DE68924151T2

DE68924151T2 - Durchflussmesser für fluid.

Info

Publication number: DE68924151T2
Application number: DE68924151T
Authority: DE
Inventors: Dov Ingman
Original assignee: Measurement Tech International
Current assignee: Measurement Tech International
Priority date: 1988-06-29
Filing date: 1989-06-20
Publication date: 1996-03-21
Anticipated expiration: 2009-06-21
Also published as: WO1990000248A1; EP0382818A4; EP0382818B1; EP0382818A1; DE68924151D1

Description

BEREICH DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen Einrichtungen zum Volumenmessen eines Fluidstroms und insbesondere einen Wanderwellen-Durchflußmesser mit einer dünnen Membran, deren Biegebewegung so wirkt, daß ein Fluid in Wanderwellen durchlaufen kann.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Es sind verschiedene Typen von Durchflußmessern bekannt, die ein Element verwenden, das beim Vorbeifließen von Fluid vibriert oder schwingt. Die Fluidströmungsgeschwindigkeiten können aus der Frequenz der Vibration oder der Schwingung bestimmt werden, die im allgemeinen proportional zur Geschwindigkeit des Fluidstroms ist.
Eine frühe Form eines Fluiddurchflußmessers mit einer schwingenden Feder, die in einer Fluidströmungskammer eingeschlossen ist und einen mechanischen Zähler zum Anzeigen der durchfließenden Fluidmenge hat, ist in der US-PS 398,013 (Welker) beschrieben. Einen neueren Wanderwellen- Durchflußmesser, der eine schwingende Membran verwendet, die aus einem piezoelektrischen Material geformt ist, das als Funktion der Rate der Schwingung elektrische Signale erzeugt, ist in den US-Patenten 4,358,954 und 4,409,830 (beide von de Jong) beschrieben.
Der in den vorstehend genannten US-Patenten von de Jong offenbarte Durchflußmesser ist jedoch im Gebrauch auf die Messung von nichtkomprimierbaren Fluiden, wie beispielsweise Flüssigkeiten, beschränkt. Wenn er für komprimierbare Fluide, wie beispielsweise Gase, bei relativ hoher Strömungsgeschwindigkeit verwendet würde, würde die Membran quer zu einem Fluidströmungsweg, dem sie zugeordnet ist, einer vermehrten Streckung unterzogen sein, wodurch die Fluidströmung an ihr entlang blockiert würde.
Weitere Beispiele für Fluiddurchflußmesser sind in der US- A-4,594,890 und JP-A-59,040,11B zu finden. Die US-A- 4,594,890 beschreibt einen Fluiddurchflußmesser, in den ein bistabiles Federelement eingebaut ist, das in einem Gehäuse positioniert ist, in welchem das bistabile Element durch den Fluidstrom bedingt in einem einzigen Oszillationsmodus zum Schwingen gebracht wird. Die JP-A-59,040,118 beschreibt einen Durchflußmesser, der ein Gehäuse aufweist, in welchem in gebogener Form ein flexibles, bandförmiges Bandstück vorgesehen ist, dessen in Stromrichtung oberhalb und unterhalb liegende Enden an Stäben befestigt sind.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, für die Messung eines weiten Bereichs von komprimierbaren und nicht-komprimierbaren Fluidströmen einen Fluiddurchflußmesser mit positiver Verdrängung eines Fluidquantums zu schaffen, bei dem die Nachteile des Standes der Technik überwunden sind.
Es ist daher gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Fluiddurchflußmesser geschaffen mit einem Gehäuse mit einer Fluideingangs- und Fluidausgangsöffnung und einem dazwischen definierten Fluidströmungsweg; einer flexiblen Membran, die ein Paar einander gegenüberliegende Seiten definiert und die mittels einander gegenüberliegenden ersten und zweiten Enden in dem Fluidströmungsweg so montiert ist, daß das Paar einander gegenüberliegender Seiten zusammen mit dem Gehäuse fluiddichte Dichtungen an wenigstens zwei unterschiedlichen Stellen entlang des Strömungsweges bildet, wobei die Membran so gebogen werden kann, daß sie einen Durchlaß von diskreten Quanten Fluids an ihr vorbei erlaubt, die jeweils ein bekanntes Volumen haben; Mitteln zum Erzeugen von elektrischen Signalen entsprechend der Biegung der Membran; und eine Überwachungseinrichtung zum Empfangen der elektrischen Signale und dadurch zum Bestimmen der Fluidströmungsgeschwindigkeit entlang des Strömungsweges; der dadurch gekennzeichnet ist, daß das erste Ende der Membran stromab der Fluideingangsöffnung montiert ist und ein Führungsapparat zum Führen der Membran innerhalb des Gehäuses in der Nähe von wenigstens dem ersten Ende montiert ist, um an der Membran in einer der zwei jeweiligen Positionen anzuliegen, die jeweils vor und nach dem Freilassen eines Quantums Fluid eingenommen werden.
Zusätzlich und gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung definiert die Membran weiterhin ein Paar Kanten, die in entsprechenden Ebenen im wesentlichen parallel zur Fluidströmungsrichtung liegen, und der Fluidströmungsweg hat entlang wenigstens eines Teils seiner Länge eine gleichförmige Querschnittsform, wobei die fluidundurchlässigen Dichtungen entlang desselben vorgesehen sind.
Weiterhin hat bei einer Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung der Teil der Länge des Fluidströmungsweges mit gleichförmiger Querschnittsform eine rechteckige Querschnittsform und ist durch ein erstes und ein zweites Paar paralleler Wände begrenzt, wobei die Membran zwischen diesen so angeordnet ist, daß die jeweiligen Ebenen, in welchen die Membrankanten liegen, im wesentlichen parallel zu dem ersten Paar Wände ausgerichtet sind.
Zusätzlich in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind an wenigstens drei Stellen entlang des Fluidströmungsweges fluidundurchlässige Dichtungen definiert.
Weiterhin gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weisen die Membrankanten zum ersten Paar Wände einen Abstand auf, der im wesentlichen gleich einer Fluidgrenzschichtdicke ist.
Zusätzlich in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hat die Membran eine rechteckige Form und ist so ausgerichtet, daß ihre Längsachse parallel zur Strömungsrichtung liegt.
Zusätzlich in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Gehäuse so geformt, daß es an einem Ort oberhalb der Membran, jedoch unterhalb einer benachbarten Fluidöffnung, ein Abscheiden von Überbleibseln aus dem Fluid erlaubt.
Weiterhin in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Erfindung hat die Membran eine Schicht aus piezoelektrischem Material.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung hat die Einrichtung zum Erzeugen von elektrischen Signalen jeweils erste und zweite elektrische Kontakte die einer Oberfläche der Membran montiert und der Überwachungseinrichtung dergestalt zugeordnet sind, daß beim Freigeben eines einzelnen Quantums Fluid ein elektrisches Signal erzeugt wird.
Gemäß einer weiteren alternativen Ausführungsform der Erfindung umfaßt die flexible Membran magnetisiertes Material, und die Einrichtung zum Erzeugen der elektrischen Signale hat einen Magnetkopf, der so arbeitet, daß er beim Erfassen einer Annäherung der Membran an ihn ein elektrisches Signal erzeugt.
Zusätzlich und in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Erfindung hat die Überwachungseinrichtung einen Apparat zum Identifizieren von elektrischen Signalen, die durch die Biegung der Membran bei Freigeben eines einzelnen Quantums Fluid von derselben, erzeugt werden.
Weiterhin in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Erfindung hat die Überwachungseinrichtung auch einen Apparat zum Bestimmen der Fluidströmungsgeschwindigkeit, basierend auf elektrischen Signalen, die über eine gemessene Zeitspanne empfangen worden sind.
Zusätzlich in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Erfindung hat die Überwachungseinrichtung auch einen Apparat zum Speichern eines vorbestimmten Volumenwertes für ein einzelnes Quantum Fluidstrom, einen Apparat zum Berechnen der Fluidströmungsgeschwindigkeit entsprechend der Anzahl von elektrischen Signalen, die über eine gemessene Zeitspanne hinweg empfangen worden sind, eine Einrichtung zum Vergleichen des vorbestimmten Wertes für ein einzelnes Quantum mit einem Volumenwert entsprechend der Strömungsabgabecharakteristiken des Durchflußmessers bei der ersten Strömungsgeschwindigkeit, eine Einrichtung zum Einstellen des vorbestimmten Wertes auf den Volumenwert entsprechend der Strömungslieferungscharakteristiken und eine Einrichtung zum wiederholten Einstellen des vorbestimmten Volumenwertes eines einzelnen Quantums Fluid, um einen immer genaueren Strömungswert zu erhalten.
In Übereinstimmung mit einer alternativen Ausführungsform der Erfindung hat der Fluidströmungsweg entlang seiner Länge eine gebogene Form.

KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN

Die vorliegende Erfindung wird durch die folgende detaillierte Beschreibung anhand der Figuren besser verständlich und vollständig erläutert, wobei in den Figuren zeigt:
Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines Fluidquantum- Durchflußmessers, der gemäß einer Ausführungsform der Erfindung konstruiert ist;
Fig. 2 der Durchflußmesser gemäß Fig. 1 im Schnitt entlang der Schnittlinie II-II;
Fig. 3 ein Querschnitt entlang der Schnittlinie III-III in Fig. 2;
Fig. 4 ein Querschnitt entlang der Linie IV-IV in Fig. 3;
Fig. 5 eine vergrößerte Einzelheit eines Teils des Querschnittes, wie er in der Fig. 4 gezeigt ist;
Fig. 6 eine vergrößerte Einzelheit eines Teils des Querschnittes, wie er in der Fig. 4 gezeigt ist, der gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung konstruiert ist;
Fig. 7 ein Schnitt zur Erläuterung eines Teils eines piezoelektrischen Elementes, das für den Durchflußmesser gemäß Fig. 1 nützlich ist;
Fig. 8 eine vergrößerte Schnittansicht entlang der Schnittlinie VIII-VIII in Fig. 3;
Fig. 9 eine ähnliche Ansicht wie in Fig. 8, jedoch von einer Konstruktion gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 10 eine Ansicht ähnlich wie die in Fig. 8, jedoch von einer Konstruktion gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 11 ein piezoelektrisches Element ähnlich dem, wie in der Fig. 7 gezeigt, wobei jedoch dessen Enden verdickt sind;
Fig. 12 eine Teilansicht im Schnitt der Federhalterungen für Führungsblöcke, wie sie in den Fig. 8 bis 10 gezeigt sind;
Fig. 13 eine Seitenansicht eines Endteils des piezoelektrischen Elementes gemäß Fig. 3 zur Erläuterung der Montagedetails desselben;
Fig. 14 eine Ausschnittsdarstellung eines Teils einer Seitenwand des Gehäuses des Durchflußmessers gemäß Fig. 1;
Fig. 15A, 15B und 15C drei aufeinanderfolgende Zustände beim Transport von diskreten Fluidquanten über den Durchflußmesser gemäß Fig. 1 hinweg;
Fig. 16 eine schematische Darstellung eines Fluiddurchflußmessers ähnlich dem in Fig. 1 gezeigten, jedoch mit bogenförmigen Wänden;
Fig. 17 ein Blockschaltbild zur Erläuterung der elektronischen Einrichtung, die einem Fluiddurchflußmesser gemäß der vorliegenden Erfindung zugeordnet ist;
Fig. 18 ein Blockschaltbild zur Erläuterung eines Fernmeßsystems, das in Verbindung mit einem Fluiddurchflußmesser gemäß der vorliegenden Erfindung nützlich ist;
Fig. 19 ein Blockschaltbild zur Erläuterung eines alternativen Fernmeßsystems, das in Verbindung mit einem Fluiddurchflußmesser gemäß der vorliegenden Erfindung nützlich ist;
Fig. 20 ein Blockschaltbild zur Erläuterung eines weiteren alternativen Fernmeßsystems, das in Verbindung mit einem Fluiddurchflußmesser gemäß der vorliegenden Erfindung nützlich ist;
Fig. 21 ein Multiplex-Fernmeßsystem, das in Verbindung mit einem Fluiddurchflußmesser gemäß der vorliegenden Erfindung nützlich ist;
Fig. 22 eine teilweise Seitenansicht eines Fluiddurchflußmessers, der gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung konstruiert ist und funktioniert;
Fig. 23 eine teilweise Seitenansicht eines Fluiddurchflußmessers, der gemäß einer weiteren alternativen Ausführungsform der Erfindung konstruiert ist und funktioniert;
Fig. 24 eine Draufsicht auf ein piezoelektrisches Element, das in Übereinstimmung mit einer alternativen Ausführungsform der Erfindung konstruiert ist und funktioniert.

DETALLLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Die Fig. 1, 2 und 3 zeigen einen Verdrängungsdurchflußmesser für Fluid, der im allgemeinen mit 10 bezeichnet ist und der ein Gehäuse 12 aufweist, welches eine Fluidströmungskammer 14 (Fig. 2) und ein erstes und zweites Ende 16 und 20 definiert, die jeweils eine erste und eine zweite Fluidöffnung 18 und 22 aufweisen.
Obwohl in der gezeigten Ausführungsform die Fluidöffnungen 18 und 22 jeweils als Eingang und Ausgang wirken, ist aus der folgenden Beschreibung zu ersehen, daß die Innenanordnung des Durchflußmessers 10 so ist, daß der Fluidstrom in jeder gewählten Richtung stattfinden kann, wobei der Durchflußmesser eine bevorzugte Ausrichtung hat.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Durchflußmesser 10 zum Messen der Strömung von komprimierbaren Fluiden, wie beispielsweise Gas, verwendet. Da jedoch der Durchflußmesser gemäß der vorliegenden Erfindung auch für das Messen von nicht-komprimierbaren Fluiden, wie beispielsweise Öl oder Wasser, verwendet werden kann, wird im folgenden der Strom von "Fluid" beschrieben, mit Ausnahme dort, wo dies nicht anwendbar ist.
Gemäß der gezeigten Ausführungsform hat das Gehäuse 12 eine erste Aufnahmekammer 26 zum Aufnehmen des Fluidstroms vom Eingang 18, bevor das Fluid durch die Strömungskammer 14 strömt. Die Kammer 26 macht es möglich, daß irgendwelche Reststoffe, und für den Fall des Gasstroms Feuchtigkeit, in der Kammer abgeschieden werden können, bevor die Strömungskammer 14 durchströmt wird. Es ist auch eine zweite Endkammer 27 ähnlich der ersten Endkammer 26 vorgesehen, um in dieser irgendwelche Reststoffe oder Feuchtigkeit für den Fall abzuscheiden, daß die Strömungsrichtung entgegengesetzt zur der angezeigten ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung können gesonderte Quanten Fluids, die jeweils ein bekanntes Volumen haben, an der Membran 35 vorbei passieren, und das Strömungsvolumen kann gemäß der Anzahl dieser Quanten, die die Membran passieren, bestimmt werden. Dies wird im einzelnen im folgenden beschrieben. Obwohl die Membran 35 so positioniert ist, daß bei nicht vorhandener Strömung die Kanten 33 sehr eng an den Seitenwänden 29 anliegen, üblicherweise in der Größenordnung von mehreren um, so daß jegliche Leckage von Fluid verhindert ist, ist es in der Strömungssituation vorzuziehen, daß der Spalt zwischen den Membrankanten und den Seitenwänden verringert ist.
Zusätzlich bezugnehmend auf die Fig. 4 und 5, ist daher die Strömungskammer 14 mit einem Paar vorzugsweise starrer erster Seitenwände 30 und einem Paar nichtstarrer zweiter Seitenwände 29, die aus einem flexiblen Elastomer, wie beispielsweise Gummi, hergestellt sind, versehen. Wenn Fluid die Membran 35 passiert, fällt der Druck im Inneren der Strömungskammer 14, und die flexiblen, zweiten Seitenwände 29 neigen daher dazu, sich leicht nach innen zu bewegen, wodurch der Spalt zwischen den Kanten 33 der Membran und den Seitenwänden 29 auf eine Fluidgrenzschichtdichte verringert wird. Infolge des hohen Widerstandes gegenüber der Strömung entlang des Spalts ist daher eine Leckage im wesentlichen verhindert. Die Einwärtsbewegung der Seitenwände 29 wird weiterhin durch Räume 31 erleichtert, die im Bereich der Kanten 33 der Membran 35 vorgesehen sind.
Wie kurz auf die Fig. 6 bezogen zu ersehen ist, wurde herausgefunden, daß, wenn die zweiten Seitenwände nicht aus einem flexiblen Material hergestellt sind, die Fluidleckage im wesentlichen verhindert werden kann, indem diese mit einer aufgerauhten Oberfläche 32 (auch in Fig. 3 dargestellt) versehen werden.
Wie insbesondere aus den Fig. 2 und 14 zu ersehen ist, sind die Seitenwände 30 vorzugsweise mit einer dünnen Schicht 34 aus einem antistatischen und hydrophoben Material, wie beispielsweise karbonisiertem Polyethylen beschichtet. Die Schicht 34 verhindert das Aufbauen einer statischen Elektrizität in der Strömungskammer und die Kondensation von Feuchtigkeit an den Seitenwänden, die sonst die Biegung der Membran 35 stören, könnten. Wie aus der folgenden Beschreibung zu ersehen ist, ist es wichtig, die ungestörte Biegewirkung der Membran 35 aufrechtzuerhalten. Gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung können die Seitenwände ganz aus einem antistatischen und hydrophoben Material hergestellt sein.
Im folgenden wird insbesondere Bezug genommen auf die Fig. 7, die einen Querschnitt durch einen Teil der Membran 35 zeigt. Gemäß der dargestellten Ausführungsform ist die Membran 35 piezoelektrisch und hat eine dünne Schicht 36 aus einem piezoelektrischen Material, wie beispielsweise Polyvinylidenfluorid, und Metallaußenflächen 38 und 40.
Die in der Fig. 24 gezeigte Ausführungsform hat eine Membran 35, die piezoelektrisch ist, jedoch anders als die bei der in der Fig. 7 gezeigten Ausführungsform ist, wobei die Schicht 36 aus piezoelektrischem Material entweder auf einer oder beiden Seiten mit gesonderten Metallstreifen 44 beschichtet ist, die jeweils elektrische Anschlüsse 45 zu einer Impulsdetektoreinheit 66 (Fig. 17) haben. Wenn die Membran sich biegt, wie dies im folgenden anhand der Fig. 15A bis 15C gezeigt und beschrieben wird, ist es somit möglich, die Geschwindigkeit der Wellenausdehnung entlang der Strömungskammer zu bestimmen, was von einer Mikrosteuerung 70 (Fig. 17) dazu verwendet werden kann, das errechnete Volumen jedes Quantums Fluid weiter zu "korrigieren".
