DE3102035A1 - Auf eine fluidstroemung ansprechender elektrischer messwandler - Google Patents

Description

Patentanwälte

Dipl.-Ing. Hans-Jürgen Müller Dipl.-Ghem. Dr. Gerhard Schupf ner Dipl.-Ing. Hans-Peter Gauger Luclie-Gräfin-Str. 38 - D 8000 München 80

Transamerica DeLaval Inc. Princeton, New Jersey 08540 V.St.A.

Auf eine Fluidströmung ansprechender elektrischer Meßwandler

13Ö05Ö/0A7?

JO-

Auf eine Fluidströmung ansprechender elektrischer

Meßwandler

Die Erfindung bezieht sich auf auf Fluidströmungen ansprechende Vorrichtungen, die aufgrund einer solchen Strömung ein elektrisches Ausgangssignal erzeugen.

Soweit der Anmelderin bekannt ist, verwenden bisher bekannte Vorrichtungen der genannten Art ein Ventilglied, das aufgrund einer Fluidströmung verschoben wird, und eine vorbestimmte Verschiebung wird von einem elektrischen Zweistellungselement, z. B. einem magnetischen Zungenschalter, erfaßt. Derartige Vorrichtungen sind z. B. in den US-PS'en 2 892 051 und 4 081 635 angegeben. Als Anzeigevorrichtungen für das Auftreten oder Vorhandensein eines vorbestimmten Durchsatzes sind solche Vorrichtungen notwendigerweise begrenzt, und die einzige Möglichkeit, eine Reaktion auf mehr als einen Durchsatz zu erhalten, besteht in der Anwendung von mehr als einem Magnetschalter an einer oder mehreren

130050/0477

- y> -. ήή.

zusätzlichen Stellen, die als Meßpunkte für entsprechende weitere Durchsätze, auf die eine elektrische Reaktion erwünscht ist, ausgewählt werden. Bestenfalls ist nur eine Sprungfunktions-Reaktion möglich, und es existiert ein Hysteresefaktor, der eine Identifizierung bzw. Unterscheidung zwischen dem elektrischen Ansprechen auf zunehmenden Durchsatz im Vergleich zu dem elektrischen Ansprechen auf abnehmenden Durchsatz verhindert.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines verbesserten auf eine Fluidströmung ansprechenden elektrischen Meßwandlers der eingangs genannten Art, bei dem die Fehler und Einschränkungen bisheriger Vorrichtungen vermieden sind; dabei soll ein im wesentlichen lineares elektrisches Ansprechen auf den Durchsatz erzeugt werden; ferner soll der Meßwandler sowohl für die Durchsatzmessung in einer Richtung als auch für die Durchsatzmessung in jeweils einer von zwei möglichen Richtungen einsetzbar sein; die Vorrichtung wird dabei im wesentlichen als wahlweise einsetzbare Untereinheit ausgebildet, die in bestehende oder Standard-Ventilgehäuse einbaubar ist; letzteres wird mit einem Aufbau erreicht, bei dem die einsetzbare Untereinheit eine von mehreren Untereinheiten ist, deren jede für einen bestimmten Durchsatzbereich ausgelegt ist, so daß dasselbe Gehäuse in einfacher Weise so ausrüstbar ist, daß eine ausgewählte oder geänderte Vielzahl von Durchsätzen angezeigt wird, ohne daß das Gehäuse aus vorhandenen Rohren oder Leitungen auszubauen ist. Ferner soll der Aufbau in sich einfach und im wesentlichen hysteresefrei sein, zuverlässig arbeiten und leicht zu warten sein.

130050/0477

Diese Aufgabe wird mit einem ventilartigen Aufbau gelöst, der in ein Rohr oder eine andere Leitung in Reihe einschaltbar ist und ein Ventilglied aufweist, das innerhalb einer Begrenzung von geraden Leitmitteln seine Position in Längsrichtung als eine im wesentlichen lineare Funktion der Durchsatzänderung in der Leitung oder dem Rohr ändert. Eine induktive Einheit folgt der Lage des Ventilglieds und erzeugt ein elektrisches Ausgangssignal, das ebenfalls eine im wesentlichen lineare Funktion des Durchsatzes ist. Bei einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind der angegebene Aufbau und seine Funktion in einem Rückschlagventil verwirklicht, wobei die Durchsatz-Erfassungsrichtung in "Durchlaßrichtung" des Rückschlagventils liegt. Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel ist die Erfindung in beiden Strömungsrichtunyen wirksam, und das elektrische Ausgangssignal zeigt sowohl die Strömungsrichtung als auch den Durchsatz an.

