DE3411156A1 - Schwebekoerper-durchflussmesser - Google Patents

Description

• Schwebekörper-Durchflußmesser
• Die Erfindung betrifft einen Schwebekörper-Durchflußmesser nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
• Schwebekörper-Durchflußmesser weisen einen aufrechtstehenden Meßkanal auf, dessen Durchmesser sich nach oben hin stetig erweitert. In dem Meßkanal befindet sich ein Schwebekörper, der durch sein Gewicht zum unteren Ende des Meßkanals gezogen wird. Das in dem Meßkanal aufwärts strömende Medium nimmt den Schwebekörper mit, so daß dieser ansteigt. Je höher der Schwebekörper steigt um so größer wird der Querschnitt des Ringspaltes zwischen Schwebekörper und der Wand des Meßkanals. Es stellt sich ein Gleichgewicht zwischen der Schwerkraft des Schwebekörpers und der auf den Schwebekörper einwirkenden Strömungskraft ein, die von der Strömungsmenge abhängig ist. Die Höhe des Schwebe- körpers ist daher ein Maß für die Strömungsmenge, die durch die Meßstrecke hindurchgeht. Im einfachsten Fall ist die Wand des Meßkanals durchsichtig, so daß die Höhe des Schwebekörpers optisch an einer Skala abgelesen werden kann Wenn das strömende Medium aber unter hohem Druck steht bzw. hohe Temperaturen aufweist, kann ein durchsichtiger Meßkanal nicht benutzt werden. Für solche Fälle wird der Meßkanal aus einem amagnetischen Stahl hergestellt und im Schwebekörper wird ein Magnet untergebracht. Außerhalb des Schwebekörpers befindet sich eine Sensorvorrichtung in Form eines drehbar gelagerten, radial gepolten Rundmagneten, der mit einem Zeiger gekoppelt ist. Der Rundmagnet stellt sich auf die Haupteinfallsrichtung des von dem Stabmagneten ausgehenden Magnetfeldes ein und verändert somit seine Stellung in Abhängigkeit von der Position des Schwebekörpers. Derartige Geräte haben verschiedene Nachteile: Der Meßkanal muß kurz sein, so daß der Magnet in jeder möglichen Stellung den Rundmagneten beeinflussen kann.
• Die Geräte haben sich als relativ ungenau erwiesen. Die Positionsanzeige ist mit einer Hysterese behaftet, d.h.
• wenn der Schwebekörper in dem Meßkanal aufsteigt, werden andere Positionswerte angezeigt als wenn der Schwebekörper absinkt.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen Schwebekörper-Durch fluBmesser der eingangs genannten Art mit wesentlich erhöhter Meßgenauigkeit und kleinen baulichen Abmessungen zu schaffen.
• Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit den im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs 1 angegebenen Merkmalen.
• Bei dem erfindungsgemäßen Schwebekörper-Durchflußmesser ist außerhalb des Meßkanals eine Reihe von Magnetfeldsensoren angeordnet. Diese Magnetfeldsensoren sprechen auf das von dem Magneten ausgehende Magnetfeld an. In der Auswerteeinrichtung werden die Signale der Magnetfeldsensoren ausgewertet und zu einem Positionssignal verarbeitet. Diese Auswertung ist deshalb erforderlich, weil das von dem Magneten ausgehende Magnetfeld ein Streufeld ist, von dem mehrere Magnetfeldsensoren gleichzeitig erfaßt werden können. Wenn zwei benachbarte Magnetfeldsensoren ein gleichstarkes Feld anzeigen, ermittelt die Auswerteeinrichtung einen Positionswert, der in der Mitte zwischen den Positionswerten der betreffenden Magnetfeldsensoren liegt. Auch andere Zwischenwerte sind möglich. Auf diese Weise erhält man mit einer Reihe übereinander angeordneter Magnetfeldsensoren sehr genaue Positionswerte, wobei das Positionsauflösungsvermögen größer ist als es dem Abstandsmaß der einzelnen Magnetfeldsensoren entspricht.
• Als Magnetfeldsensoren eignen sich magnetfeldabhängige Halbleiterwiderstände, insbesondere in Form von Brückenschaltungen. Ein derartiger Magnetfeldsensor in Form einer Brückenschaltung weist einen Stromzweig auf, der an eine Gleichstromquelle angeschlossen wird. Das magnetfeldabhängige Meßsignal kann an dem Meßzweig in Form einer Signalspannung abgenommen werden. Dieses Meßsignal ist nach Betrag und Vorzeichen abhängig von der Stärke des einwirkenden Magnetfeldes.
