DE4029243A1

DE4029243A1 - Fliessgeschwindigkeits-messvorrichtung

Info

Publication number: DE4029243A1
Application number: DE19904029243
Authority: DE
Inventors: Mitsuo Shindo
Original assignee: NIPPON FLOW CELL Manufacturing CO
Current assignee: NIPPON FLOW CELL Manufacturing CO
Priority date: 1989-09-18
Filing date: 1990-09-14
Publication date: 1991-04-04
Also published as: JPH0687019B2; JPH03188324A

Description

Die Erfindung betrifft eine Fließgeschwindigkeits-Meßvor richtung zum Messen der Fließgeschwindigkeit eines in einem Rohr fließenden Fluides, nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Als eine Vorrichtung zum Messen der Fließgeschwindigkeit ei nes in einem Rohr fließenden Fluides ist eine Fließgeschwin digkeits-Meßvorrichtung mit einem Schwimmer in einem Verbin dungsrohr bekannt, das mit dem Rohr zu verbinden ist. Der Schwimmer wird in Axialrichtung des Verbindungsrohres bei Änderungen in der Fließgeschwindigkeit des im Verbindungs rohr fließenden Fluides bewegt. Die Fließgeschwindigkeit des Fluides kann durch Erfassen der Stellung des Schwimmers er mittelt werden. Wie in der nicht geprüften japanischen Pa tentanmeldung Nr. 62-95 425 beschrieben ist, ist die Verwen dung einer magnetischen Kraft als ein Mittel zur Erfassung der Stellung des Schwimmers vorgeschlagen worden. Dieses üb liche Fließgeschwindigkeits-Meßgerät weist ein Verbindungs rohr auf, das aus nicht magnetischem Material besteht, und ferner einen Schwimmer, der aus einer ferromagnetischen Sub stanz besteht und im Verbindungsrohr angeordnet ist, wobei eine große Anzahl von Spulenpaaren außerhalb des Verbin dungsrohres in dessen axialer Richtung angeordnet ist. Ein äußerer Zylinder, der aus einer ferromagnetischen Substanz besteht, ist außerhalb der Spulenpaare angeordnet. Jedes Spulenpaar besteht aus einer Erregerspule und einer Erfas sungsspule. Ein Erregerstrom mit einer rechtwinkligen Wel lenform fließt in den Erregerspulen. Wenn bei der bekannten Vorrichtung ein Fluid in dem Verbindungsrohr fließt, wird die Stellung des Schwimmers gemäß der Fließgeschwindigkeit des Fluides verändert. Da eine elektromotorische Kraft in den Erfassungsspulen gemäß der Stellung des Schwimmers er zeugt wird, kann die Stellung des Schwimmers durch sequen tielles Abtasten der Ausgänge der Erfassungsspulen aller Spulenpaare ermittelt werden. Daher muß bei dieser Fließge schwindigkeits-Meßvorrichtung eine große Anzahl von Spulen paaren außerhalb des Verbindungsrohres angeordnet werden. Ferner muß der äußere aus ferromagnetischer Substanz beste hende Zylinder außerhalb der Spulenpaare angeordnet werden, und die Erregerspulen der Spulenpaare müssen sequentiell ab getastet werden. Aus diesen Gründen weist die bekannte Vor richtung einen komplizierten Aufbau auf und erfordert eine komplizierte Steuerung. Wenn ferner bei der bekannten Vor richtung der Schwimmer zwischen benachbarten Spulenpaaren positioniert ist, kann die Position des Schwimmers nicht mit hoher Präzision erfaßt werden.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Fließ geschwindigkeits-Meßvorrichtung der im Oberbegriff des An spruches 1 angegebenen Art zu schaffen, welche auf genaue Art und Weise eine Fließgeschwindigkeit bei einfachem Aufbau ermitteln kann.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch eine Fließgeschwindigkeits-Meßvorrichtung, die folgendes umfaßt:
Ein Verbindungsrohr, das aus nicht magnetischem Material be steht und eine Einlaßseitenöffnung und eine Auslaßseiten öffnung aufweist, durch die Fluid fließt;
ein bewegbares im Rohr angeordnetes Teil, von dem wenigstens ein Abschnitt aus leitfähigem, nicht magnetischem Material oder einer ungesättigten magnetischen Substanz hergestellt ist, wobei das bewegliche Teil in Axialrichtung des Rohres beweglich ist und in Richtung auf die seitliche Einlaßöff nung vorgespannt ist, und wobei das bewegliche Teil zur seitlichen Auslaßöffnung aufgrund einer Differenz zwischen Drücken bewegt wird, die an Vorder- und Hinterseiten des be weglichen Teiles erzeugt werden, wenn Fluid von der Einlaß seitenöffnung zur Auslaßseitenöffnung strömt;
eine Suchspule, die um eine Außenfläche des Rohres herum in nerhalb eines Bereiches angeordnet ist, in welchem das be wegliche Teil bewegt wird, und ein erstes Ende und ein zwei tes Ende aufweist, die an gegenüberliegenden Enden angeord net sind;
eine erste Erregerspule bzw. Erregerwicklung, die um die Außenfläche des Rohres nahe des ersten Endes der Suchspule bzw. Suchwicklung angeordnet ist;
eine zweite Erregerspule bzw. -wicklung, die um die Außen fläche des Rohres nahe des zweiten Endes der Suchspule herum angeordnet ist, wobei die zweite Erregerspule einen magne tischen Fluß erzeugt, der in eine Richtung entgegengesetzt zu einem magnetischen Fluß fließt, der von der ersten Erre gerspule erzeugt wird und die gleiche Größe aufweist;
eine Einrichtung zum Veranlassen der ersten und zweiten Er regerspulen, die magnetischen Flüsse durch Anlegen einer Er regerspannung mit wechselnder bzw. alternierender Wellenform an die ersten und zweiten Erregerspulen zu erzeugen, und
eine Einrichtung zum Entnehmen bzw. Ermitteln einer Aus gangsspannung, die in der Suchspule durch einen sekundären magnetischen Fluß, der im beweglichen Teil gemäß einer Stellung des beweglichen Teiles induziert wird, erzeugt wird, wobei eine Wellenform der Ausgangsspannung mit der der Erregerspannung verglichen wird, um eine Phasendifferenz zu erhalten, und wobei die Stellung des beweglichen Teiles auf der Basis der Phasendifferenz berechnet wird.