130050/0477

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch einen

Durchsatz-Meßwandler nach der Erfindung, wobei der Durchsatz nur in Strömungsrichtung von rechts nach links im Sinn der Schnittansicht erfaßt wird;

Fig. 2 einen Vertikalschnitt durch die Haubeneinheit, die Teil des Meßwandlers nach Fig. ist;

Fig. 3 eine Perspektivansicht eines am Gehäuse befestigten Teils des Meßwandlers nach Fig. 1;

Fig. ή- nach dem Maßstab von Fig. 2 eine Ansicht der strömungsverstellbaren Untereinheit, die ein weiterer Teil des Meßwandlers nach Fig. 1 ist;

Fig. 5 ein Blockschaltbild, das schematisch die dem Meßwandler nach Fig. 1 zugeordneten elektrischen Bauteile zeigt;

Fig. 6 eine der Fig. 1 ähnliche Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels;

Fig. 7 eine Perspektivansicht eines am Gehäuse befestigbaren Teils des Meßwandlers nach Fig. 6;

Fig. 8 eine der Fig. 1 ähnliche Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels, das den Durchsatz in jeder von zwei möglichen Strömungsrichtungen erfassen kann; und

Fig. 9 eine Perspektivansicht eines am Gehäuse befestigbaren Teils des Meßwandlers nach Fig. 8.

130050/0Λ7?

Fig. 1 zeigt die Erfindung in Verbindung mit einem herkömmlichen Ventilgehäuse 10, das normalerweise ein Metallgußteil mit einer Einlaßbohrung 11 und einer Auslaßbohrung 12 ist, die beide Gewinde aufweisen, so daß sie mit einem Standard-Rohr verbindbar sind. Im Gehäuse 10 unterteilt ein Quer- oder Brückenorgan 13 den Innenraum in eine von der Einlaßbohrung 11 gespeiste oberstrornige Kammer 14 und eine von der Auslaßbohrung 12 gespeiste unterstromige Kammer 15. Der Mittenteil des Querorgans 13 verläuft im wesentlichen horizontal, und zwar im wesentlichen auf der Höhe der beiden Bohrungen 11, 12 gemeinsamen Achse, und im Mittenteil des Querorgans 13 ist eine Sitzbohrung 16 mit einer Gegenbohrung 17 am oberen Ende gebildet, und zwar in einer vertikalen Ausrichtung, die bevorzugt die Horizontalausrichtung der Bohrungen 11, 12 schneidet.

Das Ventilgehäuse 10 umfaßt einen aufrechten Vorsprung mit einer geradzylindrischen Bohrung zur unter stromigen Kammer 15 und in derselben Vertikalausrichtungsachse wie diejenige der Bohrung 16 und Gegenbohrung 17, und eine Ventilhauben-Spannmutter 19 ist auf die Gewindegänge des Vorsprungs 18 geschraubt. Eine Haubeneinheit 20 umfaßt ein kreisrundes Basisteil 21 und einem nach radial außen vorstehenden Flansch 22, der auf dem offenen Ende des Vorsprungs 18 sitzt und in seiner Lage festlegbar ist, wenn die Mutter 19 auf den Vorsprung 18 geschraubt wird. Ein Elastomer-O-Dichtring 23, der in einer Umfangsnut unter dem Flansch 22 gehalten ist, dichtet die Haubeneinheit 20 mit der Bohrung des Vorsprungs 18 ab, wenn der Flansch 22 in der erläuterten Weise festgespannt ist. Die Haubeneinheit ist am besten aus Fig. 2 ersichtlich und umfaßt ferner einen aufrechten zylindrischen Leitungsabschnitt 2A-, der mit einer elektrischen Standard-Leitung (nicht gezeigt) verschraubbar ist; der Leitungsabschnitt Zk

130050/047?

ist mit dem Basisteil 21 durch Hartlöten verbinden, wie durch eine am Umfang gezeigte Ausrundung in der Zeichnuni) angedeutet ist. Aus einer mittigen Bohrung des Basisteilr. 21 verläuft ein rohrförmiger Schaft 25 nach unten, und ein weiterer rohrförmiger Schaft 26 verläuft nach oben, und zwar im wesentlichen über die LängserStreckung des Leitungsabschnitts 24-; wie ersichtlich ist, ist das obere oder basisteil-seitige Ende des Schafts 25 verschlossen mit Ausnahme einer Mittenbohrung, an die das Unterende des Schafts 26 angesetzt ist, und das Überende des Schafts 26 ist ständig von einem Stopfen 28 verschlossen. Die Teile 25, 26, 28 sind bevorzugt an ihren jeweiligen Verbindungsstellen hermetisch dicht und bilden eine Schaft-Untereinheit, die dann in eine Gegenbohrung des Basisteils 21 eingesetzt und an ihrer Verbindungsstelle mit diesem hermetisch dicht angeordnet wird. Wenn also die Haubeneinheit 20 mittels der Spannmutter 19 festgelegt wird, bildet die Haubeneinheit 20 einen fluiddichten Verschluß der Bohrung des Vorsprungs 18.

