DE3505706A1

DE3505706A1 - Durchflussmesser

Info

Publication number: DE3505706A1
Application number: DE19853505706
Authority: DE
Inventors: Paul Walter Prof. Dr. 6750 Kaiserlautern Baier; Klaus Dr. 6751 Krickenbach Dostert; Michael 6750 Kaiserslautern Lang; Kurt Dipl.-Phys. 7867 Wehr Lutz
Original assignee: ROTA KG
Current assignee: ROTA KG
Priority date: 1985-02-19
Filing date: 1985-02-19
Publication date: 1986-08-21

Description

Die Erfindung betrifft einen Durchflußmesser gemäß Oberbegriff
des Anspruches 1.
Durchflußmesser dieser Art sind zur Überwachung eines Minimal-bzw. Maximaldurchflusses eines Fluids durch eine entsprechende Leitung bekannt. Bei einem der bekannten Durchflußmesser wird ein berührungsloser Grenzwertschalter dadurch realisiert, daß man einen magnetischen Körper in Form eines Permanentmagneten in den in dem Durchflußmeßgerät vorgesehenen Schwebekörper unterbringt.
Die Veränderung des auf diese Weise ein Magnetfeld abstrahlenden Schwebekörpers aufgrund des Fluid-Durchflusses, wird mittels eines Reed-Kontaktes grenzwertmäßig erfaßt.
Diese mit Reed-Kontakten arbeitende Vorrichtung ist jedoch in mehrerer Hinsicht verbesserungsbedürftig. Um mittels des Reed-Kontaktes zwei Grenzwerte, die durch die Position des Schwebekörpers definiert werden, feststellen zu können, bedarf es eines bistabilen Schaltverhaltens des Reed-Kontaktes. Erst hierdurch kann die Position eines magnetisierten Schwebekörpers "oberhalb" bzw. "unterhalb" einer vorgegebenen Bezugsebene im Sinne von Grenzwerten ermittelt werden. Für die Realisierung eines bistabilen Schaltverhaltens des Reed-Kontaktes ist es erforderlich, daß der Reed-Kontakt z.B. mit einem Permanentmagneten so vorgespannt wird, daß in der"Null-Lage" keine Kontaktgabe des Reed-Kontaktes vorliegt. In dieser Null-Lage würde ein im Durchflußmesser vorhandener Schwebekörper eine Position in der Bezugsebene einnehmen. Aus dieser Null-Lage heraus würde eine Durchflußänderung eine Positionsänderung des Schwebekörpers bewirken, wobei bei einer bestimmten Grenzwertüberschreitung der vorgespannte Reed-Kontakt in einen seiner entsprechenden zwei Schaltzustände übergeht.
Um dieses Umschalten des Reed-Kontaktes zwischen seinen zwei Schaltzuständen herbeiführen zu können, bedarf es jedoch relativ großer Kräfte, das heißt es sind relativ große und starke Magnete erforderlich, die jedoch wegen der Größe z.B. in kleinen Schwebekörpern des Durchflußmessers nicht unterbringabar sind. Außerdem hat es sich bei diesen bekannten Durchflußmessern gezeigt, daß sie relativ empflindlich gegen Erschütterungen jeglicher Art sind, so daß der Reed-Kontakt dadurch zum Umschalten gebracht werden kann und durch dieses nicht gewollte Umschalten Fehlschaltungen und Fehlmeldungen über Grenzwerte des Durchflußmessers möglich sind.
Ausgehend von diesen bekannten Nachteilen liegt daher der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Durchflußmesser, bzw. einen Detektor, mit zuverlässiger und hoher Ansprechempfindlichkeit zu konzipieren, wobei bereits geringe magnetische Feldstärken und/ oder deren zeitliche Veränderung ausreichen, um eine eindeutige Signalgabe bei geringerer Störanfälligkeit und Miniaturisierungsaspekten zu verwirklichen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruches 1 gelöst.
An Stelle des bisher bekannten Reed-Kcntaktes ist der Detektor der Erfindung mit mindestens einer Magnetfeldsonde ausgestattet, die sehr präzis strom- oder spannungsabhängig eine Veränderung des Magnetfeldes erfaßt. Zweckmäßiger Weise wird durch die Magnetfeldsonde(n) dabei eine Bezugsebene, die als "Null-Lage" der entsprechenden magnetischen Einrichtung festgelegt werden kann, definiert.
Die Ausgangssignale der Magnetsonde werden einer nachgeschalteten Auswertschaltung, insbesondere einer Logik-Schaltung, zugeführt, an deren Ausgang vorzugsweise zwei Signalpegel auftreten, die direkt oder indirekt der Position und/oder der Bewegungsrichtung der magnetischen Einrichtung relativ zur Bezugs ebene zugeordnet werden können. Bei mehreren Ausgängen kann ein Signal an einem bestimmten Ausgang auch einer definierten Position und/oder Bewegung der magnetischen Einrichtung entsprechen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dabei nicht auf einen Durchflußmesser oder dessen spezielle Ausbildung als Schwebekörper-Durchflußmesser beschränkt, sondern betrifft im Sinne eines allgemeineren Erfindungsgedanken auch einen magnetischen Lage- und Bewegungsdetektor.
