DE3134985A1

DE3134985A1 - Vorrichtung zum betrieb von resonanzdurchflussmessern

Info

Publication number: DE3134985A1
Application number: DE19813134985
Authority: DE
Inventors: Kurt Dr.-Ing. 7000 Stuttgart Binder; Theodor Prof. Dr.-Ing. 1000 Berlin Gast; Günter Dipl.-Ing. 7257 Ditzingen Hönig
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1981-08-08
Filing date: 1981-09-04
Publication date: 1983-02-24
Also published as: US4488439A

Description

η. 7221

15. 6. 1981 Fa/Do

SOEERT BOSCH GKEE, 7000 Stuttgart 1

Vorrichtung zum Betrieb von Kesonanzdurchflußmessern

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Massendurchflußnesser nach der Gattung des Hauptanspruchs. Hassendurchflußmesser auf Eesonanzbasis und Auswerteschaltungen dazu sind beispielsxveise aus der DE-OS 29 28 568 bereits bekannt. Die Ansteuerung der Schwinger mit Impulsbreitenmodulation erfordert jedoch einen großen Schaltungsaufxirand. Dadurch werden die Hassendurchflußmesser teuer, so daß sie nur in Spezialfällen einsetzbar sind.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Kassendurchfliißriesser mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß die Schwinger mit einer einfachen Schaltungsanordnung erregbar sind und die Bedänpfung des Schwingers leicht meßbar ist. Der schaltungstechnische Aufwand hält sich daher in Grenzen und ist einfach zu realisieren.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des in Eauptanspruch angegebenen Massendurchflußmessers möglieh. Besonders vorteilhaft ist es, als Istwert für die Hegelvorrichtung ein der Schwingamplitude proportionales Signal abzugreifen und einem Gleichrichter zuzuführen. Dies ist eine besonders einfache Art und Weise, die Schwinganplitude des Massendurchflußmessers konstant zu halten. Eine v/eitere vorteilhafte Methode ist es, als Istwert für die Regelvorrichtung die Induktivitätsänderung einer Erregerspule zu verwenden. Hierdurch wird erreicht, daß Störsignale und Störiiapulse keinen Einfluß auf die Regelvorrichtung nehmen können. Die durch die Induktivitätsänderung bedingte Frequenzänderung wird am einfachsten durch einen Erequenzdiskriminator ausgewertet.

Un auch den Grunddämpfungstherm, der durch die Einspannung gegeben ist, erfassen zu können, ist es vorteilhaft, eine von der Schwingfrequenz verschiedene Wechselspannung in das Schwingsystem einzuspeisen, wobei dessen as Schwingsystem auftretende Amplitude einem Gleichrichter zugeführt ist und dessen Ausgangssignal von einem der Verstärkung des Verstärkers proportionalen Signal abgezogen wird. Es wird dann nur noch der durch den Massendurchfluß bedingte Dänpfungstherm erfaßt. Günstig ist es, Bandfilter vorzusehen, die die Schwingfrequenz und weitere auftretende Frequenzen aussiebt. Durch diese Maßnahme ist einerseits erreicht, daß das Schwingsystem nicht unkontrolliert auf einer Oberwelle der Grundfrequenz schwingen kann, andererseits wird dadurch erreicht, daß die Schwingfrequenz und das weitere Wechselspannungssignal leicht voneinander trennbar sind und getrennt verarbeitbar sind. Es ist günstig, die Frequenz des Uechselspannungssignals sehr viel größer als die Schwingfrequenz zu wählen. Dies erleichtert die Signaltrennung und ggf. die Dimensionierung der Bandfilter.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert· Es zeigen Pig· 1 den prinzipiellen Aufbau eines Massendurchflußmessers nach dem Resonanzprinzip mit einer Piezo-Keramik als Erreger, Pig. 2 eine erste Auswertesehaltung nach der Erfindung, Pig· 3 das Prinzip eines Massendurchflußmessers mit Resonanzschwingern mit elektromagnetischer Erregung und Pig. 4- ein zweites Ausführungsbeispiel nach der Erfindung.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Pig· 1 zeigt prinzipiell ein Beispiel eines Massendurchflußmessers, der auf Resonanzbasis arbeitet. Eine Piezokeramik 1 weist Elektroden 2 und 3 auf, an die die Schwingschaltung angeschlossen ist. Durch die Anregung führt die Piezokeramik 1 Schwingungen aus. Auf der Piezokeramik 1 ist ein Schwinger 5 gelagert, der in der Pfeilrichtung mit Gas beströmt wird. Die Piezokeramik 1 ist auf einer gehäusefesten Grundplatte 4· montiert. In Abhängigkeit von der Dichte des Gases werden die Schwingungen des Schwingers 5 unterschiedlich bedämpft.

