Wechselstrom verwendet werden, nur muß dann dessen Frequenz hoch genug sein, so daß die resultierende Schwingung des Schwebekörpers im Vergleich zur Breite des Lichtstrahls klein bleibt.

Es ist ersichtlich, daß der aufgrund der Strömung nach unten auf den Schwebekörper einwirkende Strömungswiderstand Έ gleich der Differenz zwischen der nach oben wirkenden magnetischen Kraft ]?_w und der relativ kleinen und konstanten, nach unten auf den Schwebekörper wirkenden Schwerkraft P bleiben muß, wenn der Schwebekörper in ein Meßfluid konstanter Dichte eintaucht. Wenn keine nach unten verlaufende Strömung vorhanden ist, ist der Strömungswiderstand Null, und der dann zum Halten des Schwebekörpers gegen die Schwerkraft erforderliche magnetische Strom ergibt eine bewegliche Nullanzeige, die frei von der Hysterese ist, die strukturellen Ablenkkörpern anhaftet, wie sie in Differenzdruck-Meßfühlern bei Differenzdruckmeßgeräten verwendet werden.

Anders als bei einem Durchflußmesser mit verstellbarem Querschnitt, dessen geringster Durchfluß notwendigerweise größer als Null ist, da der Strömungsbereich zwischen dem

709819/0218

konischen Rohr und dem Schwebekörper nicht auf Hull reduziert werden kann, ergibt sich bei dem Durchflußmesser nach der Erfindung ein "unendlicher Meßbereich", d. h. das Verhältnis des größten zum kleinsten erfaßbaren und meßbaren Durchfluß. Die Kraftgleichung ist wie folgt:

Strömungswiderstand Έ = IU - Έ

mit Έ = Gewicht des Schwebekörpers (oder irgendeine Kornponente des Schwebekörpergewichts, wenn der Strömungsabschnitt geneigt verläuft).

Die Strömungsgleichung für Wirbelströmung ist wie folgt:

Massegeschwindigkeit W = K^ D_f "JT? f>

wobei der Wirbelströmungskoeffizient K^ nur gering mit dem Viskositätsparameter änderbar ist.

i"ür die Viskositätseinflußzahl Ή gilt:

N =

und sie ändert sich überwiegend mit dem OC _f dem Verhältnis des Rohrdurchmessers D^ zum Schwebekörperdurchmesser D^,

709819/0218

Alphaverhältnis OC =

mit P = Fluiddichte und
= Fluidviskosität.

Der Durchflußmesser nach Pig. 1 eignet sich "besonders zum Messen sehr geringer oder laminarer Strömungen, wobei die verschiedenen Wirbelströmungskoeffizienten, die den verschiedenen Alphaverhältnissen zugeordnet sind, nicht mehr unabhängig von der Viskositätseinflußzahl E", sondern Ή direkt proportional sind. Bei Einführung einer Proportionalitätskonstante für jedes Alpha, etwa /C (<*-), ergibt sich die laminare Strömung in jedem den Strömungswiderstand erfassenden Gerät durch die Gleichung:

E_t --XT(W) N -

so daß die Massengeschwindigkeit sich wie folgt ergibt:

W =

und der Volumenstrom Q wird erhalten durch Division der Massengeschwindigkeit W durch die Dichte /°:

709819/0218

^Q - H ^Df

mit K/ = der nunmehr konstante laminare Strömungskoeffizient für jedes einzelne Alphaverhältnis. Bei dem Durchflußmesser nach Fig. 1 sind die Rohr- und Schwebekörperdurchmesser und somit das Alphaverhältnis konstant, und somit ist die Strömung gegen den Magnetstrom linear, wie Fig. 2 zeigt.

Bei dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird der Schwe"bekörper durch die Magnetkraft in einer im wesentlichen festgelegten Stellung gehalten, so daß der Magnetstrom, der eine Funktion des Durchflusses ist, von der Stärke des zum Erreichen dieses Zustande erforderlichen Stroms abhängt. Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 wird der Schwebekörper in dem vertikalen Rohr 10 in Schwingungen versetzt, und zwar mit einer Schwingungsfrequenz, die eine Funktion des Durchflusses ist, wobei die Schwingungsfrequenz angezeigt wird, um eine Ablesung des Durchflusses zu gestatten.