Ein sekundärer magnetischer Fluß, der der Position des be weglichen Teiles entspricht, wird durch die magnetischen Flüsse induziert, die von dem Paar der Erregerspulen erzeugt werden und in entgegengesetzte Richtungen fließen. Die Größe dieses sekundären magnetischen Flusses wird zu einem Mini mum, wenn das bewegliche Teil in der Mitte der Suchspule in axialer Richtung angeordnet ist. Wenn der sekundäre magne tische Fluß mit der Suchspule verkettet ist, wird eine Span nung in der Suchspule induziert. Die induzierte Spannung hat eine alternierende Wellenform ähnlich derjenigen der Erre gerspannung, die an die Erregerspulen angelegt wird. Zusätz lich wird eine Phasendifferenz entsprechend der Position des beweglichen Teiles zwischen der Wellenform der induzierten Spannung und der Wellenform der Erregerspannung aufgrund von Einflüssen der Selbstinduktion bzw. Selbstinduktivität der Erregerspule hervorgerufen. Durch Erfassen dieser Phasen differenz kann die Stellung des beweglichen Teiles, d.h. die Fließgeschwindigkeit des Fluides, mit hoher Präzision ermit telt werden.

Bei der Fließgeschwindigkeits-Meßvorrichtung der vorliegen den Erfindung wird ein einfacher und kompakter Aufbau reali siert, da nur eine Suchspule und ein Paar von Erregerspulen um das Verbindungsrohr herumgewickelt werden müssen. Zusätz lich wird bei der erfindungsgemäßen Anordnung im Gegensatz zur bekannten Vorrichtung eine einfache Steuerung möglich gemacht, da keine große Anzahl von Spulenpaaren sequentiell abgetastet werden muß.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung von Ausführungs beispielen anhand der Zeichnung. Es zeigt:

Fig. 1 einen Längsschnitt, der einen Teil einer Fließge schwindigkeits-Meßvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt,

Fig. 2 eine auseinandergezogene perspektivische Darstel lung eines beweglichen Teiles, das bei der Fließge schwindigkeits-Meßvorrichtung gemäß Fig. 1 verwend bar ist,

Fig. 3 eine Ansicht, die Ausgangsspannungen von einer Suchspule und die Fließgeschwindigkeits-Meßvor richtung gemäß Fig. 1 zeigt,

Fig. 4 ein Blockdiagramm, das einen elektrischen Schalt kreis der Fließgeschwindigkeits-Meßvorrichtung ge mäß Fig. 1 zeigt,

Fig. 5 ein Schaltkreisdiagramm, das einen Phasendif ferenzdetektor der Fig. 4 zeigt,

Fig. 6A bis 6E Zeittafeln, die einen Vergleich zwischen Erreger spannungen und Ausgangssignalen im elektrischen Schaltkreis gemäß Fig. 4 darstellen,

Fig. 7 einen Graph, der ein Ausgangssignal von einem Pha sendifferenz/Spannungskonverter im Schaltkreis ge mäß Fig. 4 darstellt,

Fig. 8 einen Graph, der ein Ausgangssignal von einem Li nearitätskorrektur-Schaltkreis im Schaltkreis gemäß Fig. 4 zeigt,

Fig. 9 einen Graph, der ein Ausgangssignal von einem Pe gelkonverter im Schaltkreis gemäß Fig. 4 zeigt,

Fig. 10 eine Schnittdarstellung einer Fließgeschwindig keits-Meßvorrichtung gemäß einer zweiten Ausfüh rungsform der vorliegenden Erfindung, und

Fig. 11 eine Schnittdarstellung einer Fließgeschwindig keits-Meßvorrichtung gemäß einer dritten Ausfüh rungsform der vorliegenden Erfindung.

Gemäß Fig. 1 ist ein Verbindungsrohr 1 einer im Beispiels falle vertikalen Fließgeschwindigkeits-Meßvorrichtung ver tikal zwischen zwei Rohren P₁ und P₂ angeordnet. Das Ver bindungsrohr 1 besteht aus nichtmagnetischem Material wie beispielsweise transparentem Glas, hartem synthetischem Harz, wie beispielsweise einen Acrylharz, oder einem nichtmagnetischen Metall.

