DE3230794A1 - Durchflussmesser - Google Patents

Description

323079/:

R.

30.7.1982 Kh/Wl

ROBERT BOSCH GMBH, TOOO Stuttgart 1

Durchflußmesser

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem DurchfIußmes3er nac. der Gattung des Hauptanspruches. Es ist schon ein Durchflußmesser bekannt, bei dem ein Schwingkörper abwechselnd in und gsgen die Strömungsrichtung bewegt wird. Dabei werden Schwingamplitude und Schwingfrequenz konstant gehalten. Die dafür notwendige elektrische Leistung ist eine lineare Funktion des Massenstromes und kann als Meßgröße benutzt werden. Derartige Durchflußmesser sind verhältnismäßig kompliziert und daher teuer und störanfällig.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Durchflußmesser mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil eines einfachen und kostengünstigen Aufbaus,

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Durchflußmessers möglich.

- 2 - R-. 1T96O

Zeichnung ;

Drei Ausführungsbeispiele dei- Erfindung sind in der Zeich- <l,

nung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden ■«

Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur 1 ein .) erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen

Durchflußmessers, Figur 2 eine elektrische Widerstands- ',

meßschaltung, Figur 3 ein Regelkreis als Blockschaltbild, ί.ί

Figur k einen weiteren Regelkreis als Blockschaltbild, \\

Figur 5 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungs- i|

gemäßen Durchflußmessers, Figur 6 ein drittes Ausfüh- 't

rungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Durchflußmessers. ',j

Beschreibung der Ausführungsbeispiele ■■;

Der in Figur 1 vereinfacht dargestellte Durchflußmesser weist als von der Mediumutrömung beaufschlagten

Schwingkörper beispielsweise ein sternförmig gefaltetes .:

Band 1 aus Metall auf, das infolge seiner mehrfachen V>

Biegung zu radialen Schwingungen fähig ist. Die radiale ;,|

Nachgiebigkeit des Bandes 1 kann auch durch andere For- $

men von Ausbuchtungen oder Einwölbungen des Bandes 1 '■

erreicht werden. ;^:

Das Band 1 ist in einem homogenen Magnetfeld, welches :_:\

von zwei Magneten 2 und 3» beispielsweise zwei Permanent- ,';'

magneten oder zwei Elektromagneten erzeugt wird, so ,;

angeordnet, daß es quer zum Magnetfeld radial schwingen '}

kann. Dabei kann ein nicht dargestelltes Gehäuse als ;

magnetischer Rückschluß dienen. Durch Anlegen eines \\

elektrischen Wechselstromes an das Band 1 werden radiale i_f Wechselkräfte hervorgerufen, vorzugsweise entgegen der
Kraft von Federn U, die einerseits am Band 1 und an-

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dererseits an einem konzentrischen Haltekörper 5 angrei* fen. Diese Wechselkräfte .verursachen bei entsprechender elastischer Gestaltung des Bandes 1 radiale Dehn- und Schrumpfbewegungen, wodurch der durch das Band 1 eingeschlossene Raum 6 abwechselnd größer und kleiner wird. Diese Schwingbewegungen sind bei einem gegebenen Wechselstrom am größten, wenn dessen Frequenz mit der Eigenfrequenz des Bandes 1 übereinstimmt. Durch die mit der Verformung einhergehende Bewegung des Bandes 1 ent- ■ steht eine elektrische Wechselspannung (Gegenspannung), die der stromerzeugenden Spannung entgegenwirkt. Diese Gegenspannung ist der Schwinggeschwindigkeit des Bandes 1 proportional, d.h. ihre Amplitude ist bei konstanter Schwingfrequenz der Schwingamplitude proportional. Die Schwingamplitude kann dadurch konstant gehalten werden, daß die Gegenspannung auf konsta-.te Amplitude geregelt wird.

Der erfindungsgemäße Durchflußmesser kann beispielsweise zur Messung der von einer Brennkraftmaschine über ein Ansaugrohr, angesaugten Luftmasse dienen. Der Luftatrom wird dabei so geführt, daß er daa Band 1 radia.1 van außen n&eh innen in Richtung der Pfeile ? oder von innen nach außen in Richtung der Pfeile 8 anströmt. Es

ε ist nicht notwendig, daß die Strömung T oder 8 gleichmäßig

über den Umfang des Bandes 1 verteilt ist, d.h. die Strömungsgeschwindigkeit darf längs des Bandes 1 variieren, da die durch die Strömung 7 oder 8 hervorgerufene

H Dämpfungsenergie auf das Band 1 vom gesamten Massen-

b durchsatz abhängig ist.

