DE2739426A1

DE2739426A1 - Umformer

Info

Publication number: DE2739426A1
Application number: DE19772739426
Authority: DE
Inventors: Toshio Satori
Original assignee: Fischer and Porter Co
Current assignee: Fischer and Porter Co
Priority date: 1976-10-05
Filing date: 1977-09-01
Publication date: 1978-04-06
Also published as: US4059015A; GB1578789A; JPS5345559A; NL7710265A

Description

Fischer & Porter Company Warminster, Pennsylvania 18974, V.St.A.

-Case 112-

Umformer

8098U/0577

Op no Ii,'

2739A26

Die Erfindung betrifft einen Umformer zu Erzeugung eines elektrischen Stromausganges, der der Winke!verschiebung einer Eingangswelle direkt proportional 1st, und Insbesondere einen Umformer mit einem Wandler mit differentieller Induktanz.

Die Erfindung wird In Verbindung mit einem Strömungsmeßgerät mit variablem Durchflußquerschnitt beschrieben, wobei ein Stromsignal, das eine Funktion der Strömungsrate ist, an eine Außenstation übertragen wird, der erfindungsgemäße Umformer ist jedoch auch in anderen Fällen anwendbar, in welchen die Winkelverschiebung einer Welle in ein entsprechendes elektrisches Signal umgesetzt werden soll.

In einem Strömungsmesser der genannten Art wird das zu messende Fluid durch ein Rohr geführt, um einen darin vertikal beweglichen Schwebekörper in eine Gleichgewichtsposition zwischen der abwärts gerichteten Kraft des Schwebekörpers und der aufwärts gerichteten Kraft des Fluids zu bringen, das an ihm durch die umgebende ringförmige öffnung vorbeiströmt.

Bei vielen Strömungsmessern ist es erforderlich, die sich verändernde vertikale Position des Schwebekörpers innerhalb der Rohrleitung in ein entsprechendes äußeres Anzeigesignal umzusetzen. Wenn beispielsweise das Arbeitsmedium undurchsichtig ist, kann der Schwebekörper auch bei einem durchsichtigen Rohr nicht gesehen werden, weshalb eine direkte visuelle Beobachtung und Anzeige längs der Rohrleitung ausgeschlossen ist. In anderen Fällen besteht die Rohrleitung aus Metall oder anderem undurchsichtigen Material, so daß Mittel vorgesehen werden müssen, um die Position des Schwebekörpers an einem Punkt außerhalb des Rohres anzuzeigen.

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273942b

Es 1st bekannt, zu diesem Zweck einen magnetischen Mitnehmer oder ein Nachfolgestück zu verwenden, wobei der Schwebekörper in dem Rohr mit einem geführten Verlängerungsstab versehen ist, an welchem ein Stabmagnet befestigt ist. Der Stabmagnet bewegt sich auf und ab, entsprechend den Änderungen der vertikalen Position des Schwebekörpers und er ist magnetisch gekoppelt mit einem drehbaren Magneten, der auf einer Welle angebracht ist, mit der ein Zeiger verbunden ist. Der Nachfolgemagnet dreht sich dann in einer Richtung und in einem Ausmaß, die eine Funktion der Bewegung des Stabmagneten und damit der Strömungsrate ist.

Es ist bereits ein Umformer vorgeschlagen worden, der eine Winkelbewegung in ein pneumatisches Signal umformt, wobei dieser mit einem magnetischen Nachfolgestück gekoppelt ist, das einem Strömungsmeßgerät zugeordnet ist und die Drehung der Welle, die dem Steigen und Fallen des Schwebekörpers entspricht, in ein pneumatisches Signal umformen kann, dessen Größe der Strömungsrate proportional ist.

Die vorliegende Erfindung betrifft hingegen einen elektrischen Umformer, der anstatt eines pneumatischen Signals ein Stromsignal erzeugt, das an eine entfernte Anzeigestation oder Kontrollstation über eine stromführende Leitung übertragen werden kann.

