DE2819238A1

DE2819238A1 - Verfahren und geraet zum messen einer gasmenge, insbesondere luft

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Publication number: DE2819238A1
Application number: DE19782819238
Authority: DE
Inventors: Heinz Dipl Ing Holzem; Helmut Dipl Ing Kehrmann; Bernd Ing Grad Portmann
Original assignee: Pierburg Luftfahrtgerate Union GmbH
Current assignee: Pierburg Luftfahrtgerate Union GmbH
Priority date: 1978-05-02
Filing date: 1978-05-02
Publication date: 1979-11-15
Also published as: US4305302A; FR2425057B1; GB2021776B; JPS54149668A; JPS6229729B2; DE2819238C2; FR2425057A1; GB2021776A

Description

Dr.-lng. Reimar König ■ Dipl.-Ing. Klaus Bergen Ceciliensllee 76 A Düsseldorf 3O Telefon 45SQDB Patentanwälte

28. April 1978 32 113 B

Pierburg Luftfahrtgeräte Union GmbH, Bataverstraße 80, 4040 Neuss

"Verfahren und Gerät zum Messen einer Gasmenge, insbesondere

Luft»

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen einer Gasmenge, insbesondere Luft, mit einem volumetrischen, unmittelbaren Gaszähler, der von einem Servomotor angetrieben und dessen Drehzahl aufgrund der zwischen Ein- und Auslaßseite des Gaszählers proportional gemessenen Druckdifferenz so geregelt wird, daß die Druckdifferenz gegen Null geht, sowie ein Gerät zum Durchführen dieses Verfahrens.

Nicht servogetriebene, sondern vom zu messenden Medium unmittelbar angetriebene Gaszähler, sogenannte passive Zähler, sind in den verschiedensten Ausführungen bekannt. Zum Betrieb dieser Geräte wird dem sie durchströmenden, zu messenden Medium die erforderliche Antriebsenergie entnommen, was einen Druckabfall zur Folge hat, der eine nicht mitgemessene Leckmenge durch die unvermeidlichen Spalte zwischen Rotor und Gehäuse fließen läßt. Mit abnehmendem Gasdurchsatz wächst diese Leckmenge gegenüber der angezeigten Menge an, so daß der bei vorgegebenen Fehlergrenzen nutzbare Meßbereich stark eingeengt wird.

Um dieses nachteilige Verhalten zu beheben, sind bereits verschiedene Vorschläge gemacht worden, bei

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denen mit einem Servoantrieb die Rotordrehzahl des Zählers derart beeinflußt wird, daß die gemessene Druckdifferenz und damit auch die Leckmenge zwischen Ein- und Auslaßseite des Zählers gegen Null geht. Derartige servogetriebene Geräte werden im folgenden aktive Zähler genannt.

Anhand des nachfolgenden Zahlenbeispiels wird die Problematik der Druckdifferenzmessung und -regelung verdeut licht. Gemäß dem Hagen-Poiseuille'sehen Gesetz ergibt sich bei der hier vorliegenden durchweg laminaren Spaltströmung gemäß Gleichung (1) folgende pro Zeiteinheit durchge s e tzte Le ckmenge:

(1) Q_L = K₁ . ΔΡ . A

Darin bedeuten: Q_T = Leckmenge pro Zeiteinheit

IL = Beiwert

Δρ= Druckdifferenz

A = effektiver Spaltquerschnitt

i^ = dynamische Zähigkeit des Mediums

Der relative Meßfehler F ist gemäß Gleichung (2) als das Verhältnis von Leckmenge GL zu der gemessenen Menge GL definiert:

(2) F =

Gleichung (1) eingesetzt in Gleichung (2) ergibt:

(3) F = K₁ . A . Ap
V Sn

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Mit der Einführung eines Leckgradienten:

(4) K₂ = K₁ . A

in Gleichung (3) ergibt sieht:

(5) F = Kp 1

Während der Leckgradient Kp von den unvermeidlichen und nur unter großem Kostenaufwand noch reduzierbaren Fertigungstoleranzen des Zählers (effektiver Spaltquerschnitt A) und dem vorgegebenen Medium (n_) abhängt, besteht die Möglichkeit einer äußeren Einflußnahme auf F nur über/vp. Dazu sei folgendes Zahlenbeispiel betrachtet:

Bei einem handelsüblichen passiven Gaszähler für einen Meßbereich von 10 bis 100 m /h wurde ein Leckgradient

K₂ = 0,001 gemessen.

