DE2850671A1

DE2850671A1 - Verfahren und vorrichtung zur durchflussmengenmessung

Info

Publication number: DE2850671A1
Application number: DE19782850671
Authority: DE
Inventors: Olof Lennart Thorsell
Original assignee: Bulten Kanthal AB
Current assignee: Bulten Kanthal AB
Priority date: 1977-11-23
Filing date: 1978-11-22
Publication date: 1979-05-31
Also published as: AU515870B2; SE7713241L; AU4179678A; US4203323A; FR2410257A1; JPS5483464A; GB2008771A; GB2008771B

Description

25 Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchflußmengenmessung mit einem Durchflußmengenmeßgerät _r das einen mittels des Durchflußstroms angetriebenen Meßwertgeber umfaßt, der sich auf einer Kreisbahn mit einer der Durchflußmenge proportionalen Geschwindigkeit bewegt.

Ein derartiges Durchflußmengenmeßgerät ist in der DE-OS 2 254 481 gezeigt. Das Meßgerät hat ein im allgemeinen kreisförmiges Gehäuse mit einer tangential angeordneten Eintrittsöffnung und einer axial angeordneten Austrittsöffnung. Innerhalb des Gehäuses

35 wird ein kugelförmiger Meßwertgeber mittels des Durchflußstroms

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längs einer kreisförmigen, konzentrisch zur Austrittsöffnung angeordneten Bahn angetrieben. Während eines jeden Umlaufes bewegt sich der Meßwertgeber zumindest an einem Meßpunkt vorbei, mit z. B. einem fotoelektrisdien oder induktiven Meßwertfühler zur Erzeugung von dem Durchgang der Kugel durch den Meßpunkt . entsprechenden Signalen, wobei die Signale erfaßt und verarbeitet werden. Die Folgefrequenz oder Häufigkeit, mit der die Kugel den Meßpunkt durchläuft, und damit die Folgefrequenz oder Häufigkeit der Signale, ist der Durchflußmenge proportional, so daß man, wenn man das das Gehäuse durchströmende Volumen für jedes Signal kennt,-wobei dieses Volumen im folgenden als "Volumeninkrement" bezeichnet werden soll- man die Durchflußmenge aus der Durchgangssignalfolgefrequenz bestimmen kann. Entsprechend kann die durch das Gehäuse während eines Meßzeitraums gesandte Durchflußmenge entweder durch Multiplikation der während des Meßzeitraums erfaßten Signale mit dem Volumeninkrement oder durch Multiplikation der Durchflußgeschwindigkeit mit der Länge des Meßzeitraums bestimmt werden .

Eine einzuhaltende Bedingung zur Erhaltung richtiger Meßwerte des gesamten Volumens bei schwankenden Durchflußmengen ist eine direkte und lineare Proportionalität der Durchflußgeschwindigkeit zur Folgefrequenz mindestens über den Bereich, in dem die Durchflußgeschwindigkeit schwankt oder, mit anderen Worten, daß das Volumeninkrement unabhängig von den Schwankungen der Durchflußgeschwindigkeit ist. In der Praxis wird diese Bedingung jedoch nicht eingehalten, wobei insbesondere bei kleinen Durchflußgeschwindigkeiten die Abweichung von der direkten und linearen Proportionalität wesentlich sein kann. In Fällen, in denen eine große Genauigkeit erforderlich ist, muß aus diesem Grunde eine Korrektur durchgeführt werden.

Bei einem bekannten Verfahren zur Erzielung einer derartigen Korrektur der Volumenbestimmung durch Multiplikation der Durch-

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flußgeschwindigkeit mit der Folgefrequenz, wird ein konstanter Faktor zum gemessenen Wert der Folgefrequenz hinzuaddiert, woraufhin die Volumenbestimmung dann durch Verwendung des Gesamtwertes der so erhaltenen Folgefrequenz durchgeführt wird (DE-OS 2 453 136). Dieses Korrekturverfahren liefert jedoch nicht immer eine ausreichend genaue Korrektur, da es nicht die Nichtlinearität der Funktion von Folgefrequenz und Durchflußgeschwindigkeit berücksichtigt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, eine derartige Korrektur zu vermeiden.

