DE2757286A1

DE2757286A1 - Messanordnung fuer ein stroemungsmessgeraet

Info

Publication number: DE2757286A1
Application number: DE19772757286
Authority: DE
Inventors: Peter J Herzl
Original assignee: Fischer and Porter Co
Current assignee: Fischer and Porter Co
Priority date: 1977-02-14
Filing date: 1977-12-22
Publication date: 1978-08-17
Also published as: FR2380535A1; JPS53100855A; US4083241A; GB1591896A; FR2380535B3; US4134297A; US4094194A

Description

Patentanwälte DIpI Ing. Fan - "iiif-cn Müller Dr. rer. ri;r. ;.·: ; r.. Berendt

y Lucile-Grohn-StroBe 38 D 6 München 80

Fischer & Porter Company Warminster, Pennsylvania (V.St.A.)

Case 116

Meßanordnung für ein StröinungsineBgerät

Lh/fi

809833/0705

Die Erfindung betrifft eine Meßanordnung für ein StrÖmungsmeßgerät vom Wirbeltyp, die insbesondere unempfindlich gegen Rauschen ist, zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids, wobei fluidische Impulse erzeugt werden, deren Frequenz eine Funktion der Strömungsgeschwindigkeit des Fluids ist.

Strömungsmeßgeräte vom Wirbeltyp werden verwendet, um die Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids zu messen, das durch eine Leitung strömt, wobei fluidische Impulse oder Schwingungen erzeugt werden, deren Frequenz mit der Strömungsgeschwindigkeit variiert. Es sind zwei Arten von Wirbelmeßgeräten handelsüblich käuflich, sogenannte Drallmeßgeräte und solche mit einem Hinderniskörper. Die Erfindung ist nicht auf diese speziellen Typen beschränkt, sondern für alle Formen von hydrodynamischen Schwingungsmeßgeräten verwendbar, in denen fluidische Veränderungen gemessen werden, um ein Signal abzugeben.

In Drallmeßgeräten, wie z.B. in dem US-Patent Re. 26 410 beschrieben, wird einem homogenen Fluid, dessen Strömungsrate gemessen werden soll, eine Drallkomponente erteilt. Dies wird erreicht, indem das Fluid in den Einlaßabschnitt eines Rohres eingeleitet wird, das einen festen Satz von Drallflügeln hat, die dem durchströmenden Fluid eine Drallbewegung erteilen. Stromabwärts der Drallflügel in dem Rohr ist eine Venturi-Düse, die zuerst den Strömungsdurchgangskanal verengt und dann erweitert, um die Drallbewegung in eine Präzessionsbewegung im sich erweiternden Bereich des Venturi-Abschnittes umzuformen, um einen Wirbel zu erzeugen.

In handelsüblichen Drallmeßgeräten werden die periodischen Veränderungen mit Hilfe einer Sonde gemessen, die in dem Meßgerät quer mit Bezug zur Längsachse des Gerätes in einem Bereich angeordnet ist, wo die WirbelprÄzession nahe der Innenwand des Rohres liegt. An der Spitze der Sonde ist ein geheizter Thermistor angeordnet, der die Frequenz der

809833/0705 -

Präzession feststellt.

In dem Drallmeßgerät arbeitet der Thermistor in seinem Eigenwärmebereich durch Anlegen eines konstanten Stromes, um ihn auf eine Temperatur über derjenigen der durch das Meßgerät strömenden Flüssigkeit zu erwärmen. Bei einer gegebenen Geschwindigkeit des Fluids nimmt infolge des an ihm vorbeifließenden Fluids sein Widerstand merklich zu wegen der Kühlwirkung des Flüssigkeitsstromes.

