DE2814482A1

DE2814482A1 - Digitale differenzdruckmessvorrichtung

Info

Publication number: DE2814482A1
Application number: DE19782814482
Authority: DE
Inventors: Arthur Robert Abbott; Walter Clark Milliken
Original assignee: SENSOR MATIC Inc
Current assignee: SENSOR MATIC Inc
Priority date: 1977-04-04
Filing date: 1978-04-04
Publication date: 1978-10-19
Also published as: NL7803551A; CA1096195A; GB1603022A; FR2386817A1; FR2386817B1; JPS53123981A; US4091682A

Description

SENSOR-KATIC, INC.

54- Woodport Road

Sparta, New Jersey 07871, USA

28U482

A. GRÜNECKER

D(PL-INa

H. KINKELDEY

DR-INa

W. STOCKMAIR

OR-INa ■ AiE ICAUTECH

K. SCHUMANN

DR RER NAT. - DlPU-PHYS.

P. H. JAKOB

öPu-iNa

G. BEZOLD

DR RER WST- DIFl--CHail

8 MÜNCHEN

MAXIMILIANSTRASSE

4. April 1978 PH 12

Digitale Differenzdruckineßvorrichtung

Diese Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Messen eines Strömungsmittelstromes- Insbesondere bezieht sich diese Erfindung auf eine Vorrichtung, die eine genaue digitale Darstellung der Strömungsmitte!strömungsgeschwindigkeit vorsieht.

Es ist in der Technik durchaus bekannt, die Strömungsgeschwindigkeit eines Strömungsmittels, beispielsweise der Strömungsgeschwindigkeit von öl in einer Rohrleitung, dadurch zu bestimmen, daß man ein Stauteil wie etwa eine Blendenplatte in den Strömungsfluß in der Leitung einsetzt und den Druckunterschied zwischen der stromabwärts und stromaufwärts gelegenen Seite der aufstauenden Blendenplat-

TELEFON (08O) QS SS 62

TELEX

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TELEKOPlEFiER

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te mißt. Wie bekannt, steht die Größe dieser Druckdifferenz durch eine quadratische Funktion im Verhältnis zur Strömungsgeschwindigkeit, d.h., der gemessene Differentialdruck steht für die meisten praktischen Zwecke in indirektem Verhältnis zum Quadrat der Strömungsmittelgeschwindigkeit .

Ein Hauptnachteil bei den gegenwärtig verwendeten Strömungsmittel-Strömungsgeschwindigkeit smeß vorrichtungen liegt darin, daß sie im wesentlichen analog wirkende Vorrichtungen sind. Infolge sowohl ihrer mechanischen Kompliziertheit als auch infolge der Hysterese der verwendeten Membranen bieten diese Vorrichtungen nicht den Genauigkeitsgrad, der häufig erforderlich ist. Ferner erfordert die Bestimmung des Gesamtflusses über einen Zeitraum hinweg, der erforderlich sein kann, beispielsweise in Anwendungsfällen, wo es gewünscht, verschiedenartige Strömungsmittel in vorbestimmten Mengen miteinander zu mischen, mechanische Koppelungen von einer Kompliziertheit, die sowohl zur Abnahme der Genauigkeit als auch zur Zunahme der Ausfallwahrscheinlichkeit der Vorrichtung beiträgt.

Es ist deshalb ein wesentliches Ziel der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte digitale Differenzdurckmeßvorrichtung vorzusehen, mittels deren die vorgenannten Unzulänglichkeiten und Nachteile auf eine überaus wirkungsvolle Weise vermieden werden.

Es ist ein weiteres Ziel dieser Erfindung, eine digitale Differenzdruckmeßvorrichtung vorzusehen, die durch einen hohen Grad an Genauigkeit gekennzeichnet ist.

Es ist ein noch weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, eine digitale Differenzdruckmeßvorrichtung vorzusehen, die durch mechanische Einfachheit gekennzeichnet ist.

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Es ist ein noch weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, eine digitale Differenzdruckmeßvorrichtung vorzusehen, bei der ein Kennzeichen darin liegt, daß eine Information über Strömungsgeschwindigkeit und -menge in digitaler Form vorgesehen wird.