Dies wird dadurch erreicht, daß man -statt entweder die Anzahl der Signale mit dem Volumeninkrement oder die Durchflußgeschwindigkeit mit der Länge des Meßzeitraums zu multiplizieren- eine kontinuierliche Messung der Folgefrequenz während eines Meßzeitraums durchführt, daß man von gespeicherten Meßwerten, die dem Volumen pro Signal des an dem Meßpunkt vorbeigeströmten Durchflußstroms entsprechen, als Funktion der Folgefrequenz das jedem Signal zugeordnete Volumeninkrement bestimmt, und daß die während des Meßzeitraums erfaßten, den Signalen zugeordneten Volumeninkremente aufsummiert werden.

Entsprechend werden die genauen Werte des gesamten Volumens auf diese Weise direkt durch Aufsummierung der veränderlichen Zahlenwerte der Volumeninkremente, statt durch eine Multiplikation erhalten, in der einer der Faktoren selbst ungenau ist, oder einen unkorrigierten, oder besser, einen unvollständig korrigierten Zahlenwert der Folgefrequenz oder des Volumeninkrements aufweist.

Zur Durchführung des Verfahrens wird ein Computer, wie z.B. ein Mikrocomputer, zur kontinuierlichen Berechnung der Durchgangs signalfolgefrequenz und der Bestimmung des Volumeninkrements für jedes Signal und natürlich auch zur Aufsummierung

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der verschiedenen Werte der Volumeninkremente verwendet. Der Speicher des Elektronenrechners speichert die bekannte nichtlineare Beziehung der Volumeninkremente zur Folgefrequenz in geeigneter Form. Durch Verwendung der Information der verstrichenen Zeit zwischen jedem Signal und dem unmittelbar vorausgegangenen Signal berechnet der Rechner zuerst die der Zeit entsprechende Folgefrequenz -die Folgefrequenz entspricht in der Praxis der Umlaufgeschwindigkeit des Meßwertgebers- und bestimmt dann den zahlenmäßigen Wert des Volumeninkrements, dem diese Folgefrequenz zugeordnet ISt_x und summiert schließlich die erhaltenen Werte auf. Zu diesem Wert werden dann die den darauffolgenden Signalen zugeordneten, entsprechend bestimmten Werte während des Meßzeitraums hinzugefügt.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Fig. 1 ist eine schematische Schnittdarstellung des Durchflußmengenmeßsystems; und
Fig. 2 ist ein Diagramm zur Darstellung der Beziehung des

Volumeninkrements zur Durchgangssignalfolgefrequenz.

Das in Figur 1 gezeigte Durchflußmengenmeßgerät 10 entspricht einem Meßgerät, wie es in der DE-OS 2 254 481 beschrieben ist, die hiermit zum Bestandteil dieser Beschreibung gemacht werden soll. Das Meßgerät umfaßt ein im wesentlichen in der Aufsicht kreisförmiges Gehäuse. Das Gehäuse 11 weist eine Durchflußkammer 12 mit einer tangential angeordneten Eintrittsöffnung 13 und eine axial angeordneten Austrittsöffnung 14 auf, die mit 0 entsprechenden Teilen 13A und 14B eines Rohres verbunden werden, in dem der zu messende Durchflußstrom gefördert wird. Innerhalb der Durchflußkammer 12 ist ein Meßwertgeber in Form einer Metallkugel 15 angeordnet, die auf einer kreisförmigen Führungsspur läuft, die konzentrisch zur axial angeordneten Austrittsöffnung 14 verläuft. Die Führungsspur wird durch ein

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Paar ringförmiger, gegenüberliegender Rillen 16 in den gegenüberliegenden Wänden der Kammer 12 gebildet. Wenn eine Flüssigkeit oder ein anderer Fluidstrom von der Eintrittsöffnung 13 durch die Durchflußkammer 12 zur Austrittsöffnung 14 fließt, bewirkt dieser Strom, daß die Kugel die Führungsspur mit einer zur Durchflußgeschwindigkeit des Stroms proportionalen Geschwindigkeit umläuft.

Auf der einen Seite des Gehäuses 11 sind zwei induktive Meßfühler 17 vorgesehen, die mit den Führungsspurrillen 16 ausgerichtet und am Umfang um 180° versetzt angeordnet sind, d.h., daß sie in einer gemeinsamen,axialen Ebene, in die die Achse C der Führungsspur und der Austrittsöffnung 14 fällt, angeordnet sind. Die Meßfühler 17, die längs der Führungsspur zwei Meßpunkte ausbilden, sind mit einem elektronischen Kleinrechner verbunden, der einen Mikroprozessor 18, einen Regler 19, einen Speicher und Rechner 20 und ein Anzeige- und Aufzeichnungsgerät 21 umfaßt. Der elektronische Kleinrechner ist von bekannter Konstruktion unter Verwendung bekannter Einheiten, wodurch sich eine ins Einzelne gehende Beschreibung erübrigt.