Die Pig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel zum Betrieb des Massendurchflußmessers. Das in Pig. 1 gezeigte Schwingsystem ist mit 6 bezeichnet. An die Elektroden 2 und 3 der Piezokeramik 1 sind Leitungen angeschlossen, wobei die eine Leitung nach Masse, und die andere zu einem Bandfilter 7 führt. Das Bandfilter 7 ist so ausgelegt, daß sein Durchlaßbereich im Resonanzbereich des Schwingers 5 liegt. Dem Ausgang des Bandfilters 7 folgt ein regelbarer Verstärker 8. An den Ausgang des regelbaren Verstärkers 8 ist über einen Widerstand

9 ein Addierer 11 vorgesehen. Über einen weiteren Widerstand

10 ist dem Addierer 11 ein weiteres Wechselspannungssignal

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zufügbar. Der Ausgang des Addierers 11 führjib zu einem Spannungsstromwandler 12, der seinerseits mit der einen Elektrode der Piezokeramik 1 des Schließsystems 6 verbunden ist. Am Ausgang des Bandpaßfilters 7 ist ein Gleicnrienter 13 angeschlossen, der zum Isteingang eines PI-Reglers 14 führt. Am Solleingang des PI-Reglers 14 ist eine Spannung anlegbar, mit der die Amplitude des Schwingsystems einstellbar ist. Der Ausgang des PI-Reglers ist einerseits über eine Leitung mit dem Regeleingang des Verstärkers 8 verbunden und führt andererseits über einen Widerstand 15 zum positiven Eingang eines Summenbildners 16. An die eine Elektrode der Piezokeramik 1 des Schwingsystems 6 ist ein weiterer Bandpaß 17 angeschlossen, dessen Durchlaßfrequenz im Bereich der Frequenz der Wechselspannung liegt, die über den Widerstand 10 in den Addierer 11 eingespeist wird. Der Ausgang des Bandfilters 17 führt zu einem Gleichrichter 18, dessen Ausgang wiederum über einen Widerstand 19 mit dem negativen Eingang des Summenbildners 16 verbunden ist. Am Ausgang des Summenbildners 16 ist das Meßsignal· abgreifbar.

Das in Pig. 1 gezeigte Schwingsystem befindet sich in einem Luftstrom, dessen MassendurchfiuB über die Dämpfung gemessen werden soll. Zur Einkopplung von elektrischer Energie in das Schwingsystem dienen die swei Elektroden 2 und 3, die an der Piezokeramik 1 angebracht sind. Der Schwinger 5 besitzt aufgrund seiner geometrischen Abmessung eine Eigenfrequenz und wird durch die vorbeiströmende Luft gedämpft. Eine xreitere Bedämpfung erfolgt durch die Einkopplungsdämpfung durch die Elektroden, durch Verluste in der Piezokeramik und durch Energieverluste_r die sich durch eine nichtsynnetrische Einspannung ergeben können. Der mechanische Schwinger wird nunmehr durch eine bekannte Anregungsschaltung mit den Verstärker 8 und dem Stromspannungswandler 12 in seiner Eigenfrequenz angeregt. Der elektrische Bandpaß 7

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"bewirkt, daß mir ein "bestimmter Schwingungsmodus möglich ist. Der Verstärker 8 ist in seiner Verstärkung variabel. Der Verstärkungsfaktor des Verstärkers 8 wird über den PI-Regler so eingestellt, daß die Amplitude einen bestimmten vorgegebenen Sollwert einnimmt. Der Sollwert ist als Spannung an einen Eingang des PI-Beglers 14 angelegt» Der Istwert wird über den Gleichrichter 13 gewonnen, da die am Bandpaß 7 anliegende Wechselspannung ein Maß für die Schwingamplitude · des Schwingsystems 6 ist. Damit die Vorrichtung selbstschwingend bleibt, ist die Verstärkung des Verstärkers 8 so eingestellt, daß die Gesamtdämpfung des Systems ausgeglichen ist. Das vom PI-Regler 14 abgegebene Signal, das die Verstärkung des Verstärkers 8 bestimmt, entspricht daher der Gesamtdämpfung des Schwingsystems und wird über den Widerstand 15 und den Summierverstärker 16 an den Ausgang abgegebene Sind die weiteren zuvor erwähnten Dämpfungsfaktoren im Verhältnis zur Luftdämpfung klein, so ist mit dieser Vorrichtung bereits eine ausreichend genaue Anzeige des Massendurchflusses möglich.