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hat die Membran 35 im wesentlichen eine vertikale Position innerhalb der Strömungkammer 14. Dies vermeidet ein mögliches unsymmetrisches Funktionieren der Membran infolge der Gravitation.
Wie in der Fig. 2 gezeigt ist, ist die Membran 35 vorzugsweise länger als die Länge der Strömungskammer 14, in welcher sie positioniert ist. Dadurch wird sichergestellt, daß die Membran 35 eine wellenförmige Position einnimmt und daß die flachen Seiten 42 der Membran im konstanten Eingriff mit den Seitenwänden 30 der Strömungskammer sind, vorzugsweise an wenigstens drei Stellen.
Im folgenden wird nun auf die Fig. 2 und 13 Bezug genommen, aus welchen zu ersehen ist, daß die Membran 35 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform an ihren Enden 51 um Stäbe 52 befestigt ist. Jeder Stab 52 ist seinerseits mittels einer Feder 53, die in einem Gehäuse 56 aufgenommen ist, an einem festliegenden Stab befestigt. Diese Art der Montage erlaubt, wie anzugeben ist, eine begrenzte Längsbewegung der Membran innerhalb der Strömungskammer 14.
Im folgenden wird nun auf die Fig. 2 und 8 Bezug genommen, aus denen zu ersehen ist, daß abgerundete Führungsblöcke 48 so vorgesehen sind, daß sie eine Instabilität der Membran 35 induzieren, und anzumerken ist, daß bei dem Passieren jedes Quantums Fluid an der Membran eine sehr schnelle Änderung der Position infolge der Biegung der Membran 35 erforderlich ist. Das Vorsehen der Führungsblöcke ist ein wesentliches Merkmal, da diese dazu beitragen, daß die Membran unter Einfluß eines sehr geringen Eingangs an kinetischer Energie, wie dies bei Gasströmen der Fall ist, von einer Position in die andere schaltet. Der Bereich der Positionen, die von der Membran 35 bei der Biegung eingenommen werden, werden im folgenden im einzelnen anhand der Fig. 15A bis 15C beschrieben.
Im folgenden wird kurz auf die Fig. 9 Bezug genommen, in welcher eine alternative Ausführungsform der Führungsblöcke 48 gezeigt ist, wobei jeder der Führungsblöcke ebenfalls eine zusätzliche Gummischicht hat.
Wie aus der Fig. 10 zu ersehen ist, sind durchlässige Fluidführungsverlängerungen 60 an den Führungsblöcken 48 befestigt und bilden Verlängerungen der gekrümmten Flächen 49 der Führungsblöcke. Unter zusätzlicher Bezugnahme auf die Fig. 15A bis 15C ist zu ersehen, daß die Berührpunkte zwischen Membran und den Strömungskammerwänden in Richtung des Fluidstroms wandern, wobei sich die Membran durch Biegung von einer ersten Position direkt vor dem Freigeben eines Fluidquantums in eine zweite Position direkt nach dem Freigeben des Quantums bewegt, obwohl die Membran 35 im allgemeinen sich nicht entlang der Länge der Fluidkammer bewegt, wenn einzelne Quanten Fluid den Durchflußmesser passieren, wobei bewirkt wird, daß die Membran sich wellenförmig bewegt.
Die Führungsverlängerungen sind beispielsweise aus einem Drahtgitter hergestellt. Damit sie den Fluidstrom nicht stören, haben sie Formen ähnlich der Membran in einer ihrer zwei jeweiligen Positionen, die kurz vor und nach dem Freigeben eines Fluidquantums eingenommen werden. Da die Berührungspunkte zwischen Membran und den Kammerwänden, die mit den Krümmungsmaxima der Membran übereinstimmen, entlang der Strömungskammer auf deren Ende zulaufen, verlassen sie die Seitenwände 30 und die montierten Führungsverlängerungen 60. Die Verlängerungen 60 induzieren einen Grad der Instabilität, der bewirkt, daß bei einem relativ niedrigen kinetischen Energieeingang eine relativ schnelle Änderung der Position der Membran zwischen den Positionen, die kurz vor und nach dem Freigeben eines Fluidquantums eingenommen werden, erfolgt.
Obwohl, wie angegeben, die Membran 35 im allgemeinen nicht entlang der Strömungskammer 14 bewegt wird, tritt ein gewisses Maß an Relativbewegung zwischen der Membran und den Seitenwänden 30 der Strömungskammer auf. Es ist daher wichtig, daß die nach innen gewandten Flächen 37 der Seitenwände 30 sehr glatt sind.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung und wie bereits erwähnt, ist die Membran 35 aus einem piezoelektrischen Material hergestellt. Gemäß einer alternativen Ausführungsform und wie in der Fig. 10 gezeigt, ist die Membran 35 jedoch nicht aus einem piezoelektrischen Material hergestellt, sondern stattdessen ist sie mit einem Paar elektrischer Kontakte 61 versehen, die jeweils abwechselnd mit einem entsprechenden Paar elektrischer Kontakte 63, die an den Führungsverlängerungen 60 montiert sind, in Kontakt gebracht werden.
Es ist klar, daß, wenn jedes Quantum Fluid, die Strömungskammer 14 passiert und wenn die Membran 35 von einer Position in die andere schaltet, durch das Kontaktieren eines der Kontakte 61 mit einem entsprechenden Kontakt 63 ein elektrischer Impuls erzeugt wird.
Diese Ausführungsform hat gegenüber der piezoelektrischen Membran einen besonderen Vorteil, da ein einzelner Impuls jedesmal dann erzeugt wird, wenn die Membran 35 sich bewegt, um ein Fluidquantum freizugeben. Wenn eine piezoelektrische Membran verwendet wird, werden jedoch bei jeder Bewegung der Membran elektrische Signale erzeugt, wobei eine Änderung der Position der Membran einfach durch ein Erhöhen der Intensität der Signale angegeben wird.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist nur einer der elektrischen Kontakte 61 und 63 vorgesehen, und es wird somit ein einziger Impuls erzeugt, sobald jedes zweite Fluidquantum passiert ist. Es ist auch klar, daß Kontakte 61 und 63 bei anderen Ausführungsformen der Erfindung, wie sie in den Fig. 8 und 9 darstellt sind, eingebaut sein können. Bei einer weiteren alternativen Ausführungsform der Erfindung können elektrische Kontakte 63 unabhängig von den Führungsblöcken 48 vorgesehen sein.
