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Verfahren zum berührungslosen Messen der Drehzahl eines
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Flügelrades in einem Fluidzähler Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zum berührungslosen Messen der Drehzahl eines Flügelrades in einem Fluidzähler mittels
Sensoren.
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Zur berührungslosen Messung der Drehzahl des Flügelrades in Wasserzählern
sind schon eine Vielzahl von Lösungen vorgeschlagen worden. So kann man am Flügelrad
beispielsweise einen Permanentmagneten befestigen und das Zählergehäuse aus amagnetischem
Material herstellen. Ordnet man dann einen weiteren Permanentmagneten drehbar an
der Außenseite des Gehauses an, so dreht sich der äußere Magnet mit derselben Drehzahl
wie der innere Magnet. Diese Methode besitzt jedoch zwei Nachteile. Der erste Nachteil
besteht darin, daß der äu3ere Magnet Rückwirkungen auf den inneren Magneten ausübt,
so daß eine Bremsung des äußeren Magneten, beispielsweise durch das Zählwerk, auch
den freien Lauf des Flügelrades bremst. Insbesondere bei kleinen Durchflüssen arbeitet
ein
derartiger Zähler ungenau. Der zweite Nachteil besteht darin,
daß der innere Permanentmagnet in dem zu zählenden Fluid gelöste ferromagnetische
Partikel anzieht, so daß es schließlich sogar zu einer Blockierung des Flügelrades
kommen kann.
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Dieser Effekt ist besonders stark in Heizungsanlagen mit Heizungsrohren
aus Eisen. In derartigen Anlagen sind die Eisenpartikel in kolloidaler Form im Heizungswasser
gelöst; kolloidal gelöste Partikel können jedoch nur mit teuren Spezialfiltern gefiltert
werden, was für Heizungsanlagen nicht tragbar ist.
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Eine andere Methode besteht darin, am Flügelrad eine Blende zu befestigen,
die den Luftspalt zwischen einer Schwingspule und einer Rückkopplungsspule eines
rückgekoppelten Oszillators zeitweise abschirmt. Bei dieser Methode tritt eine mechanische
Rückwirkung nur dann auf, wenn die Blende in dem zu messenden Fluid rotiert. Durch
eine geeignete Konstruktion des Zählergehäuses kann die Reibung jedoch weitgehend
reduziert werden. Allerdings muß dazu das Zählergehäuse kompliziert aufgebaut sein,
wodurch der Zähler verteuert wird.
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Es ist auch schon vorgeschlagen worden, den Permanentmagneten oder
auch die Blende in einer besonderen Kammer des Zählergehäuses rotieren zu lassen
und diese besondere Kammer gegenüber der das zu messende Fluid enthaltenden Kammer
abzudichten. Eine derartige Lösung bringt jedoch wieder die Probleme mit der mechanischen
Rückwirkung und zusätzlich Probleme mit der höheren Reibung im abdichtenden Lager.
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Man kann die Drehzahl eines Flügelrades auch dadurch bestimmen, daß
man anstelle der oben beschriebenen zwei Spulen eine optische Lichtschranke benutzt.
Auch hier unterbricht die mit dem Flügelrad mitrotierende Blende den Lichtstrahl,
wodurch aur die Drehzahl des Flügelrades und damit
auf die den Zähler
durchströmende Menge an Fluid geschlossen werden kann. Sitzt die Blende in der vom
zu messenden Fluid durchströmten Meßkammer, so ergeben sich wieder die Probleme
mit der Reibung. Weitere Probleme entstehen dann, wenn das zu messende Fluid Festkörper
enthält, da diese die optische Meßstrecke stören und falsche Drehzahlen vortäuschen
können.
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Es ist ferner bekannt, daß man die Fließgeschwindigkeit von Fluiden
akustisch mit Hilfe des Dopplereffektes oder mit Hilfe von Laufzeitmessungen direkt,
d.h. ohne Verwendung eines Flügelrades oder einer Turbine, messen kann. Dieses Verfahren
ist jedoch bei kleinen Fließgeschwindigkeiten ungenau. Die derzeit bekannten, nach
diesem Prinzip arbeitenden Anlagen können Durchflüsse nur in einem beschränkten
Verhältnis von minimalem zu maximalem Durchfluß erfassen. Will man kleine Durchflußmengen
sicher erfassen, so muß durch entsprechendes Drosseln des Rohrquerschnitts die Fließgeschwindigkeit
erhöht werden.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
zum berührungslosen Messen der Drehzahl eines Flügelrades oder einer Turbine in
einem Fluidzähler anzugeben, welches keine Rückwirkungen auf das Flügelrad ausübt,
keine komplizierten Gehäusekonstruktionen erfordert und trotzdem die Drehzahl absolut
sicher zu erfassen gestattet.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des
Patentanspruchs 1.
