DE3536075A1

DE3536075A1 - Elektronische durchflusswandleranordnung

Info

Publication number: DE3536075A1
Application number: DE19853536075
Authority: DE
Inventors: Lui M. Melrose Park Ill. Lee; George Niles Ill. Obermann
Original assignee: Singer Co
Current assignee: Eaton Corp
Priority date: 1985-03-18
Filing date: 1985-10-09
Publication date: 1986-09-18
Also published as: IT8523177A0; US4581944A; IT1206745B; FR2578970A1

Description

Elektronische Durchflußwandleranordnung

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen der Durchflußgeschwindigkeit eines Fluids durch eine Leitung und insbesondere eine solche Vorrichtung, die ein elektronisches Signal liefert, das kompatibel mit den heutzutage vorhandenen elektronischen Steuereinrichtungen ist.

Es gibt viele Anwendungsfälle, bei denen es erwünscht ist, den Pluiddurchfluß durch eine Leitung zu steuern, um einen Behälter mit einer gewünschten Fluidmenge zu füllen. Beispielsweise beim Anwendungsfall von Waschmaschinen kann der Benutzer einen gewünschten Wasserpegel wählen, der von dem Gewicht der zu waschenden Wäsche abhängig ist. Es ist üblich, eine solche Steuerung mit Hilfe von elektromechanischer Technologie zu verwirklichen, bei der eine Füllpegelsteuerung mit Hilfe von Druckschaltern, der Füllzeit oder über eine Grenzschaltersteuerung unter Verwendung eines Schwimmers erreicht wird. Durch die Entwicklung auf dem Geniet der Kleinrechner werden heutzutage viele Steuerfunktionen, die vorher von elektromechanischen Einrichtungen erfüllt wurden, von einem solchen Mikroprozessor übernommen. Es ist erwünscht, daß der Mikroprozessor auch bei einem solchen Anwendungsfall den Wasserpegel regelt und steuert. Die Erfindung zielt daher darauf ab, eine Vorrichtung anzugeben, mittels der eine Anlage mit einem Mikroprozessor den Fluidpegel steuern kann.

Der Fluidpegel kann direkt auf mehrere verschiedene Weise, beispielsweise dadurch gemessen werden, daß eine Mehrzahl von Pegelsensoren in verschiedenen Höhen des Fluidbehälters vorgesehen ist. Es ist jedoch erwünscht, die Anzahl der erforderlichen Sensoren zu reduzieren und den Vorteil der Leistungsfähigkeit eines Mikroprozessors zu nutzen. Da der Fluidpegel auch gemessen werden kann, wenn die Geschwindigkeit, mit der das Fluid in den Behälter eintritt, bekannt ist, und wenn dann diese Geschwindigkeit mit der entsprechenden Zeit aufintegriert wird, wird nur ein einziger Durchflußgeschwindigkeitssensor benötigt, der zwischen einer Zuführungsleitung des Behälters vorgesehen ist und mit einem Mikroprozessor gekoppelt ist. Daher bezweckt die Erfindung auch einen solchen Durchflußgeschwindigkeitssensor zu schaffen.

Nach der Erfindung zeichnet sich ein Durchflußmengenwandler, der ein Signal bezüglich der Durchflußgeschwindigkeit des Fluids durch eine Leitung liefert, dadurch aus, daß eine Einrichtung vorgesehen ist, die eine Verengung in der Leitung bildet, ferner ein Gehäuse, das eine darin ausgebildete Kammer hat, eine Membrane, die die Kammer dicht verschließt und eine Einrichtung vorgesehen ist, die eine Verbindung zwischen der Kammer und der Leitung in der Nähe der Verengung herstellt. Ferner ist ein Betätigungsglied außerhalb der Kammer vorgesehen. Das Betätigungsglied hat gegenüberliegende Enden, wobei das erste Ende mit der Membrane zur Bewegung im Gleichgang mit derselben gekoppelt ist. Ein Hall-Effekt-Wandler ist auf der Außenseite der Kammer angebracht und ein Magnet ist auf dem zweiten Ende des Betätigungsgliedes zur Bewegung im Gleichgang mit dem Betätigungsglied angebracht. Der Magnet ist derart angeordnet, daß der Abstand zwischen dem Magneten und dem Hall-Effekt-Wandler sich ändert, wenn sich die Membrane bewegt. Eine Einweg-Rückschlag-Ventilanordnung in der Verbindungseinrichtung ver-

hindert, daß das Fluid in die Kanuner strömt.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung. In den Figuren der Zeichnung sind gleiche oder ähnliche Teile mit denselben Bezugszeichen versehen. In der Zeichnung zeigt:

Figur 1 eine Längsschnittansicht einer Anordnung

nach der Erfindung, wobei der Zustand gezeigt ist, wenn kein Fluidstrom durch die Leitung geht,

Figur 2 eine Figur 1 ähnliche Ansicht zur Verdeutlichung des Zustands, wenn etwa die maximale Durchflußgeschwindigkeit erreicht wird, und

Figur 3 einen schematischen Schaltplan einer Schaltung, die für die Anordnung nach der Erfindung bestimmt ist.