Ferner weist die Haubeneinheit 20 eine nach unten offene Gegenbohrung 29 auf, die für die noch zu erläuternde Festlegung einer Feder dient, und der Schaft 26 besteht aus nichtmagnetischem Werkstoff, z. B. einem dünnen rostfreien Stahlrohr; der Grund hierfür wird noch erläutert,

Wenn die Haubeneinheit 20 in ihrer Stellung festgelegt ist, wird ein Eichsitzorgan 30 in seiner Lage gehalten. Das Eichsitzorgan 30 ist (vgl. Fig. 3) im wesentlichen eine Hülse mit einem längeren oberen Endabschnitt 31 mit größerem Durchmesser und einem unteren Endabschnitt 32 mit verringertem Durchmesser. Der untere Endabschnitt ist in der Bohrung 16 des Querorgans positioniert, und das Unterende des oberen Endabschnitts 31 ist in der angrenzenden Gegenbohrung 17 festgelegt; das Oberende des oberen Endabschnitts 31 liegt an dem verringerten und eine

130050/047?

- JA -

Schulter aufweisenden Ende 27 des Basisteils 21 der Haube an. An der Verbindungsstelle der Abschnitte 31 und 32 und innerhalb des Abschnitts 31 ist eine ringförmige Sitzfläche 33 gebildet, die eine Anschlag- und Ventilschließfunktion hat, und zwar zusammen mit einem Ventilschieber oder -kegel 34, wie noch erläutert wird; Oberhalb der Ebene der Sitzfläche 33 weist der obere Endabschnitt 31 eine Mehrzahl Schlitze 35 auf, die bevorzugt gleiche Breite haben, es sei denn, daß eine ganz bestimmte Ventilwirkung erwünscht ist, in diesem Fall ist die Breite der Schlitze 35 als eine Funktion der axialen Höhe änderbar, so daß die erwünschten Eigenschaften erzielbar sind.

Der Ventilschieber 34 ist im wesentlichen ein länglicher Becher mit einer Bohrung 36, die durch teleskopartiges Überlappen mit dem Schaft 25 der Haubeneinheit in Längsrichtung verschiebbar geführt ist. Ein mit dem Ventilschieber einstückig ausgebildeter Umfangsflansch 37 bezeichnet den Längsmittenabschnitt des Ventilschiebers 34 und hat einen solchen Außendurchmesser, daß er zwar radial mit Spiel in der Bohrung des Eichsitzorgans 30 (bei 31) führbar ist, jedoch ausreichend groß ist, um eine umfangsmäßiy kontinuierliche Sitzüberlappung mit der Sitzfläche 33 für einen Nulldurchsatz-Zustand aufzuweisen; eine relativ schwache Schraubenfeder 38 sitzt in der Gegenbohrung 29 der Haubeneinheit und beaufschlagt den Ventilschieber 34 ständig in seine am Sitz anliegende Lage. Das Unterende des Ventilschiebers 34 verläuft erheblieh unter den Sitzflansch 37 und hat eine Endwand 39, mit der es mit einer Einheit zum Erfassen der momentanen Lage des Ventilschiebers 34 verbunden ist. Diese Verbindung bildet, eine in Längsrichtung positionierbare Untereinheit, die am besten aus Fig. 4 ersichtlich ist.

13ÖQ50/0477

Aus Fig. 4 ist ersichtlich, daß die bewegliche Untereinheit ein langes Kernelement bzw. einen Stab 40 mit hoher magnetischer Permeabilität aufweist, dessen eines Ende durch Hartlöten mit Silber an dem eine Bohrung aufweisenden Oberende einer Verbindungsstange A-I aus einem nichtmagnetischen Werkstoff, z. U. Messing, befestigt ist. Die Stange 41 hat ein Ende mit verminderten Durchmesser, das ein Gewinde aufweist und mit radialem Spiel durch ein mittiges Loch in der Wandung 39 des Ventilschiebers ragt, so daß eine axial sichere Festlegung mittels einer Sicherungsmutter 42 möglich ist, wobei die Stange 40 in dem Schaft 26 mit einem gewissen Freiheitsgrad selbstausrichtend ist. Das Kernelement 40 ist in dem Schaft 26 verschiebbar positionierbar, und wenn der Ventilschieber 34 mit seinem Flansch 37 an der Sitzfläche 33 anliegt, hat das Oberende des Kernelements 40 die mit N.F. in Fig. 1 bezeichnete Lage, was den strömungslosen Zustand bedeutet. In dieser Stellung ist das Kernelement 40 vollständig mit einer ersten Spule eines Spulenpaars 43, 44 überlappt; in dieser Lage ist das Kernelement 40 ferner teilweise mit der zweiten Spule

44 überlappt. Die Spulen 43 und 44 sitzen mit aneinanderliegenden Enden in einer becherförmigen Spulenabschirmung

45 in teleskopischer Überlappung mit dem Schaft 26 und sind vollständig in dem zylindrischen Innenraum des Leitungsvorsprungs 24 der Haubeneinheit 20 enthalten. Zuleitungen zu den jeweiligen Spulen 43 und 44 verlaufen durch das offene Ende des LeitungsvorSprungs 24 und sind mit ürahtverbindungsmuttern oder anderen Verbindungsmitteln an externe elektrische Bauteile der elektrischen Schaltung angeschlossen.