Kerngedanke der Erfindung ist es, Änderungen der magnetischen Feldstärke einer z.B. in einem Schwebekörper des Durchflußmessers enthaltenen magnetischen Einrichtung mittels mindestens einer Magnetfeldsonde mit hoher Ansprechempfindlichkeit zu detektieren. Die der Magnetfeldsonde nachgeordnete Auswertschaltung kann vorzugsweise eine logische Schaltung sein, an deren Ausgang mindestens zwei unterschiedliche Signalpegel erhalten werden. Bei einer logischen Schaltung kann dies hohes oder niedriges Potential sein, das einer binären Signalcharakteristik zugeordnet werden kann.
Zweckmäßigerweise erfolgt eine direkte Zuordnung z.B. des hohen Signalpegels zu einer Lage- und Positionsänderung der magnetischen Einrichtung in eine Stellung oberhalb der Bezugsebene, während der andere Signalpegel einer Veränderung unterhalb des Niveaus der Bezugsebene entspricht. Die Ausgangssignale der Auswertschaltung können je nach Anwendungsfall auch weiterverarbeitet werden, so daß z.B. nicht nur eine Grenzwertschaltung in entgegengesetzte Richtungen dadurch realisiert wird, sondern auch die zeitliche Änderung des magnetischen Elementes oder Körpers im durchfließenden Fluid unter Berücksichtigung der Bewegungsrichtung ermittelt werden kann.
Im spezifischen und vorteilhaften Anwendungsfall bei Schwebekörper-Durchflußmessern, ist der Detektor mit der Magnetfeldsonde stationär angeordnet, während das magnetische Element, das im Schwebekörper integriert ist, abhängig von der Durchflußströmung eine Positionsänderung durchführen kann. Während im bevorzugten Beispiel daher eine Relativbewegung des magnetischen Elementes zur stationären Bezugsebene der Magnetfeldsonde erfolgt, kann in anderen Anwendungsfällen der Magnetfeldsensor selbst zu einem stationär vorhandenen magnetischen Feld bewegt werden und damit die Lageveränderung des Magnetfeldsensors gegenüber einem Fixpunkt des magnetischen Elementes festgestellt werden.
Der gravierende Vorteil, der sich insbesondere bei einem erfindungsgemäß ausgebildeten Detektor ergibt, ist darin zu sehen, daß nur sehr geringe magnetische Feldstärken und damit kleine magnetische Körper erforderlich si'nd, um den Detektor als Grenzwertschalter oder Bewegungsmesser zwischen seinen Schaltzuständen umschalten zu lassen. Beispielsweise genügt dazu bereits ein Stabmagnet mit einem Durchmesser von etwa 1,5 mm und einer Länge von 3 mm, der in einem Abstand von circa 8 mm an der Magnetfeldsonde vorbeigeführtwird. Je nach Auslegung der Auswertschaltung kann an Stelle oder zusätzlich zu einer Grenzwerterfassung auch der Durchgang des magnetischen Elementes durch die Bezugs ebene und die entsprechende Bewegungsrichtung als Ausgangssignal angezeigt werden.
Da anders als bei bekannten Reed-Kontakten mechanische Schaltvorgänge bei dem Detektor eliminiert sind, wird sein Schaltverhalten auch nicht durch eventuell auftretende Erschütterungen oder dergleichen beeinträchtigt. Aufgrund der hohen Ansprechempfindlichkeit ist jedoch gewährleistet, daß bei Bewegungsabläufen des magnetischen Elementes mit Geschwindigkeiten von z.B. mehr als 100 m/s an der Magnetfeldsonde vorbei, eine zuverlässige Anzeige der Positionsänderung oder Bewegungsrichtung des magnetischen Elementes erfolgt.
Im Vergleich zu Reed-Kontakten und bisher gebräuchlichen großen Permanentmagneten, ist daher auch eine Miniaturisierung des Detektors ohne Beeinträchtigung seiner Ansprechempfindlichkeit möglich.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform besteht der Magnetfeldsensor aus einer Wheatstoneschen Brücke, mit jeweils mindestens einem magnetfeldabhängigen Widerstand in einem Brückenzweig. Die Einspeisung der Betriebsspannung für diese Wheatstonesche Brücke erfolgt an gegenüberliegenden Diagonalpunkten, während an den weiteren Diagonalpunkten der Wheatstoneschen Brücke eine Brückenspannung UBr als Funktion der von der Magnetfeldsonde erfaßten magnetischen Feldstärkeänderung abgegriffen werden kann.
Die Magnetfeldsonde kann in anderen Ausführungsbeispielen auch aus mindestens zwei Magnistoren, also magnetfeldabhängigen Transistoren, aufgebaut sein. Denkbar wäre hier eine Schaltung in Art eines Differenzverstärkers, wobei der eine Magnistor einem Magnetfeld oberhalb einer Bezugsebene und der andere Magnistor einem Magnetfeld unterhalb der bestimmten Bezugsebene zugeordnet ist.
In einfachster Ausführungsform besteht die Auswertschaltung aus einer bistabilen Kippschaltung. Die am Ausgang der Magnetfeldsonde erhaltene Brückenspannung UBr wird dabei dieser Kippschaltung zugeführt, wobei je nach Spannungsverlauf der erste oder zweite Schaltzustand der Kippschaltung eingenommen wird, womit der entsprechende Grenzwert eindeutig wiedergegeben werden kann.