Die Ziele der vorliegenden Erfindung werden, allgemein gesagt, dadurch erreicht, daß man eine digitale Differenzdruckmeßvorrichtung vorsieht, die einen ersten elektromechanischen Wandler bzw. Schwinger (transducer) aufweist, der dazu eingerichtet ist, eine erste Reihe von Impulsen bei einer ersten Frequenz bereitzustellen, einen zweiten elektromechanischen Wandler bzw. Schwinger (transducer), der dazu eingerichtet ist, eine zweite Reihe von Impulsen unter einer zweiten Frequenz vorzusehen, die im umgekehrten Verhältnis zu einer Kraft steht, die am zweiten Wandler angelegt wird, eine kraftaufbringende Einrichtung, die auf eine Druckdifferenz anspricht und geeignet ist, eine Kraft, die in unmittelbarem Verhältnis zur Druckdifferenz

steht, am zweiten Wandler anzulegen, und eine Modulatoreinrichtung, die dazu eingerichtet ist, die erste und die zweite Impulsserie zu empfangen und eine dritte Impulsserie unter einer dritten Frequenz: zu erzeugen, die in unmittelbarem Verhältnis zum Unterschied zwischen der ersten und der zweiten Frequenz steht.

Die Ziele der vorliegenden Erfindung werden auch dadurch erreicht, daß man eine strömungsmittelfordernde Leitung vorsieht, die einen ersten Durchmesser aufweist, eine Einschnüreinrichtung, die innerhalb der Leitung angeordnet ist und einen zweiten Durchmesser aufweist, der kleiner ist als der erste Durchmesser, wobei der Unterschied zwischen den Strömungsmitteldrücken an den gegenüberliegenden Seiten der Einschnüreinrichtung in unmittelbarem Verhältnis zur Strömungsgeschwindigkeit des Strömungsmittels steht, eine erste, auf Druck ansprechende Einrichtung, die in einer ersten Richtung in Abhängigkeit vom Strömungsmittel-

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druck an der einen Seite der Einschnüreinrichtung gedrückt wird, eine zweite auf Druck ansprechende Einrichtung, die in einer zweiten Richtung entgegengesetzt zur ersten Richtung in Abhängigkeit vom Strömungsmitteldruck an der anderen Seite der Einschnüreinrichtung gedrückt wird, und eine Einrichtung, die auf die Stellung der ersten und zweiten, auf Druck ansprechenden Einrichtung anspricht, um eine Reihe von Impulsen unter einer Frequenz vorzusehen, die in unmittelbarem Verhältnis zur Strömungsgeschwindigkeit des Strömungsmittels steht.

Ein besonderer Aspekt der Erfindung liegt in einer hier geoffenbarten Vorrichtung zum Messen einer Druckdifferenz in einer strömungsmittelfordernden Leitung, gekennzeichnet durch die digitale Darstellung der Strömungsmittelgeschwindigkeit und durch ein hohes Maß an Genauigkeit. Der Meßfühlerabschnitt der Vorrichtung umfaßt zwei identische, elektrisch betriebene, piezoelektrische Kristalle. Ein Kristall ergibt eine Serie von Impulsen bei seiner Resonanzfrequenz zur Verwendung als Bezugssignal. Das zweite Kristall ergibt eine Reihe von Impulsen bei einer Frequenz, die im ungekehrten Verhältnis zu einer Kraft steht, die auf das Kristall aufgebracht wird. Der Meßfühler umfaßt ferner zwei (minimal) bogenförmig gekrümmte, rostfreie Stahl-Dichtmembranen, die durch zwei Drücke, die in entgegengesetzten Richtungen wirken, in entgegengesetzte Richtungen gedrückt werden. Die Bewegung der beiden Membranen, die starr miteinander verbunden sind, und die in unmittelbarem Verhältnis zum Größenunterschied der beiden Drücke steht, wird verwendet, um die Kraft auf den zweiten Kristall aufzubringen. Die Impulsverlaufe, die von dem ersten und zweiten Kristall geliefert werden, werden an einem Modulator übertragen, der als seinen Ausgang eine Reihe von Impulsen unter einer Frequenz ergibt, die gleich ist dem Unterschied der Frequenzen, die von dem ersten und dem zweiten Kristall geliefert werden, wobei diese letztgenannte Frequenz, die nachfolgend zu einer Verwendungs- bzw. Aus-

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Wertungsvorrichtung übertragen wird, demzufolge in unmittelbarem Verhältnis zum Unterschied zwischen dem ersten und dem zweiten Druck steht.

Diese Zusammenfassung der Erfindung wird weder als vollkommen abgeschlossene Darstellung noch als Beschränkung der vorliegenden Erfindung betrachtet, wobei allerdings das volle Wesen und der volle Bereich der Erfindung auch unter Bezugnahme auf die gesamte Offenbarung und aus dieser heraus erkennbar ist.

