DE3505951A1

DE3505951A1 - Schwebekoerperdurchflussmesser mit einer einrichtung zur gewinnung eines elektrischen signals

Info

Publication number: DE3505951A1
Application number: DE19853505951
Authority: DE
Inventors: Paul Walter Prof. Dr.-Ing. 6750 Kaiserslautern Baier; Klaus Dr.-Ing. 6751 Krickenbach Dostert
Original assignee: Baier paul Walter profdr-Ing
Current assignee: Baier paul Walter profdr-Ing
Priority date: 1985-02-21
Filing date: 1985-02-21
Publication date: 1986-08-21

Description

Schwebekörperdurchflußmesser mit einer Einrichtung zur Gewinnung eines
elektrischen Signals Die Erfindung bezieht sich auf Schwebekörperdurchflußmesser, bestehend aus einem Meßrohr und einem im Meßrohr beweglichen Schwebekörper, mit einer Einrichtung zur Gewinnung eines elektrischen Signals, das der Position des Schwebekörpers im Meßrohr entspricht.
Ihrer ursprünglichen Natur nach sind Schwebekörperdurchflußm esser M eßgeräte, die zur direkten Ablesung des Meßwertes durch einen Beobachter konzipiert sind. Wenn es jedoch beispielsweise aus Gründen der Betriebssicherheit nicht zulässig ist, Meßrohre aus Glas zu verwenden, oder wenn der Meßwert an eine vom Durchflußmesser entfernte Stelle übertragen werden soll, muß die Schwebekörperposition mit elektrischen, magnetischen oder elektronischen Mitteln abgetastet und erforderlichenfalls in ein übertragbares elektrisches Signal umgewandelt werden. Bisher wurde diese Aufgabe dadurch gelöst, daß man in den Schwebekörper einen Dauermagneten oder einen nicht magnetisierten ferro- oder ferrimagnetischen Körper einbrachte, und daß man die Position des Schwebekörpers mit Aufnehmern wie z.B. Magnetfeldsensoren, Differentialtransformatoren oder Reed-Kontakten abtastete.
Dieser Stand der Technik ist unbefriedigend, weil an magnetischen Schwebekörpern ferromagnetische Partikel wie z.B. Schweißperlen, die im zu messenden Fluid enthalten sein können, hängenbleiben und dadurch die Meßgenauigkeit herabsetzen. Weiterhin ist es beim derzeitigen Stand der Technik zwar relativ einfach, Grenzwertgeber zu realisieren, jedoch wesentlich schwieriger, die Schwebekiirperposition stetig zu erfassen. insbesondere bei größeren Schwebekörperhüben. Verwendet man beispielsweise einen dauermagnetischen Schwebekörper, so ist eine Vielzahl von Magnetfeldsensoren oder Reed-Kontakten längs des Meßrohres erforderlich, um die Schwebekörperposition mit befriedigender Auflösung zu erfassen. Siehe hierzu den RE-Tronic, einen Sc hwebekörperdurchflußm esser mit elektronischem Positionsgeber der Firma Turbo-Werk Meßtechnik GmbH in Köln. Bei der Verwendung von Magnetfeldsensoren ist es auch schwierig, die Meßeinrichtung für so geringe Ströme und Spannungen auszulegen, daß Eigensicherheit erzielt wird.
Hier soll durch die Erfindung Abhilfe geschaffen werden. Gemäß der Erfindung wird das Meßrohr des Schwebekörperdurchflußmessers als Wellenleiter für ein periodisches oder aperiodisches elektromagnetisches Wellenfeld ausgebildet oder mit solchen Wellenleitern versehen, wobei sich die Wellenleiter hauptsächlich in der Längsrichtung des Meßrohres erstrecken. Die auf dem (den) Wellenleiter(n) durch geeignete Signalqellen angeregten Well enfelder werden je nach Position des Schwebekörpers durch dessen feldbeeinflussende Wirkung verändert, so daß durch eine elektrische Messung die Position des Schwebekörpers festgestellt werden kann.