Fig. 22 zeigt eine alternative Ausführungsform der Erfindung, bei der die Membran 35 ein Magnetband aufweist. In die Seitenwände 30 ist vorzugsweise ein Paar Magnetköpfe 39 eingebaut. Wenn die Berührungspunkte zwischen Membran und Seitenwänden 30 entlang der Strömungskammer wandern, was üblicherweise kurz bevor ein Quantum Fluid freigelassen wird erfolgt, wandert der Berührungspunkt der Membran 35 mit einer der Seitenwände über einen in diesem Bereich liegenden Kopf 39, wobei ein elektrischer Impuls erzeugt wird. Gemäß der gezeigten Ausführungsform wird bei jedem freigelassenem Quantum Fluid ein Signal erzeugt. Gemäß einer alternativen Ausführungsform kann ein einzelner Magnetkopf vorgesehen sein, um das Freilassen aufeinanderfolgender Fluidquanten anzuzeigen.
Es wird nun auf Fig. 23 Bezug genommen, die eine Ausführungsform zeigt, welche wie die Ausführungsform gemäß Fig. 22 eine Membran 35 mit einem Magnetband aufweist. Gemäß der gezeigten Ausführungsform ist jedoch der Magnetkopf 39 in die zweite Seitenwand 30 der Strömungskammer eingebettet und funktioniert so, daß er mit einer Seite 41 der Membran 35 zusammenwirkt, wenn diese die Seitenwand berührend sich vorbeibewegt.
Gemäß der gezeigten Ausführungsform hat die Membran eine Vielzahl von Magnetbändern, die auf dieser in einer bekannten Frequenz, wie beispielsweise 5 KHz, vorgesehen sind. Wenn die Fläche 41 am Kopf 39, diesen kontaktierend, vorbeiläuft, erfaßt die zugehörige Verarbeitungseinheit 43 nicht nur das Vorbeilaufen eines Teils der Membran quer zum Kopf, sondern auch die Frequenz, mit der das Magnetband vorbeiläuft, und somit kann die Geschwindigkeit, mit der das Fluid vorbeiläuft, bestimmt werden.
In der Fig. 11 ist eine Membran 35 gezeigt, die verstärkte Enden 46 hat, die auch zusätzlich Schichten 65 aus piezoelektrischem Material aufweisen können. Das verstärkte Ende und die zusätzlichen Materialschichten dienen dazu, die Möglichkeit zu verringern, daß die Membran infolge von Ermüdungsbelastungen ausfällt. Gemäß einer alternativen Ausführungsform kann die Membran 35 über ihre gesamte Länge oder an ausgewählten Abschnitten derselben unterschiedliche Querschnittsdicken aufweisen.
Wie in den Fig. 12 und 13 dargestellt, sind die Führungsblöcke 48 nicht starr positioniert, sondern vorzugsweise mittels Federn 58 an den Seitenwänden 30 der Strömungskammer befestigt.
Es wird nun auf die Fig. 15A bis 15C Bezug genommen, in welchen die aufeinanderfolgenden Zustände des Fluidstroms durch den Durchflußmesser gemäß der Erfindung dargestellt sind. Anfänglich läuft ein erstes Quantum Fluid in die Strömungskammer und übt auf die Membran solange eine Kraft aus, bis diese zwangsweise ihre Position verändert. In diesem Zustand wird das erste Quantum, das mit 62a bezeichnet ist, zwischen der Wand der Strömungskammer, der Membran und zwei mit 67 bezeichneten Berührungspunkten zwischen Membran und Strömungskammerwand eingeschlossen.
Wenn der Berührungspunkt, der dem Eingang 69 am nächsten liegt, vorliegt, tritt ein zweites Fluidquantum, das mit 62b bezeichnet ist, in die Kammer und übt ebenfalls auf die Membran eine Kraft aus, wandert solange in Strömungsrichtung, bis es eventuell ebenfalls eingeschlossen ist.
Ein drittes Fluidquantum, das mit 62c bezeichnet ist, tritt in die Strömungskammer ein und übt ebenfalls auf die Membran eine Kraft aus. Die Berührungspunkte wandern weiter in Strömungsrichtung, solange, bis sich die Membran durch Biegung von einer Position in die andere bewegt, wodurch das erste Fluidquantum freigegeben wird und ein elektrischer Impuls erzeugt wird.
Es wurde herausgefunden, daß, wenn die Membran mit den Strömungskammerwänden an wenigstens drei Orten berührend zusammenwirkt, eine mögliche Verformung der Membran und darausfolgende Blockierung der Strömungkammer, die sonst als Ergebnis einer hohen Strömungsgeschwindigkeit eintreten könnte, verhindert wird.
Fig. 16 zeigt eine Strömungskammer, die gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung konstruiert ist. Die Strömungskammer, die mit 55 bezeichnet ist, hat ein Paar gekrümmter Wände 64a und 64b. Die Krümmung der Kammer 55 führt zu Instabilität der Positionen, die von der Membran eingenommen werden, was, wie vorstehend beschrieben, unerwünscht ist. Obwohl Fluidquanten, die entlang der Außenwand 64a fließen, größer als jene sein werden, die entlang der Innenwand 64b fließen, kann die Strömungsmenge bestimmt werden, indem ein Mittel der zwei unterschiedliche großen Quanten genommen wird.
Es wird nun auf die Fig. 3 und 17 Bezug genommen, aus denen zu ersehen ist, daß die Metallschicht der piezoelektrischen Membran 35 einen elektrischen Anschluß 47 hat, um elektrische Signale, die durch die Bewegung der Membran erzeugt werden, auf eine Impulsdetektoreinheit 66 (Fig. 17) zu leiten. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, bei der die Membran 35 nicht piezoelektrisch ist, sondern stattdessen elektrische Kontakte verwendet werden, ist der elektrische Anschluß 47 an die elektrischen Kontakte angeschlossen.