Die vorliegende Erfindung wird noch deutlicher aus ihrer nachfolgenden, detaillierten Beschreibung verständlich, wenn diese im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen gelesen wird, in denen die einzige Figur eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen, digitalen Druckdifferenzmeßvorrichtung ist.

Es folgt nun unter Bezugnahme auf die einzige Figur die Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels; in der Figur ist eine herkömmliche Strömungsmittelförderleitung dargestellt, durch deren Strömungsmittel, entweder flüssig oder gasförmig, strömen kann. Innerhalb der Leitung 2, die einen mit D bezeichneten Durchmesser aufweist, ist eine Blendenplatte 4 angeordnet, die eine Öffnung 6 mit einem Durchmesser aufweist,

der etwas kleiner ist als D. Wie in der

Technik bekannt ist, wird eine derartige Einschnürung herkömmlicherweise zum Messen von Strömungsmittelströmungsgeschwindigkeiten verwendet, wie beispielsweise zur Strömungsgeschwindigkeit von öl in Rohrleitungen. Dies ist aufgrund der Tatsache möglich, daß, wenn ein Strömungsmittel in der Richtung, die vom Pfeil 8 angezeigt ist, durch die Blende 6 strömt, der Strömungsmitteldruck an der stromaufwärts gelegenen Seite der Blendenplatte 4 größer ist als der Druck an der stromabwärts gelegenen Seite. Ferner steht diese Druckdifferenz in unmittelbarem Verhältnis mit

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dem Quadrat der Strömungsmittel-Strömungsgeschwindigkeit. Das Verhältnis zwischen Druck und Strömungsgeschwindigkeit wird durch die Gleichung v² = K (P₁ - P„) ausgedrückt, wobei ν die Strömungsmittel-Strömungsgeschwindigkeit, K eine Konstante, und P. und P die jeweilig stromaufwärts und stromabwärts gelegenen Strömungsmitteldrücke sind.

Eine Meßfühleranordnung, die allgemein mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet ist, umfaßt einen Behälter 12, der aus ' irgendeinem nichtkorrosiven Material wie etwa rostfreiem Stahl hergestellt sein kann, und innerhalb dessen eine Inertgasatmosphäre aufrechterhalten wird. Der Behälter 12 ist abgedichtet, um luftdicht zu sein, damit der Meßfühleraufbau verschmutzungsfrei gehalten werden kann. Bei der Ausbildung des Meßfühleraufbaus hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, den Hohlraum innerhalb des Behälters 12 zu evakuieren und dann mit einem Inertgas wie etwa bei~_t spielsweise Stickstoff zu reinigen und zu füllen. Zu diesem Zweck ist ein Kanal 13, der von einem Stöpsel 15 abgedichtet sein kann, im Behälter 12 vorgesehen. Die Anwesenheit der Inertgasatmosphäre umgeht die Notwendigkeit, ein Sicker- bzw. Ausgleichsloch in den Behälter 12 mit einzubringen, und dies steigert seinerseits die Wahrscheinlichkeit, daß die Kristalle innerhalb des Behälters'verschmutzungsfrei bleiben werden. Eine erste und eine zweite Druckkammer, die mit 14 bzw. 16 bezeichnet sind, sind im Inneren des Behälters 12 angeordnet. Die Kammer 14 ist mittels einer Leitung 18 an die Seite der Strömungsmittelströmungsleitung 2 angeschlossen, die stromaufwärts von der Blendenplatte 4 liegt. Die Kammer 16 ist mittels einer Leitung 20 an die Seite der Strömungsmittelströmungsleitung 2 angeschlossen, die stromabwärts von der Blendenplatte 4 liegt. Es wird deshalb verständlich, daß das Strömungsmittel innerhalb der Kammer 14 einen Druck, der mit P^ bezeichnet ist, gegen seine Wände aufbringt, und daß das Strömungsmittel innerhalb der Kammer 16 einen Druck, der mit P- bezeichnet ist, gegen seine Wände aufbringt.