Die Spulen 43, 44 und das Kernelement 40 sind wirksame Komponenten eines linear änderbaren Differentialtransformators, wobei die Spule 43 die Primärwicklung ist und somit kontinuierlich mit gleichbleibender Spannung erregt

130050/om

- jn -

wird. Solange der Ventilschieber 34 an seiner Sitzfläche anliegt, bleibt das Oberende des Kernelements 40 auf der Höhe H.F. und stellt daher im wesentliche keine Kopplung mit der Spule 44 her. Wenn jedoch der Schieber nach oben verschoben wird, wird das Kernelement 40 immer stärker mit der Sekundärwicklung 44 verbunden, während es gleichzeitig mit der Primärwicklung 43 vollständig verbunden bleibt. Damit wird die Amplitude der Sekundärspannung ein direktes lineares Maß für den Kopplungsgrad des Kernelements 40 mit der oberen Spule 44.

Ls wurde ein zuverlässiger Betrieb erzielt unter Anwendung eines Kernelements 40 aus hochpermeablem Werkstoff, der entweder eine Allegheny-Ludlum-Legierung Nr. 4750 oder Carpenter-Nr. 49-FM war, wobei das Kernelement zu Zylinderform mit einer Länge von 57,15 mm und einem Durchmesser von 0,25 mm bearbeitet war und nach der Bearbeitung in einer trockenen Wasser stoffatmosphäre vergütet wurde. Jede Wicklung hatte eine Länge von 25,4 mm und bestand aus 5700 Windungen von emailliertem Kupferdraht Hr. 42; die Abschirmung 45 bestand aus Mu-Metall entsprechend AMS-7701 (= Aeronautical Material Specification Nr. 7701), das ebenfalls zur Erzielung optimaler magnetischer Eigenschaften mit Wasserstoff vergütet war.

I ig. 5 zeigt eine batteriebetriebene Schaltung, die einer Ausgarujs-Nutzungseiriheit 46, z. B. einem Anzeigemeßgerät oder -aufzeichnungsgerät, eine Gleichspannung etwa im Bereich von 0-10 V zuführt und deren Amplitude eine lineare Funktion des Verstellzustands des Kernelements 40 relativ zu seiner Sitz- bzw. N.F.-Lage ist. Bei dieser Schaltung ist ein Spannungsregler 47 mit einer Ausgangsspannung von

130050/047?

12 V vorgesehen, so daß der linear änderbare DifferentiaJ-transformator von einer einer ungeregelten Versorgungsspannung oder irgendeiner verfügbaren Spannung z. B. im Bereich von 15-30 V Gleichspannung aus betrieben werden kann. Die Ausgangsspannung des Spannungsreglers hl wird einem Rechteckwellenoszillator 4-8 zugeführt, der ein Festkörperschalter sein kann und die geregelte Spannung z. B. mit einer Sollfrequenz von 800 Hz zerhackt; die zerhackte Spannung wird direkt an die untere oder Primärwicklung 4-3 angelegt. Die in der oberen oder Sekundärwicklung hh induzierte Spannung wird bei kO zweiweggleichgerichtet und gefiltert, und das gefilterte Ausganyssignal wird in einem Hormierungsverstärker 50 verarbeitet und der Ausgangs-Mutzungseinheit h6 zugeführt.

Durch geeignete Wahl der Oszillatorfrequenz wird an der Sekundärwicklung 4-4 eine brauchbare Rechteckwelle erhalten. Mit einer solchen Wellenform kann die Gleichrichter-Filtereinheit 4-9 mäßige Verzerrungen infolge einer Frequenzabwanderung und von Änderungen der Kernlage tolerieren.

Es ist erwünscht, eine einfache Gleichrichter-Filter-Schaltung einzusetzen, die Schottky-Dioden 51, 52 verwendet, wie etwa der bekannte Zweiweg-Vollwellenverdoppler. Dies bedingt jedoch einen Spannungsabfall an den Gleichrichterdioden 51, 52 in deren leitendem Zustand, der im Vergleich zu der gefilterten Gleichspannung, die hier als am Widerstand 53 anliegend gezeigt ist, bedeutsam ist. Da der Gleichrichter-Spannungsabfall temperaturempfindlich ist, ist die gefilterte Gleichspannung in unannehmbarem Maß temperaturempfindlich. Der Spannungsabfall an einer Gleichrichterdiode bei gleichbleibendem Strom ist jedoch berechenbar; er nimmt linear mit steigender Temperatur ab. Aus diesem Grund, und bei einer bestimmten Verstellposition

130050/0477

des Kernelements 4-0, wird die am Widerstand 53 anliegende gefilterte Gleichspannung in Abwesenheit weiterer Überlegungen mit steigender Temperatur ansteigen. Diese Temperatur abhängigkeit wird dadurch ausgeglichen, daß eine weitere Diode 54· so angeschlossen ist, daß ihr Spannungsabfall mit der gefilterten Gleichspannung am Widerstand 53 summiert wird, und daher wird dem Normierungsverstärker 50 zur weiteren Verarbeitung die summierte Spannung an den Elementen 53 und 54· zugeführt. Da diese Summierung vor der Verstärkungsstufe (50) erfolgt, ist der Temperaturausgleich unabhängig von etwaigen bei 50 erfolgenden Verstärkungseinstellungen.