Eine derartige bistabile Kippschaltung kann bevorzugterweise als Schmitt-Trigger mit oder ohne Hysterese aufqebaut sein. Durch die Veränderung der Hystereseschleife aufgrund einer entsprechenden Beschaltung, kann die Ansprechschwelle der Auswertschaltung eingestellt werden. Diese Maßnahme trägt ebenfalls dazu bei, eine Verringerung der Störempfindlichkeit der Magnetfeldsonde gegenüber sonstigen magnetischen Störfeldern zu realisieren.
Mit anderen Worten ist es durch eine derartige Auslegung der Auswertschaltung möglich, nur das Erreichen von entgegengesetzten Grenzwerten anzuzeigen, während der Detektor z.B. im zulässigen Durchflußbereich keinen oder einen im zulässigen Betriebsbereich liegenden Signalpegel markiert.
Da in verschiedenen Fällen ein frühzeitiges Erfassen der Änderung der Strömungsparameter des Fluids gewünscht wird, kann die Auswertschaltung auch so konzipiert sein, daß als Ausgangssignd]-pegel die Bewegungsrichtung des magnetischen Elementes durch die Bezugsebene angegeben wird. Zweckmäßigerweise weist die Auswertschaltung hierzu zwei Komparatoren auf, deren entgegengesetzte Eingänge das Ausgangssignal der Magnetfeldsonde erhalten. Dies erfolgt vorzugsweise phasenverkehrt. Dem jeweiligen Komparator nachgeschaltet ist eine Torschaltung und eine Kippschaltung, die insbesondere monostabil ist. Je nach der Durchgangsrichtung des magnetischen Elementes in der Fluidströmung relativ zur Bezugsebene erhält man mit dieser Auswertschaltung entweder am ersten oder am zweiten Ausgang ein impulsförmiges Signal, wodurch die entsprechende Durchgangsrichtung angezeigt wird. Die Dauer des impulsförmigen Signals kann dabei durch die entsprechende Kippstufe bestimmt werden. Um auch kleinere Schwankungen der Versorgungsspannung der Magnetfeldsonde auszuschließen, ist es empfehlenswert die Magnetfeldsonde und eventuell auch die nachgeschaltete Auswertschaltung an eine Schaltung zur Konstanthaltung der Spannung bzw. des Stromes anzuschließen. Änderungen der Brückenspannung UBr resultieren dann nicht aus einer, wenn auch nur geringen Schwankung der Betriebsspannung, z.B. der Gleichspannungsversorgung der Wheatstoneschen Brücke, sondern sind auf eine Änderung des zu detektierenden Magnetfeldes zurückzuführen. Auch mit dieser Maßnahme wird daher die Ansprechempfindlichkeit erhöht und die möglichen Störeffekte reduziert.
Da stets auch Kostenaspekte einer Schaltung ein maßgebendes Kriterium sind, wobei auch der Integrationsaufwand und Verdrahtungsaufwand mit einfließen, kann die Auswertschaltung auch im Hinblick auf eine geringe Leistungs- und Stromaufnahme so ausgelegt werden, daß die Auswertschaltung an einen 2-Leiter-Stromkreis nach DIN 19234/NAMUR anschließbar ist.
Zur weiteren Verbesserung und Abschirmung von magnetischen Störfeldern kann die Magnetfeldsonde mit einer Außenabschirmung ausgestattet sein. Diese Außenabschirmung kann z.B. aus einem paramagnetischen Material und vorteilhafterweise aus einem Mu-Metall bestehen. Um die Ansprechempfindlichkeit gegenüber dem in der Fluidströmung magnetischen Element nicht herabzusetzen, ist diese Außenabschirmung in Richtung zum magnetischen Element offen.
Obwohl prinzipiell jede Lageanordnung des magnetischen Elementes, z.B. im Schwebekörper des Durchflußmessers, möglich ist, ist es zur Verbesserung der Ansprechempfindlichkeit der Magnetfeldsonde vorteilhaft, die Verbindungslinie zwischen den magnetischen Polen des magnetischen Elementes bzw. Körpers entweder senkrecht zur Bezugsebene oder bei Null-Lage parallel zu oder in der Bezugsebene auszurichten. Bei dieser Anordnung wird in der Null-Lage eine maximale Komponente in X- bzw. Y-Richtung des Magnetfeldes von der Magnetfeldsonde erfaßt, so daß Abweichungen davon relativ gut detektiert werden können.
Vorteilhafterweise kann der Durchflußmesser und der entsprechende Detektor so ausgelegt werden, daß eine kontinuierliche Positionserfassung der magnetischen Einrichtung möglich ist. Zu diesem Zweck können zwei Magnetfeldsonden in Bewegungsrichtung der magnetischen Einrichtung voneinander beabstandet angeordnet sein. Die Auswertung und Zuordnung der Ausgangssignale der einzelnen Magnetfeldsonden kann geeigneterweise über eine Verknüpfungseinrichtung erfolgen, an deren Ausgang das für die kontinuierliche Positionserfassung repräsentative Signal erhalten wird.
