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Bezeichnung:
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Vorrichtung zur Messung der Drehzahl und ggf. der Drehrichtung eines
Flügelrades eines Flügelraddurchflußmessers für vorzugsweise elektrolytische Flüssigkeiten
Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung der Drehzahl und ggf. der Drehrichtung
eines Flügelrades eines Flügelraddurchflußmessers für vorzugsweise elektrolytische
Flüssigkeiten mit einen Gehäuse, wobei das Flügelrad durch das Fließen der Flüssigkeit
antreibbar ist.
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Die bekannten Durchflußmesser mit Flügelrädern für Flüssigkeiten
besitzen Dauermagneten, die bei Drehen des Flügelrades in einer Spule eine Spannung
induzieren, über die die Drehzahl diskriminiert wird Derartige Flügelraddurchflußmesser
bedürfen we9en ihrer Dauermagnete einer intensiven Wartung. Die Korrosionsrückstände
in Heizungsanlagen sind magnetisch und setzen sich daher an den Dauermagneten auf
den Flügelrädern ab. Die Folge ist eine unzureichende Genauigkeit des Durchflußmeßsystems.
Ein derartiger Durchflußmesser mit Flügelrad und Dauermagneten ist beispielsweise
durch die US-PS 4 275 291 bekannt geworden. Dieser rotierende Sensor besitzt einen
ersten rotierenden Magneten und einen zweiten Magneten, der koaxial zum ersten angeordnet
ist und der aufgrund magnetischer Induktion zusammen mit dem ersten Magneten rotiert,
wobei zwischen den beiden kreisförmigen Wegen der Pole der Magnete ein Hall-Detektor
angeordnet ist, zur Erzeugung einer Hall-Spannung, aus der die Drehzahl der Magnete
und somit des Flügel rades abgeleitet werden kann. Auch dieser Flügelraddurchflußmesser
arbeitet nii t Dauermagneten, die - wie oben ausgeführt - gewartet werden müssen.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung
der eingangs genannten Gattung zu schaffen, dessen Flügelrad keine DEuermagnete
mehr aufweist, so dath sich auf dem Flügelrad keinerlei Korrosionsrtickstände mehr
ablagern können.
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Die Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung
mit folgenden Merkmalen: a) innerhalb der Wandung (1) des Gehäuses des Durchflußmessers
sind mindestens zwei Elektroden (2, 7, 8) in Abstand benachbart voneinander angeordnet,
b) in Rotation streicht das Flügelrad (3) mit einer Kante seiner Flügel (9, 10,
11) dicht an den Elektroden (2, 7, 8) vorbei zur geometrischen Änderung der Strombahnen
des Elektrolyten zwischen den Elektroden, c) zwischen die Elektroden (2, 7, 8) ist
eine Wechselspannung zur Messung der elektrolytischen Leitfähigkeit der Flüssigkeit
gelegt, wobei die Änderung der Leitfähigkeit aufgrund der geometrischen Anderung
der Strombahnen bei Drehen des Flügelrades mittels einer elektrischen Auswerteschaltung
(16, 16, 17) gemessen wird.
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Eine weitere Lösung dieser Aufgabe auch für nichtelektrolytische Flüssigkeiten
besteht in der Kombination folgender Merkmale: a) innerhalb der Wandung des Durchflußmessers
ist eine Spule mit nach außen weisender magnetischer oeffnung angeordnet, b) auf
dem Flügelrad-ist mindestens ein Metallstück angebracht, welches bei Drehen des
Flügelrades an der Spule dicht vorbeistreicht, c) an die Spule ist zur Erzeugung
eines Magnetfeldes eine Spannung gelegt, deren Anderung bei Drehen des Flügelrades
mittels einer elektrischen Auswerteschaltung gemessen wird.
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
gekennzeichnet.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung besitzt den hervorstechenden Vorteil,
daß diese auf den Einsatz von Dauermagneten vollständig verzichtet, weshalb am Flügelrad
des Durchflußmessers keine Korrosionsrückstände abgelagert werden können. Deshalb
brauchen die Flügelräder praktisch nicht gewartet zu werden, weshalb der erfindungsgemäße
Durchflußmesser eine um ein Vielfaches erhöhte Lebensdauer aufweist, als die Flügelraddurchflußmesser
des Standes der Technik besitzen. Da auf den Flügelrädern keine Ablagerungen aufgesetzt
werden, besitzt die erfindungsgemäße Vorrichtung eine sehr hohe Meßgenauigkeit,
die praktisch über die gesamte mechanische Lebensdauer der Vorrichtung beibehalten
wird.