Der Normierungsverstärker 50 kann ein handelsüblicher integrierter Operationsverstärker, z. B. ein RCA-Produkt CA3130, sein.

Die Schaltungsauslegung ist so gewählt, daß a) eine vernachlässigbare Belastung des Gleichrichter-Filters 4-9 auftritt, b) das temperaturkompensierte Gleichspannungssignal verstärkt wird und c) Nullabgleich und Verstärkungsfaktor einstellbar sind; bevorzugt ist der Verstärker von der als Folgeverstärker mit Verstärkung bekannten Art. Ein solcher Verstärker wird bevorzugt, weil sein Ausgang temperaturstabil ist infolge der der Schaltung eigenen hohen Gegenkopplung. Die Verstärkerabweichung ist im wesentlichen gleich der Größe der Abweichung in den zugehörigen Widerstandskomponenten (nicht gezeigt), die durch geeignete Wahl der Komponenten klein gemacht werden kann.

Im Betrieb bewirkt der Durchfluß eines Fluids von der Einlaß- zur Auslaßseite eine Verschiebung des Ventilschiebers 34· nach oben aus seiner durchsatzlosen Sitzlage an der ringförmigen Sitzfläche 33. Der Flansch 37 hat bevor-

130050/0477

-ZO-

zugt eine sich verjüngende Außenform, so daß die wirksame Strömungsöffnung im wesentlichen nur durch die Unterkante des Flanschs 37 in bezug auf die Summe der dann offenen Bereiche der Schlitze 35 bestimmt wird. Diese Aufwärtsverschiebung ist also im wesentlichen eine lineare Wiedergabe des momentanen Durchsatzes, und es wurde bereits erläutert, daß das elektrische Ausgangssignal zur Einheit Α·6 ebenfalls im wesentlichen eine lineare Wiedergabe der Aufwärtsverschiebung und somit ebenfalls eine lineare Wiedergabe des momentanen Durchsatzes ist.

Fig. 6 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung nach Fig. 1, wobei das Eichsitzorgan 56 so ausgelegt ist, daß es durch Einschnappen in das Querorgan 13 des Ventilgehäuses gehaltert wird, wodurch die Stabilisierung des Oberendes durch Anschlagen an der Haubeneinheit entfällt. Wie am besten aus Fig. 7 ersichtlich ist, weist das Sitzorgan 56 mehrere Federfinger 57 an winkelmäßig beabstandeten Stellen auf; diese Federfinger haben abgeschrägte Flächen, so daß sie während des Einsetzens in die Sitzbohrung 16 und die Gegenbohrung 17 allmählich nach innen auslenkbar sind; wenn die volle Einsetzlage erreicht ist, schnappen Arretiernasen an den Federfingern 57 nach außen in feste Anlage an der Unterfläche des Querorgans 13 an der Bohrung 16. Innerhalb des Eichsitzorgans 56 kann ein Ventilschieber der bei 34 erläuterten Art angeordnet sein, aber bei der gezeigten Ausführungsform weist der Schieber 58 einen im wesentlichen zylindrischen Körper auf, der nur durch einen radial kurzen Flansch 59 abgestuft ist, der eine Schulter zum Zusammenwirken mit der Feder 38 bildet; das Zusammenwirken des Ventilschiebers mit den durchsatzbestimmenden Schlitzen des Eichsitzorgans 56 erfolgt über eine relativ dünne ringförmige Scheibe 60, die mit einem Sicherungsring

130050/04

-Ji-

an der unteren Schulter des Flanschs 59 festgelegt ist. Zur Erzielung der Schnapphalterung mittels der Federfinger 57 ist das Eichsitzorgan 56 erwünschterweise ein spritzgegossenes Einzelteil z. B. aus Polypropylen oder Delrin (Wz) Es ist ersichtlich, daß die Schnapphalterung die Anwendung der Erfindung auf bereits vorhandene eingebaute Ventile vereinfacht und daß zur Erzielung einer optimalen Einsatzflexibilität das durchmesserverringerte, ein Gewinde aufweisende Ende der Verbindungsstange 4-1 bevorzugt noch langer als in Fig. 3 ist, so daß ein größerer Anpassungsbereich der N.F.-Lage des Kernelements 4-0 für die jeweils gegebenen Abmessungen des Ventilgehäuses erzielbar ist.

Die vorstehend erläuterten Ausführungsbeispiele behandeln im wesentlichen ein Rückschlagventil, bei dem ein Durchströmen nur in der Einlaß-Auslaß-Richtung, die die Durchsatzmeßrichtung ist, möglich ist. Das Ausführungsbeispiel von Fig. 8 zeigt, daß die Erfindung auch für die Durchsatzmessung in jeder der beiden möglichen Richtungen (11-12 oder 12-11) möglich ist, wobei eine Anzeige erfolgt, welche dieser beiden Richtungen jeweils gerade betroffen ist.