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Die Kammern 14 und 16 trennt eine Kammer 22, von der zwei Wände teilweise durch bogenartig gekrümmte rostfreie Stahlmembranen 24 und 26 gebildet sind. Die Membranen weisen einen Krümmungsbogen von näherungsweise 0,0005° und eine gleichförmige Dicke zwischen etwa 0,0127 mm und 6,35 mm auf, in der Abhängigkeit von der Größe der Drücke, mit denen der Meßfühler verwendet werden soll. Es hat sich herausgestellt, daß die Verwendung von Membranen, die aus nichtkorrosivem rostfreiem Stahl oder anderen, ähnlichen Metallen mit niedriger Hysterese hergestellt sind und eine derartige physische Ausbildung aufweisen, zu einem Aufbau führt, der nur unter einem minimalen Maß an Hysterese leidet. Die verbleibenden ümfangsoberflachen der Kammer 22 werden vom Behälter 12 gebildet, und die Kammer 22 wird vom Rest des Behälters 12 durch O-Ringe abgedichtet, die mit 28, 28a, 30 und 30a bezeichnet sind und beispielsweise aus Silikon bestehen können. An irgendeiner bequemen Anbringungsstelle innerhalb der Kammer 22 wird ein piezoelektrisches Kristall 29 gehalten, das eine bekannte Eigenfrequenz aufweist, beispielsweise 10 MHz. Der Kristall wird innerhalb eines getrennten luftdichten Behälters (nicht gezeigt) gehalten und wird auch in einer inerten Gasatmosphäre gehalten. Der Zweck, den Kristall 29 derart zu halten, liegt darin, jede Verschmutzung des Kristalls zu vermeiden oder zumindest auf ein Minimum zu reduzieren, die die Eigenfrequenz des Kristalls veranlassen würde, sich zu ändern. In der Kammer 22 ist auch ein zweites piezoelektrisches Kristall 31 angeordnet, das dieselben Eigenschaften aufweist wie das Kristall 29, d.h., die Eigenfrequenz des Kristalls 31 beträgt ebenfalls 10 MHz. Die beiden Kristalle 29 und 3t sind beide temperaturabhängige Kristalle (AT Cut Type) (31°25· aus der Z-Achse) und sind an der Z-Achse montiert, um ihre Genauigkeit auf ein Maximum zu bringen. Zwischen den beiden Membranen 24 und 26 ist ein starrer Träger oder ein starres Teil 32 fest angeschlossen, das aus nichtkorrosivem Material wie etwa rostfreiem Stahl hergestellt ist und zwischen den

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beiden Membranen 24 und 26 eine Abmessung aufweist, die etwa um 0,0254mm größer ist als der Abstand zwischen den ungespannten Membranen, wobei der Träger die Membranen spannt und sie in einer Richtung nach außen wölbt, und somit die Membranen veranlaßt, wie bereits vorher festgestellt, bogenförmig gekrümmt zu sein. Der Träger 32 läßt sich in Übereinstimmung mit der Bewegung der Membranen 24 und 26 frei bewegen. Ein starres Verlängerungsteil 34, das aus nichtkorrosivem Metall wie etwa rostfreiem Stahl gebildet ist und Abmessungen von im allgemeinen etwa 6,35mm χ 6,35mm und eine Länge von weniger als 25,4mm aufweist, ist an seinem einen Ende starr am Träger 32 angeschlossen, und ein starrer Stab oder Stachel 36 aus nichtkorrosivem rostfreiem Stahl und mit einer Länge von' etwa 12,7mm ist starr am anderen Ende des Verlängerungsteils 34 angeschlossen. Der Stachel 36 ist so angeordnet, daß er in geeigneter Weise positioniert ist, um einen Druck auf den Kristall 31 mittels seiner fein zulaufenden Spitze auszuüben, wenn die Bewegung des Stachels von der Bewegung des Trägers 32 verursacht wird, dessen Bewegung ihrerseits von der Bewegung der Membranen 24 und 26 verursacht wird.

Eine Steuereinrichtung 38 ist außerhalb des Behälters 12 angeordnet und ist elektrisch mit der Meßfühlereinheit gekoppelt, die innerhalb des Behälters 12 angeordnet ist. Die Steuereinheit 38 umfaßt eine herkömmliche elektronische Kristallerregerschaltung und eine herkömmliche Modulatorschaltung, die beide in der Technik bekannt sind, und deshalb weder gezeigt noch eingehender beschrieben sind. Der Kristallerregerabschnitt der Steuerschaltung 38 ist mittels eines Leiters 40 am Kristall 29 angeschlossen und erregt den Kristall, um bei seiner Resonanzfrequenz zu schwingen und hierbei eine Impulsfolge bei einer derartigen Frequenz zu erzeugen. Der Kristall 29 ist auch über einen Leiter 42 an die Steuereinrichtung 38 angeschlossen, um die Ausgangsimpulse des Kristalls 29 zu ihrem Modulatorabschnitt abzugeben. Der Erregerabschnitt der Steuerschal-