Anschlußrohre 2, 3 sind mit den beiden Enden des Verbin dungsrohres 1 verbunden. Die Anschluß- bzw. Verbindungsrohre 2, 3 sind über eine Verbindungsstange 4 miteinander verbun den. Flansche 2a und 3a sind jeweils an den Anschlußrohren 2, 3 angeordnet. Die Flansche 2a und 3a sind jeweils mit den Rohren P₁ und P₂ verbunden. Das Verbindungsrohr 1 weist Ein laß- und Auslaßseitenöffnungen 1a, 1b auf. Die Innenfläche des Verbindungsrohres 1 ist derart ausgebildet, daß der In nendurchmesser sich allmählich vom Durchmesser D₁ zum Durch messer D₂ von der Einlaßseitenöffnung 1a zur Auslaßseiten öffnung 1b erweitert. Ein Fluid fließt in das Verbindungs rohr 1 von der Einlaßseitenöffnung 1a und fließt aus durch die Auslaßseitenöffnung 1b. Ein Pfeil L zeigt die Fließ richtung des Fluides an.

Ein bewegliches Teil 5 mit einem größeren spezifischen Ge wicht als demjenigen des Fluides ist im Rohr 1 angeordnet. Wie in Fig. 2 dargestellt, weist das bewegliche Teil 5 einen rohrförmigen Körper bzw. ein rohrförmiges Gehäuse 5a mit einer Länge von ungefähr 10 mm, eine Scheibe 5b, die an einem Ende des Körpers 5a befestigt ist und einen größeren Durchmesser als der Körper 5a hat, und ein sich verjüngendes vorderes Endteil 5c auf, das an dem anderen Ende des Körpers 5a befestigt ist. Eine Durchgangsausnehmung 6 ist jeweils in den Komponenten 5a, 5b und 5c angeordnet. Der Außendurchmes ser der Scheibe 5b ist etwas kleiner als der Innendurchmes ser D₁ der Einlaßseitenöffnung 1a. Der Körper 5a ist aus nichtmagnetischem leitfähigem Material, wie Aluminium, Mes sing oder nichtmagnetischem nichtrostendem Stahl, herge stellt. Die Scheibe 5b und das vordere Endteil 5c sind aus Kunstharz hergestellt.

Da das bewegliche Teil 5 aus nichtmagnetischem Material her gestellt ist, wird selbst wenn eine leicht magnetisierbare Verunreinigung, wie beispielsweise Eisenpulver, im Fluid enthalten ist, diese Verunreinigung nicht durch das beweg liche Teil 5 magnetisiert. Dies vermeidet, daß das bewegli che Teil 5 die Verunreinigung anzieht.

Falls keine leicht magnetisierbare Verunreinigung im Fluid enthalten ist, kann der Körper 5a aus einem ferromagneti schen Material wie z.B. Samarium, Ferrit, Alnico oder Neo dym, oder einem Kunstharzmagnet bestehend aus einem Kunst harz mit einem Pulver aus einem derartigen ferromagnetischen Material, bestehen.

Das bewegliche Teil 5 ist im Verbindungsrohr 1 derart ange ordnet, daß das vordere Endteil 5c nach unten weist. Wenn kein Fluid im Rohr 1 fließt, wandert das bewegliche Teil 5 auf eine Position nach unten nahe der Einlaßseitenöffnung 1a aufgrund seines eigenen Gewichtes. Wenn ein Fluid im Ver bindungsrohr 1 in Richtung des Pfeiles L fließt, fließt das Fluid zur Auslaßseitenöffnung 1b durch einen ringförmigen Spalt 5d zwischen der Außenfläche des beweglichen Teiles 5 und der Innenfläche des Verbindungsrohres 1. Da zu diesem Zeitpunkt der Druck, der auf die untere Fläche des beweg lichen Teiles 5 wirkt, größer ist als derjenige, der auf die obere Fläche des beweglichen Teiles 5 wirkt, erzeugt diese Druckdifferenz eine Kraft zum Anheben des beweglichen Teiles 5. Diese Druckdifferenz wird bei einer Erhöhung der Durch flußgeschwindigkeit des Fluides erhöht. Da jedoch der Innen durchmesser des Verbindungsrohres von der Einlaßseitenöff nung 1a zur Auslaßseitenöffnung 1b zunimmt, wird die Zunahme der Druckdifferenz unterdrückt bzw. verhindert, da das be wegliche Teil 5 nach oben bewegt wird. Aus diesem Grund hält das bewegliche Teil 5 an einer Stelle an, an der die durch die Druckdifferenz erzeugte Auftriebskraft und die Gewichts kraft des beweglichen Teiles 5 ausbalanciert sind. Das Maß der Zunahme des Innendurchmessers vom Innendurchmesser D₁ auf der Einlaßseite zum Innendurchmesser D₂ auf der Auslaß seite wird derart eingestellt, daß Änderungen in der Fließ geschwindigkeit soweit wie möglich proportional zu Änderun gen in der Stellung des beweglichen Teiles 5 sein können.