Wird eine Erweiterung des Meßbereichs bis auf Q_1n = 1 m /h und eine Verringerung des Fehlers auf F=+ 0,25% angestrebt, dann beträgt nach Gleichung (5) die zulässige Druckdifferenz, damit der höchstzulässige Fehler nicht überschritten wird:

- ^± £$^ ·¹ G^{1 bar}

ΔΡ = + 2,5 Jj. bar
Eine nennenswerte Verbesserung der Genauigkeit und eine

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Steigerung des Meßbereichs bedingt also eine Regelung der Druckdifferenz *p bis herab zu einem extrem geringen Restwert Δ P_res+ ^{vcm nur} wenigen Mikrobar. Dabei wurde vorausgesetzt, daß die Durchflußmenge Q_m + GL so wenig schwankt, daß das Äp-Regelsystem einschließlich des Servoantriebs mit seiner begrenzten Ansprechgeschwindigkeit noch innerhalb von 4P₃+. folgen kann. In der Praxis ist dies jedoch nicht realisierbar, da die Druckschwankungen, die zumeist in der Rohrleitung vorgegeben sind, bei weitem über das zulässige 4p hinausgehen. Um dafür zu sorgen, daß der zeitliche Mittelwert des Fehlers dann verschwindet, ist es erforderlich, das Integral über Gleichung (5) auf Null zu regeln:

(6) /Pdt = K₂ . i- Γ

dt

Um dieses Integral auf Null regeln zu können, sind entsprechend hohe Anforderungen an die Messung und Regelung von 4p zu stellen bezüglich:

a) Auflösungsvermögen

b) Nullpunktstabilität

c) Linearitätsabweichung

Diese Werte müssen innerhalb weniger Mikrobar liegen, da jede Abweichung darüber hinaus gemäß Gleichung (6) zu einem verzerrten / Fdt (Fehlerintegral) führt, und damit der gewünschte Mittelwert 4p = ο nicht richtig eingeregelt wird.

d) Meßbereich für dp

Der Meßbereich muß selbstverständlich die im Nomtalbetrieb vorkommenden dp-Schwankungen überdecken.

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-S-

e) Überlastbarkeit

Bei gelegentlich starken £p-Stößen darf der Δρ-Geber mechanisch nicht überlastet werden.

Es sind Druckdifferenzmeßgeräte bekannt, die den Anforderungen a) bis e) mit Ausnahme von b) nahezu entsprechen, deren technischer Aufwand jedoch außerordentlich hoch ist. Diese Geräte kommen aufgrund ihrer ungünstigen Kostenrela-

zu

tion zu dem damit verwendenden aktiven Zähler für praktische Anwendungsfälle nicht in Betracht.

Auch sind Lösungsvorschläge bekannt, die sich zwar mit dem allgemeinen Prinzip der aktiven Zähler befassen, jedoch ebenfalls nicht zu einem wirklich brauchbaren Gerät führen. Hierzu ist auf die DE-OS 1 773 651 zu verweisen, die einen aktiven Zähler mit einer induktiv abgetasteten Membran als proportionalen Druckdifferenzgeber beschreibt. Bei diesem Gerät hat sich nämlich gezeigt, daß die Anforderungen a) bis e) für Gase bei weitem nicht erfüllt werden können; insbesondere ist ein häufiges, manuelles Nachkalibrieren des Druckdifferenzgebers erforderlich.

Ein Gerät der eingangs genannten Art ist insbesondere für flüssige Medien in der DE-PS 1 798 080 beschrieben. Dort sind Maßnahmen aufgezeigt, die das bis dahin bekannte Prinzip so abwandeln und ergänzen, daß bei verhältnismäßig geringem Aufwand indirekt die Forderungen a) bis e) im Falle flüssiger Medien erfüllt werden und darüber hinaus die obige Gleichung (6) unmittelbar realisiert wird. Dies wird erreicht durch einen in einer Umgehungsleitung angeordneten, frei beweglichen