• Die Positionssignale enthalten zwar eine Information über die Durchflußmenge, sind aber der Durchflußmcnge nicht proportional, d.h. bei einem Schwebekörper-Durchflußmesser besteht keine lineare Beziehung zwischen der Höhe des Schwebekörpers und der Durchflußmenge. Dies liegt daran, daß der Ringspalt zwischen Schwebekörper und Meßkanal sich infolge der konischen Gestalt des Meßkanals mit zunehmender Strömungsmenge verändert. Mit dem Merkmal des Patentanspruchs 2 wird eine Linearisierung durchgeführt, d.h. der Festwertspeicher gibt für jede gemessene Position des Schwebekörpers einen Durchflußwert aus. Die in dem Festwertspeicher gespeicherten Durchflußwerte sind abhängig von der individuellen Konstruktion des Meßkanals und des Schwebekörpers, so daß sie nicht in allgemeiner Form angegeben werden können.
• Die Durchflußwerte geben nur dann Aufschluß über die gesuchte Durchflußmenge, wenn das Strömungsmedium eine bestimmte Viskosität und Temperatur hat. Da diese Parameter sich aber von Fall zu Fall und auch zeitabhängig ändern können, ist gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung das Merkmal des Patentanspruchs 3 vorgesehen. Der Rechenschaltung werden die Werte von Viskosität und Temperatur des strömenden Mediums zugeführt und diese Parameter werden bei der Verarbeitung der Durchflußwerte berücksichtigt, so daß die Rechenschaltung schließlich die Strömungsmenge angibt, die angezeigt, registriert oder auf andere Weise verarbeitet oder zu Regelungszwecken benutzt werden kann. Die genannten Parameter (Viskosität, Temperatur u.dgl.) können der Rechenschaltung beispielsweise über eine Tastatur oder eine andere Eingabeeinrichtung zugeführt werden. Besonders zwecksmäßig ist es jedoch, wenn diese Parameter des Strömungsmediums vor oder hinter dem Meßkanal gemessen werden, wobei die entsprechenden Sensoren die Meßwerte direkt der Rechenschaltung zuführen.
• Auf diese Weise werden auch zeitliche Änderungen der genannten Parameter unverzüglich berücksichtigt.
• Das Merkmal des Patentanspruchs 4 erlaubt es, eine Kühlung des Meßkanals gleichmäßig über den Umfang verteilt vorzunehmen, indem ein Kühlmedium außen an dem Meßkanal entlang geleitet wird. Dieses Kühlmedium wird durch das die Magnetfeldsensoren enthaltende Gehäuse nicht gestört. Außerdem wird verhindert, daß eine hohe Temperatur des Meßkanals sich auf das Gehäuse überträgt und die darin enthaltenen Magnetfeldsensoren und elektrischen Schaltungen stört. Meßkanal und Gehäuse können daher wirksam thermisch voneinander entkoppelt werden.
• Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die einzige Figur der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.
• In der Zeichnung ist der Schwebekörper-Durchflußmesser im Längsschnitt dargestellt, während die zugehörigen elektrischen Einrichtungen als Blockschaltbild abgebildet sind.
• Der Durchflußmesser weist einen langgestreckten Meßkanal 10 auf, der aus amagnetischem Edelstahl besteht.
• Das untere Ende 11 des Meßkanals ist zylindrisch ausgebildet. Hieran schließt sich ein Abschnitt 12 an, in dem sich der Querschnitt nach oben hin verkleinert. Die engste Stelle des Meßkanals 10 ist mit 13 bezeichnet.
• Uber der Stelle 13 erweitert sich der kreisrunde Querschnitt des Meßkanals 10 mit konstantem Konuswinkel.
• Der Abschnitt von der Stelle 13 bis zum oberen Ende bildet die eigentliche Meßstrecke 14 Am unteren und am oberen Ende des Meßkanals 10 ist jeweils ein Flansch 15,16 angebracht, damit der Meßkanal mit externen Rohrleitungen verbunden werden kann. Außerdem ist an den beiden genannten Enden je ein Armstern 17,18 im Meßkanal 10 befestigt. Von diesem Armstern steht eine Fangvorrichtung 19 in das Innere des Meßkanals 10 hinein ab. Die Fangvorrichtungen 19 dienen der Begrenzung der Bewegung des Schwebekörpers 20.
• Der Schwebekörper 20, der im Innern des Meßkanals 10 verschiebbar ist, ist in bekannter Weise ausgebildet.
• Er weist einen zylindrischen Mittelabschnitt 21 auf, über dem am oberen Ende ein seitlich überstehender Kragen 22 angeordnet ist. Am unteren Ende befindet sich eine Spitze 23. Der Schwebekörper 20 ist rotationssymmetrisch. In seinem Innern befindet sich der Magnet 24. Die Magnetachse verläuft parallel zur Längsachse des Meßkanals 10.