Eine Führungsstange 8 ist in der Mitte des Verbindungsrohres 1 angeordnet. Die beiden Enden der Führungsstange 8 sind von den Anschlußrohren 2 und 3 über ein Rohrlagerteil 9 gehalten das Verbindungslöcher aufweist. Die Führungsstange 8 ist in die Durchgangsausnehmung 6 des beweglichen Teiles 5 einge setzt. Das bewegliche Teil 5 ist auf der Führungsstange 8 gelagert, so daß es in Axialrichtung beweglich und drehbar um die Achse ist. Strömungsleitteile 7 sind auf dem äußeren Umfangsflächenabschnitt der Scheibe 5b des beweglichen Tei les 5 angeordnet, so daß sie bezüglich der Axialrichtung des beweglichen Teiles 5 geneigt sind. Wenn ein Teil eines Flui des entlang den Strömungsleitteilen 7 fließt, wird ein Mo ment zum Drehen des beweglichen Teiles 5 um seine Achse er zeugt. Wenn das bewegliche Teil 5 gedreht wird, kann das be wegliche Teil 5 selbst in der Mittelposition in Axialrich tung der Führungsstange 8 stabil angehalten werden. Ein er ster Anschlag 8a ist an dem unteren Endteil der Führungs stange 8 befestigt und bestimmt eine untere Grenzstellung des beweglichen Teiles 5. Ein zweiter Anschlag 8b ist am oberen Endteil der Führungsstange 8 befestigt und definiert eine obere Endestellung des beweglichen Teiles 5.

Ein gerades Außenrohr 10 ist außerhalb des Verbindungsrohres 1 konzentrisch zum Verbindungsrohr 1 angeordnet. Ähnlich wie das Verbindungsrohr 1 besteht das Außenrohr 10 aus nichtmag netischem Material.

Eine Suchspule 11 ist um das Außenrohr 10 gewickelt. Der Draht der Suchspule 11 ist um das Außenrohr 10 mit konstan ter Steigung in einem Bereich gewickelt, der etwas länger ist als ein Bewegungshub S des beweglichen Teiles 5 inner halb eines meßbaren Bereiches der Fließgeschwindigkeit. Wie in Fig. 3 dargestellt, sind erste und zweite Enden 11a und 11b der Suchspule 11 jeweils mit Ausgangsanschlüssen 11c und 11d verbunden. Eine erste Erregerspule 12A ist um das Außen rohr 10 nahe dem ersten Ende 11a der Suchspule 11 gewickelt. Eine zweite Erregerspule 12B ist an einer Stelle nahe dem zweiten Ende 11b der Suchspule 11 gewickelt. Die Wicklungs zahl der Erregerspule 12A ist gleich derjenigen der Erreger spule 12B. Die Spulen 12A und 12B sind miteinander über eine Leitung 13 verbunden.

Es sei angenommen, daß das Außenrohr 10 einen Außendurchmes ser von 24 mm hat und der Bewegungshub S des beweglichen Teiles 5 80 mm beträgt. Die Wicklungszahl der Suchspule 11 betrage 300, und ihre axiale Länge 90 mm. Die Wicklungszahl der Erregerspulen 12A und 12B betrage jeweils 150, und deren axiale Länge beträgt jeweils 10 mm. Der Abstand vom ersten Ende 11a der Suchspule 11 zur ersten Erregerspule 12A und der Abstand von dem zweiten Ende 11b zur zweiten Erregerspu le 12B betrage jeweils 1 mm.

Die Wicklungszahl und Wicklungsrichtung des Drahtes jeder der Erregerspulen 12A und 12B und die Verbindungsbeziehung zwischen diesen ist so eingestellt, daß beim Anlegen einer Erregerspannung E an die Erregerspulen 12A und 12B magneti sche Flüsse Fa und Fb (dargestellt in Fig. 3), die in ent gegengerichtete Richtungen fließen und die gleiche Stärke bzw. Größe haben, gleichzeitig erzeugt werden. Die Erreger spannung E, die eine alternierende Wellenform hat, wird an die Erregerspulen 12A und 12B durch Eingangsanschlüsse 12a und 12b angelegt.

Obwohl eine Sinuswellenspannung oder eine Rechteckwellen spannung als Erregerspannung E verwendet werden kann, wird die Sinuswellenspannung bei vorliegender Ausführungsform be nutzt. Die Distanzen, die die magnetischen Flüsse Fa und Fb, die von den Erregerspulen 12A und 12B erzeugt werden, durch laufen, werden durch den Spannungswert und die Frequenz der Erregerspannung E bestimmt, die an die Erregerspulen 12A und 12B angelegt wird. Durch Erhöhen entweder des Spannungswer tes oder der Frequenz oder sowohl des Spannungswertes und der Frequenz, können die Distanzen, die die magnetischen Flüsse durchlaufen, erhöht werden. Der Spannungswert und die Frequenz der Erregerspannung E werden so eingestellt, daß die magnetischen Flüsse Fa und Fb sich mit dem beweglichen Teil 5 unabhängig von dessen Position innerhalb des Bewe gungshubes S verketten können. Zum Beispiel wird die Fre quenz auf 2 kHz eingestellt. Jedoch kann eine hohe Frequenz von ungefähr 1 kHz bis 5 kHz ebenso benutzt werden.

Wenn die magnetischen Flüsse Fa und Fb mit dem beweglichen Teil 5 verkettet sind, wird eine Spannung entsprechend der Position des beweglichen Teiles 5 induziert. Genauer gesagt wird eine Spannung mit einer alternierenden Wellenform ent sprechend einer Differenz zwischen den magnetischen Fluß dichten der ersten und zweiten magnetischen Flüsse Fa und Fb an der Position des beweglichen Teiles 5 induziert. Bei In duktion dieser Spannung fließt ein Strom im beweglichen Teil 5. Dieser Strom ist ein hochfrequenter Wechselstrom entspre chend der Frequenz der Erregerspannung E. Daher wird dieser Strom auf einem Oberflächenschichtabschnitt des beweglichen Teiles 5 aufgrund eines Skin- bzw. Hauteffektes konzentriert und er induziert einen sekundären magnetischen Fluß. Wenn der sekundäre magnetische Fluß sich mit der Suchspule 11 verkettet, wird eine elektromotorische Kraft E mit einer Wellenform ähnlich derjenigen der Erregerspannung E in der Suchspule 11 erzeugt.