Insoweit der an den Thermistor angelegte Strom konstant gehalten wird, führt eine Zunahme seines Widerstandes zu einer Zunahme der Spannung. Jede Zunahme der Geschwindigkeit, wie z.B. diejenige, die durch einen fluidischen Wirbel erzeugt wird, kühlt weiterhin den Thermistor, was zu einer weiteren Zunahme der Spannung -führt. Die im Thermistorkreis erzeugten Spannungsänderungen infolge der zyklischen Veränderungen der örtlichen Fluidgeschwindigkeiten, haben eine Frequenz, die von der Strömungsgeschwindigkeit abhängt und stellen das Ausgangssignal dar. Bei einem Meßgerät vom Wirbeltyp mit einem Hinderniskörper, wie z.B. in den US-Patenten 3 116 639 und 3 587 312 beschrieben, ist der Körper in der Leitung quer zu der Längsachse der Strömung eingebaut, um fluidische Schwingungen zu erzeugen, deren Frequenz proportional zur Strömungsgeschwindigkeit ist. Im US-Patent 3 587 312 werden diese fluidischen Schwingungen durch ein Paar geheizter Thermistoren aufgenommen, die in ähnlicher Weise arbeiten, wie diejenigen, die oben in Verbindung mit dem Drallmeßgerät beschrieben wurden.

Die vorhandenen Thermistoren für Wirbelmeßgeräte haben mehrere Nachteile, unter anderem Zerbrechlichkeit, schwachen Frequenz-Response, hohe Leistungsaufnahme, sowie hohe Kosten und begrenzte kommerzielle Verwendbarkeit.

809833/0705

In dem US-Patent 4 015 472 ist ein Strömungsmeßgerät vom Wirbeltyp beschrieben, in welchem ein piezo-elektrischer Sensor durch Wirbelimpulse betätigt wird, um eine alternierende Spannung mit einer Frequenz zu erzeugen, die der Impulsfrequenz entspricht. Diese alternierende Spannung wird verarbeitet, um ein entsprechendes Rechteckwellensignal zu erzeugen, das über einen elektronischen Schalter die Ladung und Entladung einer Gruppe von Kondensatoren steuert. Dieser Schaltkreis ist so aufgebaut, daß der durchschnittliche Schaltergleichstrom direkt proportional zur Frequenz des Rechteckwellensignales ist und dieses seinerseits ist direkt proportional zur Frequenz der gemessenen Wirbel.

Der durchschnittliche Schaltergleichstrom wird gefiltert und dann an eine Summierklemme am Eingang eines Operationsverstärkers gelegt, dessen Ausgang über einen Rückkopplungswiderstand an eine Iweidraht-Ubertragungsleitung gelegt wird, die zu einer entfernten Empfangsstation führt, die eine Gleichstromquelle enthält sowie ein Strommeßelement, die in Reihe zueinander und zu der Übertragungsleitung liegen, um einen veränderlichen Ausgangsstrom in einem verwendbaren Bereich (4 bis 20 mA-Gleichstrom) zu erzeugen, der eine Anzeige für die Strömungsgeschwindigkeit ist.

Eine ähnliche piezo-elektrische Sensoranordnung ist in dem US-Patent 3 948 098 beschrieben, in welcher das piezoelektrische Signal die Ladung und Entladung einer Gruppe von Kondensatoren steuert, um einen Durchschnitts-Ladestrom zu erzeugen, der die Frequenz der Wirbelbildung darstellt und einen Ausgangsverstärker in einer Rückkopplungsanordnung steuert, um ein Gleichstromsignal über eine Zwei-Draht-Ubertragungsleitung zu erzeugen, die zu einer entfernten Station führt.

809833/0705

In diesem Patent sind die entgegengesetzten Elektroden des piezo-eiektischen Meßelementes über entsprechende Eingangswiderstände mit den Eingangsklemmen eines Operationsverstärkers verbunden. Da piezo-elektrische Sensoren, die für diese Anordnung geeignet sind, durch praktische Gesichtspunkte auf sehr kleine Größen beschränkt sind, ist die Kapazität solcher Sensoren sehr niedrig und sie liegt im allgemeinen in der Größenordnung von wenigen Picofarad. Dies bedingt eine sehr hohe Eingangsimpedanz für den zugehörigen Operationsverstärker und die Eingangswiderstände müssen daher einen sehr hohen Wert haben (im Megaohm-Bereich)