Dieses Meßprinzip hat gegenüber dem Stand der Technik den grundsätzlichen Vorteil, daß im Schwebekörper keine magnetischen Materialien verwendet werden müssen. Weitere Vorteile bestehen darin, daß im Interesse der Eigensicherheit mit sehr geringen Signalpegeln gearbeitet werden kann, und daß auf einfache Weise elektrische Signale gewonnen werden können, die eine stetige Positionserfassung des Schwebekörpers gestatten.
Im folgenden soll ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben werden.
Fig. la zeigt das mit Wellenleitern versehene Meßrohr perspektivisch, Figur 1b im Querschnitt. Das Meßrohr besteht aus einem metallischen Außenrohr 1 und aus einem isolierenden Innenrohr 2, das beispielsweise aus Teflon gefertigt ist. Auf der Innenseite des Innenrohres sind zwei bandartige Leiterbahnen 3 und 4 aufgebracht, die sich nach Art von Schraubenlinien gleicher Steigung um die Achse 5 des Meßrohres winden.
Jede der Leiterbahnen 3 bzw. 4 bildet zusammen mit dem Außenrohr 1 und dem Innenrohr 2 jeweils einen elektromagnetischen Wellenleiter, im vorliegenden Beispiel der Fig. 1 eine Streifenleitung im hochfrequenztechnischen Sinne, siehe z.B. das Buch "Einführung in die Mikrostrip-Leitungstechnik" von Ingo Wolff, Verlag H. Wolff, Aachen, 1978. Die Leiterbahnen 3 bzw. 4 sind hierbei jeweils quasi als ein Innenleiter, das Außenrohr 1 quasi als ein Außenleiter anzusehen.
Wenn man auf den Bandleitungen durch Speisung mit einem Signalgenerator Leitungswellen anregt, so hat das elektrische und magnetische Feld dieser Wellen die in Fig. 2 gezeigte Struktur. Fig. 2 ist ein Ausschnitt aus Fig. lb, der das Außenrohr 1, das Innenrohr 2, die Leiterbahn 4 und elektrische Feldlinien 6 sowie magnetische Feldlinien 7 zeigt. Bemerkenswert ist, daß das magnetische Feld aufgrund der Schraubenform der Leiterbahn 4 eine Komponente parallel zur Rohrachse 5 hat.
Eine mögliche Ausführungsform des Schwebekörpers ist in Fig. 3a im Längsschnitt, in Fig. 3b in einem Querschnitt gezeigt. Der Schwebekörper besteht beispielsweise aus einem nichtleitenden und nichtmagnetischen kegelförmigen Grundkörper 8, in den eine Ringnut 9 eingearbeitet ist. In die Ringnut ist ein Drahtring 10 eingelegt, der eine Trennstelle 12 hat. Die beiden Enden des Drahtrings 10 sind an der Trennstelle über einen Kondensator 13 miteinander verbunden, der im Innern des Schwebekörpers untergebracht werden kann. Der Drahtring 10 in Kombination mit dem Kondensator 13 kann als elektrischer Schwingkreis (Resonator) mit der Resonanzfrequenz fr betrachtet werden. Durch passende Wahl der Kondensatorkapazität C und der Dimensionen des Drahtringes, der auch aus mehreren Windungen bestehen kann, kann die Resonanzfrequenz f, r in weiten Grenzen vorgegeben und beeinflußt werden.
In Fig. 4 ist gezeigt, wie mit dem Meßrohr nach Fig. 1 und dem Schwebekörper nach Fig. 3 durch eine zusätzliche elektrische Beschaltung ein erfindungsgemäßes Durchflußmeßgerät realisiert werden kann, das ein elektrisches Signal liefert, das der Schwebekörperposition entspricht.
Fig. 4 zeigt im Sinne eines elektrischen Ersatzbildes das Außenrohr 1 sowie die Leiterbahnen 3 und 4. Der Drahtring 10 des Schwebekörpers 8 ist in Fig.
4 ersatzweise durch zwei Induktivitäten erfaßt, die mit dem bereits genannten Kondensator 13 in Reihe geschaltet sind.