Das Rohr 10 verläuft zwar in Fig. 3 vertikal, es kann jedoch auch unter einem Winkel zur Vertikalen verlaufen, vorausgesetzt, daß es eine Aufwärtskomponente hat. Das Meßfluid strömt im Rohr 10 nach oben, so daß in diesem Fall das Einlaßende am unteren Ende des Rohrs liegt und die Schwerkraftkomponente, die auf den ferromagnetischen Schwebekörper 11 einwirkt, diesen zum Auslaßende zu drücken trachtet. Die beim ersten Ausführungsbeispiel auftretenden Beziehungen sind also genau umgekehrt.

Wie beim ersten Ausführungsbeispiel wird die Lage des Schwebekörpers 11 durch eine Lichtquelle 12 und einen Fotomeßfühler

709819/0218

13 erfaßt, wobei nur letzterer gezeigt ist. Bei einem Nulldurchfluß wird der Elektromagnet 15, der vom Stromerzeuger 16 aktiviert wird, eingeschaltet, wenn der Schwebekörper den von der Lichtquelle 12 ausgehenden Lichtstrahl unterbricht, so daß das resultierende Ausgangssignal des Fotomeßfühlers den Stromerzeuger einschaltet, wodurch der Schwebekörper aufgrund der magnetischen Kraft aufwärts bewegt wird. Dadurch wird der Strahlengang wiederhergestellt und der Stromerzeuger ausgeschaltet, wodurch die auf den Schwebekörper einwirkende magnetische Kraft unterbrochen wird; der Schwebekörper senkt sich zum Lichtstrahl. Wenn der sich senkende Schwebekörper den lichtstrahl wiederum unterbricht, wird dieser Zyklus wiederholt. Infolgedessen schwingt der Schwebekörper zwischen dem Lichtstrahl und einer darüberliegenden Stellung hin und her. Diese Schwebekorperfrequenz wird durch einen Frequenzmesser 18 angezeigt, der für den Durchfluß geeicht ist.

Die Frequenz f der Schwebekörperschwingung ist bestimmt durch einen gesteuerten Impuls pro Signal I und die axiale Komponente des Schwebekörpergewichts W^ entsprechend der folgenden Gleichung für Kulldurchfluß:

^fo =

Bei vorhandenem Durchfluß unterliegt der Schwebekörper dann einem Strömungswiderstand F₁-, der den Schwebekörper zum Auslaßende hin zu schieben trachtet, und mit zunehmendem Durchfluß nimmt die Schwingungsfrequenz ab, so daß gilt:

709819/0218

263574A

f =

Wenn man die Gleichungen kombiniert, ergibt sich für den Strömungswiderstand:

- ^f)

Durch Auslegen des Elektromagnets 15 und seiner zugehörigen Schaltung in solcher Weise, daß der Schwebekörper bei jedem Auslösen der aus Lagefühler und Magnetbetätigung bestehenden Einheit mit einem konstanten Impulswert beaufschlagt wird, wird mit über Null ansteigendem Durchfluß eine Verringerung der Schwingungsfrequenz des Schwebekörpers erzielt, die dem auf den Schwebekörper einwirkenden Strömungswiderstand direkt proportional ist.

Im Pail sehr niedriger Reynolds-Zahlen ist diese Änderung der Schwingungsfrequenz des Schwebekörpers dem Produkt der Volumenrate und der absoluten Viskosität proportional, während bei sehr hohen Reynolds-Zahlen die !Frequenzänderung dem Produkt der Pluiddichte und dem Quadrat der volumetrisehen Strömungsrate proportional wäre. Diese Beziehung ist auf Zwischen-Reynolds-Zahlen anwendbar, wenn nichtkugelige Schwebekörper benutzt werden. Die hier verwendete Bezeichnung "Schwebekörper" umfaßt nichtkugelige sowie kugelige Körper.