Nach Fig. 8 umfaßt ein Eichsitzorgan 62 eine kontinuierliche Zylinderbohrung, die sich oberhalb und unterhalb einer mittigen durchsatzlosen Zone erstreckt und mit einer Scheibe 60 des Ventilschiebers zusammenwirkt. Bei Einlaß-Auslaß-Strömung wird der zugehörige Ventilschieber 61 und seine Scheibe 60 angehoben, so daß durch eine obere Serie von Eichschlitzen 63 gebildete Öffnungen frei werden, und Auslaß-Einlaß-Strömung verschiebt den Schieber und seine Scheibe 60 abwärts, so daß durch eine untere Serie von Eichschlitzen 6'f gebildete Öffnungen frei werden;

130050/047?

- κι -

nach Fig. 9 sind die Eichschlitze 64 relativ zu den Eichschlitzen 63 winkelmäßig versetzt angeordnet. Eine zweite relativ schwache Feder 65 wirkt mit dem Schieber entgegen der Feder 38 zusammen, um bei Abwesenheit einer Strömung eine Sollkraft für das Verbringen des Ventilschiebers in die mittige oder strömungslose Zone 66 des Sitzorgans 62 sicherzustellen; selbstverständlich hat diese Zone 66 eine relativ geringe axiale Erstreckung (axial zwischen den Schlitzen 63 und 64), die im wesentlichen der effektiven axialen Dicke des Randes der Scheibe 60 entspricht.

Für die Nutzung der erläuterten linear änderbaren Differcntialtransformator-Wicklungen 4-3, 44 bei dem Zweirichtungssystem von Fig. 8 wird das Kernelement A-O bezüglich seiner Verbindung mit dem Ventilschieber so eingestellt, daß sich das Oberende des Kernelements 40 in einer mittleren Kopplungslage mit der Sekundärwicklung 44 befindet, wenn die Scheibe 69 in der strömungslosen Zone des Sitzorgans 62. liegt. In diesem Fall ergibt sich folgendes ohne Abwandlung der Schaltung: a) der Ausgang des Verstärkers 50 kann auf einem strömungslosen Pegel eine unveränderliche Zwischenspannung (z. B. eine Gleichspannung von 5 V) sein, b) bei einer Einlaß-Auslaß-Strömung kann die Ausgangsspannung am Verstärker 50 im Bereich von 5-10 V liegen, und c) bei umgekehrter Strömung (in Auslaß-Einlaß-Richtung) kann die Ausgangsspannung am Verstärker 50 im Bereich von 10-5 V liegen. Es ist selbstverständlich, daß durch Vorsehen einer gleichbleibenden negativen Verschiebung um 5 V in Verbindung mit dem Ausgang des Verstärkers 50 die der Einheit 46 zugeführte Spannung für Einlaß-Auslaß-Strömungen eine positive Spannung von 0-5 V und für Auslaß-Einlaß-Strömungen eine negative Spannung von 0-5 V sein kann, In beiden Fällen werden Richtung und Größe des Fluiddurchsatzes der Einheit 46 über die Ausgangsspannung des Verstärkers 50 mitgeteilt.

130050/0477

Leerseite

Claims (24)

Patentansprüche

1.1 Elektrischer Meßwandler, der auf eine Fluid strömung

anspricht,

gekennzeichnet durch

- ein Ventilgehäuse (10) mit einem Fluiddurchlaß zwischen einem Einlaß (11) und einem Auslaß (12), wobei das Ventilgehäuse umfaßt:

- eine eine Ventilöffnung (16) aufweisende Sitzeinheit (13, 16, 17), die den Durchlaß in eine Einlaßkammer (14) und eine Auslaßkammer (15) unterteilt,

- ein von der Sitzeinheit (13, 16, 17) an der Öffnung (16) getragenes rohrförmiges Leitorgan (30) mit einem sich in die Auslaßkammer (15) erstreckenden Abschnitt (31),

- einen in dem Leitorgan (30) verschiebbaren Kolben

- wobei der auslaßkammerseitige Abschnitt (31) des Leitorgans (30) einen Längsschlitz (35) mit vorbestimmter, strömungsbestimmender Breite, so daß über den geschlitzten Bereich der Kolben (34) als eine im wesentlichen lineare Funktion des Durchsatzes eines bestimmten Fluids in dem Durchlaß längsverschiebbar ist, und

- eine elektrische Meßwandlereinheit mit einem mit dem Kolben (34) verbundenen Teil (41) und einem am Gehäuse (10) befestigten Teil (24),

- die ein elektrisches Ausgangssignal mit einem sich ändernden Parameter erzeugt, das eine im wesentlichen lineare Funktion der KolbenverSchiebung ist.