Jedes Mal, wenn sich der Meßwertgeber bzw. die Kugel 15 an einem Meßwertfühler 17 vorbeibewegt, erzeugt der Meßwertfühler ein Signal, im folgenden als Durchgangssignal bezeichnet, das von dem Elektronenrechner erfaßt und verarbeitet wird. Die Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Durchgangssignalen, z.B. die Zeit, die die Kugel 15 benötigt,um sich von einem Meßpunkt zum nächsten zu bewegen, wird kontinuier-0 lieh gemessen. Aus der gemessenen Zeit berechnet der elektronische Rechner kontinuierlich die Folgefrequenz der Durchgangssignale. Wenn, wie in diesem Fall, zwei Meßfühler vorgesehen sind, ist die Folgefrequenz doppelt so groß wie die Rotations- oder Umlaufgeschwindigkeit der Kugel.

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Figur 2 zeigt eine Kennlinie, die für den in Figur 1 gezeigten Durchflußmengenmesser und ebenso für andere Arten Durchflußmengenmesser mit mittels des Durchflußstroms angetriebenen Meßwertgebern zur Erzeugung einer Rotations- oder Kreisbewegung mit einer der Durchflußgeschwindigkeit des Durchflußstroms proportionalen Geschwindigkeit, wie z.B. Drehflügel oder Turbinendurchflußmengenmeßgeräte, typisch ist. Diese Kennlinie zeigt die Volumeninkremente V -in diesem Fall das durch das Gehäuse 11 während der für einen halben Umlauf der Kugel 15 benötigten Zeit durchgeströmte Volumen- als Funktion der Folgefrequenz f der Durchgangssignale.

Bei kleinen Folgefrequenzen der Durchgangssignale ist das Volumeninkrement relativ groß, z.B. bei niedrigen Geschwindigkeiten der Kugel. Das Volumeninkrement nimmt anfangs bei einer Steigerung der Folgefrequenz stark ab, erreicht dann ein Minimum, steigert sich dann langsam und nähert sich einer Asymptote an.

Wenn die Messung entsprechend dem bekannten Verfahren durchgeführtwird, ist der infolge der Nichtlinearität auftretende Meßfehler besonders bei geringen Folgefrequenzen hoch, d.h., bei dem zu Beginn und bei Beendigung des Meßverfahrens auftretenden Folgefrequenzen. Wenn der Durchflußmengenmesser zur Messung kleiner Volumen verwendet wird, ist der Meßfehler besonders bedeutsam.

Der früher von der Nichtlinearität herrührende Meßfehler wird durch die vorliegende Erfindung vermieden, mit der eine ge-0 naue Messung auch bei kleinem Volumen ermöglicht wird.

Figur 2 zeigt eine Reihe vertikaler Linien P., P₂ ... Pg, die eine Anzahl aufeinanderfolgender Durchgänge der Kugel 15 durch die Meßpunkte an den Meßfühlern 17 darstellen. Die entsprechenden Durchgangssignalfolgefrequenzen sind mit f^, f₂ f, bezeichnet, und die diesen Durchgangssignalfolgefrequenzen

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entsprechenden Voluitieninkremente sind mit V₁ , v~ ... v_r be-

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zeichnet. In Figur 2 sollen sechs aufeinanderfolgende Durchgänge betrachtet werden, die den Beginn und das Ende eines Meßverfahrens darstellen, das ebenfalls eine längere oder kürzere Zwischenphase enthalten kann, bei dem die Durchgangssignalfolgefrequenz f und das Volumeninkrement ν konstant sind, z.B. f_fi und v_fi entsprechen.

Der durch das Gehäuse 11 während des Anfahrens fließende Durchflußstrom entspricht V₁ + v„ ... + v_fi. Am Ende des Meßverfahrens fließt ein entsprechendes Volumen durch das Gehäuse. Das während der Zwischenphase durch das Gehäuse fließende Volumen entspricht der Summe der konstant oder sich verändernden Volumeninkremente, die während dieser Phase bestimmt werden.

Die in Figur 2 gezeigte Beziehung zwischen dem Volumeninkrement V und der Durchgangssignalfolgefrequenz f ist in geeigneter Form in dem Speicher und Rechner 20 des elektronischen 0 Kleinrechners gespeichert. Jedes Mal,wenn die Kugel einen Meßpunkt an dem Meßfühler 17 durchläuft, bestimmt der Kleinrechner 18_rwelcher Wert des Volumeninkrements V der für diesen besonderen Durchgang berechneten Durchgangssignalfolgefrequenz f zugeordnet ist. Der so bestimmte Volumeninkrementwert wird den vorher bestimmten Werten hinzuaddiert.