Die Verknüpfungseinrichtung ist dazu vorgesehen, die Ausgangssignale der Magnetfeldsonden arithmetisch zu verarbeiten. Die entsprechende arithmetische Operation kann prinzipiell beliebiger Art sein, wobei jedoch die Ergebniswerte der arithmetischen Operation definierten Positionswerten zugeordnet werden müssen. Die arithmetische Operation kann hierbei beispielsweise eine Division, Multiplikation, Addition, Subtraktion oder dergleichen oder Kombination dieser Operation umfassen.
Unter der Annahme, daß die Verknüpfungseinrichtung im Prinzip aus einem Dividierer besteht und zwei Magnetfeldsonden vorhanden sind, erhält man durch Division der Ausgangssignale UBr1 und UBr2, die von der Position x der magnetischen Einrichtung abhängig sind, eine neue Funktion, z.B. f(x). Aufgrund dieser Funktion f(x) kann dann auch die Position der magnetischen Einrichtung bestimmt oder berechnet werden.
In einfacher Weise kann hierzu z.B. die bekannte Funktion f(x) in einem Festwertspeicher wie einem EPROM abgespeichert werden, so daß die analogen Werte von f(x) in digitaler Form im Festwertspeicher vorliegen. Das durch die Verknüpfungseinrichtung gewonnene Signal kann dann z.B. als Eingangsgröße dem Festwertspeicher zugeführt werden, der dieses in Art einer Adresse interpretiert und den entsprechenden Wert x als Position der magnetischen Einrichtung bezüglich einer Bezugsebene zuordnet und ausgibt.
Vorteilhafterweise werden Störeinflüsse beim Ausgangssignal der Magnetfeldsonde, z.B. die Offsetspannung oder die Temperaturabhängigkeit, durch eine entsprechende Schaltung kompensiert, um insbesondere im Hinblick auf die Verknüpfungseinrichtung die drekt aus der Veränderung des Magnetfeldes der magnetischen Einrichtung resultierenden Signale miteinander operativ verbinden zu können. Eine derartige Offset-Kompensation kann beispielsweise durch ein zwischen die Eingänge eines Verstärkers, insbesondere zwischen dessen "+" oder Eingang vorgesehenes Potentiometer durchgeführt werden. Für die Temperaturkompensation des Magnetfeldsensors oder eines Verstärkers kann ein entsprechender negative Temperaturwiderstand in der Signalleitung, z.B. vor einem mit dem Ausgangssignal der Magnetfeldsonde beaufschlagten Verstärker, vorgesehen werden.
Unter Berücksichtigung der vorteilhaften Weiterbildung wird daher ein Durchflußmesser bzw. ein magnetischer Lagedetektor erreicht, der eine gute und sichere Ansprech-Charakteristik bei geringer Störempfindlichkeit und wirtschaftlicher Realisierbarkeit aufweist.
Die Erfindung wird nachstehend anhand einiger Ausführungsbeispiele noch näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine Prinzipdarstellung einer Magnetfeldsonde relativ zu einem magnetischen Element und den Magnetfeld- bzw.
Spannungsverlauf; Fig. 2 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung als Lagedetektor und Grenzwertschalter; Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel zur Erfassung der Bewegungsrichtung des magnetischen Elementes; Fig. 4 ein drittes Ausführungsbeispiel in Art des Beispieles nach Fig. 2 mit konstanter Spannungsversorgung; Fig. 5 im linken Bereich eine schematische Draufsicht auf eine Magnetfeldsonde aus der Position des magnetischen Elementes und im rechten Bereich einen Schnitt längs der Bewegungsrichtung des magnetischen Elementes durch eine etwa zylinderförmig aufgebaute Magnetfeldsonde mit außen liegender hülsenartiger Abschirmung; und Fig. 6 ein schematisches Blockschaltbild für eine kontinuierliche Positionserfassung der magnetischen Einrichtung mittels einer Verknüpfungseinrichtung.
In der Prinzipdarstellung nach Fig. 1 ist ein magnetisches Element 2 als Permanentmagnet mit Nord- und Südpol dargestellt.
Die beiden Pole des Permanentmagneten sind in der x-Richtung voneinander beabstandet. In einem bestimmten Abstand in y-Richtung ist eine Magnetfeldsonde 3 an der Koordinate x = 0 angeordnet.
Bei einer Bewegung der Magnetfeldsonde 1 in x-Richtung entsprechend den angedeuteten Pfeilen, wird dabei eine Änderung der magnetischen Feldstärke H in y-Richtung entsprechend dem y im oberen Bereich der Fig. 1 dargestellten Diagrammverlauf ermittelt.
Die am Ausgang der Magnetfeldsonde 3 festgestellte Spannung, insbesondere die Brückenspannung UBr zeigt dabei einen qualitativ gleichen Verlauf wie die magnetische Feldstärke H Entsprechend dem Diagrammverlauf ändert sich die magnetische Feldstärke H etwa entsprechend einer durch'den Nullpunkt des Koordiy natensystems Hy, x bzw, UBr, x gehenden Geraden. Im Bereich der Pole geht diese Gerade in ein Maximum bzw. Minimum mit Wendepunkt über.
