DE69127550T2

DE69127550T2 - Durchflussmesser für fluide

Info

Publication number: DE69127550T2
Application number: DE69127550T
Authority: DE
Inventors: Dov Ingman
Original assignee: Measurement Tech International
Current assignee: Measurement Tech International
Priority date: 1988-06-10
Filing date: 1991-06-24
Publication date: 1998-01-08
Anticipated expiration: 2011-06-25
Also published as: WO1993000571A1; ATE157767T1; EP0591190A1; DE69127550D1; EP0591190A4; IL86705A0; EP0591190B1; ES2104713T3; US4920794A

Description

Die Erfindung betrifft allgemein Vorrichtungen zum Messen des Volumens eines Fluidstroms und insbesondere ein Fluiddurchflußmeßgerät mit einer flexiblen Membran, die so wirkt, daß sie den Fluiddurchgang in einzelnen Mengen erlaubt, d. h. als Wanderwellen.
Wanderwellen-Fluidmeßgeräte arbeiten allgemein durch das Messen der Schwingungsrate eines Glieds, das schwingt bzw. sich verbiegt, wenn Fluid über das Glied fließt. Eine Frühform des Fluidmeßgeräts enthielt eine sich biegende Metallfeder, die in einer Fluidflußkammer eingespannt war, und einen mechanischen Zähler zum Anzeigen der Fluidmenge, die durch die Kammer fließt. In einer neueren Art von Wanderwellen-Fluidmeßgeräten verwendet man eine schwingende Membran, die aus piezoelektrischem Material hergestellt ist, das abhängig von der Schwingungsrate elektrische Signale erzeugt.
Der Gebrauch derartiger Durchflußmeßgeräte beschränkt sich ganz allgemein auf das Messen inkompressibler Fluide, beispielsweise Flüssigkeiten. Eine Metallfeder kann einer Gasströmung sehr großen Widerstand entgegensetzen. Eine leichte Membran, die bei hohen Flußraten Turbulenzen und bei erhöhten Temperaturen Verformungen ausgesetzt ist, kann zu Fehlern in der Signalverarbeitung führen, die zur Durchflußmessung mit einer derartigen Vorrichtung erforderlich ist.
In WO90/00248 ist ein verbesserter Typ eines Wanderwellen-Durchflußmeßgeräts offenbart, in der eine Membran für die Wanderwellen des Fluidflußes bereitgestellt ist, die so leicht wie möglich ist und gleichzeitig den freien Fluß von Fluid hinter die Membran wirksam verhindert. Die Biegeeigen schaften der Membran sind dabei dauerhaft. Ungeachtet dieser Offenlegung hat sich gezeigt, daß Metallfolien zur Korrosion neigen und daß sich Kunststoffmembranen leicht dauerhaft verformen, und zwar besonders dann, wenn sie hohen Temperaturen ausgesetzt sind. Dies stört die Schwingung der Membran. Es wäre auch wünschenswert, eine Wanderwellenmembran bereitzustellen, die weitgehend von Schwerkrafteinflüssen durch die Lage des Durchflußmeßgeräts frei bleibt, und die auch formstabil gegen Verdrehungen der Membran wäre, um einen freien Fluß hinter die Membrankanten zu verhindern.
Erfindungsgemäß wird ein Fluiddurchflußmeßgerät bereitgestellt, umfassend:
ein Gehäuse, das ein Paar Fluidöffnungen aufweist, zwischen denen ein Fluidflußpfad bestimmt ist; und
eine flexible Membran, die sich in Längsrichtung des Fluidflusses erstreckt und an gegenüberliegenden Längsendbereichen der Membran im Gehäuse montiert ist, wobei die Membran so eingerichtet ist, daß sie sich biegen kann und den Durchgang einzelner Fluidmengen entlang des Fluidpfads erlaubt und jede Fluidmenge ein bekanntes Volumen hat, das sich abhängig von der Flußrate ändert,
gekennzeichnet durch mindestens ein längliches elastisches Glied, das in die Membran aufgenommen ist und eine Anzahl elastischer Linien bildet, die zwischen den Längsendbereichen der Membran in Richtung des Fluidflußpfads verlaufen, um der Membran für eine Wellenbewegung durch Verbiegen Elastizität zu verleihen.