130050/0477

2. Meßwandler nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

- daß das Gehäuse (10) eine Haubenöffnung aufweist, die im Abstand von der Ventilöffnung (16) in Längsrichtung mit dieser fluchtet, und

- daß eine lösbare Haubeneinheit (20) die Haubenöffnung verschließt und den am Gehäuse (10) befestigten Teil (24-) des Meßwandlers trägt.

3. Meßvvandler nach Anspruch 2,
dadurch ge kenηze ichnot,

- daß das rohrförmige Leitorgan (56) lösbare Sicherungselemente (57) zum Festlegen des Leitorgans an der Sitzeinheit (13, 16, 17) aufweist

(Fig. 6, 7).

4·. Meßwandler nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,

- daß die Ventilöffnung (16) kreisrund ist, und

- daß das festzulegende Ende des rohrförmigen Leitorgans

(56) eine äußere Form hat, die bestimmt ist durch einen Zylinder abschnitt, der so bemessen ist, daß er in die Ventilöffnung (16) paßt, und durch eine radiale Schulter, die mit der Sitzeinheit (13, 16, 17) in Anlage bringbar ist und so das Eindringen des Zylinderabschnitts in die Ventilöffnung (16) begrenzt.

5. Meßwandler nach Anspruch 4-,
dadurch gekennzeichnet,

- daß das rohrförmige Leitorgan (56) ein einziges spritzgegossenes Kunststofftei1 ist, das an seinem festzulegenden Ende einstückige federnd auslenkbare Arretierorgane

(57) aufweist, die mit der Einlaßkammerseite der Sitzeinheit (13, 16, 17) zur Halterung des Leitorgans (56) in Schnappverbindung bringbar sind.

130050/0477

310203S

6. Meßwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- daß das rohrförmige Leitorgan (62) eine Bohrung mit gleichbleibendem Querschnitt aufweist, die durch die Ventilöffnung verläuft und deren größten effektiven Öffnungsgrad bestimmt,

- wobei sich das Leitorcjan (62) und sein Bohrungsabschnitt kontinuierlich in jede der Kammern (I^, 15) erstrecken,

- daß der einlaßkammerseitige Abschnitt des Leitorgans (62) einen weiteren Längsschlitz (64) mit im wesentlichen gleichbleibender Breite aufweist, und

- daß der ein- und der auslaßkammerseitige Schlitz (64, 63) jeweils an oder nahe der Ventilöffnung (16) enden

(Fig. 8, 9).

7. Meßwandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,

- daß der einlaßkammerseitige Schlitz (64) in bezug auf den auslaßkammerseitigen Schlitz (63) winkelmäßig versetzt ist, und

- daß beide Schlitze (63, 64) im wesentlichen im Bereich (66) der Sitzbefestigung enden.

8. Meßwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- daß der Schlitz (35) einer von mehreren winkelmäßig beabstandeten Längsschlitzen gleichbleibender Breite und von gleicher Längserstreckung ist.

9. Meßwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- daß der auslaßkammerseitige Schlitz (63) einer von mehreren winkelmäßig beabstandeten Schlitzen (63) mit gleichbleibender Breite und von einer ersten gleichen Längserstrek-

130050/0477

k u η g ist,

- daß der einlaßkammerseitige Schlitz (6A-) einer einer entsprechenden Mehrzahl von winkelmäßig beabstandeten Längsschlitzen (64) mit gleichbleibender Breite und einer zweiten gleichen LängserStreckung ist,

- wobei die beiden Serien von Schlitzen (63, 64-) winkelversetzt abwechselnd aufeinanderfolgend vorgesehen sind .

10. Meßwandler nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

- daß der Kolben aufweist:

- einen Ventilkegel (58) mit einem zylindrischen Umfang am radial innersten Ende eines Radialflanschs (59), und

- eine Zwischenscheibe (60), die zur Führungsanlage längs der Innenfläche des Schlitzbereichs des Leitorgans (56; 62) ausgelegt ist,

- wobei die Zwischenscheibe (60) eine Öffnung aufweist, die auf den Zylinderumfang bei Anlage am Flansch (59) paßt, und ein Element zum Sichern dieser Anlage aufweist.

11. Meßwandler nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

- daß der Zylinderabschnitt zwischen dem Flansch (59) und einer nach radial außen offenen Nut in dem Ventilkegel (58) vorgesehen ist.

12. Meßwandler nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

- daß der am Gehäuse (10) befestigte Teil der elektrischen Meßwandlereinheit zwei ähnliche längliche, in Längsrichtung auf der Fluchtlinie der Kolbenführung

.13 0050/(H?¹?

einander benachbarte Vielfachwindungs-Wicklungen (4-3, 44) aufweist, und

- daß der mit dem Kolben verbundene Teil der Meßwandlereinheit einen langen Kern (40) aus einem Werkstoff mit hoher magnetischer Permeabilität und mit im wesentlichen gleichbleibendem Querschnitt aufweist, der in den Wicklungen (43, 44) verschiebbar ist,

- wobei die effektive Längserstreckung des Kerns (40) und der beiden Wicklungen (43, 44) im wesentlichen gleich ist.