Wenn eine piezoelektrische Membran verwendet wird, hat die Impulsdetektoreinheit vorzugsweise eine elektronische Signalverarbeitungsschaltung, die eine bestimmte Impulsform oder ein elektrisches Signal entsprechend der Biegung der Membran zum Zeitpunkt des Freilassens eines Fluidquantums am Ausgang 22 des Durchflußmessers erkennen kann. Es ist offensichtlich, daß die Fähigkeit, solche Impulse von Hintergrundsignalen, die von der Membran konstant erzeugt werden, unterscheiden zu können, wichtig ist.
Der Volumenwert für jedes Fluidquantum ist entweder vorher eingestellt oder vorbestimmt und in einem Speicher 68 eines Mikroprozessors 70 gespeichert, so daß jedes empfangene Signal das Fließen eines Referenzvolumens Fluid durch den Durchflußmesser repräsentiert. Der Mikroprozessor hat vorzugsweise auch eine Anzeigeeinrichtung 72 und einen seriellen Anschluß 74.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung berechnet der Mikroprozessor die Strömungsgeschwindigkeit unter Verwendung des vorher eingestellten Wertes für jedes Quantum und gemäß der empfangenen elektrischen Signale. Unter Verwendung der Strömungslieferdaten, wie sie typischerweise in einer Nachschlagtabelle enthalten sind, und durch Vergleichen des vorher eingestellten Quantenwertes mit einem Quantenwert in der Tabelle entsprechend der berechneten Strömungsgeschwindigkeit, kann der Mikroprozessor den vorher eingestellten Quantenwert auf einen anderen Wert ändern. Durch Wiederholen dieser Schritte des Berechnens und Vergleichens in abwechselnder Art und Weise kann der Mikroprozessor einen "wahren" Quantenwert erreichen und damit einen wahren Strömungswert.
Ebenfalls gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind Druck- und Temperatursensoren, die jeweils mit 108 und 110 bezeichnet sind (Fig. 17), in der Strömungskammer montiert und wirken dergestalt, daß sie fortlaufend den Mikroprozessor mit Druck- und Temperaturmessungen versorgen. Der Mikroprozessor berechnet auch irgendeine notwendige Einstellung des vorher eingestellten Wertes für das Volumen jeder Fluidmenge gemäß den empfangenen Druck- und Temperaturdaten.
Die Druck- und Temperaturmessungen können auch von der Mikrosteuerung 70 dazu verwendet werden, eine Alarmanzeige zu schaffen, wenn die Temperatur auf einen gefährlich hohen Wert steigt, was Feuer anzeigen kann, oder wenn der Druck unter einen vorbestimmten Schwellwert fällt, was als eine Anzeige für eine Leckage im System dienen kann.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung können mehrere Durchflußmesser vorgesehen sein, um eine sehr große Fluidströmung aufnehmen zu können, wobei das Fluidimpulssignal auf eine zentrale Mikrosteuerung gerichtet wird, um die Gesamtfluidströmungsgeschwindigkeit zu bestimmen.
Es wird nun auf die Fig. 18 Bezug genommen, die ein Blockschaltbild der zentralen Datensammeleinrichtung zeigt, welche den Durchflußmesser gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung arbeitet eine Wähleinrichtung 78, die zwischen dem Durchflußmesser und einer Haustelefonleitung 81 eine Verbindung erlaubt, dergestalt, daß automatisch eine Datenzentrale 106 angewählt wird, um dieser Information bezüglich der Fluidströmung, wie sie vom Durchflußmesser gemessen ist, zuzuschicken.
Es kann auch eine Zeitschaltung 76 vorgesehen sein, um die Wähleinrichtung 78 in einem vorgegebenen Intervall zu triggern, wie beispielsweise einmal im Monat, und vorzugsweise zu einem Zeitpunkt, bei dem die Telefonleitung wenig benutzt ist. Die Wähleinrichtung arbeitet vorzugsweise auch so, daß sie vom Zeitpunkt, zu dem sie durch die Zeitschaltung 76 getriggert ist, fortlaufend wählt, bis sie zur Zentrale 106 eine Verbindung geschaffen hat und die erforderliche Information übertragen kann. Für den Fall, daß die Verbindung unterbrochen wird, während die Information übertragen wird, kann die Wähleinrichtung 78, falls erforderlich, wiederholt solange wiederwählen, bis die Information erfolgreich übertragen worden ist.
Wie aus der Fig. 19 zu ersehen ist, kann die Kommunikation zwischen dem Durchflußmesser und einem Mini-Terminal 86 mittels eines ersten Empfängers/Senders 82, der mit dem Durchflußmesser verbunden ist, erfolgen und dem Mini-Terminal ist ein zweiter Empfänger/Sender 84 zugeordnet. Der Mini-Terminal kann auch mit einer Speichergruppe 88 und einer Anzeigetafel 90 versehen sein. Lokale Netze mit einer optische isolierten Einheit 92 können über einen Anschluß 94 am Mini-Terminal 96, wie in der Fig. 20 gezeigt, verwendet werden.
Wie aus der Fig. 21 zu ersehen ist, können Durchflußmesser 10, die gemäß einer bevorzugten Ausführungsform Gasdurchflußmesser sind, über ein Modem 104 an eine entfernte zentrale Datenverarbeitung angeschlossen sein. Dies ermöglicht nicht nur die regelmäßige Übertragung von Strömungsinformation von den Durchflußmessern auf die Datenverarbeitungszentrale, sondern es ermöglicht auch, daß die Datenverarbeitungszentrale eine Abfrage der Gasdurchflußmesser initiiert.
Wie für den Fachmann leicht zu ersehen ist, ist die vorliegende Erfindung nicht auf das vorstehend Beschriebene und Dargestellte begrenzt. Der Schutzumfang der Erfindung ist allein durch die folgenden Patentansprüche begrenzt.