Der Erfindung liegt daher im wesentlichen die Aufgabe zugrunde, einen Umformer zu schaffen, der eine Winkelbewegung einer Eingangswelle über einen breiten Winkelbereich in einen entsprechenden elektrischen Strom umformen kann, der über eine Leitung an eine entfernte Station übertragen werden kann.

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27 3 9 Λ 2

Der Umformer soll mit der Welle einer magnetischen Nachfolgeeinrichtung zusammenwirken können, die einem Strömungsmeßgerät mit veränderlichem Durchflußquerschnitt zugeordnet ist, wobei der Umformer keine merkliche mechanische Belastung auf die Nachfolgeeinrichtung ausüben soll und damit die Genauigkeit der Messung des Strömungsmeßgerätes nicht beeinträchtigt.

Es soll ferner ein Wandler mit differentieller Induktanz für dem Umformer geschaffen werden. Ferner soll ein elektronischer Meßwertumformer geschaffen werden, der mit dem Wandler gekoppelt ist, um das sich verändernde Induktanzverhältnis in einen entsprechenden Strom umzuformen, der über eine Zweidrahtleitung an eine Außenstation geführt wird. Schließlich soll der Umformer billig und kompakt gebaut sein und zuverlässig und leistungsfähig arbeiten.

Erfindungsgemäß wird dies erreicht durch einen Wandler mit differentieller Induktanz, der ein Signal mit differntieller Indiktivität erzeugt, das sich als Funktion der Winkelverschiebung einer Eingangswelle ändert, sowie einen Meßwertumformer, der auf dieses sich ändernde Signal anspricht und einen entsprechenden Strom erzeugt.

Der Wandler besteht zweckmäßigerweise aus einer Scheibe mit veränderlicher Reluktanz, die auf der Eingangswelle angeordnet ist und mit dieser rotiert, wobei der Rand dar Scheibe durch diametral gegenüberliegende Luftspalte läuft, die durch die Kerne eines Paares von Induktivitäten gebildet sind. Der Rand der Scheibe ist so profiliert, daß bei einer Rotation der Scheibe der Bereich des Randes, der innerhalb eines Luftspaltes liegt zunimmt, während der Bereich des Randes, der innerhalb des anderen Luftspaltes liegt abnimmt, wodurch die Induktivität der einen Spule erhöht und

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die Induktivität der anderen Spule reduziert und damit das Induktivitätsverhältnis des Spulenpaares proportional zum Eingangswinkel verändert wird. Die Induktoren oder Spulen des Wandlers sind an einen astabilen Multivibrator geschaltet, der eine Rechteckwelle erzeugt, deren Arbeitszyklus sich entsprechend mit dem variierenden Induktanzverhältnis ändert. Diese Rechteckwellen-Ausgangsspannung wird gefiltert oder integriert, um eine Spannung zu erzeugen, deren Stärke proportional zum Eingangswinkel ist. Diese Spannung wird durch einen Operationsverstärker in einen Ausgangsstrom umgeformt.

Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert, in der

Fig. 1 schematisch ein Strömungsmeßgerät mit variablem

Durchflußquerschnitt zeigt, das mit einem magnetischen Nachfolgeteil versehen ist, auf dessen Zeigerwelle die Scheibe des Wandlers mit differentieller Induktivität angeordnet ist, in Verbindung mit einem Winkel-Strom-Wandler nach der Erfindung.

Fig. 2 zeigt den Zusammenhang zwischen den Luftspalten des Wandlers und der Scheibe.

Fig. 3 zeigt schematisch den Meßwertumformer zusammen mit dem Wandler des Umformers.

Fig. 4A bis 4D zeigen den Zusammenhang zwischen der Profilscheibe des Wandler?; und dem zugehörigen Luftspalt bei vier unterschiedlichen Winkelstellungen.

Fig. 5 zeigt eine Kurve, die den Zusammenhang zwischen dem Verschiebungswinkel oder Verdrehungswinkel und dem Ausgangsstrom darstellt.