Der Elektromagnet 15 des zweiten Ausführungsbeispiels hat

709819/0218

ΨΓ-

bevorzugt die Form von Eisenblechpolstücken 15A und 15B in diametral gegenüberliegenden Stellungen je auf einer Seite des Rohrs 10; die Polstücke haben charakteristische Formen, so daß die Abhängigkeit des Impulses pro Signal kleingehalten wird. Der durch die Lichtquelle und den Fotomeßfühler 13 gebildete Lageerfasser ist so angeordnet, daß der Lichtstrahl rechtwinklig zu den Magnetflußlinien durch das Rohr verläuft. Dabei fällt der Schwebekörper 11 nie unter den Lichtstrahlpegel und trifft auf einen unteren Anschlag, außer im Pail von Nulldurchfluß, wenn die Stromversorgung abgeschaltet ist. Die Schaltung kann eine Vorrichtung aufweisen zum Auslösen einer Reihe von Magnetimpulsen mit einer Frequenz, die im Vergleich zum niedrigsten Wert von f, der mit dem höchsten zu messenden Durchfluß verwendet wird, sehr niedrig ist. Wenn die Stromversorgung eingeschaltet ist, hebt einer dieser Impulse den Schwebekörper in seine schwingende Betriebsstellung. Dieses "Start"-Auslösen wird gesperrt, wenn im lormalbetrieb irgendeine höhere Frequenz erzeugt wird. Wenn der Durchfluß den höchsten zu messenden Wert übersteigt, reicht der Strömungswiderstand aus, um den Schwebekörper über den Magnet bis zu einem oberen oder auslaßseitigen Anschlag zu heben, so daß die Schwingungen aufhören. Die Abwesenheit einer denMormalbetrieb repräsentierenden Frequenz aktiviert den "Starf-Kreis wieder, so daß die sehr niedrige Frequenz dieses Kreises ein "Meßbereichsüberschreitungs"-Signal erzeugt, das eine Warneinheit einschalten kann und erhalten bleibt, bis der Durchfluß wieder auf den Arbeitsbereich verringert ist; dann wird der "Start"-Kreis durch die Anwesenheit einer Frequenz im Normalbereich wieder gesperrt.

709819/0218

its.

Durch, die schwingende Schwebekörperanordnung nach Fig. ergeben sich folgende Vorteile:

1) Bei eingeschalteter Stromversorgung ist der Durchflußmesser -ungeachtet der An- oder Abwesenheit eines Durchflusses oder einer Meßbereichsüberschreitung selbstanlaufend .

Z) Ein positives Meßbereichsüberschreitungssignal wird
erzeugt,"wenn keine Schwebekörper-Schwingungsfrequenz und ein ununterbrochener Lichtstrahl vorhanden
sind.

3) Bewegliche Hullanzeige (unendlicher Meßbereich).

4) Der Meßbereich ist unabhängig von mehrere Grad betragenden zufälligen Abweichungen des Rohrs von der
Vertikalen.

5) Der mit schwingendem Schwebekörper arbeitende Durchflußmesser ist sowohl für Gas- als auch. 3?lüssigkeits-Durchflußmessungen geeignet.

Die Hauptunterschiede zwischen den beiden Ausführungsbeispielen sind folgende: Beim ersten Ausführungsbeispiel wirkt der Strömungswiderstand nach unten, während er beim zweiten Ausführungsbeispiel nach oben wirkt. Beim ersten Ausführungsbeispiel ist der gesteuerte Magnetstrom kon-

709819/0218

tinuierlich und ergibt einen Analogwert, der eine Funktion des Durchflusses ist, während der gesteuerte Magnetstrom beim zweiten Ausführungsbeispiel periodisch ist und einen Digitalwert liefert, der den Durchfluß anzeigt.

Der Impulsmagnetstrom bietet den Vorteil einer schwingenden Schwebekörperbewegung, wodurch die Möglichkeit eines etwaigen Anhaftens des Schwebekörpers an der Glaswandung des Rohrs kleingehalten wirdj ferner werden dadurch die hydraulischen Kennlinien verbessert, indem eventuelle lokale Iiufttaschen durchbrochen werden und die Schwebekörperstabilität, die um einen ortsfesten Eörper anzutreffen ist, vermindert wird. Ferner ist die digitale Anzeige besser zur wirksamen Signalübertragung und Summierung geeignet.

Fig. 4 zeigt, warum der Schwebekörper 11 der beiden erläuterten Ausführungsbeispiele als Additionsstelle wirkt; es ist ersichtlich, daß der Schwebekörper einer abwärts gerichteten (negativen) Schwerkraft, einer aufwärts wirkenden (positiven) Magnetkraft und einem Strömungswiderstand, der beim zweiten Ausführungsbeispiel normalerweise aufwärts gerichtet (positiv) und beim ersten Ausführungsbeispiel normalerweise abwärts gerichtet (negativ) ist, unterliegt. Der durch den Fotomeßfühler 13 entsprechend der Schwebekörperlage eingestellte Stromerzeuger 16 erzeugt einen Strom, der die Yektorresultierende dieser Kräfte wiedergibt und dadurch ein den Durchfluß anzeigendes Signal ergibt.