Claims

1. Fluid-Durchflußmesser (10) mit einem Gehäuse (12) mit einer Fluideingangs- und Fluidausgangs-Öffnung (18, 22) und einem dazwischen definierten Fluidströmungsweg (14); einer flexiblen Membran (35), die ein Paar einander gegenüberliegende Seiten definiert und die mittels einander gegenüberliegenden ersten und zweiten Enden (51) in dem Fluidströmungsweg so montiert ist, daß das Paar einander gegenüberliegender Seiten zusammen mit dem Gehäuse (12) fluiddichte Dichtungen an wenigstens zwei unterschiedlichen Stellen entlang des Strömungsweges (14) bildet, wobei die Membran (35) so gebogen werden kann, daß sie einen Durchlaß von diskreten Fluidquanten an ihr vorbei erlaubt, die jeweils ein bekanntes Volumen haben; Mitteln zum Erzeugen von elektrischen Signalen entsprechend der Biegung der Membran (35); und eine Überwachungseinrichtung (70) zum Empfangen der elektrischen Signale und dadurch zum Bestimmen einer Fluidströmungsgeschwindigkeit entlang des Strömungsweges (14); dadurch gekennzeichnet , daß das erste Ende (51) der Membran (35) stromab der Fluideingangsöffnung (18) montiert ist und ein Führungsapparat (48, 60) zum Führen der Membran (35) innerhalb des Gehäuses (12) in der Nähe von wenigstens dem ersten Ende (51) montiert ist, um an der Membran (35) in einer der zwei jeweiligen Positionen anzuliegen, die jeweils vor und nach dem Freilassen eines Quantums Fluid eingenommen werden.

2. Fluid-Durchflußmesser (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Führungsapparat (48, 60) eine Führungsverlängerung (60) aufweist.

3. Fluid-Durchflußmesser (10) nach Anspruch 2,

wobei die Führungsverlängerung (60) durchlässig ist.

4. Fluid-Durchflußmesser (10) nach Anspruch 2 oder 3,

wobei die Membran (35) mit einem elektrischen Kontakt (61) versehen ist, um einen entsprechenden elektrischen Kontakt (63), der an der Führungsverlängerung (60) montiert ist, zu kontaktieren.

5. Fluid-Durchflußmesser (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4,

wobei der Führungsapparat (48, 60) ein Führungselement (48) aufweist.

6. Fluid-Durchflußmesser (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche,

wobei die flexible Membran (35) eine Schicht aus piezoelektrischem Material (46) aufweist.

7. Fluid-Durchflußmesser (10) nach Anspruch 6,

wobei die flexible Membran (35) zusätzlich ein Paar metallisierte Schichten (38, 40) aufweist, die das piezoelektrische Material (36) umgeben.

8. Fluid-Durchflußmesser (10) nach Anspruch 7,

wobei die metallisierten Schichten (38, 40) diskrete Metallstreifen (44) aufweisen, die auf einer oder beiden Seiten des piezoelektrischen Materials (36) aufgelegt sind.

9. Fluid-Durchflußmesser (10) nach einem der Ansprüche 6 bis 8,

wobei das piezoelektrische Material Polyvinylidenfluorid ist.

10. Fluid-Durchflußmesser (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche,

wobei die flexible Membran (35) entlang ausgewählter Abschnitte ihrer Länge einen unterschiedlich dicken Querschnitt hat, um die Möglichkeit des Versagens der Membran infolge von Ermüdungbeanspruchungen zu verringern.

11. Fluid-Durchflußmesser (10) nach Anspruch 10,

wobei die flexible Membran (35) an ihren Enden (46) jeweils mit einer Querschnittverdickung versehen ist.

12. Fluid-Durchflußmesser (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche,

wobei das Gehäuse (12) eine erste Endaufnahmekammer (26) zum Aufnehmen des Fluidstroms aus der Fluideingangsöffnung (18) vor dem Fluiddurchgang durch den Fluidströmungsweg (14) aufweist, wobei die Kammer (26) ermöglicht, daß in ihr Überbleibsel aus dem Fluid abgeschieden werden, bevor dieses durch den Fluidströmungsweg (14) fließt.

13. Fluid-Durchflußmesser (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche,

wobei die flexible Membran (35) weiterhin ein Paar Kanten (33) definiert, die in entsprechenden Ebenen im wesentlichen parallel zur Fluidströmungsrichtung liegen, und daß der Fluidströmungsweg (14) entlang wenigstens eines Teils seiner Länge eine gleichförmige Querschnittsform aufweist, wobei die fluidundurchlässigen Dichtungen entlang desselben vorgesehen sind.

14. Fluid-Durchflußmesser (10) nach Anspruch 13,

wobei ein Teil der Länge des Fluidströmungsweges, der eine gleichförmige Querschnittsform hat, eine rechteckige Querschnittsform hat und durch ein erstes und ein zweites Paar paralleler Wände (30, 29) begrenzt ist, wobei die Membran (35) zwischen diesen so angeordnet ist, daß die jeweiligen Ebenen, in welchen die Membrankanten (33) liegen, im wesentlichen parallel zu dem ersten Paar Wände (30) ausgerichtet sind.