In der als Beispiel beschriebenen und gezeigten Ausführungsform sind zwei Meßfühler 17 und entsprechend zwei Meßpunkte vorgesehen. Es kann natürlich auf einen dieser Meßpunkte ver-0 ziehtet werden, so daß die Folgefrequenz gleich der Rotationoder Umlaufgeschwindigkeit der Kugel 15 ist. Ähnlich können mehr als zwei Meßpunkte verwendet werden, so daß ein entsprechend höheres "Auflösevermögen" erreicht werden kann. Ein ähnlicher Effekt kann mit einem einzigen Meßpunkt bei einem Drehflügel oder Turbinendurchflußmengenmesser erreicht wer-

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den, wenn zwei oder mehr Flügel oder Turbinenflügel ein Durchgangssignal verursachen, wenn sie sich an dem Meßpunkt vorbeibewegen. Weiter kann ebenfalls der Durchgang des Meßwertgebers in Intervallen von zwei oder mehr Umläufen bestimmt werden. Dies ist in solchen Fällen von Vorteil, in denen das Volumeninkrement sich nur sehr langsam mit der Änderung der Folgefrequenz ändert, so daß nur längere Meßintervalle eine ausreichend genaue Bestimmung ergeben.

Entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung wird die kontinuierliche Bestimmung der Folgefreguenz der Durchgangssignale durch Verwendung eines Mittelwerts der zwischen zwei aufeinanderfolgenden Signalen verstrichenen Zeit, im folgenden als Durchgangsζext bezeichnet, bestimmt. Der Mittelwert wird in jedem Fall von den einer vorbestimmten Anzahl unmittelbar vorhergegangener Durchgangssignale zugeordneten Durchgangszeiten bestimmt, oder, mit anderen Worten, über einen Meßzeitraum bestimmt, der eine vorbestimmte Anzahl der unmittelbar vorangegangenen Durchgangssignale umfaßt. Die Summe der den letzten zehn Durchgangssignale zugeordneten Durchgangszeiten wird in einer Einheit 22 zur Mittelwertbildung des elektronischen Kleinrechners gespeichert und für jedes neue Durchgangssignal, das erzeugt wird, wird die zugeordnete Zeit zu der gespeicherten Summe hinzuaddiert, während die dem zuerst erzeugten Durchgangssignal zugeordnete Durchgangszeit subtrahiert wird.

Die Einheit 22 zur Mittelwertbildung kann als getrennte Einheit oder als in den Mikroprozessor 18 eingebaute Einheit vorgesehen sein. Die Bestimmung der Folgefrequenz des Durchgangssignals kann für jedes Durchgangssignal durchgeführt werden, entweder einmal oder mehrmals für jeden vollständigen Umlauf des Meßwertgebers, oder in Intervallen entsprechend mehr als einem vollständigen Umlauf des Meßwertgebers.

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Die Bestimmung der Folgefrequenz mittels eines Mittelwertes der Durchgangszeit vermindert den unerwünschten Einfluß zufälliger Fehler in der kontinuierlichen Bestimmung der Folgefrequenz auf das Meßergebnis.
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Es können verschiedene Bestimmungsarten während verschiedener Phasen einer einzelnen Bestimmung des Gesamtvolumens verwendet werden. Es kann z.B. von Vorteil sein, eine Bestimmungsmethode zur Bestimmung der Folgefrequenz und der Aufsummie- rung der Volumeninkremente während der Anfangs- und Endphasen aus dem Grund zu verwenden, weil sich die Folgefrequenz stark ändert, und eine andere Meßmethode während der Zwischenphase zu verwenden. Der Übergang von der einen zur anderen Meßmethode wird geeignet durch den Kleinrechner in Abhängigkeit von beispielsweise der Folgefrequenz und/oder seiner Veränderung mit der Zeit geregelt.