$! Die für die Erhaltung der Schwingamplitude des Bandes

β durch die angelegte Wechselspannung erzeugte Anregungs-

t · I

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leistung ist dem Massendurchsatz der Luft proportional, kann also als ein Maß für den Massendurchsatz dienen. Diese Anregungsleistung ist gleich dem Produkt aus Strom und Gegenspannung. Da jedoch die Amplitude der Gegenspannung konstant gehalten wird, ist die Anregungsleistung der Amplitude des Anregungsstroias proportional.

In den Figuren 2 bis k werden Schaltungen beschrieben, mit denen eine Schwingung konstanter Amplitude des Bandes 1 aufrechterhalten werden kann.

Das Band 1 ist in eine Wheatstone-Brücke 9 geschaltet, wie in Figur 2 dargestellt. Ein Widerstand 10 dient dem Abgleich der Brücke 9» er könnte jedoch entfallen, wenn einer der anderen Brückenwiderstände einstellbar ge macht würde. Ein Kondensator 11 kompensiert die Induktivität des Bandes 1. Dies könnte auch durch einen Kondensator im Brückenzweig, in dem sich das 3and 1 befindet, erzielt werden oder durch Anschließen von Induktivitäten parallel oder in Reihe zu den Widerständen 12 bzw. 13. Die Brücke ist so dimensioniert und eingestellt, daß beim Anlegen einer Wechselspannung an den Punkt 1U, deren Frequenz nicht nahe an der Eigenfrequenz des Bandes 1 liegt, die Ausgangsspannung der Brücke zwischen den Anschlüssen 15 und 16 annähernd Null ist. Bei mechanisch blockiertem Band 1 oder entfernten Magneten 2, 3 läßt sich die Brücke nach diesem Verfahren noch genauer abstimmen. Wenn bei einer so abgestimmten Brücke das Band annähernd mit seiner Eigenfrequenz erregt wird, kann die durch seine Schwingung hervorgerufene Gegenspannung zwischen den Anschlüssen 15 und 16 abgegriffen werden. Diese Spannung (Gegenspannung) ist gegenüber der angelegten Wechselspannung um I80 phasenverschoben.

I · I · O

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Das 3and 1 bildet mit dem Widerstand 12 und einem weiteren Widerstand 18 zusammen einen ersten Brückenzweig, dem der aus dem Widerstand 13 und einem Widerstand 19» dem der Widerstand 10 und der Kondensator 11 parallel geschaltet sind, gebildete zweite Brückenzweig parallel geschaltet ist.

Der Regelkreis des Massendurchflußmessers ist in einer der möglichen Ausführungen als Blockschaltbild in Figur

■ dargestellt.

Der Block 9 stellt die in Figur 2 gezeigte Wheatstone-Brücke dar. Ihre Ausgangsspannung wird in einem Verstärker 21 verstärkt und einem Regler 22 und einem Multiplizierer. 23 zugeführt. Auch die Ausgangsspannung des Reglers 22 wird dem Multiplizierer 23 zugeleitet, der als Modulator arbeitet. Die Ausgangsspannung des Multiplizierers 23 liegt am Eingang eines Stromverstärkers Zk, dessen Ausgangsstrom der Brücke 9 zugeführt wird und das Band 1 zu Schwingungen anregt.

Die Funktionsweise der Regelschaltung ist: Die Ausgangsspannung der Brücke 9 wird verstärkt und um 18O phasenverschoben zur Speisung der 3rücke 9 benutzt. Die Schwingamplitude des Bandes 1 wird dadurch geregelt, daß, wenn sie zu klein wird und folglich auch das Ausgangssignal (Wechselspannung) der Brücke 9 bzw. des Verstärkers 21 kleiner wird als der Sollwert, die Ausgangsspannung des Reglers 22 stark ansteigt. Dadurch vergrößern sich auch die Ausgangsspannung des Multiplizierers 23 und der Ausgangsstrom des nachgeschalteten Stromverstärkers 2k, d.h. die Stellgröße. Bei zu großer Schwingamplitude des Bandes 1 erfolgt eine Verkleinerung des