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-fr -

Kolben, der aufgrund der Angleichung seines spezifischen Gewichtes an das der Flüssigkeit von Querkräften, d. h. auch von Haftreibung befreit ist und auf extrem kleine Abweichungen von der Druckdifferenz Null mit einer Verschiebung reagiert, die gleich dem Integral der Druckdifferenz über der Zeit ist. Damit entfallen von vornherein die sonst durch die Nullpunktdrift eines proportionalen 4p-Gebers bedingten Offset- und Abgleichprobleme. Zugleich dient der Kolben als Volumenspeicher und kann somit 4p-Schwankungen vom Zähler wegnehmen. Dieses speziell für hochgenaue Flüssigkeitsmessungen geeignete Gerät besitzt im Falle der Gasmessung gewisse Nachteile, wozu insbesondere die Lageabhängigkeit des Kolbens infolge der geringen Gasdichte gehört.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie ein Gerät zu seiner Durchführung zu schaffen, das unter Vermeidung der erläuterten Nachteile bisher bekannter Verfahren und Geräte mit begrenztem Aufwand eine gesteigerte Meßqualität liefert, insbesondere für die Gasmessung zu einer wirtschaftlich vertretbaren Konzeption führt. Dabei findet insbesondere der Gesichtspunkt Berücksichtigung, daß eine größere Genauigkeit · - bisher bekannte Meßgeräte besitz^-en bei einem Meßbereich von 1:10 eine Genauigkeit von + V/o - größere Fertigungstoleranzen zuläßt, beispielsweise im Zusammenhang mit der Eichung von Vergasern oder der Motoreinstellung.

Zur Lösung der Aufgabe schlägt die Erfindung verfahrensmäßig vor, daß das elektrische Ausgangssignal eines empfindlicheren Druckdifferenzgebers (Feingeber) über einen langsam wirkenden Integrator integriert wird und dem elektrischen Ausgangssignal eines unempfindlicheren Druckdifferenzgebers (Grobgeber) hinzuaddiert wird und beide Signale zusammen zu einem schneller wirkenden In-

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tegrator geleitet werden, der den Sollwert für die unter lagerte Drehzahlregelung vorgibt, wobei die beiden Druck differenzgeber vorzugsweise unterschiedliche, sich ergänzende Meßbereiche haben.

Mit dem erfindungsgemäß eingesetzten Grobgeber wird das dynamische Regelverhalten verbessert, während der Feingeber die stationäre Genauigkeit ermöglicht. Die Integriergeschwindigkeit des langsam wirkenden Integrators muß deshalb genügend gering sein, weil das Produkt aus Integriergeschwindigkeit und Empfindlichkeit des Feingebers einen von der Zeitkonstanten des gesamten Regelkreises abhängigen Größtwert nicht überschreiten darf, damit das Regelsystem stabil bleibt. Der Grobgeber erfaßt dabei ohne Übersteuerung noch die größeren Druckdifferenzen, während der weitaus empfindlichere Feingeber die kleineren Druckdifferenzen besser auflösen kann.

Der erfindungsgemäße Vorschlag ermöglicht es erstmals bei einfachster Bauweise jedes der beiden Geber, die

_2 für sich jeweils nur ein Auflösungsvermögen von 10 zu haben brauchen, ein gesamtes Auflösungsvermögen von nahezu 10" zu schaffen, das selbst mit weitaus aufwendigeren Gebern - jedenfalls bei den hier vorliegenden geringen Druckdifferenzen - kaum erreicht wird.

Vorzugsweise wird der Feingeber durch eine automatisch wirkende Korrekturschaltung in definierten Zeitabständen, vorzugsweise periodisch, abgeglichen. Die Erfindung stellt also eine zusätzliche Vermaschung zweier bereits vernaschter Regelkreise dar, wobei keine Kompensation eines Meßfehlers, beispielsweise durch Leckmengenaus-

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-JZT-

gleich, stattfindet, sondern das Entstehen der Leckmenge und damit des Meßfehlers verhindert wird, Der Feingeber ist über Magnetventile pneumatisch mit der Ein- und Auslaßseite des aktiven Zählers verbunden. Durch periodisches kurzzeitiges Sperren der Ventile ergibt sich der pneumatische Nullpunkt, wenn zugleich über eine Verbindung zwischen beiden Seiten des Gebers der Druckausgleich stattfinden kann. Zur Abhilfe wird daher eine ständige gedrosselte Verbindung vorgeschlagen, die eine periodisch abklingende Schwingung des Gebers zu seinem mechanischen Nullpunkt innerhalb einer optimal kurzen Zeit bewirkt.

Das bei pneumatischem Null gemessene elektrische Ausgangssignal, welches aufgrund der nicht zu vermeidenden Drift von dem idealen Nullsignal abweicht, wird vorzugsweise mit digitalen Mitteln gespeichert und in der Phase bis zum nächsten Abgleich von dem Feingebersignal subtrahiert. Dadurch ist es nicht mehr erforderlich, daß die Druckdifferenzgeber einschließlich ihrer Meßelektronik durch aufwendige Maßnahmen driftfrei gehalten werden müssen. Der langsame Integrator hält während der Korrektur infolge Nullsetzens des vorher vom Feingebersignal beaufschlagten Eingangs sein Ausgangssignal auf den kurz vor der Korrektur vorhandenen Wert fest. So wird in vorteilhafter Weise eine Störung des dynamischen Regelverhaltens verhindert.