Die Eingangsimpedanz des Operationsverstärkers muß gleich der kapazitiven Reaktanz X_c des piezo-elektrischen Elementes bei seiner Mindestarbeitsfrequenz sein. Wenn daher der piezo-elektrische Sensor eine Kapazität von 7500 pF hat und seine Mindestarbeitsfrequenz 10 Hz ist, dann ist der ohmische Wert von X wie folgt:

^xc ⁼ T=irfc " 2 xTTx 1o χ O.OOOOOOOO75 " * ¹²³ °°° ^ohm

Als Folge hiervon muß jeder der Eingangswiderstände einen Wert über einem Megaohm haben. Insofern der Signalausgangspegel sehr niedrig ist, wird die effektive Übertragung dieses Signals sehr schwierig, da Rauschen und Streuleckage infolge Feuchtigkeit, wenn überhaupt, nur schwierig zu vermeiden sind. Bei noch niedrigeren Betriebsfrequenzen oder Werten der Kristallkapazität steigt die Impedanz entsprechend, wodurch dieses Problem weiter erschwert wird.

In dem zuletztgenannten Patent wird dieses Problem erkannt und es wird versucht, die Streukapazität zu reduzieren, indem ein elektrostatischer Schirm um das piezo-elektrische

809833/0705

Element angeordnet wird. In vielen Anwendungsfällen jedoch ist es erwünscht, daß das System frei von temperaturempfindlichen und feuchtigkeitsempfindlichen Komponenten ist. Auch bei einem Sensorsystem nach diesem Patent ist der Sensor bei sehr niedrigen Betriebsfrequenzen des Meßgerätes nicht wirksam, z.B. bei solchen, die in sehr großen Wirbelmeßgeräten auftreten.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine rauschunempfindliche Meßanordnung für ein Wirbelmeßgerät zu schaffen, das in einem sehr breiten Betriebsfrequenzbereich wirksam arbeitet und das sowohl auf extrem niedrige als auch auf hohe Frequenzen anspricht.

Insbesondere ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine piezoelektrische Meßanordnung für ein Wirbelmeßgerät vorzusehen, in welchem der Kristall das frequenzbestimmende Element eines kristallgesteuerten Oszillators ist und eine wesentlich niedrigere scheinbare Impedanz bietet als eine Meßanordnung mit direktem Kristall. Wegan dieser stark reduzierten scheinbaren Impedanz wird eine wesentlich kleinere Menge oder Stärke an Rauschen aufgenommen und das System ist frei von schädlichen Rauschkomponenten.

Die Meßanordnung soll ferner eine niedrige Leistungsaufnahme haben und geeignet in Verbindung mit einem Zwei-Draht-Signalübertrager verwendbar sein, ferner soll die Meßanordnung zuverlässig und leistungsfähig im Betrieb sowie billig sein.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß der Sensor, der auf periodische Druckimpulse anspricht, die von fluidischen Schwingungen in dem Meßgerät abgeleitet werden, die Form eines Resonatorelementes hat, wie z.B. eines piezo-

- 6 -809833/0705

elektrischen Kristalls, der im Kreis eines relativ hochfrequenten Oszillators liegt, dessen Trägerfrequenz durch die normale Resonanzcharakteristik des Elementes in Abwesenheit von angelegten Druckimpulsen bestimmt ist.

Die an das Meßelement angelegten Druckimpulse erteilen dem Trägersignal des Oszillators eine Frequenzmodulation und eine Amplitudenmodulation, wobei jede der beiden Komponenten von der Frequenz der Impulse als Funktion der Strömungsgeschwindigkeit abhängt. Eine dieser Modulationskomponenten wird unabhängig von der anderen demoduliert, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, dessen Frequenz proportional zur Strömungsgeschwindigkeit ist.

Eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung im einzelnen erläutert, in der

Fig. 1 ein Strömungsmeßgerät vom Wirbeltyp zeigt, das in Verbindung mit einer bevorzugten Ausführungsform einer Meßanordnung nach der Erfindung arbeitet.

Fig. 2 zeigt in Form eines Blockdiagrammes eine weitere Ausführungsform der Meßanordnung.

Fig. 3 zeigt in Form eines Blockdiagramms eine dritte Ausführungsform der Meßanordnung.