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Es ist daneben möglich, erfindunsgemäß den Flügelraddurchflußmesser
für elektrolytische oder für nichtelektrolytische Flüssigkeiten auszulegen. Ist
die Flüssigkeit ein Elektrolyt, so verwendet die erfindungsgemäße Vorrichtung im
Prinzip eine Leitfähigkeitsmeßmethode. Bringt man zwei Elektroden in einen Elektrolyten,
z.B. Wasser aus einer Heizungsanlage, so besteht zwischen den Elektroden eine leitfähige
Verbindung infolge Ionenleitung. Diese Leitfähigkeit wird erhöht, wenn man ein Metallstück
so in die Nähe der beiden Elektroden bringt, daß es als Brücke für die Strombahnen
wirkt.
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Ebenso wird die Leitfähigkeit verringert, wenn eine Barriere aus nichtleitendem
Material zwischen die beiden Elektroden eingebracht wird.
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Beide Prinzipien, also die Schwächung der Strombahnen innerhalb des
Elektrolyten wie die Verstärkung der Strombahnen, können erfindungsgemäß angewendet
werden.
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Wird das Prinzip zur Erhöhung der Leitfähigkeit angewendet, so können,
wie vorgeschlagen, kleine Metallstücke derart peripher auf das Flügelrad aufgebracht
werden, daß diese Metallstücke bei Drehen des Flügelrades dicht an den Elektroden
vorbeistreichen.
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Dann werden die Strombahnen ein Oberstreichen der einzelnen Elektroden
durch die Metallstückchen verstärkt. Ebenso ist es auch möglich, das Flügelrad selbst
in geeigneter Weise aus Metall herzustellen, so daß die vorbeistreichenden Kanten
der einzelnen Flügel des Flügelrades als verstärkende Metallstückchen wirken.
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Wird das Prinzip der Verdrängung der Strombahnen des Elektrolyten
angewendet, so können im Prinzip die Metallstückchen auf dem Flügelrad durch nichtleitende
Materialien ersetzt werden, die beim Vorbeistreichen dicht vor den Elektroden den
Elektrolyt verdrängen und somit eineHerabsetzung der Leitfähigkeit bzw. eine Erhöhung
des Widerstandes zwischen den Elektroden bewirken. In vorteilhafter Weise wid diese
Herabsetzung der Leitfähigkeit des Elektrolyten schon dadurch erreicht, indem das
Flügelrad aus Kunststoff besteht und eine Kante - entweder eine seitliche Kante
oder eine Stirnkanteder einzelnen Flügel des Flügelrades dicht an den Elektroden
vorbei streicht, wodurch ebenfalls eine geometrische Verdrängung der Strombahnen
des Elektrolyten erreicht wird.
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Für die Messung der Drehzahl eines Flügelrades in nichtelektrolytischen
Flüssigkeiten eignet sich die Wirbelstrommethode, bei der eine kleine Topfspule
als Sensor in die Wandung desDurchflußmessers eingebaut ist.
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Diese Topfspule ist Teil eines Rückkoppl ungstransfomiators für einen
Generator. Nähert sich nun das Metallstück auf dem Flügelrad der Topfspule, so wird
aufgrund des magnetischen Feldes der Topfspule innerhalb des Metallstücks auf dem
Flügelrad ein Wirbelstrom induziert. Dadurch wird der Spule Energie entzogen. Der
Generator ist nun dergestalt ausgelegt, daß die Schwingungen bei Energieentzug aus
der Topfspule abreißen. Somit dient hier die Verstimmung des Generators zur Diskriminierung
der Drehzahl des Flügelrades.
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Zwei Beispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und
anschließend beschrieben. Dabei zeigen: Fig. 1 einen Schnitt durch die Wandung und
das Flügelrad eines Flügelraddurchflußmessers; Fig. 2 eine Draufsicht auf Fig. 1;
Fig. 3 eine Brückenschaltung, zu der die Elektroden innerhalb der Wandung des Gehäuses
geschaltet sind; Fig. 4 ein Blockschaltbild zur Messung der Drehzahl des Flügelrades;
Fig. 5 eine Schaltungsausführung des Blockschaltbildes gemäß Fig. 4;
Fig.
6 einen Schnitt durch ein weiteres Flügelrad und -gehäuse, in welches eine Topfspule
eingesetzt ist und Fig. 7 ein Blockschaltbild zur Diskriminierung der Drehzahl des
Flügelrades gemäß Fig. 6.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht aus einem Flügelraddurchflußmesser,
dessen Gehäusewandung mit der Bezugsziffer 1 bezeichnet ist. Innerhalb der Gehäusewandung
sind drei Elektroden 2, 7, 8 isoliert angeordnet. Ein Flügelrad 3 mit den Flügeln
9, 10, 11 ist mit einer Welle 4 innerhalb der Wandung 1 des Gehäuses geeignet drehbar
gelagert. Auf dem Flügelrad 3 und zwar auf dem Durchmesser 9 sind in gleichen radialen
Abständen zwei Metallstücke 5, 6 angeordnet, die bei Drehen des Flügelrades den
Elektroden 2, 7, 8 eng benachbart sind und an diesen vorbeistreichen.