Es wird ein Durchflußmengenmeßsystem beschrieben, bei dem ein Durchflußstrom bewirkt, daß eine Kugel eine Führungsspur mit einer Geschwindigkeit umläuft, die der Durchflußmenge des Durchflußstroms proportional ist, wobei jedes Mal ein Signal erzeugt wird, wenn sich die Kugel an einem Meßpunkt vorbeibewegt. Die Geschwindigkeit der Kugel wird kontinuierlich gemessen, und aus gespeicherten Meßwerten, die die pro Signal durch das Durchflußmengenmeßgerät fließende Durchflußmenge als eine Funktion der Durchflußsignalfolgefrequenz darstellen, wird das jedem Signal zugeordnete Volumen bestimmt. Die während eines gegebenen Meßzeitraums bestimmten Volumen werden zur Bestimmung des Gesamtvolumens über den gegebenen Meß-0 Zeitraum aufsummiert.

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Claims

Patentansprüche

. 1.) Verfahren zur Durchflußmengenmessung, wobei ein Durchflußstrom einen Meßwertgeber auf einer Kreisbahn an zumindest einem Meßfühler mit einer zur Durchflußmenge proportionalen Folgefrequenz vorbeibewegt und vom Meßwertgeber-Meßfühler-Durchgang abhängige Signale erzeugt werden, die zur Bestimmung der Durchflußmenge, die während eines Meßzeitraums an dem Meßfühler vorbeifließt, erfaßt werden, und die Folgefrequenz der erfaßten Durchgangssignale als Parameter verwendet wird, dadurch gekennzeichnet , daß die Folgefrequenz der DurchgangssignaIe kontinuierlich während eines Meßzeitraums gemessen wird, daß aus gespeicherten Daten, die die an dem Meßfühler (17) pro Durchgangssignal vorbeigeströmte Durchflußmenge bzw. deren Volumeninkrement darstellen, das jedem Durchgangssignal entsprechende Volumeninkrement als Funktion der Folgefrequenz bestimmt wird, und daß die den Durchgangs-Signalen entsprechenden Volumeninkremente während des Meß-

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Zeitraums aufsummiert werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kontinuierliche Messung wählend des Meßzeitraums durch Ver-Wendung eines Zeitmittelwerts der Zeiten zwischen zwei aufeinanderfolgenden DurchgangsSignalen, der jeweils über eine Zeitdauer errechnet wird, die eine vorbestimmte Anzahl

der unmittelbar vorausgegangenen, aufeinanderfolgenden Signale umfaßt.
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3. Vorrichtung zur Durchflußmengenmessung, bestehend aus einem Gehäuse, das eine Durchflußkammer mit einer in sich geschlossenen Führungsspur für einen Meßwertgeber, eine Eintritts- und eine Austrittsöffnung zur Verbindung mit dem den zu messenden Durchflußstrom enthaltenden Rohr umfaßt, wobei der Meßwertgeber in der Durchflußkammer angeordnet ist und mittels des Durchflußstroms längs der Führungsspur mit einer der Durchflußmenge des Durchflußstroms proportionalen Geschwindigkeit umläuft, und wobei ein Meßwertfühler in Abhängigkeit vom Umlaufdurchgang des Meßwertgebers an mindestens einem Meßpunkt längs der Führungsspur während seines Umlaufs eine Durchgangssignalreihe erzeugt, wobei eine Einrichtung zur Bestimmung der gesamten, durch die Durchflußkammer in einem Meßzeitraum geflossene Durchflußmenge durch Verwendung der Durchgangssignalfolgefrequenz als Parameter vorgesehen ist, gekennzeichnet durch eine Meßeinrichtung (18) zur kontinuierlichen Messung der Durchgangssignalfolgefrequenz während eines Meßzeitraums, durch einen Speicher zur Speicherung von Meßdaten der pro Durchgangssignal durch die Durchflußkammer (12) geströmten Durchflußmenge, bzw. deren Volumeninkrement als Funktion der Durchgangssignalfolgefrequenz, durch eine Einrichtung (2 0) zur Bestimmung des jedem Durchgangssignal zugeordneten Volumeninkrements mittels der gespeicherten Meßwerte, und durch eine Einrichtung (2 0) zur Aufsummierung der den während eines Meß-Zeitraums erzeugten Durchgangssignalen zugeordneten Volumeninkremente.

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4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (18) zur kontinuierlichen Messung der Durchgangssignalfolgefrequenz während eines Meßzeitraums eine Einrichtung (22) zur Bestimmung des Mittelwerts der Zeiten zwischen zwei aufeinanderfolgenden Durchgangssignalen aufweist, der über einen Zeitraum berechnet ist, der jedes Mal eine vorbestimmte Anzahl der unmittelbar vorausgegangenen, aufeinanderfolgenden Durchgangssignale umfaßt.

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