Die Meßanordnung wird in Verbindung mit einem Wirbel-Strömungsmesser beschrieben, wie er in dem US-Patent 3 946 608 offenbart ist, sie eignet sich aber auch für andere Strömungsmeßgeräte vom Wirbeltyp, in welchen fluidische Schwingungen erzeugt werden, die gemessen werden, um ein Signal zu erzeugen, das die Strömungsgeschwindigkeit angibt.

809833/0705

- ST —

Bei diesem Strömungsmeßgerät vom Wirbeltyp, wie es in Fig. dargestellt ist, wird die zu messende Flüssigkeit durch ein Rohr 10 geführt, das in eine Rohrleitung eingeschaltet ist. Zu diesem Zweck kann das Rohr 10 mit geeigneten Halteflanschen versehen sein, um eine Kopplung mit den Stirnflanschen des stromaufwärtigen und stromabwärtigen Rohrteiles zu ermöglichen.

In dem Rohr 10 ist eine Hindernisanordnung 11 eingebaut, die einen ablenkbaren Abschnitt aufweist, der auf eine Karman-Wirbelschleppe anspricht und in mikroskopische Schwingungen versetzt wird mit einer Frequenz, die proportional zur Strömungsgeschwindigkeit ist. In der Hindernisanordnung ist ein Schwingungsübertrager eingebaut, der aus einer Stange 12 und einer Sonde 13 besteht.

Das Rohr 10, das hier einen kreisförmigen Querschnitt hat, jedoch auch andere Querschnittsformen haben kann, hat einen Einlaß 1OA, in den das zu messende Fluid eingeführt wird. Die Strömung trifft auf ein Hindernis 11, das die Strömung teilt, so daß sie um das Hindernis herumströmt und fluidische Störungen in der Form eines Karman-Wirbels erzeugt. Die Natur dieser Erscheinung ist in dem Artikel "Boundary Layer Theory", McGraw-Hill 1960, erläutert.

Das Hindernis 11 besteht aus einem in Querrichtung eingebauten vorderen Abschnitt 14 und einem hinteren Abschnitt 15, der hinter dem vorderen Abschnitt angeordnet und durch einen freitragenden Träger in Form eines flexiblen Stabes 16 am vorderen Abschnitt befestigt ist. Stromabwärts vom hinteren Abschnitt 15 ist ein Endstück 17 angeordnet. Der vordere Abschnitt 14 ist ein Formblock mit einer dreieckigen oder deltaförmigen Querschnittsform, die über seine Längsachse gleichmäßig ist, wobei diese senkrecht zur Strömungs-

- 8 809833/0705

ΛΛ

achse X des Rohres verläuft. Die Enden des vorderen Abschnittes sind an der Wand des Rohres befestigt, so daß der vordere Abschnitt ortsfest in dem Rohr gehalten ist. Der Scheitel des Blockes 14 blickt in Richtung zur anströmenden Flüssigkeit, seine Seiten sind geneigt und bilden Führungskanten oder -flächen, die von der Flüssigkeit umströmt werden, um Wirbel zu erzeugen.

Der hintere Abschnitt 15 hat die Form eines nicht-stromlinigen Körpers mit einem rechteckigen Querschnitt, der durch den Träger 16 im Abstand vom vorderen Abschnitt gehalten ist, wobei die Ebene des hinteren Abschnittes parallel zur ebenen Babisfläche des vorderen Abschnittes ist. Die Form des hinteren Abschnittes ist derart, daß sie mit der Wirbelschleppe in Wechselwirkung tritt und der Spalt oder Zwischenraum 18 zwischen dem vorderen Abschnitt und dem hinteren Abschnitt sucht die Wirbel einzufangen und die dabei entstehende Wirbelschleppe zu verstärken und zu stabilisieren.

Da der hintere Abschnitt 15 freitragend mit Hilfe des flexiblen Trägers 16 angebracht ist, ist er auslenkbar. Der Träger, obwohl biegbar, hat eine ausreichende Steifigkeit, um nur eine kleine Auslenkung des hinteren Abschnittes zuzulassen. Als Folge der fluidischen Schwingungen, die in dem Rohr erzeugt werden, wird der ablenkbare hintere Abschnitt 15 erregt und mit einer Rate in Schwingungen versetzt, die der Frequenz der fluidischen Schwingungen entspricht .