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tung 38 ist auch mittels eines Leiters 44 am Kristall 31 angeschlossen und erregt hierbei den Kristall 31, daß er schwingt und eine Reihe von Ausgangsimpulsen erzeugt. Der Kristall 31 ist ferner an der Steuereinrichtung 38 über einen Leiter 46 angeschlossen, um die Ausgangsimpulsfolge des Kristalls 31 an ihren Modulatorabschnitt abzugeben.

Der Betrieb der Vorrichtung wird nun im einzelnen beschrieben. Ein Strömungsmittel, sei es nun gasförmig oder flüssig, das in der Leitung 2 in der Richtung strömt, die durch den Pfeil 8 angezeigt ist, tritt durch die Blende in der Blendenplatte 4 hindurch. Da, wie oben festgestellt, die Blende 6 einen Durchmesser aufweist, der kleiner ist als der Durchmesser der Leitung 2, ist der Strömungsmitteldruck P₁ an der stromaufwärts gelegenen Seite der Platte größer als der Strömungsmitteldruck P an der stromabwärts gelegenen Seite der Platte 4. Ein Teil des Strömungsmittels strömt unter dem Druck P₁ über die Leitung 18 in die Kammer 14, und ein Teil des Strömungsmittels strömt unter dem Druck P„ über die Leitung 20 in die Kammer 16. Das Strömungsmittel in der Kammer 14 wirkt mit dem Druck P₁ gegen die rostfreie Stahlmembran 24 und drückt sie in einer ersten Richtung (von links nach rechts wie in der Figur dargestellt). Das Strömungsmittel in der Kammer 16 tfirkt unter einem Druck P₂ gegen die Membran 26 und es drückt sie in einer zweiten Richtung entgegengesetzt der ersten Richtung (von rechts nach links, wie in der Figur zu sehen ist). Die beiden Membranen sind miteinander durch den starren Träger 32 beispielsweise durch eine Schweißverbindung starr verbunden, und deshalb werden sich die beiden Membranen ersichtlicherweise gemeinsam bewegen. Mit der Richtung des Strömungsmittelstroms in der Leitung 2, wie sie durch den Pfeil 8 angezeigt ist, wird die Druckdifferenz P₁-P- die Membranen 24 und 26 veranlassen, sich nach rechts zu bewegen, wie in der Zeichnung gezeigt ist. Ferner ist es verständlich, daß, je größer die Strömungsgeschwindigkeit ist, umso größer auch der Druckunterschied

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P₁ - P₂ und umso größer auch der Abstand ist, um den sich die Membranen nach rechts bewegen. Umgekehrt wird, falls kein Stromungsmittelstrom vorliegt, der Differenzdruck P- - P„ Null sein und deshalb wird keine Membranbewegung vorliegen .

An dieser Stelle ist es geeignet, festzustellen, daß die Membranen 24 und 26 in Aufbau und Ausbildung identisch sind. Sie sind, wie bereits vorher vermerkt, aus nichtkorrosiven rostfreien Stahl hergestellt, so daß es ziemlich unwahrscheinlich ist, daß sie eine chemische Reaktion mit dem Strömungsmittel in den Kammern 1'4 und 1.6 eingehen, und sie sind vorgespannt, so daß sie einen Krümmungsbogen von etwa 0,0005° aufweist. Diese Membrankrümmung wurde aus gewählt, weil, wie oben vermerkt, es herausgefunden wurde, daß eine derartige Krümmung dazu neigt, die Hysterese der Membranen auf ein Minimum zu reduzieren und hierbei die Genauigkeit der vorrichtung wesentlich zu erhöhen·

