DE3310239C3 - Verfahren zum berührungslosen Messen der Drehzahl eines Flügelrades in einem Fluidzähler - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum berührungslosen Messen der Drehzahl eines Flügelrades in einem Fluidzähler mittels Sensoren.

Ein derartiges Meßverfahren unter Verwendung einer optischen Lichtschranke ist beispielsweise bekannt aus der DE-OS 25 40 949. Die optische Lichtschranke arbeitet mit einem Dauersignal, zu dessen Aufrechterhaltung ein erheblicher Energiebedarf erforderlich ist. Außerdem werden bei dieser Lichtschranke getrennte Bauelemente für Sender und Empfänger benötigt, was auch besondere Anpassungen am Zählergehäuse erfordert. Fehlmessungen können entstehen, wenn das zu messende Fluid Festkörper enthält, die die optische Meßstrecke stören und falsche Drehzahlen vortäuschen.

Zur berührungslosen Messung der Drehzahl des Flügelrades in Wasserzählern ist eine Vielzahl weiterer Lösungen bekannt. So wird bei den sogenannten Trockenläufern am Flügelrad ein Permanentmagnet befestigt und das Zählergehäuse aus amagnetischem Material hergestellt. Ein weiterer Permanentmagnet ist drehbar an der Außenseite des Gehäuses angeordnet und dreht sich mit derselben Drehzahl wie der innere Magnet. Diese Methode besitzt jedoch zwei Nachteile. Der erste Nachteil besteht darin, daß der äußere 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 messenden Fluid gelöste ferromagnetische Partikel anzieht, so daß es zu einer Blockierung des Flügelrades kommen kann. 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 könnten nur mit teuren Spezialfiltern gefiltert werden, was für Heizungsanlagen nicht tragbar ist.

Eine andere Methode besteht darin, mittels einer rotierenden Blende das induktive, gegebenenfalls hochfrequente Feld einer Schwingspule eines Oszillators zeitweise abzuschirmen (DE-OS 26 33 803). Bei dieser Methode trifft eine mechanische Rückwirkung dann auf, wenn die Blende in dem zu messenden Fluid rotiert. Durch eine geeignete Konstruktion von Zählergehäuse und Blende kann die Reibung jedoch weitgehend reduziert werden. Allerdings muß dazu das Zählergehäuse kompliziert aufgebaut sein, wodurch der Zähler verteuert wird.

In dieser Veröffentlichung wird im übrigen auch angeregt, den Induktions- bzw. Hochfrequenzinitiator durch einen Ultraschallinitiator zu ersetzen.

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 Probleme mit der mechanischen Rückwirkung und zusätzlich Probleme mit der höheren Reibung im abdichtenden Lager.

Es ist ferner bekannt, daß man die Fließgeschwindigkeit von Fluiden akustisch mit Hilfe des Doppeleffektes oder mit Hilfe von Laufzeitmessungen direkt, d. h. ohne Verwendung eines Flügelrades oder einer Turbine, messen kann. (SDI-Berichte 254 "Durchfluß-Meßtechnik", Tagung Düsseldorf 1976; DD-Zeitschrift "msr", Berlin 26 (1983), S. 141-146; DE-OS 30 13 482.) Diese Verfahren sind 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.

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, einen geringen Energiebedarf hat und trotzdem die Drehzahl absolut sicher zu erfassen gestattet.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1.

Damit ergeben sich die Vorteile, daß das Flügelrad keinerlei konstruktive Änderungen erfahren muß, da die Paletten des Flügelrades selbst als Blende wirken können, und daß die bei Verwendung von Ultraschall entstehenden Mehrfachechos ausgeblendet werden können. Diese Mehrfachechos entstehen dadurch, daß die vom Ultraschallsender abgestrahlten Schallimpulse zunächst an der Unterkante des Gehäusedeckels, dann gegebenenfalls an der Oberkante einer Flügelradpalette, eventuell auch an der Unterkante der Flügelradpalette und dann an der Oberseite des Gehäusebodens reflektiert werden. Im Fall eines Reflektionsverfahrens entstehen entsprechende Reflexionen auf dem Rückweg der Schallimpulse vom Gehäuseboden zum Empfänger. Hinzu kommen als weitere Störfaktoren die unterschiedlichen Schallausbreitungsgeschwindigkeiten im Fluid, meist Wasser, einerseits und im Flügelradmaterial, meist Kunststoff, andererseits, die zudem noch temperaturabhängig sind. Allen diesen Störfaktoren sind dann auch noch die Mehrfachreflektionen der Schallimpulse überlagert. Die vorliegende Erfindung definiert nun aufgrund der bekannten Abmessungen von Meßkammer und Flügelrad ein Zeitfenster. Erscheint ein Empfangsimpuls zur richtigen Zeit und hat er auch die richtige Größe, so wird er 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 er als falsch erkannt und nicht ausgewertet.