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Damit ergeben sich die Vorteile, daß das Flügelrad keinerlei konstruktive
Änderung erfahren muß, da die Paletten des Flügelrades selbst als Blende wirken
können, und daß die bei Verwendung von Ultraschall zu erwartenden Mehrfachechos
ausgeblendet werden können. Dabei ist von besonderem Vorteil, daß infolge der bekannten
Abmessungen der Meßkammer,
in der sich das Flügelrad dreht, bekannt
ist, zu welchem Zeitpunkt der auszuwertende Impuls im Empfänger eintreffen muß.
Erscheint dieser Impuls zur richtigen Zeit und hat er auch die richtige Größe, so
wird der Impuls als richtig erkannt und ausgewertet. Erscheint der Impuls zu einer
anderen Zeit, beispielsweise weil der Ultraschallstrahl durch eine der Paletten
des Flügelrades oder durch eine daran befestigte besondere Blende abgelenkt worden
ist, so wird dies als falsch erkannt und ausgewertet.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung werden die
Ultraschallimpulse mit einer Frequenz ausgesendet, die mindestens zweimal dem Produkt
aus Drehzahl des Flügelrades, Anzahl der reflektierenden Flächen am Flügelrad und
Winkelverhältnis zwischen nicht reflektierenden und reflektierenden Flächen ist.
Diese Regel erfüllt das Abtasttheorem von Shannon, so daß die Drehzahl einwandfrei
erkannt werden kann, hat jedoch einen erheblich sparsameren Energieverbrauch im
Sender und Empfänger zur Folge, so daß eine derartige Anlage vorteilhafterweise
mit Batterie betrieben werden kann und ein Netzanschluß entbehrlich ist.
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Ein besonderer Vorteil der Erfindung ist ferner, daß der Ultraschallwandler
nicht unbedingt in das zu messende Fluid eingetaucht werden muß. Es ist vielmehr
möglich, den Wandler außen auf das Gehäuse aufzusetzen, da der Ultraschallstrahl
auch das Metall des Gehäuses durchdringt.
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sowie deren Vorteile ergeben
sich aus den weiteren Unteransprüchen in Verbindung mit der nachfolgenden Beschreibung
von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Es zeigen Fig. 1 einen Querschnitt
durch einen Einstrahl-Wasserzähler,
Fig. 2 eine Draufsicht auf ein
Flügelrad und Fig. 3 ein Impulsdiagramm.
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In Fig. 1 erkennt man in schematischer Darstellung ein aufgeschnittenes
Zählergehäuse 1 mit einer Rohrleitung 2, mit der das zu messende Fluid zugeführt
wird, und mit einer Rohrleitung 3, die das Fluid wieder abführt. Im Inneren des
Zählergehäuses 1 ist ein Flügelrad 4 mit einer Achse 16 drehbar gelagert. Die sonstigen
konstruktiven Einzelheiten eines Flügelradzählers, beispielsweise die Staurippen
usw,, sind der Ubersichtlichkeit wegen weggelassen. Auf dem Gehäuse ist außen ein
Ultraschallsender und -empfänger 5 befestigt, der Ultraschall impulse 6 aus sendet
und das von der gegenüberliegenden Wand 7 des Gehäuses 1 reflektierte Echo wieder
aufnimmt und an eine (nicht dargestellte) elektronische Meßschaltung gibt.