Wie durch die Kurve V in Fig. 3 angegeben, wird die Aus gangsspannung e von der Suchspule 11 ein Maximum, wenn das bewegliche Teil 5 nahe dem ersten Ende 11a der Suchspule 11 angeordnet ist. Die Spannung e nimmt schrittweise ab, wenn das bewegliche Teil 5 zur Mitte der Suchspule 11 bewegt wird. Wenn das bewegliche Teil 5 in der Mitte der Suchspule 11 positioniert ist, wird die Ausgangsspannung e zu einem Minimum. Wenn das bewegliche Teil 5 sich dem zweiten Ende 11b annähert, nimmt die Ausgangsspannung e wieder zu. Wenn das bewegliche Teil 5 am zweiten Ende 11b positioniert ist, nimmt die Spannung e wiederum einen Maximalwert an.

Da die Position des beweglichen Teiles 5 gemäß der Fließge schwindigkeit des Fluides, das im Verbindungsrohr 1 fließt, geändert wird, kann die Fließgeschwindigkeit des im Rohr 1 fließenden Fluides durch Ermitteln der Position des bewegli chen Teiles 5 auf der Basis der oben erwähnten Ausgangsspan nung e erhalten werden. Bei dieser Ausführung wird jedoch zur Erhöhung der Ermittlungsgenauigkeit der Fließgeschwin digkeit die Position des beweglichen Teiles 5 auf der Basis einer Phasendifferenz zwischen der Wellenform der Erreger spannung E und der Wellenform der Ausgangsspannung e ermit telt.

Wie durch die Kurve W1 in Fig. 3 angezeigt ist, stimmt die Phase der Ausgangsspannung e mit der Phase der Wellenform der Erregerspannung E (die nachfolgend als eine Referenz welle bezeichnet wird) überein, während das bewegliche Teil am ersten Ende 11a der Suchspule 11 angeordnet ist. Wenn das bewegliche Teil 5 vom ersten Ende 11a zum zweiten Ende 11b der Suchspule 11 bewegt wird, weicht die Phase der Ausgangs spannung e von der Referenzwelle aufgrund der Einflüsse der Selbstinduktivität der Suchspule 11 entsprechend der Posi tion des beweglichen Teiles 5 ab. Eine Phasendifferenz O zwischen den Phasen der Ausgangsspannung e und der Referenz welle ist 90 Grad, wenn das bewegliche Teil 5 in der Mitte der Suchspule 11 angeordnet ist, wie dies durch eine ab wechselnd lang und kurz gestrichelte Kurve W2 in Fig. 3 ver deutlicht ist. Wenn das bewegliche Teil 5 das zweite Ende 11b der Suchspule 11 erreicht, wird die Phasendifferenz O 180 Grad, wie dies durch eine abwechselnd lang und zweifach kurz gestrichelte Kurve W3 in Fig. 3 verdeutlicht ist. Die Ausgangsspannungen e, die durch die Kurven W1, W2 und W3 in Fig. 3 jeweils dargestellt werden, stellen Wellenformen dar, die erhalten werden, wenn die Spannung e auf einen konstan ten Wert eingestellt wird, unabhängig von Änderungen in Pha sen durch einen automatischen Verstärkungsregler.

Fig. 4 zeigt einen Schaltkreis 19 zum Ermitteln der Phasen differenz Φ. Ein Transmitter bzw. Sender 20 erzeugt die oben erwähnte Sinuswellenspannung mit einer vorbestimmten Fre quenz. Diese Sinuswellenspannung wird durch einen Trennver stärker 21 verstärkt und wird an die Erregerspulen 12A und 12B angelegt. Die Spannung e, die von der Suchspule 11 aus gegeben wird, wird durch einen Vorverstärker 22 verstärkt, und das Geräusch der Spannung wird durch einen Aktivfilter 23 entfernt. Die Spannung e wird dann an einen Phasendiffe renzdetektor 24 angelegt.

Wie in Fig. 5 dargestellt, weist der Phasendifferenzdetektor 24 einen ersten Nulleitungs-Detektor 241 (zero cross detec tor) zum Empfangen der Sinuswellenspannung E als Referenz welle, einen zweiten Nulleitungs-Detektor 242 zum Empfangen der Ausgangsspannung e als eine Erfassungswelle, und ein Flip-Flop 243 auf. Fig. 6A zeigt die Wellenform des Refe renzwelleneinganges am ersten Nulleitungs-Detektor 241. Fig. 6B zeigt die Wellenform des Erfassungswelleneinganges am zweiten Nulleitungs-Detektor 242. In diesem Falle werden diese Wellenformen erhalten, wenn die Phase der Erfassungs welle von der Phase der Referenzwelle um 90 Grad abweicht, d.h., wenn das bewegliche Teil 5 in der Mitte der Suchspule 11 angeordnet ist.