Die natürliche Resonanz des ablenkbaren hinteren Abschnittes ist derart, daß sie ausreichend entfernt vom normalen Frequenz· bereich des Meßgerätes liegt, so daß mechanische Resonanzspitzen fehlen und die Amplitude der Schwingungebewegung ge-

- 9 -809833/0705

nau die Amplitude der fluidischen Schwingungen wiedergibt. Diese Schwingungsbewegung wird durch das Endstück 17 erhöht. Der stromabwärtige Abschnitt der Hindernisanordnung führt zwei Funktionen aus, denn einmal tritt er in Wechselwirkung mit dem Abstrom und stabilisiert ihn, um seine Meßbarkeit zu erhöhen, zum andern ist die Schwingungsbewegung die Ursache für das Ausgangssignal.

Da das ablenkbare System relativ steif ist, ist die Gesamtaus legung des hinteren Abschnittes sehr klein, auch bei den höchsten Amplituden der fluidischen Schwingungen, so daß eine Metallermüdung des Trägers infolge der Schwingung, wenn sie überhaupt vorhanden ist, minimal ist und Fehler oder Ausfälle auch bei langer Betriebsdauer nicht auftreten.

Die kleinen Schwingungen des ablenkbaren hinteren Abschnittes der Hindernisanordnung werden außerhalb des Rohres 10 gemessen. Hierzu werden die Schwingungen durch die Stange 12 übertragen, deren hinterer Teil in einer Bohrung 19 gefaßt ist, die sich zusammenfallend mit der Achse X des Rohres von einem Punkt etwa in der Mitte des Trägers 16 zu einem Punkt an der Verbindung des hinteren Abschnittes 15 und des Endstückes 17 erstreckt. Der vordere Teil der Stange 12 liegt frei in einer Bohrung 20 mit relativ großem Durchmesser , die in Verbindung mit der Bohrung 19 mit kleinerem Durchmesser steht und die sich in den vorderen Abschnitt 16 erstreckt.

Die Schwingungsbewegung der Stange wird über die Sonde 13 aus dem Rohr heraus übertragen, wobei diese aus einem Federmaterial hergestellt ist, und ein Ende der Sonde in der Wand des Rohres verankert ist. Die Sonde 13 erstreckt sich durch eine innere Bohrung 21, die in dem vorderen Abschnitt 14 längs einer Achse rechtwinkelig zur Rohrachse X ausge-

- 10 -809833/0705

bildet ist, und diese Bohrung fluchtet mit einer kleinen öffnung 22 in der Wand des Rohres. Das freie Ende der Sonde 13 ragt durch die öffnung 22 hindurch und endigt in einem Kupplungskopf 23. Die öffnung 22 im Rohr ist durch eine Gummimembran 24 abgedichtet. Wenn der Kupplungskopf 23 in Eingriff mit einem äußeren Sensor 25 ist, werden die Schwingungen der Stange 12 über die Sonde 13 auf den Sensor 25 übertragen.

Es kann jeder Sensor verwendet werden, der auf eine Schwingung anspricht und ein entsprechendes elektrisches Signal in Verbindung mit dem Kupplungskopf 25 der Sonde erzeugt. Ein geeigneter Sensor ist eine piezo-elektrische Quarzzelle, wie sie unter der Bezeichnung "Piezotron" von der Firma Kistler Instrument, Redmond, Washington, hergestellt wird. Dieser Sensor ist sehr steif und stabil und er spricht auf kleine Kräfte und Kraftänderungen an und er ist in Umgebungen verwendbar, die durch Schmutz, Staub oder Feuchtigkeit verschmutzt sind, ohne nachteilige Auswirkung auf die Signalübertragung .

Der Kristallsensor 25 stellt das frequenzbestimmte Element oder den Resonator eines hochfrequenten Träger-Oszillators 26 dar, z.B. eines kristallgesteuerten Oszillators, wie er gegenwärtig in elektronischen Uhren verwendet wird, und seine Arbeitefrequenz liegt über 30 000 Hz, um eine Zeitbasis zu schaffen. Ein typischer kristallgesteuerter Oszillator dieser Art ist in dem US-Patent 3 803 827 beschrieben.