Entsprechend der nach Fig. 1 getroffenen Definition erhält man bei einer Bewegung der Magnetfeldsonde 3 in x-Richtung nach rechts zum Nordpol eine positive Ausgangsspannung UBr, während bei einer Bewegung nach links zum Südpol entsprechend dem Beispiel eine negative Ausgangsspannung UBr erhalten wird.
Von diesem vorstehenden Prinzip wird auch beim beanspruchten Durchflußmesser Gebrauch gemacht. Der Unterschied, insbesondere bei einem Schwebekörper-Durchflußmesser, besteht jedoch darin, daß das magnetische Element 2 als Permanentmagnet oder Elektromagnet miniaturisiert in dem vom Fluid bewegten Schwebekörper enthalten ist, während die Magnetfeldsonde 3 stationär in einer Bezugsebene, die üblicherweise durch die Magnetfeldsonde geht, angeordnet ist.
In Fig. 2 ist der Detektor 1 eines Durchflußmessers dargestellt, der die Position des in Fig. 2 nicht gezeigten magnetischen Elementes oder Körpers bezüglich der Bezugsebene als Grenzwertschalter oder Lagedetektor wiedergibt. Der Magnetfeldsensor 3 besteht im Beispiel nach Fig. 2 aus einer Wheatstoneschen Brücke, in deren einzelnen Brückenzweigen jeweils ein magnetfeldempfindlicher Widerstand 14 vorgesehen ist. Die Betriebsspannung UB wird an den diagonal gegenüberliegenden Anschlüssen 4 und 5 angelegt, während an den weiteren diagonal gegenüberliegenden Anschlüssen 6 und 7 die Brückenspannung UBr abgegriffen werden kann.
In der Null-Lage des nicht gezeigten magnetischen Elementes gegenüber der Magnetfeldsonde 3, wird dabei im einfachsten zoll eine Brückenspannung UBr = Null erhalten. Selbstverständlich kann auch eine andere Null-Lage eingestellt werden, so daß am Ausgang der mit konstanter Betriebsspannung gespeisten Wheatstoneschen Brücke eine Brückenspannung gehalten wird, die als Null-Lage definierbar ist. Zum Beispiel kann mittels eines nachgeschalteten Komparators ein derartiger Spannungswert ohne weiteres in der weiteren Auswertschaltung ausgeglichen bzw. berücksichtigt werden.
Die eigentliche Auswertschaltung im Beispiel nach Fig. 2 besteht aus einem Operationsverstärker 10 , dessen tsPlus§'-Eingang und "Minus"-Eingang über einen Widerstand 8 bzw. 9 die am Ausgang der Magnetfeldsonde 3 auftretende Brückenspannung UBr erhalten.
Der Ausgang des Operationsverstärkers 10 ist über einen weiteren Widerstand 11 auf seinen positiven Eingang zurückgekoppelt.
Der rückgekoppelte Operationsverstärker 10 fungiert daher als Komparator mit Hysterese bzw. als Schmitt-Trigger, wobei als Ausgangssignal UA zwischen den Anschlüssen 12 und 13,abhängig von der Lage des mittels des Magnetfeldsensors 3 detektierten magnetischen Elementes,zwei unterschiedliche Signalpegel erhalten werden. Der Anschluß 12 liegt dabei auf dem Ausgang des Operationsverstärkers 10, während der Anschluß 13 am Anschluß 5 der Brückenschaltung, z.B. als Massepotential, liegt. Im Beispiel nach Fig. 2 kann dabei z.B. ein Rechteck-Impuls-Verlauf auftreten. Die der Magnetfeldsonde 3 nachgeschaltete bistabile Kippstufe mit dem Operationsverstärker 10 und den Beschaltungselementen 8, 9, 11 zeigt daher einen unteren und oberen Spannungswert mit z.B. +2 V und -0,5 V, an. Diese Werte können bestimmten Grenzstellungen z.B. eines Schwebekörpers oder zwei bestimmten Lagen des magnetischen Elementes im durchströmenden Fluid zugeordnet werden.
Das bistabile Schaltverhalten der Auswertschaltung läßt daher im Zusammenwirken mit der vier magnetfeldabhängige Widerstände 14 enthaltenden Magnetfeldsonde 3 eine eindeutige Aussage über die Position der magnetischen Einrichtung, die als kleiner Stabmagnet ausgelegt sein kann, oberhalb bzw. unterhalb der Bezugsebene bzw.
des Magnetfeldsensors zu.
Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist der Detektor 1 so aufgebaut, daß an einer seiner Ausgangsklemmen 23 bzw. 26 ein Ausgangsimpuls A1 bzw. A2 erhalten wird,der einer bestimmten Bewegungsrichtung des magnetischen Elementes 3 relativ bzw. durch die Bezugsebene entspricht.
Der Detektor 1 besteht in diesem Fall aus einer Magnetfeldsonde 3, die wie im Beispiel nach Fig. 2 aufgebaut sein kann. Der eine Ausgang der zweipoligen Ausgangsklemme der Magnetfeldsonde 3 ist dabei auf den "Plus"-Eingang eines ersten Komparators 17 geführt, während der zweite Ausgang der Magnetfeldsonde 3 auf den "Minus"-Eingang eines zweiten Komparators 18 gelegt ist. Zur Einstellung der Differenzeingangsspannung der beiden Komparatoren 17 und 18 auf Null, bei nicht vorhandenem maonetischem Element 3, ist ein Spannungsteiler mit den in Serie geschalteten Widerständen 19 und 20 vorgesehen, die vorzugsweise als Potentiometer ausgelegt sind. Dieser Spannungsteiler aus den Widerständen 19 und 20 liegt einerseits an der Versorgungsspannung UB und andererseits auf Bezugspotential. Der t2Minus92-Eingang des ersten Komparators 17 und der "Plus"-Eingang des zweiten Komparators 18 liegen daher gemeinsam auf gleichem Potential zwischen den Widerständen 19 und 20.