- β - R. 1Τ98Ο )

Ausgangsstromes am Stromverstärker 2h. Die Verstärker 21 jji

und 2U und der Multiplizierer 23 sind handelsübliche Bau- Π

elerente. '!;

Der Regler 22 besteht beispielsweise aus einem Gleich- }l

richter 26, einem darauffolgenden Tiefpaß 27> der zur H

Glättung der Ausgangsspannung des Gleichrichters 26 i'j,

dient und aus der eigentlichen Regelschaltung 28. Diese If

Regelschaltung vergleicht einen Sollwert mit der Ausgangsspannung des Tiefpasses 27 und bearbeitet die Differenz wie ein Regler, z.B. mit PI-Verhalten.

Für die Bestimmung der Anregungsleistung des Bandes 1, |l· dia ein Maß für den Massendurchsatz des Mediums ist, v| wird keine zusätzliche elektrische Schaltung benötigt. ·! Wie schon erwähnt wurde, iet die Anregungsleistung der
Amplitude des.Wechselstroms proportional, der durch das '^: Band 1 fließt. Dieser Wechselstrom kann über den Spannungsabfall an den Widerständen 12 und 18 gemessen wer- ... den. Die Erreger spannung, die an der Wheatstone-Brücke 9 \γ anliegt, ist jedoch gleich der gesamten Wechselspannung, ;.! die an den Widerständen 12 und 18 abfällt zuzüglich der |· Gegenspannung, die durch die Schwingung des Bandes 1 ent- ·ϊ steht. Da diese Gegenspannung eine Wechselspannung kon- "^ stanter Amplitude ist und der Erregerspannung um 18O f? nacheilt, besteht eine lineare Beziehung zwischen Anre- ·1 gungsleistung und Effektivwert der Erregerspannung, die '■'■. an der Brücke 9 anliegt und folglich auch zwischen deren
Amplitude und dem Massendurchsatz. Als Meßsignal des
Durchflußmessers dient also der Effektivwert der Erregerspannung, die an der Wheatstone-Brücke 9 anliegt. Diese
Ervegerspannung ist eine Wechselspannung. Es steht jedoch
auch eine Gleichspannung zur Verfügung, die dem Mittel-

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|: wert der Erregerspannung proportional ist, nämlich die

Ausgangsspannung der Regelschaltung 28. Grund dafür ist, daß die Erregerspannung gleich ist dem Produkt aus verstärkter Brückenspannung - die konstant geregelt wird und Ausgangsspannung der Regelschaltung 28. Als Meßsignal für den Massendurchsatz stehen also sowohl eine Gleichspannung als auch eine Wechselspannung zur Verfügung.

Wenn keine Gleichspannung als Meßsignal benötigt wird, kann auch ein Regelkreis nach Figur k angewandt werden, wobei der Multiplizierer entfällt, weil der Faktor des Verstärkers 30 spannungsgesteuert ist. Außerdem muß der Verstärker 30 sowohl Spannung als auch Strom hoch verstärken und als Invertierer geschaltet sein, damit die

p.i Erreger spannung und die Brückenspannung um 18O phasen-

ψ 'verschoben sind.

'•Ι Bei gegebenem linearen Zusammenhang zwischen Steuerspan-

ü| nung und Verstärkungsfaktor am Verstärker 30 kann die

yi Ausgangsspannung am Verstärker 30 als Maß für den Massen·

;·. durchsetz dienen. Der Block 9 und der Regler 22 in

;..; Figur h entsprechen dem Block 9 und dem Regler 22 in

Figur 3.

'^: Bei dem in Figur 5 dargestellten Ausführungsbeispiel ist

, das Band 1 in gefalteter Weise in einem Strömungsquer-

schnitt 32 ausgespannt und kann Schwingungen in und gegen der Strömungsrichtung ausführen, wobei es die Feldlinien eines homogenen Magnetfeldes schneidet, das von Magneten 2 und 3, beispielsweise von zwei Permanentmagneten oder einem bzw. zwei Elektromagneten erzeugt wird.