Unter Bezugnahme auf die Zeichnung verdeutlichen die Figuren 1 und 2 in Schnittansichten die Anordnung, die insgesamt mit 10 bezeichnet ist und die nach der Erfindung ausgelegt ist. Die Anordnung 10 enthält ein gegossenes Gehäuse 12, das einen Leitungsabschnitt 14 enthält, der konisch nach außen verlaufende Flansche 16 an beiden Enden hat. Die Flansche 16 sind so beschaffen und ausgelegt, daß sie Leitungsschläuche 18 der zu steuernden Einrichtung halten. In die Schlauchleitungen 18 sind die Enden des Leitungsabschnittes 14 eingesetzt. Das Innere des Leitungsabschnittes 14 ist derart geformt, daß man eine Verengung 20 für das durch den Leitungsabschnitt 14 strömende Fluid erhält. Die Anordnung ist so beschaffen und ausgelegt, daß

der Fluidstrom von rechts nach links läuft, wenn man die Figuren 1 und 2 ansieht. Wenn die konische Ausbildung der Ein- und Auslässe gleich und gleichförmig ist, so ist natürlich die Anordnung auch umkehrbar.

Das Gehäuse 12 weist eine Kammer 22 am oberen Ende auf. Die Kammer ist durch eine Membrane 24 verschlossen, wie dies nachstehend noch näher erläutert wird. Ein Stopfen 26 füllt den unteren Teil der Kammer 22 aus. Offene Durchgänge sind durch das Gehäuse 12 und den Stopfen 26 vorgesehen, so daß eine Verbindung zwischen der Kammer 22 und der Verengung 20 herstellbar ist.

Die Anordnung 10 enthält ein oberes Gehäuse 28, das am Gehäuse 12 mit Hilfe eines Klemmringes 30 angebracht ist, der über Schultern 29 und 31 auf den Gehäuseteilen 12 und 28 jeweils gepreßt ist, um die Membrane 24 dazwischen festzulegen. Die Membrane 24 ist Teil einer Membran-Betätigungsglied-Unterbaugruppe, die die Membrane 24, das Betätigungsglied 32, die Membranplatten 34 und 36, den Magnethalter 38 und den Magneten 40 enthält. Die Membranplatten 24 und 36 und die Membrane 24 sind auf dem Betätigungsglied 32 dadurch festgelegt, daß sie gegen einen erweiterten Bereich 42 des Betätigungsgliedes 32 anliegen und daß sie bei 44 auf der dem erweiterten Bereich 42 gegenüberliegenden Seite fest eingebaut sind. Der Magnethalter 38 ist mittels Preßsitz auf dem geriffelten Ende 46 des Betätigungsgliedes 32 angebracht und der Magnet ist seitlich in dem Magnethalter 38 eingeführt und durch die umgekehrte Lippe 47 desselben festgehalten. Eine Feder 48, die zwischen dem Magnethalter 38 und dem Boden 50 des Gehäuses 28 eingesetzt ist, drückt die Membran-Betätigungsglied-Unterbaugruppe nach oben.

Die Anordnung 10 enthält auch eine gedruckte Schaltungsplatte 52, auf der ein· HaIl-Effekt-Wandler 54 angebracht ist und zwar vorzugsweise längs der Bewegungsbahn des Magneten 40. Eine Schaltung, wie jene, die in Figur 3 ge-

zeigt ist, ist auf der Schaltungsplatte 52 angebracht und mit den Anschlüssen 56 verbunden. Eine endseitige Kappe 58 schließt das obere Gehäuse 28 dicht ab und wird an Ort und Stelle durch einen nach außen verlaufenden Schulterring 60 gehalten/ der in eine Nut 62 auf dem oberen Gehäuse 28 einschnappt. Die endseitige Kappe 58 hat eine mit einem Innengewinde versehene Bohrung 64 zur Aufnahme einer Stellschraube 66. Die Stellschraube 66 drückt nach unten gegen die Schaltungsplatte 52 und in Gegenwirkung tritt die Feder 68. Die Stellschraube 66 wird verwendet, um die Schaltung durch Ändern des Spaltes zwischen dem Magneten 40 und dem Sensor 54 zu eichen.