• Außen am Meßkanal 10 ist ein Gehäuse 25 befestigt, in dem eine vertikale Reihe aus zahlreichen Magnetfeldsensoren MS1 bis MS angeordnet ist. Diese Magnetfeldn sensoren sind vom Typ KMZ der Firma Valvo. Die empfindliche Achse der Magnetfeldsensoren ist jeweils auf den Meßkanal 10 gerichtet, d.h. sie schneidet die Längsachse des Meßkanals 10 rechtwinklig.
• Die Meßspannungen aller Magnetfeldsensoren MS1 bis MSn werden einer Auswerteeinrichtung 26 zugeführt, die ebenfalls im Innern des Gehäuses 25 angeordnet ist. Die Auswerteeinrichtung 26 entspricht dem System POMUX der Firma Angewandte Digital Elektronik GmbH, 2051 Brunstorf.
• Das AuscTangssignal der Auswerteeinrichtung 26 bildet das Positionssignal, das die Höhe des Magneten 24 bzw.
• des Schwebekörpers 20 im Innern des Meßkanals 10 an- gibt. Dieses Positionssignal wird einem Festwertspeicher 27 als Adressensignal zugeführt. In den einzelnen Adressen des Festwertspeichers 27 sind Durchflußwerte gespeichert, die den jeweiligen Positionssignalen entsprechen. Auf diese Weise wird die durch den Konuswinkel des Abschnitts 14 des Meßkanals 10 hervorgerufene Nicht-Linearität- kompensiert. Das Ausgangssignal des Festwertspeichers 27 bildet den Durchflußwert, der der Rechenschaltung 28 zugeführt wird. Diese Rechenschaltung berechnet die Durchflußmenge nach einer vorgesehenen Formel.
• Der Rechenschaltung 28 können bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel über eine Tastatur 29 die Werte der Viskosität und Temperatur des strömenden Mediums, die Schwebekörperdichte u.dgl. eingegeben werden. Die Rechenschaltung 28 gibt daraufhin die Durchflußmenge an.
• Das Gehäuse 25 ist mit Schrauben 30 über thermisch isolierende Abstandhalter 31 mit der Wand des Meßkanals 10 verbunden, so daß zwischen Meßkanal 10 und Gehäuse 25 ein Zwischenraum besteht, der nur durch die Abstandhalter 31 an zwei Stellen überbrückt ist. Der Meßkanal 10 kann allseitig von einem Kühlmedium umströmt werden, so daß in dem Fall, daß der Meßkanal 10 eine höhere Temperatur annimmt, diese höhere Temperatur nicht durch Wärmeleitung direkt auf das Gehäuse 25 übertragen wird.
• Die dem Meßkanal 10 zugewandte Wand 32 des Gehäuses 25 besteht aus einem Material, das für Magnetfelder durchlässig ist.
• - Leeis'ite -

Claims (4)

1. ANSPRtfCHE S Schwebekörper-Durchflußmesser mit einem senkrechten Meßkanal (10), dessen Querschnitt sich nach oben erweitert, einem in dem Meßkanal (10) angeordneten Schwebekörper (20), der einen Magneten (24) enthält, und mit einer außerhalb des MeB-kanals (10) angeordneten, auf unterschiedliche Positionen des Magneten (24) reagierenden Sensorvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorvorrichtung eine Reihe von längs des Meßkanals angeordneten Magnetfeldsensoren (MS1 bis MS ) aufweist, die an eine Auswerteeinrichtung n (26) zur Erzeugung eines die Stellung des Magneten (24) angebenden Positionssignals angeschlossen sind.
2. 2. Schwebekörper-Durchflußmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinrichtung (26) mit einem Festwertspeicher (27) verbunden ist, der von den Positionssignalen als Adressensignalen angesteuert wird und der in jeder Adresse einen Durchflußwert für die betreffende Schwebekörperposition gespeichert enthält.
3. 3. Schwebekörper-Durchflußmesser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die von dem Festwertspeicher (27) ausgegebenen Durchflußwerte einer Rechenschaltung (28) zuführbar sind, die aus ihnen die Durchflußmenge unter Berücksichtigung von variablen Parametern, wie Viskosität und Temperatur des strömenden Mediums errechnet.
4. 4. Schwebekörper-Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihe der Magnetfeldsensoren (MS1 bis MSn) in einem Gehäuse (25) angeordnet ist, das über Abstandhalter (31) an dem Meßkanal (10) befestigt ist.