Wenn der Sensor 25 vom Kupplungskopf 24 gelöst wird, erzeugt der Oszillator seine normale Ausgangsfrequenz, z.B. eine Trägerfrequenz von 40 000 Hz. Wenn jedoch der Sensor gegen den Kupplungskopf 22 angedrückt wird, wird er mit der Schwingungsfrequenz des Strömungsmeßgerätes bzw. der dort

- 11 -809833/0705

auftretenden Wirbel beaufschlagt, die auf ihn über die mechanischen übertragungselemente 12 und 13 übertragen werden.

Die Resonanzfrequenz des Kristalls wird deshalb frequenzmoduliert (d.h. auf die eine oder andere Seite der Trägerfrequenz verschoben) und zwar durch die Schwingungsfrequenz des Strömungsmeßgerätes, wodurch vom Oszillator 26 ein frequenzmoduliertes Trägersignal erzeugt wird. Ferner wird die Amplitude des Trägersignals amplitudenmoduliert in Übereinstimmung mit der Schwingungsfrequenz.

In der Anordnung nach Fig. 1 ist nur die frequenzmodulierte Komponente des Oszillatorausganges dargestellt, während die amplitudenmodulierte Komponente eliminiert wurde. Dies wird erreicht, indem der Ausgang des Oszillators 26 an einen Amplitudenbegrenzer 27 gelegt wird, dessen konstanter Amplitudenausgang an einen konventionellen FM-Demodulator oder Detektor 28 gelegt wird, der die frequenzmodulierte Komponente aus dem Trägersignal herauszieht, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, dessen Frequenz der Schwingungsfrequenz des Kupplungskopfes 23 entspricht und daher die Strömungsgeschwindigkeit der durch das Meßgerät strömenden Flüssigkeit darstellt.

Der kristallgesteuerte Oszillator-Sensor hat eine Anzahl sehr wichtiger Vorteile gegenüber einem piezo-elektrischen Sensor mit direkter Wirkung, da er sehr niedrige Impedanzen ermöglicht. Wenn beispielsweise ein piezoelektrischer Kristall mit einer normalen Resonanzfrequenz von 40 000 Hz verwendet wird, hat die Impedanz, die gleich der kapazitiven Reaktanz Xc ist, in diesem Beispiel einen Wert von nur 530 0hm.

^{Xc =} 2 TT fC ⁼ 2 χ χ χ 40 000 χ 0,0000000075 ^{= 53}°

- 12 -

809833/0705

Diese niedrige Impedanz ist nahezu ideal für die Signalübertragung und sie vermeidet nahezu vollständig die Leckage oder Streuprobleme, die bei den bisherigen Anordnungen auftreten. Ferner kann die Vorrichtung über einen wesentlich größeren Betriebsfrequenzbereich arbeiten, von der Frequenzmodulation bis herab zu Gleichstrom-Pegeln ohne Verschlechterung, so daß sehr niedrige Arbeitsfrequenzen, wie z.B. solche, die bei großen Wirbel-Strömungsmessern auftreten, ohne Schwierigkeiten verarbeitet werden können, was bei direkten piezo-elektrischen Sensorschaltungen nicht der Fall ist. Auch sehr hohe Arbeitsfrequenzen können mit der vorliegenden Anordnung ohne Schwierigkeiten benutzt bzw. verarbeitet werden.