In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß mit nur einem Geber gearbeitet wird, dessen Nullpunktdrift durch die oben beschriebene Korrekturschaltung abgeglichen wird. Bei dieser vereinfachten Variante braucht lediglich der Grobgeber vorgesehen zu werden, der funktionell dann an die Stelle des Feingebers gerückt ist.

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Die Erfindung umfaßt im Rahmen der vorrichtungsmäßigen Lösung der zugrundeliegenden Aufgabe auch die Weiterbildung der problematischen Druckdifferenzgeber, insbesondere des Feingebers. Üblicherweise werden zur Messung von kleinen Druckdifferenzen kreisförmige Plattenfedern mit konzentrischen Rillen oder auch weiche Membranen mit Stützfedern verwendet. Dies führt zu großen Durchbiegungen, die - mit elektrischen Mitteln erfaßt ein entsprechend großes Auflösungsvermögen ergeben. Dabei dienen die Rillen dazu, die Steifigkeit der Plattenfeder zu reduzieren und die Kennlinie zu linearisieren. Bei noch kleineren Druckdifferenzen, wie sie hier bevorzugt vorliegen, müßten sehr dünne Membranen mit großem Durchmesser verwendet werden, um genügend große Auslenkungen zu erzielen, die einfach und mit preiswerten Bauelementen elektrisch gemessen werden können. Solche Membranen sind jedoch schwierig herzustellen und bedingen besondere Vorkehrungen bei der Handhabung.

In der DE-OS 1 801 685 wird ein Druckmeßgerät vorgeschlagen mit einem über eine Achse drehbar gelagerten Flügel, der mit geringem Spalt zwischen festen Trennwänden unter der Wirkung der Druckdifferenz bewegt wird, wobei durch eine an der Achse angreifende Spiralfeder eine Rückstellkraft erzeugt wird.

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Weiterhin ist in "Technische Strömungslehre", Eck, 7. Auf lage, 1966 ein Mikromanometer dargestellt und beschrieben worden, bei welchem ein an einem Ende drehbar gelagerter Hebel am anderen Ende einen Ringkolben trägt, der entsprechend seiner kreisförmigen Bewegungsmöglichkeit gebogen ist und mit engem Spiel, aber berührungsfrei in eine Bohrung eintaucht. Die druckempfindliche Fläche ist durch den Kolbenquerschnitt gegeben. Die Rückstellkraft wird durch eine separate Torsionsstabfeder erzeugt, die zugleich als Achse zur Halterung des Hebels dient.

Diese beiden letztgenannten Geräte können auf Druckdifferenzen von weniger als ein Mikrobar ansprechen, wenn eine genügend leichtgängige Lagerung und eine sehr weiche Rückstellfeder verwendet wird. Eine genaue elektrische Wegabtastung ist bei diesen Geräten zwar auch möglich, jedoch besitzen sie den für eine praktische Verwendung nicht hinzunehmenden Nachteil ihrer Eaipfindlichkeit gegenüber Druckstößen und den dadurch hervorgerufenen Massenkräften, die eine Überbeanspruchung der Lagerung und/oder eine unerwünschte Verformung der druckempfindlichen Teile hervorrufen, so daß ein Verklemmen die Folge ist. Ferner wird das Verhältnis von Massenträgheits- zu Federkräften aufgrund der Bauweise vergleichsweise groß, was eine für regelungstechnische Zwecke ungünstig niedrige Eigenfrequenz bewirkt. Diese klingt dann auch noch wegen der schwachen Dämpfung, bedingt durch das Produkt von Massenträgheitskräften mal Leckspaltfläche des Zählers, nur langsam ab,so daß die Gefahr eines Aufschaukeins durch Vibrationen von außen besteht.

Diese Nachteile werden erfindungsgemäß mit einem Gerät zum Durchführen des Verfahrens vermieden, bei dem im

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Druckdifferenzgeber eine einseitig eingespannte Blattfeder vorgesehen ist, deren drei freie Seiten bzw. Kanten sich mit gleichbleibendem Spiel zwischen angrenzenden Gehäusewandungen bewegen, wobei gemäß der Biegelinie der Blattfeder geformte Flächenanschläge zur Begrenzung der maximalen Federdurchbiegung angebracht sind, die mit den Gehäusewandungen abdichtend verbunden sind und durchgehende, beim Anliegen der Blattfeder völlig abgedeckte Bohrungen besitzen. Die Blattfeder besitzt eine im Verhältnis zu ihrer Länge ausreichende Breite, so daß allenfalls eine sehr geringe Kippbewegung in der Blattebene möglich ist. Dadurch daß die Einspannstelle spielfrei ist, läßt sich die Blattfeder mit geringem Spiel von nur wenigen hundertstel Millimetern berührungsfrei zwischen die Gehäusewände einpassen.