Die aus Leiterbahn 3 und Außenrohr 1 gebildete Streifenleitung 14 und die aus Leiterbahn 4 und Außenrohr 1 gebildete Streifenleitung 15 werden an ihren oberen Enden durch die Widerstände 16 bzw. 17 wellenwiderstandsrichtig und damit reflexionsfrei abgeschlossen. Die Leitung 14 wird von einer Signalquelle 18 über eine Koaxialleitung 19 mit einem modulierten oder nicht modulierten hochfrequenten Signal gespeist, dessen Mittenfrequenz vorzugsweise gleich der bereits genannten Resonanzfrequenz fr des Ringes 10 und des Kondensators 13 ist. Der Drahtring 10 des Schwebekörpers 8 koppelt über das magnetische Feld einen gewissen Leistungsanteil der in Richtung Abschlußwiderstand 16 laufenden Welle der Streifenleitung 14 auf die Streifenleitung 15 über. Diese Überkopplung wird dadurch ermöglicht, daß die Leiterbahnen 3 und 4 schraubenförmig verlaufen, so daß eine magnetische Kopplung zwischen dem Drahtring 10 und den Streifenleitungen 14 und 15 zustande kommt. Durch die Überkopplung kommt auf der Streifenleitung 15 eine vom Ort des Schwebekörpers nach oben laufende Welle und eine vom Ort des Schwebekörpers nach unten laufende Welle zustande. Die nach oben laufende Welle wird vom Widerstand 17 absorbiert. Die nach unten laufende Welle wird über eine Koaxialleitung 20 einem elektrischen Phasenvergleicher 21 zugeführt. Dieser erhält von der Signalquelle 18 über eine Leitung 22 ein Referenzsignal, das phasenmäßig dem in die Koaxialleitung 19 eingespeisten Signal entspricht. Der Phasenvergleich der Signale auf den Leitungen 20 und 22 liefert am Ausgang 23 des Phasenvergleichers ein Signal, das der Wellenlaufzeit vom Ausgang 24 der Signalquelle 18 bis zum Eingang 25 des Phasenvergleichers 21 entspricht. Der Wellenlaufzeit ist über die Phasengeschwindigkeit eine Weglänge zugeordnet, die sich zusammensetzt aus der bekannten Länge der Koaxialleitungen 19 und 20 und aus der mit einem konstanten Faktor versehenen doppelten Distanz des Schwebekörpers vom unteren Ende des Meßrohres Dieser Faktor ergibt sich aus der Schraubensteigung der Streifenleitungen 14 und 15. Das am Ausang 23 des Phasenvergleichers 21 entnehmbare Signal ist deshalb ein eindeutiges Maß für die Schwebekörperposition. Eine eventuelle Rotation des Schwebekörpers um seine Mittelachse beeinflußt das Meßsignal nicht.
Eine vorteilhafte Weiterentwicklung der Erfindung besteht darin, daß man die Leiterbahnen 3 und 4 nicht auf der inneren Oberfläche, sondern im Innern der Rohrwand des Innenrohres 2 verlaufen läßt. Auf diese Weise können die Leiterbahnen vor einem unerwünschten galvanischen Kontakt mit dem zu messenden, eventuell elektrisch leitenden Fluid bewahrt werden.
Eine Ausgestaltung des Übergangs zwischen den Streifenleitungen 14 und 15 und den Abschlußwiderständen 16 bzw. 17 sowie den Koaxialleitungen 19 bzw. 20 ist in Fig. 5 gezeigt. Man erkennt dort zunächst einen ausschnittsweisen Längsschnitt des Meßrohres Außenrohr 1 und Innenrohr 2 erhalten eine Bohrung 26 mit Gewinde, in das eine handelsübliche koaxiale Gerätebuchse 27 wird. Die entsprechende Leiterbahn, in Fig. 5 die Leiterbahn 3, wird mit dem Innenleiter 28 der Gerätebuchse 27 verbunden.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß man die Schraubensteigung der Leiterbahnen gemeinsam längs der Rohrachse 5 variiert. Auf diese Weise kann eine Linearisierung durchgeführt werden, falls die Schwebekörperposition nichtlinear vom Durchfluß abhängt.