Wie oben angezeigt, ist das Kristall 29 ein Kristall, das so ausgewählt ist, daß es hochgenau und stabil ist, und es wird getrennt in einer inerten Atmosphäre gehalten, um seine Stabilitätzextdauer zu erhöhen. Das Kristall 29 wird elektronisch durch die Steuereinrichtung 3 8 über eine elektrische Verbindung 40 erregt, und das Signal gibt als sein Ausgangssignal eine Reihe von Impulsen bei einer bekannten Resonanzfrequenz wie beispielsweise bei 10 MHz ab. Aus Gründen der Bequemlichkeit ist das Kristall 3t so ausgewählt, daß es identisch ist dem Kristall 29, doch es wird aus der nachfolgenden Erörterung deutlich, daß dies nicht notwendig ist. Der Stachel 36 ist so angeordnet, daß, wenn kein Strömungsmittelstrom in der Leitung 2 vorliegt (P^ und P₂ deshalb gleich sind und die Membranen 24 und 26 aus ihrer unbelasteten Bewegung nicht herausbewegt sind) des Stachels 36 an den Kristall 3t angrenzend liegt, doch keinerlei Druck auf diesen ausübt. Der Kristall 3t wird, wie oben vermerkt, von der Steuereinrichtung 3 8 über eine

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elektrische Verbindung 44 erregt und erweist genauso wie ■ der Kristall 29 ein Ausgangssignal auf, das eine Impulsfolge bei der Resonanz- bzw. Eigenschwingungsfreguenz des Kristalls aufweist, hier also bei 10 MHz. Es ist allerdings bekannt, daß, wenn eine Kraft auf einen derartigen piezoelektrischen Kristall ausgeübt wird, die Ausgangsimpulsfrequenz vom Kristall abnimmt, wenn der auf den Kristall ausgeübte Druck zunimmt. Es wird deshalb verständlich, daß, wenn die Strömungsmittelgeschwindigkeit in der Richtung des Pfeils 8 zunimmt (und hierbei die Druckdifferenz P₁ - P₂ erhöht und die Membranen 24 und 26, den Träger 32 und den Stachel 36 veranlaßt, sich weiter und mit einer größeren Kraft nach rechts bewegen, wie in der Figur gezeigt), die Frequenz des Ausgangssignals vom Kristall 31, d.h. die Impulsfolge, die dem Modulatorabschnitt der Steuereinrichtung 38 zugeführt wird, abnehmen wird. Wenn umgekehrt die Strömungsmittelströmungsgeschwindigkeit abnimmt, dann werden sich die Membranen 24 und 26, der Träger 32 und der Stachel 36 um einen geringeren Abstand und mit einer geringeren Kraft nach rechts bewegen, und der Stachel 36 wird deshalb eine geringere Kraft auf den Kristall 31 ausüben und hierbei die Frequenz des Ausgangssignals vom Kristall 31 veranlassen, zur Eigenschwingungsfreque.nz des unbelasteten Kristalls hin zuzunehmen. Es wird nun ersichtlich, daß der Ausgang des Modulatorabschnitts der Steuerschaltung 38, der eine Impulsfolge bei einer Frequenz darstellt, die gleich ist dem Unterschied der Ausgangsfrequenz der Kristalle 29 und 31, in unmittelbarem Verhältnis zur Kraft steht, die auf den Kristall 31 von dem Stachel 36 aufgebracht wird, was umgekehrt ein unmittelbares Verhältnis zur Geschwindigkeit des Strömungsmittelstroms in der Leitung 2 herstellt.

Es wird nun verständlich, daß, obwohl es aus Gründen'der leichteren Darstellung der vorliegenden Erfindung als Verwendung zweier identischer piezoelektrischer Kristalle beschrieben wurde, es nicht notwendig ist, daß die Kristalle

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identisch sind, insoweit jede Impulsfrequenz, die vom Modulatorabschnitt der Steuereinrichtung 38 erzeugt wird, als der Pegel für die Strömungsgeschwindigkeit 0 verwendet werden kann. Deshalb können die Kristalle 29 und 31 beispielsweise so gewählt werden, daß sie Eigenschwingungsfrequenzen von 10 MHz bzw. 5 MHz aufweisen. In einem derartigen Fall entspricht ein Impulsausgang bei einer Frequenz von 5 MHz vom Mödulatorabschnitt der Steuereinrichtung 38 einer Strömungsgeschwindigkeit 0, und eine positive Strömungsgeschwindigkeit führt dazu, daß der Modulator eine Impulsausgangsfrequenz zwischen 5 MHz und 10 MHz abgibt.