Vorzugsweise wird die Durchbiegung des freien Endes der Blattfeder mit einer elektrischen Wegabtastung gemessen, die eine mit einem der Anschläge bündig abschließende aktive Stirnfläche besitzt.

In manchen Anwendungsfällen kann es zweckmäßig sein, zwecks Verbesserung der dynamischen Eigenschaften der Regelstrecke bei großvolumigen Gasleitungen - bestehend aus dem Zähler und dem Gasleitungssystem - eine teilweise pneumatische Entkopplung von Druckdifferenzentnahmestelle mit Zähler gegen das Volumen der Gasleitung vorzunehmen. Hierzu wird in weiterer Ausgestaltung der Erfindung ein Strömungswiderstand in der Leitung vor oder hinter dem Gaszähler einschließlich der Abzweigleitungen zu den Druckdifferenzgebern vorgeschlagen, bei dem der Exponent der Abhängigkeit des Druckabfalls von der zu messenden Gasmenge kleiner als zwei ist. Dieser

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Widerstand besitzt daher einen selbsttätig sich verändernden Querschnitt, so daß bei kleinen Mengen bereits ein Druckabfall existiert und bei großen Mengen der Druckabfall nicht unerwünscht hoch wird.

Das zuvor erwähnte Ausführungsbeispiel, bei dem nur ein Geber vorgesehen ist, findet insbesondere dann Anwendung, wenn nicht die Steigerung der Genauigkeit über das bisher Übliche hinaus sondern lediglich eine Erweiterung des Meßbereichs im Vordergrund steht. Hierbei bleibt von den eingangs aufgezeigten Forderungen a) bis e) im wesentlichen die Nullpuoktstabilität wichtig, denn die kleinste noch zu messende Menge muß um ein Vielfaches größer sein als die beim wahren Durchfluß Q noch fehlerhaft angezeigte Menge Q . Bei solchen Anwendungsfällen kann auch eine kurzzeitige Störung des dynamischen Regelverhaltens beim Nullabgleich in Kauf genommen werden. Bei solcher Anwendung dieser Ausführungsform der Erfindung wird nur der Grobgeber verwendet, der dann so geschaltet ist, daß er über Magnetventile pneumatisch abgetrennt werden kann, wobei die selbsttätige Nullpunktkorrektureinrichtung statt über den langsamen Integrator nun unmittelbar additiv auf das Signal des Grobgebers einwirken kann.

Anhand der beigefügten Zeichnungen, in denen bevorzugte Ausführungsbeispiele dargestellt sind, wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert. Es zeigen:

Fig;. 1 Schaltschema für ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Regelung der Druckdifferenz 4p auf Null unter Verwendung zweier ^ p-Geber mit automatischem Nullabgleich des Feingebers;

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Fig. 2 Impulsdiagraram zur Erläuterung des Verfahrens "beim automatischen Nullabgleich;

Fig. 3 Schaltschema für ein weiteres AusführuiigsbeispLel

zur Regelung der Druckdifferenz Δ ρ auf Null unter Verwendlang lediglich des Grobgebers, und dessen
Nullabgleich;

Fig. 4 Draufsicht auf eine bevorzugte Ausfimrungsform eines erfindungsgemäßen Druckdifferenzgebers; uad

Fig;. 5 einen Querschnitt entlang der Linie V-V des in
Fig. 4 dargestellten Gebers.

Gemäß Fig. 1 ist ein nach dem Verdrängerprinzip arbeitender aktiver Gaszähler 1 in eine Gasleitung 2 eingebaut, wobei die Strömung in Pfeilrichtung erfolgt. An der Einlaßseite zum Gaszähler befindet sich eine Entnahmestelle 3 für den Einlaßdruck, der über eine Leitung 5 zu einem Grobgeber
7 uad über ein Magnetventil 9 zu einem Feingeber 8 führt.