Claims

Patentansprüche 1. Schwebekörperdurchflußmesser, bestehend aus einem elektrisch leitenden oder elektrisch nichtleitenden Meßrohr und aus einem im Meßrohr frei oder geführt beweglichen Schwebekörper, mit einer Einrichtung zum Gewinnen eines elektrischen Signals, das von der Position des Schwebekörpers im Meßrohr abhängt, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßrohr selbst als elektromagnetischer Wellenleiter ausgebildet ist und/oder einen oder mehrere solcher Wellenleiter trägt, wobei sich der oder die Wellenleiter vorzugsweise in der Längsrichtung des Meßrohres erstrecken, und wobei auf dem bzw. den Wellenleiter(n) mit einer oder mehreren Signalquellen eines oder mehrere periodische oder aperiodische elektromagnetische Wellenfelder angeregt werden, deren Struktur durch die Position des Schwebekörpers beeinflußbar ist.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Rohrwand elektrisch leitende Bahnen angebracht sind, die untereinander und/oder zusammen mit der Rohrwand elektromagnetische Wellenleiter bilden.
3. Einrichtung nach einem oder mehreren der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßrohr elektrisch nichtleitend ist, und daß auf dessen Außen- und/oder Innenseite leitende Bahnen zur Bildung des (der) Wellenleiter aufgebracht sind.
4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßrohr elektrisch leitend ist, und daß auf dessen Innenseite elektrisch leitende Ballnen zur Bildtlng des (dcr) \\ ellenleiter aufgebracht sind, die vom Meßrohr elektrisch isoliert sind.
5. Einrichtung nach einem oder mehreren der obigen Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitenden Bahnen vom Meßstoff elektrisch isoliert sind.
6 Einrichtung nach einem oder mehreren der obigen Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsvorrichtung des Schwebekörpers als Teil eines Wellenleiters ausgebildet ist.
7. Einrichtung nach einem oder mehreren der obigen Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßrohr selbst als Wellenleiter verwendet wird.
8. Einrichtung nach einem oder mehreren der obigen Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Signalquellen im Schwebekörper untergebracht ist.
9. Einrichtung nach einem oder mehreren der obigen Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Wellenleiter vorhanden sind, wobei in den einen ein Signal eingespeist und aus dem anderen ein Signal entnommen wird.
1Q Einrichtung nach einem oder mehreren der obigen Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwebekörper eine elektromagnetische Kopplung zwischen Wellenleitern herstellt.
11. Einrichtung nach einem oder mehreren der obigen Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwebekörper einen elektrischen Resonator, zB. einen Schwingkreis, enthält oder selbst ein elektrischer Resonator ist.
12. Einrichtung nach einem oder mehreren der obigen Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwebekörper als elektromagnetische Störstelle im Zuge der Wellenleiter wirkt.
13. Einrichtung nach einem oder mehreren der obigen Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangs- und/oder Ausgangssignale der Wellenleiter einer elektrischen Phasenvergleichsschaltung oder einer Schaltung zur Messung von Laufzeiten zugeführt werden.
14. Einrichtung nach einem oder mehreren der obigen Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenleiter als frequenzbestimmende Bestandteile elektrischer Oszillatoren dienen oder mitwirken.
15. Einrichtung nach einem oder mehreren der obigen Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß eine Oszillatorfrequenz als Maß für die Schwebekörperposition dient.
16. Einrichtung nach einem oder mehreren der obigen Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenleiter nicht geradlinig, sondern z.B. schraubenförmig im Bereich der Rohrwand verlaufen.
17. Einrichtung nach einem oder mehreren der obigen Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenleiter wellenmäßig angepaßt abgeschlossen sind.
18. Einrichtung nach einem oder mehreren der obigen Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenleiter zwecks Linearisierung des Meßsignals in Längsrichtung des Meßrohres inhomogen ausgebildet sind.