Die vorliegende Anordnung hat eine weit bessere Rauschimmunität bzw. Rausch-Abweisung als bisherige Anordnungen, was auf zwei Faktoren zurückzuführen ist. Der erste ist das frequenzmodulierte System an sich, da der frequenzmodulierte Detektor nur auf Frequen/erschiebungen anspricht, weshalb Rauschkomponenten, die die Form amplitudenmodulierter Komponenten haben, effektiv durch die Begrenzungswirkung, die dem FM-Detektor vorausgeht, eliminiert werden (anstelle einer Begrenzerschaltung kann auch ein übersteuerter Kristalloszillator verwendet werden, dessen Ausgang eine konstante Amplitude hat, unabhängig von der Verschiebung der Frequenz). Ferner wird jeder Rausch-Gehalt bei Frequenzen außerhalb des Arbeitsbereiches des Oszillators nahezu vollständig von dem FM-Detektor zurückgewiesen. Der zweite Faktor ist die wesentlich niedrigere scheinbare Kristall-Impedanz, die zu einer wesentlich kleineren Rausch-Aufnahme führt. Diese Eigenschaft, d.h. die Immunität gegen Rauschen oder die Rausch-Zurückweisung ermöglicht eine praktisch rauschfreie Signalübertragung.

- 13 -

809833/0705

Bei der Meßanordnung nach Fig. 2 ist das druckempfindliche Kristallelement 25 das frequenzbestimmende Element eines Oszillators 26 in derselben Weise wie in der ersten Ausführungsform. Jedoch ist bei diesem Beispiel der Cteillator 26, der sowohl frequenz- als auch amplitudenmoduliert ist, weder begrenzt noch übersteuert, um die Amplitudenkomponente zu eliminieren, die aus den angelegten Druckimpulsen resultiert. Statt dessen ist der Ausganz des Oszillators 26 an einen Amplituden-Modulationsdetektor 29 gelegt, der ein geeigneter Dioden-Demodulator sein kann, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, dessen Frequenz proportional zur Strömungsgeschwindigkeit ist.

Diese AM-Meßanordnung ist etwas weniger komplex als die FM-Anordnung nach Fig. 1 und sie hat einige, aber nicht alle Vorteile von dieser.

Die Kristall-Impedanz beträgt wieder 530 Ohm, bei einer angenommenen Trägerfrequenz von 40 000 Hz. Und da dies ein Trägersystem ist, kann es denselben Breiten-Frequenzbereich wie das FM-System führen. Während die AM-Anordnung hinsichtlich der Rausch-Abweisung derjenigen des US-Patentes 3 948 O98 überlegen ist, liegt sie deutlich unter derjenigen der frequenzmodulierten Anordnung nach Fig. 1. Der Hauptgrund für die Verwendung eines AM-Systems liegt daher in den etwas niedrigeren Kosten.

In der ersten und der zweiten Ausführungsform ist der Druckimpulssensor ein piezo-elektrisches Kristallelement, das den Resonator eines Träger-Oszillators bildet. Es ist jedoch nicht wesentlich, daß der Resonator ein Kristall ist, da auch andere Arten von druckempfindlichen Resonatoren benutzt werden können. So hat, wie Fig. 3 zeigt, der Resonator die Form eines induktiven Elementes 30, das aus einem Topfkern mit

- 14 809833/0705

Windungen besteht, der das Resonanzelement des Trägeroszillators 26 bildet und dessen normale Betriebsfrequenz bestimmt.

Der Kern 30 1st mit einem ferromagnetlschen Anker 31 versehen, der In Schwingungen versetzt wird, entsprechend den fluidischen Schwingungen, die In dem Meßgerät erzeugt werden. Die Sonde endigt somit anstatt In einem Kupplungskopf 23 wie In Flg. 1, In einem Anker oder einem Sensor, der bezüglich des Kerns des Induktors 30 vor- und zurückschwingt, um den Luftspalt von dessem magictischen Kreis zu verändern und entsprechend die Wicklungsinduktanz zu tragen, wodurch die Trägerfrequenz sowohl frequenzmoduliert als auch amplitudenmoduliert wird.

Wenn das Verbindungsglied zwischen dem Sensor und dem Induktor aus Aluminium oder einem ähnlichen nicht-ferromagnetlschen Leiter besteht, ändern sich die Verluste Im Induktor als Funktion der Schwlngungsfrequenz. Ein magnetisches Verbindungsglied wird vorgezogen für ein frequenzmoduliertes System, während ein leitendes Verbindungsglied Vorteile bei einem amplitudenmodulierten System haben kann.