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Das Medium fließt in Richtung der Pfeile 33 durch den
Strömungsquerschnitt, welcher aus nicht ferromagnetischem Werkstoff hergestellt ist. Ein magnetischer Rückschluß kann durch ein nicht dargestelltes äußeres Gehäuse erfdlgen.

Bei diesem Ausführungsbeispiel kann das Band 1 ebenso wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Figur 1 in eine Wheatstone-Brücke 9 eingeschaltet werden, die wiederum Teil eines elektronischen Regelkreises nach Figur 3 oder h ist.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Durchflußmessers ist in Figur 6 dargestellt. Der
wesentliche Unterschied zu dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel besteht darin, daß dem Band 1 kein Erregerstrom zugeführt werden muß. Das Band 1 ist bei
dem Ausführungsbeispiel nach Figur 6 als Sekundärwicklung eines Transformators aufgebaut und wird bei Anlegen einer Wechselspannung an die Primärspule 35 von einem Wechselstrom durchflossen. Die Primärspule 35 des
Transformators liegt anstelle des Bandes 1 in der beschriebenen Brücke 9 nach Figur 2. Es ergeben sich daraus zwei Vorteile: Erstens ist die Anpassung des Bandes 1 an die Brücke 9 verbessert und zweitens entfällt eine Stromzuführung zum Band 1 und damit eine störende Asymmetrie» welche aich dämpfend auβwirkt. Figur 6 igt lediglich eine Prinzipdarstellung. Es wäre zweckmäßig, die Primäspule 35 und das Band 1 konzentrisch anzuordnen. Das Band 1 ist wie "bei den vorhergehenden Ausführungsbeispielen in dem Magnetfeld der Magneten 2 und 3 so angeordnet, daß es radiale Schwingungen quer zum Magnetfeld ausführen kann. Der magnetische Rückschluß kann

• ι ι

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sowohl für das Gleichfeld als auch für das Wechselfeld über ein nicht dargestelltes Gehäuse erfolgen, das gleichzeitig die Strömungsführung übernimmt. Der den magnetischen Wechselfluß leitende Kern 36 des Transformators ist in Figur 6 zur Erläuterung des Prinzips geschlossen dargestellt.

Claims (1)

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   30.Τ-1982 Kh/Wl

   ROBERT BOSCH GMBH, 7000 Stuttgart 1

   Ansprüche

   Durchflußmesser zur Messung der Masse strömender Medien, der einen von dem strömenden Medium beaufschlagten, mit konstant geregelter Amplitude schwingenden Schwingkörper hat, dessen angelegte Anregungsleistung ein Maß-i"ir den Massendurchsatz ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingkörper als ein Band (1) aus Metall ausgefu.hr« ist, das Faltungen aufweisend sich in einem homogenen Magnetfeld (2, 3) befindet und von einem Wechselstrom durchflossen wird, der das Band (1) zu erzwungenen Schwingungen quer zum Magnetfeld (2, 3) in und |, gegen die Mediumströmungsrichtung (7, 8, 33) anregt.

   k 2. Durchflußmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich-

   : net, daß das Band (1) bei konstanter Frequenz ein der

   U.
   jfi Schwingamplitude proportionales induziertes Spannungs-

   jj signal liefert.

   f[i 3. Durchflußmesser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich-

   \l net, daß das Band (1) an eine elektrische Widerstands-

   '■ meßschaltung (9) angeschlossen ist, die Teil eines

   elektronischen Regelkreises (21, 22, 23, 2¹+; 30) ist, der das Band (1) mit Anregungsstrom zur Aufrechterhaltung der konstanten Schwir3amplitude versorgt.

   h. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Band (1) als Sekundär-

   • · · · Il

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   wicklung eines Transformators (1, 35, 36) ausgebildet ist, dessen Primärwicklung (35) an eine elektrische Widerstandsmeßschaltung (9) angeschlossen ist, die Teil eines elektronischen Regelkreises (21, 22, 23, 2k; 30) ist, wodurch in dem Band (1) eine Spannung induziert wird, die den zur Aufrechterhaltung der konstanten Schwingung des Bandes (1) erforderlichen Strom erzeugt.

   5. Durchflußmesser nach Anspruch 3 oder U, dadurch gekennzeichaet, daß das Band (1) sternförmig gefaltet ist.

   6. Durchflußmesser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Band (1) quer durch einen Strömungsquerschnitt (32) gespannt ist. ,/,