Die Anordnung 10 enthält auch ein Rückschlagventil, das sich in dem Verbindungskanal zwischen der Kammer 22 und der Verengung 20 befindet. Das Rückschlagventil weist ein Ventilelement 70 und einen Ventilsitz 72 auf, der am Stopfen 26 ausgebildet ist. Das Ventilelement 70 weist vorzugsweise eine Kugel mit einer Dichte auf, die kleiner als jene des Fluids ist, das durch den Lextungsabschnitt 14 strömt. Die Aufgabe des Rückschlagventils ist, das Fluid daran zu hindern, rückwärts in den Vakuumbereich in der Kammer 22 unter der Membrane 24 zu fließen, wenn der Fluidstrom gestoppt wird.

Die Anordnung 10 arbeitet nach dem an sich bekannten Venturi-Prinzip, nachdem man eine Druckdifferenz erhält, wenn ein Fluidstrom durch einen verengten Bereich geht. Wenn daher das Fluid durch die Verengung 20 strömt, wird ein Unterdruck im Durchgang 74 erzeugt. Dieser bewirkt, daß die Membrane 24 sich nach unten bewegt, wie dies in Figur 2 gezeigt ist, wobei sich der Magnet 40 von dem Sensor 54 weg bewegt. Die Trennung zwischen dem Magneten 40 und dem Sensor 54 wird durch die Druckdifferenz geregelt, die durch die Durchflußgeschwindigkeit und die Kraft geregelt wird, die durch die Feder 48 entgegen der Trennung aufgebracht wird. Figur 2 zeigt die Grenzstellung des Hubs

der Membran-Betätigungsgliedunterbaugruppe. Wenn kein Fluidstrom durch den Leitungsabschnitt 14 vorhanden ist, wie dies in Figur 1 gezeigt ist, strömt Fluid zurück in die Kammer 76. Da die Dichte der Kugel 70 kleiner als die Dichte des Fluids ist, strömt die Kugel 70 auf dem Fluid in Richtung zur Oberseite der Kammer 76. Wenn der Fluidpegel ausreichend hoch ansteigt, liegt die Kugel 70 gegen den Ventilsitz 72 an, wodurch ein weiteres Zurückströmen in die Kammer 22 verhindert wird.

Figur 3 zeigt schematisch eine elektronische Schaltung, die auf der gedruckten Schaltungsplatte 52 vorgesehen ist und die mit den Anschlüssen 56 verbunden ist. Diese Schaltung verstärkt den Ausgang des Wandlers (oder Sensors) 54. Vorzugsweise ist der Magnet 40 in der Richtung magnetisiert, in der er sich in Richtung auf den Sensor 54 zu und von diesem weg bewegt, so daß der Sensor 54 in der Weise arbeitet, die man als unipolare, gegeneinander wirkende Betriebsart bezeichnet. Die Grundgleichung, die die Wechselwirkung des Magnetfeldes und des Stromes beschreibt, durch den man eine Hall-Spannung (V„) bei einem tatsächlich vorgesehenen Hall-Element erhält, wird nachstehend angegeben:

V_TT = K χ I χ B SIN θ

H c

wobei:

die Konstante K eine Funktion der Geometrie des HaIl-Elements ist;

I den Eingangsstrom bezeichnet, und

B SIN θ die magnetische Flußdichte bezeichnet, 35

Wenn der Eingangsstrom konstant gehalten wird, so ist die Hall-Spannung direkt proportional zur senkrechten Komponente des Magnetfeldes. Diese abgegebene Hall-Spannung ist im allgemeinen niedrig und man benötigt zusätzliehe elektronische Einrichtungen, um einen weiter verarbeitbaren Spannungspegel zu erhalten. Eine elektronische Schaltung hierfür ist in Figur 3 gezeigt.