Bei den erläuterten Ausführungsbeispielen erfolgt bei Strömungsumkehr eine Umkehr des Strömungswiderstands, so

709819/0218

daß eine bewegliche Nullpunkts- und Zweirichtungsdurchfluß-Erfassung erzielt wird.

Each Pig. 5 besteht bei Hulldurchfluß eine Magnetkraft oder ein Ausgangsstrom zum Erzeugen eines Ausgangswerts, der mit zunehmendem Aufwärtsdurchfluß abnimmt und mit Abwärtsdurchfluß zunimmt. Die Grenze des Aufwärtsdurchflusses ist erreicht, wenn der Strömungswiderstand die höchste Magnetkraft, für die der Magnet ausgelegt ist, überschreitet.

Der dem Magnet zugeführte Erregerstrom kann entweder kontinuierlich (erstes Ausführungsbeispiel) oder pulsierend (zweites .Ausführungsbeispiel) sein. Bei pulsierender Arbeitsweise sind der Stromerzeuger und der Elektromagnet so ausgelegt, daß jedes Stromsignal den Schwe.bekörper .mit einem vorgegebenen Impuls beaufschlagt. Da der Impuls das Zeitintegral der angewandten Kraft entsprechend Pig. 6 ist, gilt für die Durchschnittskraft:

•ρ, _ J ο magnet _ Impuls pro Signal j ~ magnet ⁼ /7- ⁼ ,7— ρ

Die Durchschnittskraft ist daher der Dauer der angelegten Stromsignale umgekehrt proportional (wobei der Stromsignalbereich als konstant angenommen ist) oder der Frequenz direkt proportional.

Das dritte Ausführungsbeispiel nach Pig. 7 erzeugt wie das zweite ebenfalls ein pulsierendes Ausgangssignal; es um-

709819/0218

- Vr-

fs

faßt ein Rohr 10 und einen Lageerfasser für den Schwebekörper 11, bestehend aus einer Lichtquelle 12 und einem Fotomeßfühler 13, der den Schwebekörper erfaßt, wenn dieser in den im Rohr durch den Lichtstrahl definierten Erfassungsbereich eintritt. Der Elektromagnet .15 ist in diesem Pail durch einen hufeisenförmigen Eisenkern 15C gebildet, dessen Polstücke auf gegenüberliegenden Seiten des Rohrs 10 liegen;- um den Eisenkern ist eine Erregerspule 15E gewickelt, die ein Magnetfeld aufbaut, dessen Flußlinien quer zum Rohr verlaufen. Tatsächlich kann der Eisenkern 15C zweiteilig und schwenkbar ausgebildet sein, so daß der Luftspalt zwischen den Polstücken für Rohre unterschiedlicher Größe einstellbar ist.

Das Ausgangssignal des Fotomeßfühlers 13 steuert einen elektronischen Zeitgeber 19. Wenn der Schwebekörper 11 erfaßt wird, wird der Zeitgeber eingeschaltet. Er öffnet dann einen Schalter SW₁ und schließt gleichzeitig einen Schalter SWp. Diese Schalter sind mit einem Widerstand 20 reihengeschaltet, und an die Reihenschaltung wird eine vorbestimmte Gleichspannung zwischen Erde und dem positiven Anschlußpunkt (+VDC) über eine Diode 21 angelegt.

Die Magnetspule 15E ist zwischen Erde (dem negativen Anschlußpunkt.) ψια. einem Kondensator C.· mit einem Spannungspunkt E am Zusammenschlußpunkt des Widerstands 20 und des Schalters SWp verbunden» Ein zweiter Kondensator C₂ ist zwischen Erde und den Zusamm#nschlußpunkt des Schalters SW^ und der Diode 21 geschaltet. Wenn der Zeitgeber den Schalter SWp schließt und den Schalter SW^ ΰϊ£ι£$$ϊ wird der Spannungs-

ORIGINAL IMSPECTED

punkt E durch den geschlossenen Schalter S¥_? geerdet, und Strom fließt durch den Kondensator C^ im Magnetspulenkreis und aktiviert den Elektromagnet 15. Dadurch wird eine Magnetkraft erzeugt, die den ferromagnetischen Schwebekörper 11 im Rohr 10 gegen die Schwerkraft anhebt. Dieses Anheben wird durch den Strömungswiderstand des zu messenden Fluids unterstützt. Der Kondensator C₂, der der aus den Schaltern SW.], SWp und dem Widerstand 20 gebildeten Reihenschaltung parallelgeschaltet ist, wirkt als Speicherelement.