15. Fluid-Durchflußmesser (10) nach Anspruch 14,

wobei das zweite Paar paralleler Wände (29) nicht starr ist.

16. Fluid-Durchflußmesser (10) nach Anspruch 15,

wobei das zweite Paar paralleler Wände (29) aus einem flexiblen Elastomer hergestellt ist.

17. Fluid-Durchflußmesser (10) nach einem der Ansprüche 14 bis 16,

wobei die fluidundurchlässigen Dichtungen an wenigstens drei Stellen entlang des Fluidströmungswegs (14) definiert sind.

18. Fluid-Durchflußmesser (10) nach Anspruch 17,

wobei die Membrankanten (33) von dem ersten Paar Wände (30) einen Abstand aufweisen, der im wesentlichen gleich einer Fluid-Grenzschichtdicke ist.

19. Fluid-Durchflußmesser (10) nach einem der Ansprüche 14 bis 18,

wobei die flexiblbe Membran (35) eine rechteckige Form hat und so ausgerichtet ist, daß ihre Längsachse parallel zur Strömungsrichtung liegt.

20. Fluid-Durchflußmesser (10) nach einem der Ansprüche 14 bis 19,

wobei die ersten und zweiten Enden (51) der flexiblen Membran (35) so montiert sind, daß sie um jeweilige erste und zweite Achsen, die sich parallel zu dem zweiten Paar Wände (29) erstrecken und durch das erste Paar Wände (30) gehen, teilweise drehen können.

21. Fluid-Durchflußmesser (10) nach einem der Ansprüche 14 bis 20,

wobei das erste Paar Wände (30) eine nach innen weisende Fläche aufweist, die antistatische und wasserabweisende Eigenschaften hat.

22. Fluid-Durchflußmesser (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche,

wobei die Uberwachungseinrichtung (70) über eine gemessene Zeitspanne elektrische Signale empfängt, die Rate der elektrischen Signale bestimmt, das Volumen der Quanten, basierend auf der elektrischen Signalrate bestimmt und dabei eine Fluidströmungsgeschwindigkeit entlang des Strömungswegs (14) ermittelt.

23. Fluid-Durchflußmesser (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche,

mit weiterhin einem Temperatursensor (110) zum Erfassen der Temperatur des Fluids.

24. Fluid-Durchflußmesser (10) nach Anspruch 23,

wobei die Ablesungen, die vom Temperatursensor (110) erzeugt werden, dazu verwendet werden, eine Alarmanzeige zu liefern, wenn die Temperatur des Fluids über einen vorbestimmten Wert steigt.

25. Fluid-Durchflußmesser (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche,

mit weiterhin einem Drucksensor (108) zum Erfassen des Fluiddrucks.

26. Fluid-Durchflußmesser (10) nach Anspruch 25,

wobei die Ablesungen, die vom Drucksensor (108) erzeugt werden, dazu verwendet werden, eine Alarmanzeige zu liefern, wenn der Fluiddruck unter einen vorbestimmten Schwellwert fällt.

27. Fluid-Durchflußmesser (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche,

mit weiterhin sowohl einem Drucksensor (108) als auch ein Temperatursensor (110) vorgesehen sind, wobei ein vorbestimmter Wert des Volumens jedes Quantums Fluid in Übereinstimmung mit den von diesen Sensoren erhaltenen Druck- und Temperaturdaten eingestellt ist.

28. Fluid-Durchflußmesser (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit weiterhin einer zentralen Datensammeleinheit, mit der der Durchflußmesser (10) Information bezüglich der Fluidströmung, wie sie durch den Durchflußmesser (10) gemessen ist, austauschen kann.

29. Fluid-Durchflußmesser (10) nach Anspruch 28, wobei der Fluid-Durchflußmesser (10) mit der zentralen Datensammeleinheit (106) mittels einer Wähleinrichtung (78) und einer Telefonleitung (81) kommunizieren kann, wobei die Wähleinrichtung (78) so arbeitet, daß sie automatisch die zentrale Datensammeleinheit (106) anwählt und die Information zu ihr hinschickt.

30. Fluid-Durchflußmesser (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche,

wobei die vorher eingestellten Werte für Volumen jedes Quantums Fluid bei verschiedenen Strömungsgeschwindigkeiten in einer Nachschlagtabelle enthalten sind.

31. Fluid-Strömungsmesser (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche,

wobei ein vorher eingestellter Wert des Quantums Fluid mit einem Quantumswert entsprechend der berechneten Strömungsgeschwindigkeit ver-glichen wird, wobei der vorher eingestellte Wert in Abhängigkeit von diesem Vergleich auf einen anderen Wert geändert wird, derart, daß die durch Wiederholen der Rechenschritte und des Vergleichens der Werte in iterativer Weise der vorher eingestellte Wert in einen "wahren" Quantumswert geändert wird.

32. Fluid-Durchflußmesser (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche,

wobei die Überwachungseinrichtung (70) eine Einrichtung (68) zum Speichern eines vorbestimmten Volumenwertes für ein einzelnes Quantum des Fluidstroms, eine Einrichtung (70) zum Berechnen einer Fluidströmungsrate entsprechend einer Anzahl von elektrischen Signalen, die über eine gemessene Zeitspanne erhalten worden sind, eine Einrichtung (70) zum Veregleichen des vorbestimmten Wertes für ein einzelnes Quantum mit einem Volumenwert entsprechend der Strömungslieferungs-Charakteristika des Durchflußmessers (10) bei der ersten Strömungsrate, eine Einrichtung (70) zum Einstellen des vorbestimmten Wertes auf einen Volumenwert entsprechend der Strömungslierferungscharakteristika und eine Einrichtung (70) zum wiederholten Einstellen des vorbestimmten Volumenwertes eines einzelnen Fluidquantums aufweist, um einen steigend genaueren Durchflußwert zu erhalten.