13. Meßwandler nach Anspruch 12,
gekennzeichnet durch

- eine Abschirmhülse (45) aus magnetischem Abschirmwerkstoff, die sich mit den Wicklungen (43, 44) in teleskopartiger Längsüberlappung befindet.

14. Meßwandler nach Anspruch 12,
gekennzeichnet durch

- einen Rechteckwellenoszillator (48), der so geschaltet ist, daß er ausschließlich die eine (43) der beiden Wicklungen (43, 44) erregt, und

- eine einen Gleichrichter enthaltende Erfassungseinheit (49) für die Kolbenverschiebung, die ausschließlich mit der anderen (44) der beiden Wicklungen (43, 44) verbunden ist.

15. Meßwandler nach Anspruch 1,
gekennzeichnet durch

- eine zwischen dem Gehäuse (10) und dem Kolben (34) wirksame Feder (38), die den Kolben (34) in Richtung der Sitzeinheit (13, 16, 17) beaufschlagt.

5 0 / 0 4

16. Meßwandler nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

- daß die Führungsbohrung des rohrförmigen Leitorgans (30) einen Innenanschlag (33) aufweist, der an der Absperrstelle zwischen dem Kolben (34) und dem geschlitzten Bereich mit dem Kolben (3⁴O zusammenwirkt.

17. Meßwandler nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

- daß der Kolben (34) becherförmig ist und eine bis

zu seinem geschlossenen Ende (39) verlaufende Zylinderbohrung (36) aufweist, und

- daß der Kolben (34) eine lange Führungshülse (25) enthält, die am'Gehäuse (10) befestigt ist und durch die Auslaßkammer (15) und in radial beabstandete konzentrische Beziehung mit der Ventilöffnung (16) verläuft,

- wobei die Bohrung (36) des Kolbens (34) am Ende der Führungshülse (25) steuernd geführt ist, und

- der mit dem Kolben (34) verbundene Teil der Meßwandlereinheit durch die Führungshülse (25) mit dem geschlossenen Ende (39) des Kolbens (34) verbunden ist

18. Meßwandler nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,

- daß der am Gehäuse (10) befestigte Teil der elektrischen Meßwandlereinheit zwei ähnliche lange, in Längsrichtung auf der Fluchtlinie der Kolbenführung einander benachbarte Vielfachwindungs-Wicklungen (43, 44) aufweist, und

- daß der mit dem Kolben verbundene Teil der Meßwandlereinheit einen langen Kern (40) aus einem Werkstoff mit hoher magnetischer Permeabilität und mit im wesentlichen gleichbleibendem Querschnitt aufweist, der in den Wicklungen (43, 44) verschiebbar ist,

130050/CU77

- wobei die effektive LängserStreckung des Kerns (40) und der beiden Wicklungen (43, 44) im wesentlichen gleich ist, und

- der Kern (40) sich mit beiden Wicklungen (43, 44) in gleich aufgeteilter teilweiser Überlappung befindet, wenn der Kolben (61) sich in der Zone (66) der Sitzbefestiguny befindet und damit sowohl die Einlaß- als auch die Auslaßkammer-Schlitze (64, 63) im wesentlichen absperrt.

19. Meßwandler nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet,

- daß die eine Wicklung (43) den Kern (40) im wesentlichen unter Ausschluß der anderen Wicklung (44) überlappt, wenn der Kolben (34) seine Absperrlage relativ zu dem Schlitz (35) einnimmt.

20. Meßwandler nach Anspruch 19,
gekennzeichnet durch

- einen Sitzanschlag (33) für den Kolben im rohrförmigen Leitorgan (30), wodurch die Verschiebung des Kolbens (34) unter die Absperr stellung begrenzt wird.

21. Meßwandler nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet,

- daß ein langes Isolierrohr (26) aus nichtmagnetischem Werkstoff die Wicklungen (43, 44) über deren Gesamtlänge durchsetzt,

wobei

- das Isolierrohr (26) an seinem von der Sitzeinheit (13, 16, 17) fernen Ende verschlossen (28) ist und mit seinem anderen Ende hermetisch dicht mit dem Gehäuse (10) verbunden ist, und

130050/0477

- der Magnetkern (40) in dem Isolierrohr (26) beweglich ist, so daß die Wicklungen (43, 44) wirksam gegenüber dem Fluid im Gehäuse (10) isoliert sind.

22. Meßwandler nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet,

- daß das Isolierrohr (26) aus relativ dünnem rostfreiem Stahl besteht.

23. Meßwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- daß der Kolben (34) im wesentlichen zylindrisch ist und eine seinen Innenraum umschließende radiale Wandung aufweist,

- wobei der mit dem Kolben verbundene Teil der Meßwandlereinheit mit wenigstens einem gewissen radialen Freiheitsgrad mit dem Mittenbereich der radialen Wandung verbunden ist.

24. Meßwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- daß der Längsschlitz (35; 63, 64) im wesentlichen gleichbleibende Breite hat.

130050/047?