An der Auslaßseite des Zählers 1 führt eine Entnahmestelle 4 über eine Leitung 6 den Auslaßdruck zum Grobgeber 7 uad über ein Magnetventil 10 zum Feingeber 8. Die gedrosselte Verbindung ist mit 8a bezeichnet. Der Rotor des Zählers 1 ist mechanisch über eine Welle 11 mit einem Servomotor 13 und einem Drehzahlgeber 12 gekuppelt. Aus der Differenz

Δ ρ zwischen den ein- und auslaßseitigen Drücken am
Zähler 1 wird vom Grobgeber 7 ein Signal Δ ρ , und vom

Feingeber 8 ein Signal Δ P^ erzeugt und einer Schaltung
20 zugeführt, in welcher drei Regelkreise initei-aandec
vermascht sind.

In einem ersten Regelkreis wird an einem Sumaienpunkt 23
die Differenz der Solldrehzahl n„.,-,-, und der Istdrehzahl η.

SOJ.J. LS

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des Drehzahlgebers 12 gebildet und einem P-I-Regler 22 zugeführt, dessen Ausgangssignal über eine Endstufe 21 verstärkt wird und den Servomotor 13 treibt.

Das bei £P=o dem Gasdurchsatz Q entsprechende und der Istdrehzahl n. . proportionale Signal Q kann angezeigt und ausgewertet werden. Diesem ersten Regelkreis für die Drehzahl ist ein zweiter Regelkreis für 4p überlagert,

in welchem an einem Summenpunkt 25 die Differenz zwischen der Solldruckdifferenz 4p, . und der Istdruckdifferenz Δ Pp. ^vom Grobgeber 7 gebildet wird, woraus über einen schnellen Integrator 24 die Solldrehzahl η -,-, entsteht.

Im Rahmen der bereits erwähnten Aufgabenteilung zwischen beiden Druckdifferenzgebern wird das Signal Δρ. . innerhalb eines dritten Regelkreises, genannt Trimmregelkreis, erzeugt. Der empfindliche Feingeber 8 wandelt bereits kleinste Druckdifferenzen Jp in proportionale Werte 4P^ um, die über einen Summenpunkt 27, einen Schalter Sl und einen langsamen Integrator 26 am Summenpunkt 25 das Signal 4ρ trimmen. Damit wird folgendes erreicht: Wenn die Druckdifferenz ^p so klein wird, daß der Grobgeber 7 nur noch verrauschte Signale im Millivoltbereich abgeben und der Integrator 24 diese und seine eigene Eingangsoff setspannung aufintegrieren würde, wird dies durch Δ P-trim verhindert.

Bei schnellem Anstieg der Gasmenge Q kann 4P+-_r-s_m nicht folgen. In dieser Phase ist praktisch der Grobregelkreis allein mit dem Drehzahlregelkreis im Eingriff, um schnell die Drehzahl zu steigern. Nach der groben Vorregelung sobald also ^p nur noch um den Betrag des Meßbereiches des Feingebers von 4p=o entfernt ist, wird 4p, . wieder dominierend.

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Fig. 1 zeigt ferner eine bevorzugte Ausführungsform für einen automatischen Nullabgleich 30, für den das Ablaufdiagramm in Fig. 2 gilt. Vorgesehen wir-d hierfür gemäß Fig. 1 ein Impulsgenerator 31 mit der Periodendauer T. ( ~ 5 min), der ein Monoflop 32 mit der Impulsdauer Tg ( ~ 1 s) anstößt. Das Monoflop 32 setzt mit dem Signal 321 ein Flipflop 33 und gleichzeitig einen Digitalzähler 34 zurück, in dem der Abgleichwert U, binär gespeichert ist. Das Ausgangssignal 331 vom Flipflop 33 bewirkt folgendes:

a) Über die zwei Magnetventile 9 und 10 wird der Feingeber 8 von den Leitungen 5 und 6 abgetrennt. Über die eingebauten Spalte des Gebers, angedeutet durch 8a, bildet sich ein Druckausgleich, so daß nach einer Beruhigungszeit Tg mechanisch der Differenzdruck Null anliegt.

b) Ein Schalter S1 wird geöffnet. Damit bleibt der Integrator 26 stehen und speichert für die Dauer des Abgleichs den Sollwert Δ ρ ^._rim für den unterlagerten

Δ. ρ -Regelkreis, der inzwischen ungestört weiter arbeitet.

c) Ein Schalter Sp wird über Signal 331 geschlossen. Damit werden Impulse mit der Periodendauer T_n (~ 1 ms) vom Taktgenerator 39 zum Digitalzähler 34 geleitet, so daß nach Ablauf der Beruhigungszeit Tg, d.h. nach Wegfall des Rücksetzsignals 321, der Zähler die Impulse vom Taktgenerator 39 von Null an hochzählt.