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- ir-fc

Fig. 6 zeigt eine weitere Ausfuhrungsform eines Wandlers mit differentieller Induktivität.

Fig. 1 zeigt die Hauptelemente eines konventionellen Strömungsmeßgerätes 10 mit variablem Durchflußquerschnitt sowie eines magnetischen Nachfolgeteiles11. Das System arbeitet nach dem Prinzip des variablen Durchflußquerschnittes, um die augenblickliche Strömungsrate des durch das Gerät fließenden Fluids zu messen und anzuzeigen.

Der Strömungsmesser 10 besteht aus einem nach unten sich verjüngenden Meßrohr 12, das aus einem durchsichtigen oder undurchsichtigen Material bestehen kann, sowie einem Schwebekörper 13, der sich in dem Rohr auf- und abbewegt. Das Meßgerät ist mit den üblichen Rohr-Armaturen versehen (nicht gezeigt), um das zu messende Medium am unteren Ende des Rohres einzuführen und am oberen Ende abzuführen.

Der Schwebekörper 13 ist mit einem geführten Verlängerungsstab 14 versehen, der sich nach oben erstreckt und aus dem oberen Ende des Rohres herausragt. Am freien Ende des Stabes 14 ist ein vertikal ausgerichteter Stabmagnet 15 angebracht, der sich axial längs einer vertikalen Z-Achse entsprechend dem Steigen und Fallen des Schwebekörpers bewegt. Zum Zwecke der Erläuterung ist die Polarisation des Stabmagneten so gewählt, daß Norden am oberen und Süden am unteren Ende ist. In der Zeichnung fet der Stabmagnet 15 außerhalb des Strömungsrohres 12 dargestellt, in der Praxis kann jedoch der Magnet innerhalb des Rohres angeordnet sein.

Dem Stabmagneten 15 ist eine Nachfolgeanordnung zugeordnet, mit einem radförmigen Nachfolgemagneten 16, der am einen Ende einer Welle 17 angebracht ist, an derem anderen Ende

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ein Zeiger 18 befestigt ist, der bezüglich einer nicht-gezeigten Skala beweglich ist. Auf der Welle 17 ist benachbart zum Zeiger 18 und drehbar mit ihr eine Scheibe 19 mit profiliertem Rand montiert, die eine Komponente des noch zu beschreibenden Wandlers mit differentieller Induktivität bildet.

Die Anziehung zwischen den ungleichnamigen Polen des Stabmagneten 15 und des Nachfolgemagneten 16 erzeugt eine magnetische Kopplung zwischen ihnen, so daß, wenn der Stabmagnet sich axial abwärts längs der Z-Achse bewegt, der Nachfolgemagnet 16 sich in Gegenuhrzeigerrichtung dreht, wobei der Zeiger 18 in Richtung auf Null auf der zugehörigen Skala geschwenkt wird, während wenn der Stabmagnet 15 sich nach oben bewegt, der Nachfolgemagnet in Uhrzeigerrichtung gedreht wird, wobei der Zeiger auf der Skala aufwärts geschwenkt wird.

In Fig. 1 ist der Schwebekörper in einer Hubposition von 50% gezeigt, wobei die Nachfolgeeinrichtung statisch ausbalanciert ist. Um den Zeiger 18 in Übereinstimmung mit der 50%-Position auf seiner zugehörigen Skala zu bringen wenn der Schwebekörper 13 in seiner 50%-Hubposition ist, muß das Drehzentrum des Magneten 16 mit dem Mittelpunkt des Magneten am Schnittpunkt zwischen der vertikalen Z-Achse, die durch den Stabmagneten 15 verläuft und den orthogonalen horizontalen Achsen X und Y abgeglichen werden. Die Folgeanordnung kann in ihre richtige Höhe relativ zum Stabmagneten durch Anheben oder Absenken in Z-Richtung gebracht werden. Die mechanischen Mittel für diesen Zweck sind üblich und daher nicht gezeigt.