Ein rechteckiges Wellensignal E′, das in Fig. 6C dargestellt ist, wird vom ersten Nulleitungs-Detektor 241 zu dem C-An schluß des Flip-Flop 243 ausgegeben. Ein rechteckiges Wel lensignal e′ das in Fig. 6D dargestellt ist, wird zum R-An schluß des Flip-Flop 243 ausgegeben. Das Flip-Flop 243 wird beim Ansteigen des rechtwinkligen Wellensignalausganges vom ersten Nulleitungs-Detektor 241 auf den C-Anschluß geschal tet. Das Flip-Flop 243 wird beim Ansteigen des rechteckigen Wellensignalausganges vom zweiten Nulleitungs-Detektor 242 zum R-Anschluß ausgeschaltet. Daher gibt das Flip-Flop 243 ein rechteckiges Wellensignal, als ein Phasendifferenzsignal M, aus, das eine Breite entsprechend der Phasendifferenz Φ zwischen der Referenzwelle und der Erfassungswelle aufweist, wie dies in Fig. 6E dargestellt ist.

Das Phasendifferenzsignal M wird in eine Gleichspannung ent sprechend der obigen Phasendifferenz von einem Phasendiffe renz/Spannungskonverter 25 konvertiert. Wie in Fig. 7 darge stellt, wird ein Ausgang von dem Konverter 25 gemäß der oben erwähnten Phasendifferenz geändert, d.h. die Position des beweglichen Teiles 5. Der Ausgang vom Konverter 25 wird von einem Linearitäts-Korrekturschaltkreis 26 korrigiert, um zu einem Spannungssignal zu werden, das eine lineare Änderung in der Spannung darstellt, wie dies in Fig. 8 gezeigt ist. Das Spannungssignal wird dann an einen Pegelkonverter 27 an gelegt. Im Pegelkonverter 27 wird das Spannungssignal vom Schaltkreis 26 in ein Signal umgewandelt, das eine Spannung von 0 Volt darstellt, wenn die Phasendifferenz Null ist, wie dies in Fig. 9 verdeutlicht ist. Dieses Signal wird an einen Spannungs-/Stromkonverter 28 angelegt, um in einen Strom von 4 mA bis 20 mA umgewandelt zu werden, d.h. in ein Fließge schwindigkeitssignal.

Wenn die Zuwachsrate des Innendurchmessers von der Einlaß seitenöffnung 1a zur Auslaßseitenöffnung 1b des Verbindungs rohres 1 derart ausgelegt ist, daß Änderungen in der Fließ geschwindigkeit fast vollständig linear zu Änderungen in der Stellung des beweglichen Teiles 5 sind, wird ein lineares Spannungssignal vom Phasendifferenzdetektor 24 ausgegeben. In diesem Falle kann daher der Linearitäts-Korrekturschalt kreis 26 weggelassen werden.

Bei der oben beschriebenen Ausführungsform wird ein nicht magnetisches leitfähiges Material als Körper 5a des beweg lichen Teiles 5 verwendet. Jedoch kann die oben erwähnte ungesättigte ferromagnetische Substanz anstatt des nichtmag netischen leitfähigen Materiales verwendet werden. In diesem Falle muß jedoch eine Erregerspannung, die an die Erreger spulen 12A und 12B anzulegen ist, auf einen Spannungswert eingestellt werden, der keine Sättigungsmagnetisierung des Körpers 5a des beweglichen Teiles 5 hervorruft. Es sei an genommen, daß eine ferromagnetische Substanz für den Körper 5a verwendet wird. Wenn in diesem Fall die magnetischen Flüsse Fa und Fb, die von den Erregerspulen 12A und 12B er zeugt werden, sich mit dem Körper 5a des beweglichen Teiles 5 verketten, wird der Körper 5a weiter gemäß einer Differenz zwischen den magnetischen Flußdichten der ersten und zweiten magnetischen Flüsse Fa und Fb an der Stelle des beweglichen Teiles 5 magnetisiert. Als Ergebnis wird ein sekundärer mag netischer Fluß im Körper 5a induziert.

Es sei angenommen, daß der Körper 5a von einer mit Leitfä higkeit versehenen ferromagnetischen Substanz gebildet wird. In diesem Falle wird eine Spannung im Körper 5a durch die magnetischen Flüsse Fa und Fb gemäß der Stellung des beweg lichen Teiles 5 induziert, und ein magnetischer Fluß, der von einem in einem Oberflächenschichtbereich des Körpers 5a fließenden Strom induziert wird, wird zum sekundären magne tischen Fluß addiert. Wenn der Körper 5a aus einer magneti schen Substanz ohne Leitfähigkeit besteht, wie einem Kunst harzmagneten, wird keine Spannung im Körper 5a durch den oben erwähnten Strom induziert, sondern es wird nur der se kundäre magnetische Fluß induziert. In jedem Falle, wenn der sekundäre magnetische Fluß, der im beweglichen Teil indu ziert wird, mit der Suchspule 11 verkettet wird, wird eine elektromotorische Kraft, die eine Wellenform ähnlich der der Erregungsspannung hat, in der Suchspule 11 induziert. In diesen Fällen kann daher die Stellung des beweglichen Teiles 5 auf der Grundlage des Phasendifferenzsignales M durch Ver wenden eines Schaltkreises ermittelt werden, der im wesent lichen der gleiche ist wie der Schaltkreis 19, der bei obi ger Ausführungsform beschrieben worden ist.