Ein Digital-Analog-Wandler 35 setzt den steigenden Zählerinhalt in ein Analogsignal U, um, welches am Summenpunkt 27 vom Signal Δ p_f subtrahiert wird. Die Differenz

Δ ρ , geht auf einen Komparator 36· Da der Digitalicorr

zähler zu Beginn des Abgleichs auf Null zurückgesetzt wurde, schaltet der Komparator zunächst sicher nach

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logisch Null. Sobald der Zähler 34 soweit hochgelaufen ist, daß δ ρ ^ gleich oder wenig größer als Null wird, springt das Signal 361 auf logisch Eins und setzt das Flipflop 33 zurück, wodurch Sp sich öffnet, der Zähler 34 stehenbleibt, also die Korrekturgröße U. bis zum nächsten Abgleichvorgang gespeichert wird. Der Nullabgleich bezieht sich also auf den Feingeber und nicht auch auf den Integrator 26, der ebenfalls durch Offset bedingt wegdriften kann. Durch Wahl z. B. eines chopperstabilisierten Verstärkers zum Aufbau des Integrators 26 kann die maximale Offsetspannung an dessen Eingang jedoch weit unterhalb des kleinsten Nutzsignals vom Feingeber gehalten werden.

Fig. 3 stellt eine gegenüber Fig. 1 vereinfachte Ausführungsform dar. Wie schon erwähnt, ist es auch bei gewissen Anwendungsfällen ausreichend, auf den empfindlichen Feingeber 8 zu verzichten, wobei der unempfindliche G-robgeber 7 dessen Stelle einnimmt. Dann wird das Signal U, über den Schalter S^ unter Wegfall des langsamen Integrators 26 und des Summenpunktes 25 unmittelbar auf den Integrator 24 geleitet. In diesem Fall ist eine gedrosselte Verbindung 8a erforderlich.

Fig. 4 und Fig. 5 zeigen eine erfindungsgemäße Ausführungsform eines Druckdifferenzgebers 7 oder 8. Eine im unbelasteten Zustand, also bei 4p=o nicht durchgebogene Blattfeder 71 ist zwischen zwei Anschlägen 72 am in der Zeichnung linken Ende fest eingespannt. Die Anschläge 72 sind mit einer Anzahl Bohrungen 73 versehen, so daß die durch Anschlüsse 74 als Folge einer Druckdifferenz ^p ein- bzw. ausströmende Gasmenge ohne nennenswerten Druckverlust an der Blattfeder 71 praktisch wieder ^p aufbaut.

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Während eines Druckstoßes der den Meßbereich des Gebers überschreitet, legt sich die Blattfeder 71 an einem der Anschläge 72 an.

Dadurch wird deren mechanische Überlastung vermieden. Ebene Wandungen 75 verlaufen zumindest in dem Bereich zwischen den beiden Anschlägen 72 zueinander parallel. Sie bilden zusammen mit einer konkav gekrümmten Wandung 76 einen Schacht, in welchem die Blattfeder 71 mit geringem Spiel von etwa 0,05 mm ihre Bewegungen ausführen kann, ohne die Wandungen zu berühren. Durch das geringe Spiel wird innerhalb des Druckdifferenzmeßbereichs die Leckmenge durch den Spalt vernachlässigbar klein gehalten gegenüber der noch am aktiven Zähler verbleibenden Leckmenge. Bei auch nur kurzzeitigem Überschreiten des Δ p-Meßbereichs werden die Bohrungen 73 durch die Blattfeder 71 völlig abgedeckt, so daß die Leckmenge nicht mehr ansteigt.

Die entsprechend der Dimensionierung der Blattfeder 71 schon bei kleinsten Druckdifferenzen genügend große Durchbiegung kann mit recht geringem Aufwand mit einem einfachen handelsüblichen Wegmeßsystem noch genau genug gemessen werden. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, einen sogenannten analogen Näherungsinitiator 78 zu verwenden, dessen aktive Fläche 77 bündig zur Kontur eines der Anschläge 72 verläuft.