Die radiale Linie zwischen dem Schnittpunkt der Achsen X, Y

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- λΌ

und Z Im Stabmagneten und der Drehmitte des Folgemagneten ist mit r bezeichnet. Nur eine Stelle auf dem Radius r erzeugt eine 180°-Drehung entsprechend einem gegebenen Hub L mit im wesentlichen linearem Zusammenhang. Eine horizontale Einstellung der Folgeanordnung in der Richtung r oder X wird daher angewendet, um den Bereich der Folgeanordnung einzustellen. Die Nullposition wird symmetrisch ausgerichtet. Die beiden Einstellungen in der Z- und X-Richtung oder der r-Richtung liefern somit einen linearen Zusammenhang zwischen dem Hub des Schwebekörpers und der Drehung des Folgestückes.

In der Anordnung nach Fig. 1 gibt die Bewegung des Schwebekörpers 13 von seiner untersten Position in seine oberste Position in dem Rohr den Bareich der Strömungsrate in dem Meßgerät wieder, wobei dieser Bereich von der Folgeanordnung in eine Winkelbewegung der Welle 17 von Null bis 180° umgesetzt wird. Die Funktion des Umformers, der durch einen Wandler 20 mit differentieller Induktivität und einem elektronischen Meßumformer 21 gebildet wird, besteht darin, die Winkelverschiebung oder Winkeldrehung der Eingangswelle 17 in einen entsprechenden Strom (z.B. 4 bis 20 mA Gleichstrom) umzuwandeln, um diesen an eine entfernte Station zu übertragen, in welcher das Signal angezeigt oder für weitere Verwendung benutzt werden kann.

Da in der Praxis das Strömurgemeßgerät dazu neigt, unterhalb von 10% des vollen Skalenausschlags etwas ungenau zu sein, kann der Umformer mit einer noch zu beschreibenden Einrichtung versehen sein, um den Ausgangsstrom etwas unterhalb von 10%, z.B. bei 8% des vollen Skalenauschlags abzuschalten.

Die Scheibe 19 nach Fig. 2, die einen Teil des Wandlers 20

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- Αλ

bildet, stellt ein Element mit variabler Reluktanz dar und sie besteht aus einem nicht-ferromagnetischen Metall, wie z.B. Aluminium, die dazu dient, in Form von Wirbelstromverlusten mehr oder weniger einen Teil des magnetischen Flusses in den Luftspalten der Spulen, durch die sie durchläuft, zu absorbieren, wodurch die Induktivität jedes Induktors bzw. jeder Spule in einem Maß verringert wird, das von der Fläche bzw. dem Bereich der Scheibe abhängt, die innerhalb des Luftspaltes sich befindet.

Der Scheibe 19 zugeordnet ist ein Paar von Spulen L₁ und L₂, von denen jede aus einem C-förmigen ferromagnetischen Kern (Cj und C₂) besteht mit einer Wicklung (W₁ und W₂) ι die auf den jeweiligen Kern gewickelt ist, wobei die im Abstand liegenden Pole des Kernes einen Luftspalt (G₁ und G₂) bilden. Die Luftspalte G-| und G₂ liegen sich bezüglich der Achse der Welle 17 diametral gegenüber. Wie Fig. 2 zeigt, liegt die Scheibe 19 in einer Ebene X, die gleiche Abstände von den Polen der Spalte G₁ und G₂ hat, wobei der Rand der Scheibe derart In und durch die Luftspalte hindurchläuft, daß ein Bereich des Randes innerhalb des Luftspaltes G₁ liegt und ein diametral gegenüberliegender Bereich liegt innerhalb des Luftspaltes G2.