Der jeweilige Ausgang des Komparators 17 bzw. 18 ist auf ein nachgeschaltetes UND-Gatter 21 bzw. 24 geführt, deren jeweiliges Ausgangssignal einer monostabilen Kippstufe 22 bzw. 25 zugeleitet ist.
Der Ausgang 23 der ersten monostabilen Kippstufe 22 ist dabei negiert als zweiter Eingang auf das UND-Gatter 24 geführt.
Analoges gilt für den Ausgang 26 der zweiten monostabilen Kippstufe 25, deren Ausgang auf das UND-Gatter 21 negiert zurückgeführt ist. Die Magnetfeldsonde 3 liegt in gleicher Weise wie im Beispiel nach Fig. 2 an einer Gleichstromquelle oder Gleichspannungsquelle UB.
Es sei angenommen, daß das magnetische Element 3 in Richtung des Pfeiles 1 5 am Magnetfeldsensor 3 vorbei bewegt ist.Dann gibt zunächst der erste Komparator 17 und dann der zweite Komparator 18 einen Ausgangsimpuls ab. Im Signalzweig des Komparators 17, des UND-Gatters 21 und der monostabilen Kippschaltung 22 erhält man am Ausgang 23 einen Impuls Dessen Impulsdauer von den Parametern der Kippschaltung 22 bestimmt wird. Der am Ausgang 23 auftretende Impuls A1 zeigt daher eindeutig an, daß die Bewegungsrichtung des magnetischen Elementes 3 in der Pfeilrichtung 15 durch bzw.. relativ zur Bezugsebene, die vorzugsweise durch die Magnetfeldsonde 3 definiert ist, erfolgt.
Der am Ausgang 23 auftretende Impuls A1 wird gleichzeitig auf das UND-Gatter 24 negiert zurückgeführt und verhindert dort, daß der zeitlich spätere Ausgangsimpuls des zweiten Komparators 18 auf die in diesem Zweig vorgesehene monostabile Kippschaltung 25 durchgeschaltet wird. Am Ausgang 26 tritt daher kein Impuls auf.
Bei einer Bewegung des magnetischen Elementes 3 in Richtung des Pfeiles 16, also entgegengesetzt zur vorausgehend beschriebenen Funktionsweise, erhält man am Ausgang 26 einen Impuls A2, während am Ausgang 23 kein Signal auftritt. Der Impuls A2 zeigt daher eine Bewegungsrichtung in Pfeilrichtung 16 an.
Im Beispiel nach Fig. 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Detektors 1 bzw. eines Durchflußmessers gezeigt. Die Auswertschaltung des Detektors 1 ist dabei als Grenzwertschalter ausgelegt und zum Anschluß an einen Stromkreis nach DIN 19234/ NAMUR an den Klemmen 28 und 29 vorgesehen.
Der Detektor 1 nach Fig. 4 weist einen analogen Aufbau wie das Beispiel nach Fig. 2 auf. Die Brückenspannung UBr der Magnetfeldsonde 3 liegt über die Widerstände 36 bzw. 37 an den + Eingängen des Operationsverstärkers 35. Der Ausgang des Operationsverstärkers 35 ist über einen Widerstand 38 auf seinen "Plus"-Eingang zurückgekoppelt. Das Ausgangssignal UA wird in diesem Beispiel an einem Widerstand 39 abgegriffen, der einerseits am Ausgang des Operationsverstärkers 35 und andererseits am negativen Bezugspotential der Klemme 29 liegt.
Zur Konstanthaltung der dem Detektor 1 zugeführten Betriebsspannung U B liegt zwischen den Klemmen 28 und 29 ein Widerstand 30 und ein Spannungsreferenzelement 31, z.B. eine Zenerdiode . Das Potential zwischen dem Spannungsreferenzelç,nend ol und dem Widerstand 30 liegt auf dem Plus "Plus"-Eingang eines Operationsverstärkers 32, dessen Ausgang 33 auf seinen "Minus"-Eingang zurückgekoppelt ist. Der Operationsverstärker 32 fungiert in dieser Beschaltung im Sinne eines Impedanzwandlers, wobei er die zwischen den Klemmen 28 und 29 liegende Betriebsspannung erhält. Die durch diese Beschaltung erreichte konstante Betriebsspannung UB wird dem Detektor 1 bzw. der Magnetfeldsonde 3 und dem Operationsverstärker 35 zugeführt.
Im Beispiel nach Fig. 4 kann z.B. der Zustand "1" des Detektors 1 bei einer Ausgangsspannung am Widerstand 39 von OV definiert werden. Der an der Klemme 28 in die Schaltung fließende Ruhestrom 1 betrug dabei in einem praktischen Versuch weniger als 1mA. Im Zustand "2" , der z.B. einer Lage des magnetischen Elementes oberhalb der Bezugsebene zugeordnet ist, ist die Ausgangsspannung UA > OV, wobei im experimentellen Beispiel ein Strom I an der Klemme 28 von größer 2,2 mA gemessen wurde.