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Bei einer derartigen Anordnung läßt sich die Laufzeit des Ultraschallimpulses
vom Sender 5 zur gegenüberliegenden Wand 7 und zurück zum Empfänger 5 vorher berechnen
und das Zeitfenster entsprechend festlegen. Passiert eine der Paletten des Flügelrades
4 den Ultraschallstrahl 6, so wird der Ultraschallstrahl an der Oberkante der Palette
reflektiert und erscheint zu einer erheblich früheren Zeit als Echo am Empfänger
5. Dieses Echo fällt demgemäß aus dem Zeitfenster heraus.
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Da der Ultraschallstrahl nicht nur an der dem Sender 5 gegenüberliegenden
Wand 7 reflektiert wird, sondern auch, wie bereits erwähnt, von den Paletten oder
auch von der oberen Wand des Zählergehäuses 1, treten störende Echos auf. Deren
Laufzeit ist jedoch wegen der mehrfachen Reflexion in aller Regel größer als die
Laufzeit zwischen Sender 5, gegenüberliegender Meßkammerwand 7 und Empfänger 5.
Außerdem wird die
Amplitude der mehrfach reflektierten Echos geschwächt,
so daß man ohne weiteres davon ausgehen kenn, daß die Amplitude eines Störechos,
das zufälligerweise in das vorgegebene Zeitfenster paßt, eine ebenfalls vorgegebene
Amplitudenschwelle nicht überschreitet und deshalb von der Meßschaltung als Störecho
erkannt wird.
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Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf ein konstruktiv abgewandeltes Flügelrad
10. Dieses Flügelrad 10 besitzt eine Nabe 11 mit relativ großem Durchmesser. Die
Nabe besteht aus einem Kreiszylinder 12, an dem die Paletten 14 befestigt sind.
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Dadurch ergibt sich im Zentrum der Nabe eine Vertiefung. 13, die zur
Hälfte durch eine halbkreisförmige Blende 15 verschlossen ist. Der Ultraschallsender
und -empfänger wird in diesem Falle so montiert, daß die Ultraschall impulse abwechselnd
vom Boden der Vertiefung 13 oder von der Oberseite der Blende 15 reflektiert werden.
Auch hierbei ergeben sich unterschiedliche Laufzeiten des Ultraschallimpulses, die
von der elektronischen Meßschaltung ausgewertet werden können.
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Der Vorteil einer derartigen Anordnung liegt darin, daß die über einen
Halbkreis sich erstreckende Blende 15 von den Ultraschallimpulsen leichter erkannt
werden kann als die schmalen Paletten 14. Die dargestellte Anordnung erfordert die
minimale Abtastfrequenz.
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Fig. 3 zeigt in einem Zeit-Amplituden-Diagramm den Ablauf des Meßvorgangs.
Zum Zeitpunkt tO wird ein Sendeimpuls mit Amplitude A ausgesendet. Zum Zeitpunkt
t1 erscheint ein erstes Echo kleiner Amplitude. Dieses Echo ist ein Störecho, da
es weder die minimale Amplitudenschwelle Amin übersteigt, noch in das Zeitfenster
fällt, welches durch die Zeiten t2 und t4 definiert ist. Zum Zeitpunkt t3, d'h.
innerhalb des vorher berechneten Zeitfensters, erscheint ein starker Echoimpuls,
der beispielsweise von der dem Sender gegenüberliegenden Wand der Meßkammer reflektiert
ist. Dessen Amplitude
übersteigt auch die Amplitudenschwelle Amin
Die Meßschaltung erkennt diesen Impuls als Reflexionsimpuls von der gegenüberliegenden
Meßkammerwand oder vom Boden der Vertiefung im Flügelrad. Weitere Echoimpulse erscheinen
zu den Zeitpunkten t5, t6 usw., wobei diese Impulse wegen der Mehrfachreflexion
und der Mehrfachdämpfung im zu messenden Fluid nur noch kleine Amplituden aufweisen.
Fehlt der Impuls zum Zeitpunkt t3, so schließt die Meßschaltung auf das Vorhandensein
einer Palette des Flügelrades bzw. der Blende.
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Die Verwendung von Ultraschallimpulsen zum Abtasten des Flügelrades
ermöglicht es, die Leistungsaufnahme des Ultraschallsenders so weit zu reduzieren,
daß die Anlage auch über mehrere Jahre hinweg mit einer einzigen Batterie betrieben
werden kann. Um jedoch auch bei maximalem Durchfluß die maximale Drehzahl des Flügelrades
sicher erfassen zu können, muß die Impulsfolgefrequenz so hoch gewählt werden, daß
das Abtasttheorem von Shannon erfüllt ist.