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Die Elektroden 2, 7, 8 sind nunmehr gemäß Fig. 3 in eine Brückenschaltung
geschaltet, in der die Widerstände R1 und R2 normale Widerstände sind, während die
Widerstände R3 und R4 durch die elektrolytische Flüssigkeit gebildet werden, die
sich zwischen den Elektroden 2 und 7 und 8 befinden. Im Brückennullzweig mit dem
Indikator I fließt dann ein Strom, wenn der Quotient zwischen R1 und R2 gleich dem
Quotienten zwischen R3 und R4 ist. Wählt man R1 = R2 und hält die Abstände zwischen
den Elektroden konstant, so wird auch dann eine abgeglichene Brücke erhalten, wenn
sich die absolute Leitfähigkeit der Elektrolyten ändert. Befindet sich das Metallstück
5, 6 des Flügelrades 3 zwischen zwei benachbarten Elektroden 2,7 oder 7, 8, so ändert
sich das Verhältnis von R3 zu R4 der Brückenschaltung, weshalb innerhalb des Brückennullzweiges
eine Spannung entsteht, die der Indikator erfassen kann.
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Prinzipiell ist es auch möglich, nur zwei Elektroden vorzusehen, wobei
in diese Falle die Grundleitfähigkeit des Elektrollyten in die Messung eingeht.
Da die Leitfähigkeit von Elektrolyten stark temperaturabhängig ist, und der gemessene
Widerstand zwischen den Elektroden außerdem von der jeweiligen Beschaffenheit der
Elektrodenoberfläche abhängt und zudem die Leitfähigkeit von Wasser schwanken kann,
wird einer Schaltung mit drei Elektroden der Vorzug gegeben.
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Die Anordnung der Elektroden 2, 7, 8 ist vorzugsweise so zu wählen,
daß die Metallstücke 5, 6 auf dem Flügelrad 3 die Oberfläche der Elektroden überdecken
können. Vorzugsweise ist der Durchmesser eines Metallstücks 5, 6 grcßer als der
Durchmesser der Elektrode, wobei ebenfalls vorzugsweise der Abstand der Elektroden
voneinander ungefähr gleich oder etwas größer ist, als die Breite oder der Durchmesser
des Metallstückes beträgt.
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Fig. 4 zeigt ein Blockschaltbild der Sensorschaltung gemäß Fig. 3.
Ein Generator 13 erzeugt komplementäre Impulse, die über eine Treiberstufe 14 an
die Sensor-Elektroden 2 und 8 gelegt sind. Ein Brückenindikator 15 ist an die Elektrode
7 gelegt, wobei dieser Brückenindikator ein Synchrondemodulator ist. Dessen Impulse
gelangen über einen Impedanzwandler 16 an einen Analogausgang und gleichzeitig über
einen Komparator 17 werden Schaltimpulse für die Weiterverarbeitung zur Verfügung
gestellt. Das Bezugspotential für den Komparator 17 der halben Betriebsspannung
wird in der Treiberstufe 14 mit erzeugt, während für die Versorgung des Synchrondemodulators
13 die doppelte Versorgungsspannung 2 UB durch eine besondere Diodenschaltung 12
gewonnen wird.
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Fig. 5 zeigt einen möglichen Schaltungsaufbau gemäß dem beispielhaften
Blockschaltbild der Figur 4.
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Der durch einen integrierten Schaltkreis IC1 gebildete Impulsgenerator
13 erzeugt positive und negative Impulse beispielsweise der Dauer von ca. 1 s und
der Periode von ca. 2 kHz. Das von der normalen Betriebsart des IC1 abweichende
Tastverhältnis wird durch eine Diode 25 und einen Widerstand 26 ermöglicht. Die
Impulse werden in der Treiberstufe 14 durch die Transistoren T1 und T2 verstärkt
und niederohmig den beiden äußeren Sensor-Elektroden 2 und 8 zugeführt.
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Gleichzeitig erzeugt die Treiberschaltung 14 das Bezugspotential 1/2
UB, das für die verwendeten Operationsverstärker IC2 des Synchrondemodulators 15
und IC4 des Komparators 17 benötigt wird.