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.

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. Die dadurch bedingten zusätzlichen Reflexionen können das erfindungsgemäße Meßverfahren nicht stören.

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 zeigt

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Einstrahl-Wasserzähler,

Fig. 2 eine Draufsicht auf ein Flügelrad und

Fig. 3 ein Impulsdiagramm.

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 Übersichtlichkeit wegen weggelassen. Auf dem Gehäuse ist außen ein Ultraschallwandler 5 befestigt, der Ultraschallimpulse 6 aussendet und das von der gegenüberliegenden Wand 7 des Gehäuses 1 reflektierte Echo wieder aufnimmt und an eine (nicht dargestellte) elektronische Meßschaltung gibt.

Bei einer derartigen Anordnung läßt sich die Laufzeit des Ultraschallimpulses vom Sender 5 zur gegenüberliegenen 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.

Da der Ultraschallstrahl nicht nur an der dem Sender 5 gegenüberliegenden Wand 7 reflektiert wird, sondern auch, wie bereit 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 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.

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 Palette 14 befestigt sind. Dadurch ergibt sich im Zentrum der Nabe eine Vertiefung 13, die zur Hälfte durch eine halbkreisförmige Blende 15 verschlossen ist. Der Ultraschallwandler wird in diesem Falle so montiert, daß die Ultraschallimpulse abwechselnd vom Boden der Vertiefung 13 oder von der Oberseite der Blende 15 reflektiert werden. Auch hierbei ergeben sich unterschiedliche Laufzeiten, die von der elektronischen Meßschaltung ausgewertet werden. Der Vorteil einer derartigen Anordnung liegt darin, daß die sich über einen Halbkreis erstreckende Blende 15 von den Ultraschallimpulsen leichter erkannt werden kann als die schmalen Paletten 14. Die dargestellte Anordnung erfordert die minimale Abtastfrequenz.

Fig. 3 zeigt in einem Zeit-Amplituden-Diagramm den Ablauf des Meßvorgangs. Zum Zeitpunkt t0 wird ein Sendeimpuls mit der Amplitude A ausgesendet. Zum Zeitpunkt t1 erscheint ein erstes Echo kleiner Amplitude. Dieses Echo ist ein Störecho, da es weder die minimale Amplitudenschwelle A_min übersteigt noch in das Zeitfenster fällt, welches durch die Zeiten t2 und t4 definiert ist. Zum Zeitpunkt t3, d. h. innerhalb des voher berechneten Zeitfensters, erscheint ein starker Echoimpuls, der beispielsweise von der dem Sender gegenüberliegenden Wand der Meßkammer reflektiert ist. Dessen Amplitude übersteigt auch die Amplitudenschwelle A_min. 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.

Die Verwendung von Impulsen 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 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.

Claims (9)

1. Verfahren zum berührungslosen Messen der Drehzahl eines Flügelrades in einem Fluidzähler mittels Sensoren, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung mittels Ultraschall erfolgt, indem ein am Zähler (1) montierter Ultraschallsender (5) Ultraschallimpulse (6) aussendet und ein Empfänger diese Impulse empfängt, daß der Ultraschallsender (5) gleichzeitig als Empfänger dient und daß in einer nachgeschalteten Auswerteschaltung nur die Impulse ausgewertet werden, die in ein vorgegebenes Zeit- und Amplitudenfenster (t2-t4; A_min) passen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallsender (5) Impulse (6) mit einer Impulsfolgefrequenz aussendet, die mindestens zweimal dem Produkt aus Drehzahl des Flügelrades, Anzahl der reflektierenden Flächen (14; 15) und Winkelverhältnis zwischen nicht reflektierenden und reflektierenden Flächen ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die von der dem Ultraschallsender und -empfänger (5) gegenüberliegenden Wand (7) der Meßkammmer reflektierten Echoimpulse ausgewertet werden.

4. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß an einer Wand der Meßkammer ein Ultraschallwandler (5) derart montiert ist, daß ein Maximum der Energie der ausgesendeten Impulse (6) von der gegenüberliegenden Wand (7) der Meßkammer wieder in den Wandler (5) zurückreflektiert wird.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallwandler (5) außen auf dem Gehäuse (1) des Fluidzählers aufgebracht ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß Ultraschallwandler (5) und Auswerteschaltung eine Einheit bilden, die mit dem Zählergehäuse verbunden ist.

7. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Ultraschallwandler (5) und Auswerteschaltung batteriebetrieben sind.

8. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß am Flügelrad (10) besondere sektorförmige Ultraschallreflektoren (15) vorgesehen sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallreflektoren derart ausgebildet sind, daß sie den Ultraschallstrahl auf den Empfänger (5) gebündelt reflektieren.