Von Bedeutung für die Regelstabilität ist die Anpassung der Verstärkungen der drei Regelkreise für Λ ρ , ϋ ρ „ und die Drehzahl η an die Eigenschaften der Gasmeßstrecke, wie z.B. Volumen und KompressiMlität des Gases. Das Leitungsvolumen vor und das jenige nach dem Zähle*· kann

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--te -

^ U-

als System mit zwei parallel geschalteten Federn betrachtet werden, wovon das jeweils kleinere der beiden Leitungsvolumina die härtere Feder darstellt. Der Zähler einschließlich seines Antriebs kann als eine an der Feder hängende Masse verstanden werden. Wenn dieses schwingungsfähige System, was häufig der Fall ist, sehr niedrige Eigenfrequenzen besitzt, kann durch den eingangs erwähnten Strömungswiderstand 14 in Reihe mit dem Zähler 1 die Meßstrecke vom übrigen Rohrleitungssystem wirksam entkoppelt werden. Dadurch erhöht sich die Eigenfrequenz des noch zwischen Strömungswiderstand und Zähler verbleibenden Teils der Meßstrecke, wodurch eine stabile Einstellung der Regelkreise erleichtert wird.

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Claims

Pierburg Luftfahrtgeräte Union GmbH, Bataverstraße 80, 4040 Neuss

Patentansprüche:

1.) Verfahren zum Messen einer Gasmenge, insbesondere Luft, mit einem volumetrisehen, unmittelbaren Gaszähler (1), der von einem Servomotor (13) angetrieben und dessen Drehzahl aufgrund der zwischen Ein- (3) und Auslaßseite (4) des Gaszählers proportional gemessenen Druckdifferenz so geregelt wird, daß die Druckdifferenz gegen Null geht, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Ausgangssignal (zjp^) eines empfindlicheren Druckdifferenzgebers (Feingeber) (8) über einen langsam wirkenden Integrator (26) integriert wird und dem elektrischen Ausgangssignal (& ρ ) eines unempfindlicheren Druckdifferenzgebers (Grobgeber) (7) hinzuaddiert wird und beide Signale zusammen zu einem schneller wirkenden Integrator (24) geleitet werden, der den Sollwert (^g₁₁) für die unterlagerte Drehzahlregelung vorgibt, wobei die beiden Druckdifferenzgeber vorzugsweise unterschiedliche, sich ergänzende Meßbereiche haben (Figur 1).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Feingeber (8) durch eine automatisch wirkende Korrekturschaltung (30) in definierten Zeitabständen, vorzugsweise periodisch, auf Null abgeglichen wird.

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3ο¹ Verfahren zum Messen einer Gasmenge mit einem volumetrischen, unmittelbaren Gaszähler, der von einem Servomotor angetrieben und dessen Drehzahl aufgrund der zwischen Ein_T und Auslaßseite des Gaszählers proportional gemessenen Druckdifferenz so geregelt wird, daß die Druckdifferenz gegen Null geht, dadurch gekennzeichnet, daß mit nur einem Geber (7 bzw. 8) gearbeitet wird, dessen Nullpunktdrift durch eine automatisch wirkende Korrekturschaltung (30) in definierten Zeitabständen, vorzugsweise periodisch abgeglichen wird, und zwar durch Schließen der dem jeweiligen Geber die Druckdifferenz zuführenden Leitungen, und daß der entsprechende elektrische Meßwert in einem Speicher, vorzugsweise einem digitalen Speicher (34) festgehalten und für die Dauer der nächsten Meßperiode für die Nullpunktreferenz benutzt wird (Figur 3).

4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis

3, dadurch gekennzeichnet, daß beim Nullabgleich des Druckdifferenzgebers (7 bzw. 8) der innere Druckausgleich auf Null durch eine gedrosselte Verbindung (7a, 8a) der Gasvolumina beiderseits des Drucksensors im Geber bewirkt wird.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis

4, gekennzeichnet durch einen Strömungswiderstand (14) in der Leitung vor oder hinter dem Gaszähler einschließlich der Abzweigleitungen zu den Druckdifferenzgebern, bei dem der Exponent der Abhängigkeit des Druckabfalls von der zu messenden Gasmenge kleiner als 2 ist.

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6. Gerät zum Durchführen des Verfahrens gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine einseitig eingespannte Blattfeder (71) im Druckdifferenzgeber (7 und/oder 8), deren drei freie Seiten bzw. Kanten sich mit gleichbleibendem Spiel ( cf* ) zwischen angrenzenden Gehäusewandungen (75, 76) bewegen, und durch gemäß der Biegelinie der Blattfeder (71) geformte Flächenanschläge (72) zur Begrenzung der maximalen Federdurchbiegung, die mit den Gehäusewandungen abdichtend verbunden sind und durchgehende beim Anliegen der Blattfeder völlig abgedeckte Bohrungen besitzen.

7. Gerät nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine elektrische Wegabtastung (78) zum Messen der Durchbiegung der Blattfeder mit zu einem der Anschläge bündig abschließender aktiver Stirnfläche (77).

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