Die vorliegende Erfindung kann bei einem horizontalen Fließ geschwindigkeits-Meßgerät gemäß der zweiten Ausführungsform der Fig. 10 verwendet werden. Ein Verbindungsrohr 31 der Fließgeschwindigkeits-Meßeinrichtung der Fig. 10 ist fast horizontal zwischen Rohren P₁ und P₂ angeordnet. Anschluß rohre 32 und 33 sind jeweils mit den beiden Enden des Ver bindungsrohres 31 verbunden. Die Anschlußrohre 32 und 33 sind miteinander über ein Verbindungsrohr 34 verbunden. Weibliche Gewinde 32a und 33a sind an den Anschlußrohren 32 und 33 jeweils ausgebildet. Die Rohre P₁ und P₂ und das Verbindungsrohr 31 sind miteinander über diese weiblichen Gewinde 32a und 33a verbunden.

Das Verbindungsrohr 31 ist aus nichtmagnetischem Material hergestellt. Die Innenfläche des Rohres 31 ist derart ausge bildet, daß der Innendurchmesser allmählich von einem Durch messerwert D₁ auf einen Durchmesserwert D₂ von einer Ein laßseitenöffnung 31a zu einer Auslaßseitenöffnung 31b zu nimmt. Der Außendurchmesser des Rohres 31 ist über seine ge samte Länge konstant. Ein bewegliches Teil 35 ist aus dem gleichen Materialtyp hergestellt, der für den Körper 5a des beweglichen Teiles 5 der ersten Ausführungsform verwendet werden kann. Der Außendurchmesser des beweglichen Teiles 35 ist geringfügig kleiner als der Innendurchmesser D₁ der Ein laßseitenöffnung 31a. Das vordere Endteil des beweglichen Teiles 35 verjüngt sich. Das bewegliche Teil 35 ist im Ver bindungsrohr 31 so angeordnet, daß eine vordere Stirnfläche 35a auf die Einlaßseitenöffnung 31a weist.

Das bewegliche Teil 35 wird von einer Führungsstange 36 der art gehaltert, daß es in Axialrichtung des Verbindungsrohres 31 beweglich ist. Die Führungsstange 36 wird von einem Halteteil 37 mit Verbindungsöffnungen gehalten. Ein Fluid, das im Rohr 31 in einer durch den Pfeil L in Fig. 10 ver deutlichten Richtung fließt, fließt zur Auslaßseitenöffnung 31b durch einen Fluidweg 35b.

Eine Schraubenfeder 38 ist zwischen dem beweglichen Teil 35 und dem Halteteil 37 angeordnet. Diese Schraubenfeder 38 spannt das bewegliche Teil 35 zur Einlaßseitenöffnung 31a vor. Wenn daher Fluid im Rohr 31 in Richtung des Pfeiles L fließt, wird das bewegliche Teil 35 an einer Stelle angehal ten, an der eine Differenz zwischen den Druckkräften bzw. Drücken, die an der vorderen bzw. hinteren Seite des beweg lichen Teiles 35 erzeugt werden, und der Rückstellkraft der Schraubenfeder 38 ausbalanciert ist.

Ein gerades äußeres Rohr 40, das aus nichtmagnetischer Sub stanz besteht, ist außerhalb des Verbindungsrohres 31 kon zentrisch zu diesem angeordnet. Eine Suchspule 11 und ein Paar Erregerspulen 12A und 12B, ähnlich denjenigen der er sten Ausführungsform, sind um das Außenrohr 40 angeordnet. Ähnlich der ersten Ausführungsform kann bei der zweiten Aus führungsform eine Fließgeschwindigkeit durch Verwenden der Erregerspulen 12A und 12B und der Suchspule 11 ermittelt werden.

Ein gerades Rohr mit einem Innendurchmesser, welcher in Axialrichtung konstant ist, kann als Verbindungsrohr verwen det werden, z. B. ein Rohr 31 wie es bei der dritten Ausfüh rungsform gemäß Fig. 11 dargestellt ist. In diesem Fall wird eine Beziehung zwischen Änderungen in der Flußgeschwindig keit eines im Rohr 31 fließenden Fluides und Änderungen in der Stellung eines beweglichen Teiles 35 zuvor bestimmt. Ein Korrekturschaltkreis ist vorgesehen, oder es wird die Wick lungssteigung des Drahtes einer Suchspule 11 in Axialrich tung des Rohres 31 auf der Grundlage der erhaltenen Bezie hung geändert, so daß ein Ausgangssignal entsprechend einer Fließgeschwindigkeit erhalten werden kann.

Die jeweiligen Spulen 11, 12A und 12B können um das Außen rohr 40, wie in Fig. 10 dargestellt, oder um das Verbin dungsrohr 31, wie in Fig. 11 dargestellt ist, gewickelt wer den. Die Fließgeschwindigkeits-Meßvorrichtung gemäß den Fig. 10 oder 11 kann auch in einem Falle angewendet werden, in dem das Verbindungsrohr 31 vertikal angeordnet ist.

Bei den jeweiligen Ausführungsformen werden die beweglichen Teile 5 bzw. 35 jeweils entlang der Führungsstangen 8 bzw. 35 bewegt. Die Führungsstangen 8 und 35 können jedoch weg gelassen werden, vorausgesetzt daß die Verbindungsrohre 1 und 31 vertikal angeordnet sind und die Fließgeschwindig keits-Meßvorrichtungen können so konstruiert werden, daß kleine Fließgeschwindigkeiten gemessen werden, bei denen die Verbindungsrohre 1 und 31 kleine Durchmesser haben.