Insbesondere bei kleinen Massendurchflüssen sind jedoch die Einspann- und Einkoppeldämpfungen nicht zu vernachlässigen. Zu ihrer Ermittlung wird über den Widerstand 10 eine zusätzliche Wechselspannung eingespeiste Die Frequenz dieser Wechselspannung sollte wesentlich größer als die Eigenfrequenz des Schwingsystems sein, so daß das Schwingsystem 6 im Bezug auf diese Frequenz wie ein mechanisch starrer Körper wirkt. Die zusätzliche Frequenz darf nicht gleich mit der Eigenfrequenz der Piezokeramik sein, da sonst die Bedämpfung der zusätzlich eingespeisten Wechselspannung zu klein ist. Das am Schwingsystem 6 auftretende bedämpfte Signal der zusätzlich eingespeisten Wechselspannung wird mittels des Batidfilters ausgesiebt und durch den Gleichrichter 18 gleichgerichtet. Ein Bandfilter bietet die beste Möglichkeit, die beiden azi Schwingsystem 6 auftretenden Frequenzen zu selektieren. Ins-

. besondere bei großen Unterschieden zwischen der Eigenfrequenz des Schwingsystens 6 und der zusätzlich eingespeisten Fre-

■ quenz sind jedoch Bandfilter nicht unbedingt erforderlich. Das am Ausgang des Gleichrichters 18 anliegende Signal ist ein Haß für die Dämpfung, die zusätzlich durch die Einspannung und die Einkopplung auftreten. Un nun exakt die Dämpfung des Schwingsystens durch die Luft zu erhalten, ist die an Ausgang des Gleichrichters 18 auftretende Gleichspannung von der Gleichspannung zu subtrahieren, die die Gesentdämpfung repräsentiert. Die am Ausgang des Gleichrichters 18 auftretende Gleichspannung wird daher über den Widerstand 19 den negativen Eingang des Sumnierers 16 zugeführt. An Ausgang des Summierers 16 ist nunnehr eine der Dämpfung proportionale Spannung abgreifbar, wobei diese Dämpfung nur durch die Dämpfung des Schwingsystens durch den Massendurchfluß hervorgerufen wird.

Die Pig. 3 zeigt prinzipiell einen Luftmengenmesser na.ch dem Schwingungsprinzip, wobei die Kraft magnetisch eingespeist wird· Die Anordnung besteht aus zwei Schwingern 22 und 25, die durch eine nichtmagnetische Halterung 26 mittig miteinander verbunden sind. An diesen Mittelpunkt sind die Schwinger 22 und 25 gehäusefest befestigbar. Von einen Ende des Schwingers 25 zum anderen Ende des Schwingers 22 führt ein Rückflußblech 27, während ein weiteres Hückflußblech 23 von einem Ende des Schwingers 22 zum anderen Ende des Schwingers 25 führt, so daß der magnetische Kreis geschlossen ist. Auf dem Bückflußblech 23 ist eine Erregerspule 24 aufgebracht. Die Luftspalte zwischen den Schwingern 22 und 25 und den Süclcflußblechen 23 und 27 sind sehr viel kleiner als der durch die Halterung 26 gegebene Abstand der Schwinger 22 und 25 voneinander. Das mechanische Schwingsystem besitzt eine Eigenfrequenz, die durch die geometrischen Abmessungen gegeben wird. Un ein sicheres Anschwingen des ließsystei^s au ermöglichen, ist es günstig, wenn die Schwinger 22 und 25 bezug-

lieh der Sückflußbleche 23 und 27 leicht versetzt angeordnet sind ο

Die Bedäinpfimg des Schwingsystens nach Pig_o 3 ist wiederum im wesentlichen durch den Kassendurchfluß gegeben, Jedoch ist bei kleinen Iiassendurchfluß zu "berücksichtigen, daß die Sigendänpfung aufgrund der Einspannung und der Ilaterialdänpfung nicht vernachlässigt werden darf_o Die Schaltungsanordnung nach Figo 2 ist daher auch für ein Schwingsystem nach Figo 3 geeignet, wobei statt der Peizokeraiaik die Spule 24 in den Schwingkreis eingeschleift wirdo