Fig. 3 zeigt eine frequenzmodulierte Anordnung vom Typ der Fig. 1, in welcher der übersteuerte oder begrenzte Oszillatorausgang an einen FM-Detektor 27 gelegt ist. In der Praxis kann dieser Detektor eine integrierte Schaltung niedriger Leistung sein, wie z.B. der FM-Detektor RCA 4046. Das resultierende Signal, dessen Frequenz proportional zur Strömungsfrequenz ist, wird durch einen üblichen Frequenz-Spannungs-Wandler 32 in eine analoge Spannung umgewandelt. Diese Spannung wird an einen geeigneten Spannungs-Zweidraht-Umformer 33 gelegt, der in Form eines integrierten Kreises ausgebildet sein kann, wie z.B. die National Semiconductor-Einheit LH OOH5.

- 15 -

809833/0705

Der Umformer 33 ist über eine Zweidraht-Leitung 34 an eine entfernte Station 35 geschaltet, die eine Gleichstromquelle 36 hat, die in Reihe mit einem Ausgangs-Lastwiderstand 37 liegt, um an diesem einen Strom zu erzeugen, der in Übereinstimmung mit der analogen Spannung sich ändert, die an den Umformer angelegt wurde, wobei der Strom zweckmäßigerweise in dem nutzbaren Bereich von 4 bis 20 mA/Gleichstrom liegt.

Der induktive Sensor hat dieselben Vorteile wie der piezoelektrische Sensor, obwohl der zugehörige Oszillator nicht so stabil ist, ferner einige Vorteile hinsichtlich Zuverlässigkeit, Kostenstruktur und Temperaturbereich. Die Erfindung ist jedoch nicht auf induktive frequenzbestimmende Elemente bestimmt und in der Praxis kann der druckempfindliche Sensor ein kapazitives oder ein anderes Element sein, das in einen Oszillator eingebaut werden kann, um dessen Betriebs frequenz zu bestimmen.

Das FM-Meßsystem kann auch benutzt werden, um Änderungen der Position anstatt Druckschwankungen zu messen. Es kann auch in Verbindung mit anderen Arten von Strömungsmessern, wie z.B. Turbinen-Meßgeräten und dergleichen verwendet werden, bei denen eine Änderung der Strömungsgeschwindigkeit in eine Änderung einer Reaktionsgröße eines Sensors in einem Oszillator umgeformt wird.

809833/0705

Claims

Patentansprüche

Meßanordnung für ein Strömungsmeßgerät vom Wirbeltyp, die rauschunempfindlich ist, zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit eines durch das Strömungsmeßgerät strömenden Fluids durch Erzeugung fluidischer Impulse, deren Frequenz eine Funktion der Strömungsgeschwindigkeit ist, gekennzeichnet durch einen Sensor, der aus einem Element mit variabler Reaktanz in einem frequenzbestimmenden Kreis eines Träger-Oszillators gebildet ist, der ein relativ hochfrequentes Trägersignal erzeugt, eine Einrichtung zum Anlegen der fluidischen Impulse an den Sensor, um dessen Reaktanz zu verändern, um hierdurch das Trägersignal entsprechend den fluidischen Impulsen zu frequenzmodulieren und zu amplitudenmodulieren, eine Einrichtung, um die Amplitude des frequenzmodulierten Trägersignals auf einem im wesentlichen konstanten Pegel zu halten, um ein frequenzmoduliertes Trägersignal zu erzeugen, wobei diese Einrichtung eine Einrichtung aufweist zum übersteuern des Träger-Oszillators, um ein Ausgangssignal konstanter Amplitude unabhängig von der Verschiebung der Frequenz zu erzeugen, und durch einen Demodulator, der auf den frequenzmodulierten Träger anspricht, um ein rauschfreies, niederfrequentes Ausgangssignal zu erzeugen, das die Strömungsgeschwindigkeit anzeigt.
2. Meßanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Element ein piezo-elektrischer Kristall ist.

809833/0705
3. Meßanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Element ein Induktor ist.
4. Meßanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Strömungsmeßgerät ein Wirbelmeßgerät ist und ein ablenkbares Element aufweist, das in Schwingungen versetzt wird als Funktion der fluidischen Schwingungen, die mechanisch auf das Resonatorelement übertragen werden.

809833/0705