Claims

1. Fließgeschwindigkeits-Meßvorrichtung zum Erfassen einer Fließgeschwindigkeit eines in Rohren (P₁, P₂) fließenden Fluides

- mit einem Verbindungsrohr (1; 31), das aus nichtmagne tischem Material besteht und eine Einlaßseitenöffnung (1a; 31a) und eine Auslaßseitenöffnung (1b; 31b) auf weist, durch die das Fluid fließt; und
- mit einem beweglichen Teil (5; 35), das im Verbin dungsrohr (1; 31) angeordnet ist,

dadurch gekennzeichnet,

- daß zumindest ein Bereich des beweglichen Teiles (5; 35) aus leitfähigem nichtmagnetischem Material oder einer ungesättigten magnetischen Substanz hergestellt ist, wobei das bewegliche Teil (5; 35) in einer Axial richtung des Verbindungsrohres (1; 31) beweglich ist und in Richtung auf die Einlaßseitenöffnung (1a; 31a) vorbelastet ist, und wobei das bewegliche Teil (5; 35) zur Auslaßseitenöffnung (1b; 31b) aufgrund einer Dif ferenz zwischen Drücken bewegbar ist, die an einer Vorder- und Hinterseite des beweglichen Teiles (5; 35) erzeugt werden, wenn Fluid von der Einlaßseitenöffnung (1a; 31a) zur Auslaßseitenöffnung (1b; 31b) fließt,
- daß eine Suchspule (11) um eine Außenfläche des Ver bindungsrohres (1; 31) innerhalb eines Bereiches an geordnet ist, in welchem das bewegliche Teil (5; 35) bewegbar ist, wobei die Suchspule (11) ein erstes Ende (11a) und ein zweites Ende (11b) an gegenüberliegenden Enden aufweist,
- daß eine erste Erregerspule (12A) um die Außenfläche des Verbindungsrohres (1; 31) nahe dem ersten Ende (11a) der Suchspule (11) angeordnet ist,
- daß eine zweite Erregerspule (12B) um die Außenfläche des Verbindungsrohres (1; 31) nahe dem zweiten Ende (11b) der Suchspule (11) angeordnet ist, wobei die zweite Erregerspule (12B) einen magnetischen Fluß (Fb) erzeugt, der in eine Richtung entgegengesetzt zu einem Magnetfluß (Fa) fließt, der von der ersten Erregerspu le (12A) erzeugt wird und die gleiche Größe wie der erste hat,
- daß eine Einrichtung (15) zum Veranlassen der ersten und zweiten Erregerspulen (12A und 12B) vorgesehen ist, die magnetische Flüsse (Fa; Fb) durch Anlegen einer Erregerspannung (E) mit einer alternierenden Wellenform an die ersten und zweiten Erregerspulen (12A und 12B) zu erzeugen, und
- daß eine Einrichtung (19) zum Entnehmen einer Aus gangsspannung vorgesehen ist, die in der Suchspule (11) durch einen sekundären magnetischen Fluß erzeugt wird, der im beweglichen Teil (5; 35) gemäß einer Stellung des beweglichen Teiles (5; 35) induziert wird, wobei eine Wellenform der Ausgangsspannung mit derjenigen der Erregerspannung (E) verglichen wird, um eine Phasendifferenz zu erhalten, und wobei die Stel lung des beweglichen Teiles (5; 35) auf der Basis der Phasendifferenz von der Einrichtung (19) berechnet wird.

2. Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenfläche des Verbindungsrohres (1; 31) derart ausgebildet ist, daß ein Innendurchmesser des Verbin dungsrohres (1; 31) allmählich von der Einlaßseitenöff nung (1a; 31a) zur Auslaßseitenöffnung (1; 31b) zunimmt.

3. Meßvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß ein Spalt (5d; 35d) zwischen der Innenflä che des Verbindungsrohres (1; 31) und dem beweglichen Teil (5; 35) begrenzt ist.

4. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungsrohr (1; 31) im we sentlichen vertikal angeordnet ist, und daß das bewegli che Teil (5; 35) ein größeres spezifisches Gewicht als das Fluid hat, wobei das bewegliche Teil (5; 35) auf die Einlaßseitenöffnung (1; 31a) durch das Gewicht des be weglichen Teiles (5; 35) vorbelastet ist.

5. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 32, dadurch gekennzeichnet, daß eine Druckschraubenfeder (38) zum Vorspannen des beweglichen Teiles (5; 35) in Richtung auf die Einlaßseitenöffnung (1; 31a) vorgesehen ist.

6. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Führungsstange (8; 36) im Ver bindungsrohr 1; 31) entlang dessen axialer Richtung ange ordnet ist, wobei das bewegliche Teil (5; 35) von der Führungsstange (8; 36) gelagert wird, um es in Axial richtung des Verbindungsrohres (1; 31) beweglich anzu ordnen.

7. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegliche Teil (5) drehbeweglich um eine Achse der Führungsstange (8) angeordnet ist, und daß das bewegliche Teil (5) eine Einrichtung (7) zum Auf treffen eines Fluidflusses und zum Drehen des beweglichen Teiles (5) aufweist.

8. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerspannung (E), die an die ersten und zweiten Erregerspulen (12A; 12B) angelegt wird, eine hochfrequente Spannung mit einer Frequenz von 1 kHz bis 5 kHz ist.