Die Mühelosigkeit, mit der die vorliegende Vorrichtung geeicht werden kann, wird nun ohne weiteres ersichtlich. Somit verursacht das einfache Schließen eines Ventils in der Leitung 2 an der stromabwärts gelegenen Seite der Blendenplatte4 gleiche Drücke P^ und P„, da die Strömungsmittel-Strömungsgeschwindigkeit 0 sein wird. Unter einer derartigen Betriebsbedingung ist die Frequenz vom Modulatorabschnitt der Steuereinrichtung 38 in dem Fall 0, in dem die Kristalle 29 und 31 identisch sind. Falls aber (infolge beispielsweise der Alterung oder Verschmutzung) die unbelasteten Eigenschwingungsfrequenzen der beiden Kristalle nicht identisch sind, kann die Grundlinie für den strömungsfreien Zustand auf jede Impulsfrequenz, eingestellt werden, die vom Modulator abgegeben wird. Wenn beispielsweise in Betriebsumständen, in denen kein Strömungsinittelstrom in der Leitung 2 vorliegt, und die Impu1sausgangsfrequenz des Modulatorabschnitts der Steuereinrichtung 38 100 KHz beträgt, dann ist, wie verständlich ist, die unbelastete Eigenschwingungsfrequenz des Kristalls 31 nun 9,9 MHz, statt der gewünschten 10 MHz. Es ist allerdings eine einfache Angelegenheit, die Meßanlage, beispielsweise einen digitalen Computer derart einzustellen, daß er in der Lage ist, das 100 KHz-Signal als Grundsignal zum Bestimmen der Strömungsmittel-Strömungsgeschwindigkeit zu benutzen. Al-

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les was erforderlich ist, ist eine Anweisung an den Computer, die Modulatorausgangsfrequenz abzüglich 100 KHz anstelle der Modulatorausgangsfrequenz bei Strömungsge— schwindigkeitsberechnungen zu verwenden.

Es ist nun ersichtlich, daß die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zum Messen eines Druckdifferentials vorsieht, die hochgenau und mechanisch einfach ist. Da ferner die Information, die von der Vorrichtung abgegeben wird, in digitaler Form anstelle analoger Form vorliegt, ist sie ohne weiteres verwendbar, um eine andere gewünschte Information zu bestimmen, wie etwa die Gesamtströmungsmenge usw.. Ferner kann die in digitaler Form vorliegende Information über Draht-oder Funkverbindung übertragen (und empfangen) werden. Schließlich kann der Aufbau derart angeordnet sein, daß er eine Information zum Steuern der Strömung in überwachten Rohrsystemen empfängt. .

Es wird nun verständlich, daß die vorangegangene Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung zum Zweck der Erläuterung vorgenommen wurde, und daß verschiedenartige bauliche und betriebliche Merkmale, wie sie voranstehend geoffenbart sind, einer Anzahl von Anpassungen und Änderungen unterzogen werden können, wobei keine Anpassung oder Änderung irgendein Abweichen vom Gedanken und Umfang der vorliegenden Erfindung nach sich zieht, wie sie in den vorliegenden Unterlagen und insbesondere in den Ansprüchen definiert ist.

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Claims

PATENTANWÄLTE A. GRÜNECKER

DIPL-ING.

H. KlNKELDEY

28U482

W. STOCKMAIR

DR-ING.-AeE(CALTECH)

K. SCHUMANN

DR FER NAT · QPU-PH¹ZS.

P. H. JAKOB

DiPL-ING.

Θ. BEZOLD

DR RER NÄH- QFL-CHBW.

8 MÜNCHEN

MAXlMlLiANSTRASSE

Ansprüche

1J Digitale Differenzdruckmeßvorrichtung, gekennzeichnet durch:

- einen ersten elektromechanischen Wandler bzw. Schwinger (29), der dazu eingerichtet ist/ eine erste Impulsfolge bei einer ersten Frequenz zu erzeugen,

- einen zweiten elektromechanischen Wandler bzw. Schwinger (31), der dazu eingerichtet ist, eine zweite Impulsfolge bei einer zweiten Frequenz zu erzeugen, die in umgekehrtem Verhältnis zu einer Kraft steht, die auf den zweiten Schwinger ausgeübt wird,

- eine Kraftaufbringungseinrichtung (24, 26, 32, 34, 36), die auf einen Druckunterschied anspricht und dazu eingerichtet ist, eine in unmittelbarem Verhältnis zum Druckunterschied stehende Kraft auf den zweiten Schwinger auf zubr ingen, und

- eine Modulatoreinrichtung (38) , die dazu eingerichtet ist, die erste und die zweite Impulsfolge zu empfangen und eine dritte Impulsfolge bei einer dritten Frequenz, zu erzeugen, die in einem Verhältnis zum Unterschied zwischen der ersten und zweiten Frequenz steht.