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Außerdem wird mit Hilfe eines Ausgangs des Impulsgenerators IC1, der
Rechteckimpulse mit dem Tastverhältnis 1:1 bei einer Frequenz von ca. 1 kHz liefert,
durch eine Gleichrichtung innerhalb der Diodenschaltung 12 eine Spannung der doppelten
Betriebsspannung gewonnen, die als Betriebsspannung des getasteten Verstärkers IC2
dient.
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Die Mittel spannung des Sensors an der Elektrode 7 wird in dem getasteten
Verstärker IC2 des Synchrondemodulators 15 verstärkt und gleichzeitig synchron gleichgerichtet.
Die Auftastung des Verstärkers IC2 erfolgt mit den Impulsen des Generators 13, wobei
der bei der Auftastung erhaltene Wert der verstärkten Mittenspannung in einem Kondensator
27 bis zum nächsten Impuls gespeichert wird. Dieser Kondensator 27 ist über einen
Widerstand 28 an den Ausgang des Verstärkers IC2 gelegt. Diese Kondensatorspannung
wird
in dem Impedanzwandler 16 (IC3) weiterverstärkt.
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Der Komparator 17 (IC4) bildet aus dem Ausgangssignal des Impedanzwandlers
IC3 die gewünschten Rechteckimpulse zur Drehzahlbestimmung des Flügelrades. Gleichzeitig
wird die Spannung am Ausgang des Impedanzwandlers 16 analog abyegriffen, wie im
Blockschaltbild Fig. 4 beschrieben ist. Der Widerstand 29 ist je nach dem Luftspalt
des Flügelrades ausgelegt.
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Diese Schaltung benötigt nur einen minimalen Speisestrom von Iss;
2/um, wobei mit die5erSchaltung ein großer Drehzahlbereich des Flügelrades erfaßt
werden kann.
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Die Figuren 6 und 7 zeigen eine weitere erfindungsgemäße Vorrichtung,
die nach der Wirbelstromlllethode arbeitet. Eine derartige Vorrichtung ist insbesondere
nichtelektrolytische Flüssigkeiten geeignet. Darüber hinaus funktioniert diese Vorrichtung
auch nahezu in allen flüssigen Medien, auch in Elektrolyten, außer in flüssigen
Metallen oder in extrem gut leitenden Flüssigkeiten.
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Fig. 6 zeigt im Schnitt eine Wandung 18 eines Gehäuses, in welchen
eine Topfspule 19 isoliert eingesetzt ist. Diese Topfspule 19 besitzt eine nach
innen in den Innenraum weisende magnetische Uffnung. Ein Flügelrad 20 ist geeignet
innerhalb der Wandung 18 drehbar gelagert gemäß der Ausführung der Fig. 1 und 2.
Das Flügelrad 20 besitzt mindestens ein Metallstückchen 21, welches in unmittelbarer
Nachbarschaft der Topfspule 19 bei Drehen des Flügelrades 20 vorbeistreicht.
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Gemäß der Fig. 7 ist die Topfspule 19 Teil eines Rickkopplungstransformator
23 für einer induktiv gekuppelten Generator 22. Der Generator 22 ist dergestalt
ausgelegt, daß seine Schwingungen dann abreißen, wenn das Metallstückchen 21 an
der Topfspule 19 vorbeistreicht und dieser Energie entzieht. Dadurch wird der Generator
verstimmt, wodurch seine Schwingungen abreißen. Ein Schwingungsdetektor 24 formt
die so entstehenden Schwingungspakete in Rechteckimpulse zur weiteren Verarbeitung
und zur Diskriminierung der Geschwindigkeit des Flügelrades 20 um.
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Der Generator muß symietrische Schwingungen erzeugen, wobei innerhalb
der Topfspule 19 eine Feldstärke herrschen muß, die geeignet ist, im Metallstückchen
21 nennenswerte Wirbelströme entstehen zu lassen, damit der Energieentzug aus der
Spule 19 ausreichend diskriminierbar ist.
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Bezugszeichenliste 1 Gehäusewandung des Flügelraddurchflußmessers
2 Elektrode 3 Flügelrad 4 I'elle 5, b Metallstück 7, 8 Elektroden 9,10,11 Flügel
des Flügelrades 3 12 Diodenschaltung 13 Generator 14 Treiberstufe 15 Synchrondemodulator
16 Impedanzwandler 17 Komparator 18 Gehäusewandung des Durchflußmessers 19 Topfspule
20 Flügelrad 21 Metallstück 22 Generator 23 Rückkopplungstransformator 24 Demodulator
oder Auswerteschaltung 25 Diode 26 Widerstand 27 Kondensator 25 Widerstand 29 Widerstand