Das Profil des Randes der Scheibe ist geeignet geformt, so daß wenn sich die Scheibe entsprechend der Winkelbewegung der Welle 17 dreht der Randbereich, der innerhalb eines Luftspaltes liegt, abnimmt, während der Randbereich, der innerhalb des anderen Luftspaltee liegt, zunimmt, wodurch das Induktivitätsverhältnis des Spulenpaares L₁ und L₂ proportional zum Eingangswinkel verändert wird. In der Praxis kann die Aluminiumscheibe etwa 0,75 bis 0,8 mm dick sein, mit einem Randprofil, das um 0,4 mm je 18° ansteigt, um einen Gesamtanstieg von 4 mm für eine

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Drehung von 180° zu bilden. Oder wenn ein Bereich von

ausgeschnitten ist, kann der Gesamtanstieg für 170" Drehung 3,6 mm betragen, d.h. 0,36 mm für je 17°.

Der elektronische Meßwertumformer 21 nach Fig. 3 besteht aus einem astabilen Multivibrator, der aus zwei über Kreuz gekoppelten Transistoren T. und T- gebildet ist. Die Spulen L₁ und L- sind entsprechend mit den Basiskreisen dieser Transistoren verbunden, wobei der Multivibrator eine Rechteckwelle erzeugt, deren Arbeitszyklus von dem Induktivitätsverhältnis dieser Spulen abhängt. Dieses Verhältnis ist proportional zur Winkeldrehung der Eingangswelle 17.

Der Rechteckwellenausgang des Multivibrators wird integriert durch einen Filterkreis, der aus Widerständen R« und R- sowie einem Kondensator C. besteht, um eine Spannung V- am Kondensator zu erzeugen, die proportional zum Arbeitszyklus ist. Die Spannung V_Q wird an den Eingang eines Operationsverstärkers 22 gelegt, dessen Ausgang an einen Ausgangstransistor T, gegeben wird, um einen Ausgangsstrom zu erzeugen, der der Spannung V_Q proportional ist. Dieser Strom variiert entsprechend mit der Winkeldrehung der Eingangswelle.

Der Verstärker 22 gleicht eine Rückkopplungsspannung V_f, die an einem RUckkopplungswiderstand R^ im Ausgang des Transistors T₃ erzeugt wird, mit der Eingangsspannung V_Q aus, die an den Verstärker angelegt wird. An den Eingang des Verstärkers 22 wird ferner eine konstante Spannung gelegt, die von einer Zener-Diode 24 über ein Potentiometer 23 abgeleitet wird, wobei die Höhe der konstanten Spannung durch das Potentiometer einstellbar ist, um den Ausgangsstrom vorzuspannen, so daß der Nullpunkt richtig eingestellt werden kann.

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- yes -Ai

Der Ausgangsstrom wird über eine Zweidraht-Leitung I^ und an eine entfernte Außenstation übertragen, die durch einen Lastwiderstand 25 dargestellt ist, in Reihe mit einer Gleichstromquelle 26. Über die Zweidraht-Leitung wird somit eine Gleichspannung von der Station an den Meßwertumformer gelegt und das Ausgangsstromsignal vom Meßwertumformer an die Station geleitet.

Da der Ausgang eines Strömungsmeßgerätes mit variablem Durchflußquerschnitt wenig Bedeutung unterhalb von 10% hat, ist das Profil der Scheibe 19 so geformt, wie in den Figuren 4A bis 4D gezeigt, d.h. sie ist mit einem zusätzlichen Anstieg und einem zusätzlichen Abfall in den letzten 8 Grad der Scheibe an diametral gegenüberliegenden Randpunkten versehen. Der Zusammenhang zwischen den Anstiegs- und Abfall-Positionen des Randprofiles und den Luftspalten G- und Gj bei einem Eingangswinkel wenn der Zeiger 18 auf der Welle 17 sich in seiner 100%-Skalenposition befindet, ist in Fig. 4A gezeigt. Der Zusammenhang bei einer 50%-Skalenstellung ist in Fig. 4B gezeigt, bei 8%-Skalenstellung in Fig. 4C und bei Null %-Skalenstellung in Fig. 4D. Es ist zu erkennen, daß der stufenförmige übergang in den ansteigenden und abfallenden Abschnitten bei 8% in der vertikalen Achse liegt.