Jedoch läßt sich hier auch eine Auswerte schal tung nach I"ig_o vorteilhaft einsetzet^ Die Eigur zeigt wiederum den Bandpaß 7_S der an die Spule 24 des Schwingsystens angeschlossen isto Den Bandfilter 7 folgt der regelbare Verstärker S₅ dessen Ausgang an den Spammngsstronwandler 12 angeschlossen ist„ Der Ausgang des Spannungsstrcnwandlers ist seinerseits an die Spule 24 angebunden_o An die Spule 24 ist ein Prequenzdiskriainator 30 angeschlossen, dessen Ausgängen den Istwerteingang des P3>Reglers 14- angeschlossen isto An den Sollwerteingang des FI-Eeglers 14 wird eine Gleichspannung angelegt, die die Amplitude des Ecliwingsysteiis kennzeichnet = Durch die Mitkopplung und durch einen entsprechend großen Verstärkungsfaktor' des Verstärkers S wird das Schwingsystem zu Eigenschwingungen aufgrund der mechanischen Eigenfrequenz angeregte v/eiterhin weist die Spule 24 eine Spill em. induktivität auf, die zxisannieii nit den Kapazitäten der angeschlossenen Schaltungen eine elektrische Eigenfrequenz ergibt_o Die Induktivität der Spule 24 ist jedoch nicht konstant, sondern eine Punktion der Schwingerlage₅ dolle abhängig davon, in wel-^? eher Stellimg sich die Schwinger 22 und 25 gerade befinden,. Die elektrische Eigenfrequenz des Systems ändert sich daher dauernd in Abhängigkeit von der Schwingerlage_o Dieses elektrische Eigenfrequenz signal wird nun den FreqiierizdiskriMiuator 30 zugeführt, an dessen Ausgang eine Vechselspanming ab-

* über den Gleichrichter 13

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greifbar ist, deren Frequenz dem Schwingsystem entspricht« Die Amplitude dieser wechselspannung ist wiederum ein Maß für die Bedämpfung des Schwingsystems. Dieses Signal wird durch den Gleichrichter 13 gleichgerichtet und dient als Istwert für den PI-Regler 14. Das Ausgangssignal des PI-Regler s 14, mit dem die Verstärkung des Verstärkers 8 regelbar ist, ist dabei gleichzeitig ein Maß für die Gesamtdämpfung des Systems. Durch die Verwendung des Frequenzdiskriminators 30 ist ein besonders störungsfreies Abgreifen des Amplitudensignals möglich. Hierbei ist es C * günstig, wenn die elektrische Eigenfrequenz, die durch die Spuleninduktivität bestimmt ist, größer ist als die mechanische Eigenschwingung des Systems. Soll die Bedänpfung durch die Luft allein ermittelt werden, so ist die Schaltungsanordnung nach Pig. 4 zur Bestimmung des Grundtherms entsprechend der lig. 2 durch den Bandpaß 1? und den Gleichrichter 18 sowie durch das Einspeisen einer zusätzlichen Wechselspannung analog- bestimmbar.

Leerseite

Claims

15. 6. 1981 M/Do

EOEERT BOSCH G-MBH, 7000 Stuttgart 1

Ansprüche

1J Massendurchflußmesser mit Resonanz schwingern, und elektrischen Verstärkern zur Aufrechterhaltung ungedämpfter Schwingungen, dadurch gekennzeichnet, daß mittels einer Ee ge !vorrichtung (14·) die Verstärkung des Verstärkers (8) änderbar ist, so daß die Schwingamplitude der Resonanzschwinger (6) konstant ist.

2. Massendurchflußmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Istwert für die Regelvorrichtung (14) ein der Schwingamplitude proportionales Signal abgegriffen und einem Gleichrichter (13) zugeführt ist.

3. Massendurchflußmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Istwert für die Regelvorrichtung die Induktivitätsänderung einer induktiven Erregerspule (2A-) dient.

4. Massendurchflußmesser nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Induktivitätsänderung be-

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dingte Frequenzänderung einem Frequenz.diskriminator (30) zugeführt ist.

5. Massendurchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 4-, dadurch gekennzeichnet, daß ein von der Schwingfrequenz verschiedenes Wechselspannungssignal in das Schwingsystem (6) eingespeist ist, dessen an Schwingsystem (6) auftretende Amplitude einem n/eiteren Gleichrichter (18) zugeführt ist und dessen Signal von einem der Verstärkung des Verstärkers (8) proportionalen Signal abgezogen wird.

6. Massendurchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 5₅ dadurch gekennzeichnet, daß Bandfilter (7j 17) vorgesehen sind, durch die die Schwingfrequenz· und weitere auftretende Frequenzen aussiebbar sind.

7. Massendurchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des Wechselspannungssignals sehr viel größer ist als die Schwingfrequenz.