Der Zeitgeber 19 ist auf einige wenige ms eingestellt, und am Ende des Taktintervalls T (vgl. Fig. 8) schließt er den Schalter SW., und öffnet gleichzeitig den Schalter SW₂ (also eine Umkehrung des vorhergehenden Vorgangs) ; infolgedessen baut sich die Spannung am Spannungspunkt E auf und kommt ins Überschwingen. Die Spannung am Punkt E kann nicht zum Anschlußpunkt +TDC der Stromversorgung zurückkehren, da die Einwegdiode 21 sperrend wirkt. Der Schwebekörper 11 steigt daher im Rohr 10 weiter an, während der Magnetstrom M^ weiterfließt. Nachdem die Spannung am Punkt E ihren Spitzenwert erreicht hat, fällt sie ab, der Strom im Magnet 15 kehrt sich um, und infolgedessen wird eine gedämpfte Wechselstromperiode eingeleitet, wie durch M. in Pig. 8 angegeben ist, wobei der Magnetstrom allmählich ausschwingt. ^

Solange in der Magnetspule 15 E Strom fließt, unterliegt der Schwebekörper einer Magnetkraft. Die Dämpfungsperiode wird vom Widerstand 20 bestimmt, der als Dämpfungswiderstand wirkt. Der Wechselstromfluß während der Dämpfungsperiode und dessen langsames Ausschwingen entmagnetisieren

den Schwebekörper, und infolgedessen wird der Schwebekörper von jeglichen unerwünschten Restspuren einer "Dauermagnet"-Polarität "befreit, die ohne den ausschwingenden Dämpfungsstrom bei jedem "brauchbaren magnetisch weichen Schwebekörperwerkstoff vorhanden wäre, für den der Idealwert einer magnetischen Remanenz lull in der Praxis erzielt wird. Somit beseitigt die ausschwingende Dämpfungskennlinie eine Drift im Wert des Impulses pro Signal I , wodurch sonst die Kalibrierung geändert werden könnte.

Am Ende der Magnetperiode verlangsamt sich der Schwebekörper und fällt im Rohr in Einlaßrichtung gegen den Strömungswiderstand, bis er wieder in die Erfassungszone eintritt und den Lichtstrahl des lageerfassers unterbricht, wodurch der nächste Arbeitszyklus ausgelöst wird, der den Schwebekörper zum Steigen bringt.

Unter der Annahme einer bestimmten Energieübertragung.bei jedem dem· Schwebekörper zugeführten Magnetkraftimpuls und der weiteren Annahme, daß der Schwebekörper ein Eraftintegrator oder eine Additionsstelle ist, ist ersichtlich, daß bei Fulldurehfluß das Produkt der Signalfrequenz multipliziert mit dem Impuls pro Signal gleich dem Schwebekörpergewicht ist, wogegen bei vorhandenem Durchfluß von I¹IuId das Produkt der Signalfrequenz multipliziert mit dem Impuls pro Signal gleich dem Schwebekörpergewicht minus dem auf ihn einwirkenden Strömungswiderstand ist, denn dieser Strömungswiderstand trägt oder stützt den Schwebekörper teilweise. Infolgedessen ist die Änderung der Signalfrequenz proportional dem Strömungswiderstand, der eine !Punktion des Durchflusses ist. Diese !Frequenz wird gemessen und gibt den Durchfluß an. ■

709819/0218

Anstelle eines optischen Lageerfassers mit einer Lichtübertragungseinrichtung kann natürlich auch eine Reflexionseinrichtung "benutzt werden. Oder die Lage des Schwebekörpers kann mittels eines Ultraschallfühlers oder eines hochfrequenzdurchlässigen Meßfühlers erfaßt werden. Alternativ
kann die Schwebekörperlage schallmäßig durch ein Mikrofon erfaßt werden, das in einem im Strömungsrohr befindlichen Anschlag, an dem der Schwebekörper anschlägt, eingebettet ist.