Der Zusammenhang zwischen der Eingangswelle für einen Skalenausschlag von 0% bis 100% und dem Ausgangsstrom (4 bis 20 mA Gleichstrom) ist somit ein geradliniger Anstieg, wie in Fig. 5 gezeigt ist, außer zwischen 0% und 8%, wo der Strom abfällt.

Bei dem Wandler nach Fig. 6 sind anstatt einer Scheibe mit variabler Permeabilität, die mit den Luftspalten G₁

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und Gj der Spulen L. und L₂ wie nach Fig. 2 zusammenarbeitet, zwei solcher Scheiben 19' und 19" mit profiliertem Rand vorgesehen, die parallel auf der Welle 17 angeordnet sind.

Die Spulen L. und L₂ sind bei dieser Ausfuhrungsform so angeordnet, daß ihre Luftspalte G₁ und G- Positionen relativ zu den entsprechenden Kanten der Scheiben 19' und 19" einnehmen, so daß wenn der Bereich der Scheibe 19', der innerhalb des Luftspaltes G^ liegt, abnimmt, der Dereich des Randes der Scheibe 19" zunimmt, um ein sich veränderndes Induktivitätsverhältnis zu erzeugen.

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Leerseite

Claims

Patentansprüche

, 1. Umformer zum Erzeugen eines elektrischen Stromes, der ^— direkt proportional zum Grad einer Winkelbewegung einer Eingangswelle ist, gekennzeichnet , durch einen Wandler mit differentieller Induktivität, der aus einem Paar von Spulen gebildet ist, von denen jede einen Kern aufweist, der einen Luftspalt bildet, einer Scheibe mit variabler Permeabilität, die auf der Eingangswelle angeordnet ist und so mit den Luftspalten zusammenwirkt, daß bei einer Änderung des Winkels der Bereich der Scheibe, der innerhalb eines Spaltes ist, zunimmt, während der Bereich, der innerhalb des anderen Spaltes liegt, abnimmt, daß die Scheibe einen profilierten Rand aufweist und die Luftspalte diametral gegenüberliegend bezüglich des Randes angeordnet sind, wodurch das Induktivitätsverhältnis des Spulenpaares entsprechend der Winkelverschiebung variiert, sowie durch einen Meßwertumformer, der mit dem Spulenpaar gekoppelt ist und auf das variierende Induktivitätsverhältnis anspricht, um einen entsprechenden Strom zu erzeugen.
2. Umformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der profilierte Rand der Scheibe mit einer Stufe versehen ist, um über einen Anfangsbereich der Winkeldrehung der Scheibe den Strom abzusenken.
3. Umformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Welle mit einem drehbaren Nachfolgemagneten verbunden ist, der magnetisch mit

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ORIGINAL INSPECTED

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einem Permanentmagneten gekoppelt ist, der an einem Schwebekörper eines Strömungsmeßgerätes mit variablem Durchflußquerschnitt befestigt ist, so daß beim Steigen und Fallen des Schwebekörpers in dem Rohr entsprechend der Strömungsrate die Welle entsprechend gedreht und ein der Strömungsrate entsprechender Ausgangsstrom erzeugt wird.
4. Umformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Meßwertumformer einen astabilen Multivibrator umfaßt, dessen Rechteckwellenausgang einen Arbeitszyklus hat, der von dem Induktivitätsverhältnis abhängt, und daß der Multivibrator aus über Kreuz gekoppelten Transistoren besteht, mit deren entsprechenden Basiskreisen die beiden Spulen verbunden sind.
5. Umformer nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch Einrichtungen, um den Rechteckwellenausgang des Multivibrators zu integrieren, um eine Spannung zu erzeugen, deren Stärke von dem Induktivitätsverhältnis abhängt.
6. Umformer nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch einen Operationsverstärker, um die Spannung in einen entsprechenden Strom umzuformen.

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