Das Beispiel nach Fig. 4 egalisiert daher Fehlsignale, die durch Schwankungen in der Versorgungsspannung auftreten können und liefert eindeutige Signale für die Bewegungsrichtung des magnetischen Elementes.
Die schematische Darstellung nach Fig. 5 zeigt die Magnetfeldsonde 3, die z.B. kreiszylinderförmig gestaltet ist. Die Magnetfeldsonde 3 ist dabei mit einer kreisförmigen Hülse 41 aus einem Mu-Metall umgeben. Die Hülse 41 bildet dabei eine Abschirmung für magnetische Störfelder, wobei die Hülse 41 in Richtung zum magnetischen Element offen ist. Die Hülse ist in radialer Richtung beabstandet von der Magnetfeldsonde 3 und überragt diese auch in axialer Richtung. Die weitgehend koaxiale Auslegung der Magnetfeldsonde 3 und der Hülse 41 sichert dabei ein symmetrisches Einfallen magnetischer Feldlinien H in der Null-Lage, so daß durch diese Gestaltung keine Signalbeeinflussung am Ausgang entsteht. Durch diese Abschirmung der Magnetfeldsonde 3 wird sichergestellt, daß praktisch nur die Lage-bzw. Positionsänderung des magnetischen Elementes detektiert wird, nicht aber eine Anzeige etwa vorhandener magnetischer Störfelder erfolgt.
Die Fig. 6 zeigt ein Blockschaltbild, einer Schaltung, die für die kontinuierliche Positionserfassung der magnetischen Einrichtung 2 eingesetzt werden kann. In dieser Ausführungsform sind zwei Magnetfeldsonden 3 in einem bestimmten Abstand an der Bewegungsstrecke der magnetischen Einrichtung 2 angeordnet. Die beiden Magnetfeldsonden 3 können dabei in der Mitte ihres Abstandes, aber auch per Definition in einem anderen Abstand, eine Bezugsebene vorgeben.
Das Ausgangssignal UBr1 bzw. UBr2 der jeweiligen Magnetfeldscnde wird im Beispiel zunächst eine Einrichtung zur Kompensation der Offset-Parameter, die auch eine Temperaturkompensation enthalten kann, zu geführt. Eine Offset- und/oder Temperaturkompensation über die Einrichtung 42 hat den Vorteil, daß das an ihrem Ausgang erhaltene Signal aus der Veränderung des Magnetfeldes durch die Bewegung der magnetischen Einrichtung 2 resultiert. Das Ausgangssignal der Einrichtung 42 wird zur besseren Weiterverarbeitung einem nachgeschalteten Verstärker 44 zugeführt, dessen Ausgang auf eine Verknüpfungseinrichtung 43 geleitet ist.
In der Verknüpfungseinrichtung 43, die z.B. eine arithmetische Operation als Dividierer ausführen kann, werden die beiden über entsprechende Einrichtungen 42 und 44 geleiteten Ausgangssignale UElr1 bzw. UBr2 miteinander verknüpft. Das am Ausgang der Verknüpfungseinrichtung 43 erhaltene Ausgangssignal Up, kann daher einer direkten Position x der magnetischen Einrichtung 2 zugeordnet werden. Möglichkeiten für eine derartige Zuordnung können vorteilhafterweise über einen Festwertspeicher gelöst werden.
Der Festwertspeicher kann vorteilhafterweise so programmiert sein, daß das Ausgangssignal Up der Verknüpfungseinrichtung 43 als Adresse für den im Festwertspeicher gespeicherten Positionswert x fungiert. Der in Fig. 6 nicht dargestellte Festwertspeicher kann daher z.B. eine endliche Anzahl von Positionswerten x enthalten, die von der magnetischen Einrichtung 2 durchlaufen werden können. Die Ansteuerung mit dem Ausgangssignal Up bzw.
einer entsprechenden logischen Umwandlung, läßt dann den Zugriff auf den im Festwertspeicher gespeicherten Positionswert zu.
Mit einem derart aufgebauten Detektor läßt sich daher kontinuierlich die jeweilige Position der magnetischen Einrichtung erfassen.

Claims

Patentansprüche 1. Durchflußmesser, insbesondere Schwebekörper-Durchflußmesser, mit einer magnetischen Einrichtung, die relativ zu einer Bezugsebene vom Durchflußfluid positionsbeeinflußbar ist, und mit einem eine relative Änderung der magnetischen Einrichtung bezüglich der Bezugsebene erfassenden Detektor, an dessen Ausgang ein für die relative Änderung der magnetischen Einrichtung repräsentatives elektrisches Signal erhältlich ist, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß der Detektor (1) mindestens eine der magnetischen Einrichtung (2) zugeordnete, die Bezugsebene absolut oder relativ definierende Magnetfeldsonde (3) und eine Auswert-Schaltung (8,9,10,11; 17,18,19,20,21,22,24,25; 35,36,37,38,39; 42,43) aufweist,und daß die Ausgangssignale (UBR) der Magnetfeldsonde(n) (3) der Auswert-Schaltung zugeführt sind, an deren Ausgang mindestens ein Ausgangssignal (UA; Up; A1, A2), insbesondere zwei pegel- und/oder leitungsmäßig unterschiedliche Ausgangssignale (UA; A1, A2), vorhanden ist bzw.