Wie in Figur 3 gezeigt ist, wird die Änderung der Spannung des Wandlers 54 an einen Eingang eines Operationsverstärkers 78 angelegt. Als anderer Eingang wird eine Bezugsspannung angelegt, die durch die Widerstände 80, 82, 104 und 106 vorgegeben wird. Der Operationsverstärker 78 arbeitet als ein Differentialverstärker, der die Differenz der beiden Eingangssignale durch einen Verstärkungsfaktor verstärkt, der durch die Widerstände 84, 86 und 108 vorgegeben ist. Die Widerstände 88 und 90 werden verwendet, um den Operationsverstärker 78 als einen Differentialverstärker arbeiten zu lassen und zugleich den Ausgangsversetzungspegel zu minimalisieren. Durch entsprechende Wahl der Widerstände 80, 82, 84, 86, 88, 90, 104, 106 und 108 läßt sich daher am Verstärker ein Ausgang erreichen, der einer gegebenen Durchflußgeschwindigkeit zugeordnet ist. Hierbei kann man einen Bereich von Ausgängen für einen gegebenen Bereich von Durchflußgeschwindigkeiten erhalten. Basierend auf diesen Daten wird ein Diagramm erstellt, bei dem die Ausgangsspannung über der Durchflußgeschwindigkeit aufgetragen ist. Da der Hall-Sensorausgang bei unterschiedlichen Magnetflußdichten sich in wiederholbarer Weise abgreifen läßt, können die schaubildlichen Daten in einen Rechner zur Weiterverarbeitung eingegeben werden. Wenn man daher den Spannungsausgang des Verstärkers 78 hat, so kann der Rechner die Durchflußgeschwindigkeit ermitteln und angeben. Die gemessene Durchflußgeschwindigkeit kann dann verwendet werden, um den volumetrischen Füllvorgang zu steuern, in dem entweder ein

Ventil geschlossen wird oder daß man das erhaltene Fluidvolumen anzeigt.

Bei der Schaltung nach Figur 3 wird die Diode 92 zur Temperaturkompensation der Ausgangsdrift des Sensors 54 verwendet/ der einen positiven Temperaturkoeffizxenten hat, wenn er dem Nordpol des Magneten 40 ausgesetzt ist. Die Zener-Diode 94 wird verwendet, um die Versorgung des Sensors 54 sowie die Vorgabe der Bezugsspannung zu regeln.

Der Zener-Strom wird durch den Widerstand 96 limitiert und die Diode 98 wird zur Kompensation der Temperaturdrift der Zener-Spannung verwendet. Die Bypaß-Kondensatoren 100 und 102 werden verwendet, um in elektrisch verrauschten Umgebungen ein Filtern zu erreichen und um Oszillationen zu verhindern. Der Widerstand 104 und das Rege !potentiometer 106 werden verwendet, um die Bezugsspannung einzustellen, die durch den Operationsverstärker 78 geht. Das Regelpotentiometer 108 wird verwendet, um den Verstärkungsfaktor des Verstärkers 78 einzustellen.

Wie die vorstehenden Ausführungen gezeigt haben, erhält man somit eine Anordnung, die elektronisch eine Durchflußgeschwindigkeitsmessung gestattet.

Claims

Patentansprüche

25 1. Durchflußmengenwandler, der ein der Durchflußgeschwindigkeit eines Fluids durch eine Leitung zugeordnetes Signal liefert, gekennzeich net durch:

eine Einrichtung, die eine Verengung (20) in der Leitung (14) bildet,

ein Gehäuse (12), das eine darin ausgebildete Kammer (22) hat,

eine Membrane (24), die die Kammer (22) dicht verschließt,

eine Einrichtung, die eine Verbindung zwischen der Kammer (22) und der Leitung (14) in der Nähe der Verengung (20) herstellt,

ein Betätigungsglied (32) außerhalb der Kammer (22), das gegenüberliegende Enden hat, wobei an einem ersten Ende die Membrane (24) zur Bewegung im Gleichgang mit dem Betätigungsglied verbunden ist,

einen Hall-Effekt-Wandler (54), der auf der Außenseite der Kammer (22) angebracht ist,

einen Magneten (40), der auf dem zweiten Ende des Betätigungsgliedes (32) zur Bewegung im Gleichgang mit demselben angebracht ist, wobei der Magnet (40) derart angeordnet ist, daß der Abstand zwischen dem Magneten (40) und dem Hall-Effekt-Wandler (54) sich ändert, wenn sich die Membrane (24) bewegt, und

eine Einweg-Rückschlagventilanordnung (70, 72) in der Verbindungseinrichtung, die einen Fluidstrom in die Kammer (22) verhindert.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet, daß die Rückschlagventilanordnung ein Ventilelement (70) mit einer Dichte enthält, die kleiner als die Dichte des Fluids ist.
3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch g e k e η η zeichnet, daß das Ventilelement (70) eine Kugel ist.
4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bewegungsweg des Magneten

(40) durch den Hall-Effekt-Wandler (54) geht.
5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet (40) längs seiner Bewegungsbahn magnetisiert ist.