709819/0218

L e e r s e it e

Claims

Patentanspruch, e

f \] Durchflußmesser für extrem niedrige Durchflüsse,
gekennzeichnet durch
ein Strömungsrohr (10), durch das das zu messende Fluid geleitet wird;

einen im Strömungsrohr (10) beweglich angeordneten ferromagnetischen Schwebekörper (11), wobei das Strömungsrohr (10) nach oben geneigt ist, so daß der Schwebekörper der Schwerkraft unterliegt und in Abwesenheit irgendeiner
anderen Kraft im Strömungsrohr fällt;
einen Lageerfasser (12, 13), der wirksam mit einer Erfassrangszone im Strömungsrohr (10) zusammenwirkt und ein Steuersignal erzeugt, wenn der Schwebekörper (11) in der Erfassungszone liegt;

einen dem Strömungsrohr (10) zugeordneten Elektromagnet (15), der bei Erregung eine Magnetkraft erzeugt, die den Schwebekörper (11) anzieht und ihn in eine Lage oberhalb der Erfassungszone zu bewegen trachtet;

eine Stromregeleinheit (16), die mit dem Elektromagnet (15) zu dessen Erregung verbunden ist, vom Steuersignal gesteuert wird und einen Strom erzeugt, der eine Funktion des Durchflusses ist; und
eine Strommeßeinheit zum Erzeugen einer Durchflußanzeige.
2. Durchflußmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Strömungsrohr (10) vertikal angeordnet ist.

709819/0218
3. Durchflußmesser, nacli Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid im Strömungsrohr (10) aufwärts strömt.
A-. Durchflußmesser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid im Strömungsrohr (10) abwärts strömt.
5. Durchflußmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der ferromagnetische Schwebekörper (11) ein kugeliger Kunststoffkörper mit eingebettetem Weicheisen ist.
6. Durchflußmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Strömungsrohr (10) durchsichtig ist und der Lageerfasser aus einer Lichtquelle (12), die einen Lichtstrahl durch den Erfassungsbereich projiziert, und einem Fotomeßfühler (I3)_f der den Lichtstrahl auffängt und das Steuersignal erzeugt, gebildet ist.
7. Durchflußmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid im Strömungsrohr (10) abwärts strömt, daß der Lageerfasser (12, 13) nahe dem ünterende des Strömungsrohrs (10) und der Elektromagnet (15) nahe dem oberen Ende desselben angeordnet ist, und daß das Steuersignal entsprechend der Lage des Schwebekörpers (11) relativ zu der Erfassungszone moduliert wird zum Erzeugen eines Magnetstroms, der den Schwebekörper (11) im Gleichgewicht hält.
8. Durchflußmesser nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Strommeßeinheit ein mit dem Elektromagnet (15) reihengeschaltetes Amperemeter (17) ist.

709819/0218
9. Durchflußmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid im Strömungsrohr (10) aufwärts strömt, und daß der Lageerfasser (12, 13) ein pulsierendes Steuersignal erzeugt, das den Magnetstrom pulsierend macht und den Schwebekörper (11) mit einer Frequenz, die eine Funktion des Durchflusses ist, zum Schwingen "bringt.
10. Durchflußmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromagnet (15) durch zwei Elektromagnethälften (15A, 15B) gebildet ist, die auf gegenüberliegenden Seiten des Strömungsrohrs (10) angeordnet sind, wobei jede Elektromagnethälfte einen Eisenblechkern und eine um diesen gewickelte Spule aufweist.
11. Durchflußmesser nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassungszone das im Strömungsrohr (10) zwischen den Elektromagnethälften (15A, 15B) aufgebaute Hagnetfeld überlappt.
12. Durchflußmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromagnet durch einen hufeisenförmigen Magnetkern (15C), dessen Polstücke auf gegenüberliegenden Seiten des Strömungsrohrs (10) liegen, und eine um den Magnetkern (150) gewickelte Spule (15E) gebildet ist.
13. Durchflußmesser nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetkern (15C) aus zwei komplementären, schwenkbar miteinander verbundenen Teilen gebildet ist, so daß der Luftspalt zwischen den Polstücken auf Strömungsrohre unterschiedlicher Größe einstellbar ist.

709819/0218

H. Durchflußmesser nach. Ansprucli 10, dadurch, gekennzeichnet, daß die Strojnregeleinheit umfaßt: einen Kondensator (C.), der mit der Spule (15®) und einer Gleichstromversorgung reihengeschaltet ist, und einen auf das Steuersignal ansprechenden Schalter, so daß der Kondensator (C.,) sich auflädt und den Magnetstrom erzeugt, wobei der Kondensator (C₁) und die Spule (15E) einen Dämpfungskreis zum Entmagnetisieren des SchwetekÖrpers (11) "bilden.

909819/0218