sind, das bzw. die jeweils direkt oder indirekt eine-Position und/oder einer Bewegungsrichtung der magnetischen Einrichtung (2) relativ zur Bezugsebene zugeordnet ist bzw. sind.
2. Durchflußmesser nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß die Auswert-Schaltung als bistabile Kippschaltung (10,8,9,11; 35,36,37,38), insbesondere als Schmitt-Trigger, aufgebaut ist, deren jeweiliges Ausgangssignal einer Position der magnetischen Einrichtung (2) oberhalb oder unterhalb der Bezugsebene zugeordnet ist.
3. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß eine Kippschaltung mit oder ohne Hysterese vorgesehen ist.
4. Durchflußmesser nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß die Auswert-Schaltung zwei mit der Magnetfeldsonde (3) in Verbindung stehende Komparatoren (17,18) aufweist, deren jeweilige Ausgangssignale jeweils einer Torschaltung (21,24) mit nachfolgender Kippstufe (22, 25) zugeführt sind, wobei das Ausgangssignal der jeweiligen Kippstufe (22,25) einer bestimmten Bewegungsrichtung der magnetischen Einrichtung (2) relativ zur Bezugsebene, insbesondere durch die Bezugsebene, zugeordnet ist.
5. Durchflußmesser nach Anspruch 4, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß als Torschaltung jeweils ein UND-Gatter (21,24) und nachgeschaltet eine monostabile Kippstufe (22,25) verwendet ist und daß der Ausgang der monostabilen Kippstufe (22,25) negiert jeweils auf das andere UND-Gatter zurückgeführt ist.
6. Durchflußmesser nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß mindestens zwei Magnetfeldsonden (3) vorgesehen sind, die voneinander in Richtung der Positionsänderung der magnetischen Einrichtung beabstandet sind, und daß die Ausgangssignale (UBR) der Magnetfeldsonden (3) einer Verknüpfungseinrichtung (43) der Auswerteschaltung zugeführt sind, deren Ausgangssignal (Up) repräsentativ für die Position der magnetischen Einrichtung (2) ist.
7. Durchflußmesser nach Anspruch 6, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß die Verknüpfungseinrichtung (43) für eine arithmetische Operation der Ausgangssignale (UBR) der Magnetfeldsonden (3,3) ausgelegt ist.
8. Durchflußmesser nach Anspruch 6 oder 7, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß der Verknüpfungseinrichtung (43) der Zusammenhang zwischen mindestens einem Ausgangssignal (UBR) und einem für die Position der magnetischen Einrichtung repräsentativen Signal eingeprägt ist.
9. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß die Magnetfeldsonde (3) mindestens eine magnetfeldempfindliche Baugruppe (14) aufweist.
10. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß die Magnetfeldsonden (3) als Hallelemente, magnetfeldempfindliche Widerstände, Dioden, Transistoren, Kapazitäten oder magnetfeldempfindliche Induktivitäten oder Kernresonanz-Magnetfeldmesser oder als Kombinationen dieser Elemente aufgebaut sind.
11. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß die Magnetfeldsonde (3) eine Wheatstonesche Brückenschaltung mit magnetfeldempfindlichen Widerständen (14) aufweist.
12. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß die Auswertschaltung eine Kompensationseinrichtung für den magnetfeldunabhänaigen Anteil der Ausgangssignale (UBR) aufweist.
13. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch g e k e n n z e i c h e n t, daß das Ausgangssignal (UBR) der Magnetfeldsonde (3) einer Einrichtung (42) zur Offset- und/oder Temperaturkompensation zugeführt ist.
14. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß die magnetische Einrichtung (2) und/oder mindestens eine Magnetfeldsonde (3) von einer geschlossenen oder teilweise offenen Abschirmung (41) gegen magnetische Störfelder umgeben ist.
15. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß die Magnetfeldsonde (3) eine Außenabschirmung (41) gegen magnetische Störfelder, insbesondere aus einem Mu-Metall, aufweist, die in Richtung zur magnetischen Einrichtung im wesentlichen offen ausgebildet ist.
16. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß die magnetische Einrichtung (2) als Permanentmagnet oder Elektromagnet ausgelegt ist.
17. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß die magnetische Einrichtung (2) so angeordnet ist, daß die Verbindungslinie zwischen ihren magnetischen Polen (S,N) im wesentlichen senkrecht oder parallel zur Bezugsebene der Magnetfeldsonde (3) zu liegen kommt.
18. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß der Detektor (1) an eine Schaltung zur Konstanthaltung der Spannung oder des Stroms angeschlossen ist.
19. Durchflußmesser nach Anspruch 18, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß die Schaltung zur Konstanthaltung der Spannung an einen 2-Leiter-Stromkreis nach DIN 19234/NAMUR anschließbar ist.
20. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß die Ansprechschwelle der Auswert-Schaltung veränderbar ausgelegt ist.