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TELEFON (OSS) 22 28 62 TELEX 00-20 380 TELEQRAMMEi MONAPAT TELEKOPIERER

ORIGINAL INSPECTED

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2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite elektromechanische Schwinger piezoelektrische Kristalle (29, 31) sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und zweite Kristall (29, 31) elektrisch erregt sind und im allgemeinen identische Charakteristiken aufweisen.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Aufbringen von Kraft' die folgenden Merkmale aufweist:

- eine erste Membran (24), die in einer, ersten Richtung in Abhängigkiet von einem ersten Druck gedrückt wird, der in der ersten Richtung wirkt,

- eine zweite Membran (26), die in einer zweiten Richtung entgegengesetzt zur ersten Richtung in Abhängigkeit von einem zweiten Druck gedrückt wird, der in der zweiten Richtung wirkt, und

- eine Vorspanneinrichtung (32) , die mit der ersten und zweiten Membran gekoppelt ist und dazu eingerichtet ist, sich in Abhängigkeit von der Bewegung der Membranen zu bewegen.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspanneinrichtung die folgenden Merkmale aufweist:

- ein starres Teil (32), das zwischen der ersten und der zweiten Membran (24, 26) angeschlossen ist, und

- eine starre Stange (34, 36), die am Teil angeschlossen ist und dazu eingerichtet ist, eine Kraft auf den zweiten Schwinger (3t) aufzubringen, die in unmittelbarem Verhältnis zur Bewegung des Teils steht.

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6. Digitale Differenzdruckmeßvorrichtung, gekennzeichnet durch:

- eine Strömungsmittelfordernde Leitung (2) mit einem ersten Durchmesser (D),

- eine Einschnüreinrichtung (4, 6), die in der Leitung angeordnet ist und einen zweiten Durchmesser aufweist, der kleiner ist als der erste Durchmesser, wobei der Unterschied zwischen den Strömungsmitteldrücken an den gegenüberliegenden Seiten der Einschnüreinrichtung in unmittelbarem Verhältnis zur Strömungsgeschwindigkeit des Strömungsmittels steht,

- eine erste auf Druck ansprechende Einrichtung (24)_r die in Abhängigkeit vom Strömungsmitteldruck an der einen Seite der Einschnüreinrichtung in einer ersten Richtung gedrückt wird,

- eine zweite auf Druck ansprechende Einrichtung (26), die in einer zweiten Richtung entgegen der ersten Richtung in Abhängigkeit vom Strömungsmitteldruck an der anderen Seite der Einschnüreinrichtung gedrückt wird, und

- eine Einrichtung (29, 31, 32, 34, 36), die auf die Positionierung der ersten und zweiten auf Druck ansprechenden Einrichtung anspricht, um eine Impulsfolge unter einer Frequenz zu erzeugen, die in unmittelbarem Verhältnis zur Strömungsgeschwindigkeit des Strömungsmittels steht.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die auf die Positionierung ansprechende Einrichtung die folgenden Merkmale aufweist:

- eine erste impulserzeugende Einrichtung (29) zum Erzeugen einer ersten Impulsfolge unter einer vorgewählten Frequenz,

- eine zweite impulserzeugende Einrichtung (3t) zum Erzeugen einer zweiten Impulsfolge unter einer Frequenz, die im Verhältnis zur Positionierung der ersten und zweiten, auf Druck ansprechenden Einrichtung steht, und

- eine Modulatoreinrichtung (38) zum Empfangen der ersten

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und zweiten Impulsfolge und zum Erzeugen einer Impulsfolge unter einer Frequenz, die in einem Verhältnis zum Unterschied zwischen den Frequenzen der ersten und zweiten Impulsfolge steht.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite impulserzeugende Einrichtung jeweils elektrisch erregte piezoelektrische Kristalle sind (29, 31).
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite auf Druck ansprechende Einrichtung jeweils bogenförmig gekrümmte rostfreie Stahlmembranen (24, 26) sind, die einen Krümmungsbogen von etwa 0,0005° aufweisen.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die auf die Bewegung ansprechende Einrichtung ferner die folgenden Merkmale aufweist:

- ein starres Teil (32), das zwischen der ersten und der zweiten Membran (24, 26) angeschlossen ist, und

- eine starre Stange (34, 36), die am starren Teil angeschlossen ist und sich in Abhängigkeit von der Bewegung der Membranen bewegt, um eine Kraft auf den zweiten piezoelektrischen Kristall (31) aufzubringen.

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