Es können Einrichtungen bereitgestellt sein, die entsprechend der Membranbiegung elektrische Signale erzeugen. Es können auch Einrichtungen zum Empfangen der elektrischen Signale über eine gemessene Zeitdauer vorgesehen sein, um die Rate der elektrischen Signale zu bestimmen und abhängig von den elektrischen Signalen das Volumen der Fluidmengen zu erfassen und damit eine Fluiddurchflußrate auf dem Flußpfad zu ermitteln.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfaßt die Vorrichtung zum Erzeugen elektrischer Signale erste und zweite piezoelektrische Glieder, die jeweils auf ersten und zweiten Anschlagvorrichtungen auf gegenüberliegenden Seiten der Membran angeordnet sind. Die piezoelektrischen Glieder sind elektrisch mit einer Beobachtungseinrichtung verbunden, so daß die Schwingung der Membran bewirkt, daß die Membran abwechselnd die Anschlagglieder berührt und beim Freigeben einer jeden Fluidmenge ein elektrisches Signal erzeugt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung enthält die Beobachtungseinrichtung eine Vorrichtung zum Identifizieren der elektrischen Signale, die durch die Membranbiegung beim Freigeben einer einzelnen Fluidmenge erzeugt werden. Die Beobachtungseinrichtung enthält zudem bevorzugt Einrichtungen zum abwechselnden Empfangen elektrischer Signale aus ersten und zweiten piezoelektrischen Gliedern, um Signale auszufiltern, die nicht durch die regelrechte Membranschwingung erzeugt werden.
Die Erfindung wird nunmehr zur besseren Darstellung und um zu zeigen, wie sie ausgeführt werden kann, beispielhaft mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben.
Es zeigt:
Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines Fluidmengen-Durchflußmeßgeräts, das gemäß WO90/00248 aufgebaut ist;
Fig. 2 eine Schnittansicht des Durchflußmeßgeräts nach Fig. 1 entlang der Linie 2-2 in Fig. 1;
Fig. 3 einen Querschnitt entlang der Linie 3-3 in Fig. 2;
Fig. 4 einen Querschnitt entlang der Linie 4-4 in Fig. 3;
Fig. 5 eine vergrößerte Einzelheit eines Teils des Querschnitts in Fig. 4;
Fig. 6 eine vergrößerte Einzelheit eines Teils des Querschnitts in Fig. 4, aufgebaut gemäß einer weiteren Möglichkeit;
Fig. 7 eine Schnittdarstellung eines Abschnitts eines piezoelektrischen Glieds, das im Durchflußmeßgerät nach Fig. 1 gut verwendbar ist;
Fig. 8 eine vergrößerte Querschnittsansicht entlang der Linie 8-8 in Fig. 3;
Fig. 9 eine Blockdiagrammdarstellung der elektronischen Einrichtung, die zum erfindungsgemäßen Fluiddurchflußmeßgerät gehört;
Fig. 10 eine Draufsicht einer ersten Ausführungsform einer flexiblen Membran;
Fig. 11 eine Querschnittsansicht der Ausführungsform nach Fig. 10 entlang der Linie 26-26;
Fig. 12 eine Draufsicht einer weiteren Ausführungsform einer flexiblen Membran;
Fig. 13 eine Querschnittsansicht der Ausführungsform nach Fig. 12 entlang der Linie 28-28;
Fig. 14 eine Draufsicht einer weiteren Ausführungsform einer flexiblen Membran;
Fig. 15 eine Querschnittsansicht der Ausführungsform nach Fig. 14 entlang der Linie 30-30;
Fig. 16 eine Draufsicht einer weiteren Ausführungsform einer flexiblen Membran;
Fig. 17 eine Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform der flexiblen Membran;
Fig. 18 eine ähnliche Darstellung wie in Fig. 8, jedoch mit einer Anordnung gemäß einer weiteren abgewandelten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 19 eine ähnliche Darstellung wie in Fig. 8, jedoch mit einer weiteren abgewandelten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 20 eine ähnliche Darstellung wie in Fig. 3, die einen Mechanismus wiedergibt, der die Membran in Zeitabschnitten ohne Fluß eben hält; und
Fig. 21 eine ähnliche Darstellung wie in Fig. 20, die einen Mechanismus zum Einstellen der Spannung an der Membran abbildet.
Es wird nun Bezug auf Fig. 1, 2 und 3 genommen. Sie zeigen ein bekanntes Verdrängungs-Fluiddurchflußmeßgerät 10 gemäß WO90/00248, das ein Gehäuse 12 enthält, das eine Fluidflußkammer 14 (Fig. 2) bestimmt. Die Fluidflußkammer 14 weist erste und zweite Enden 16 und 20 auf und hat entsprechende erste und zweite Fluidöffnungen 18 und 22.
Obgleich die Fluidöffnungen 18 und 22 jeweils als Einlaß bzw. Auslaß wirken, geht aus der Beschreibung zu WO90/00248 hervor, daß die innere Anordnung des Durchflußmeßgeräts 10 so gestaltet ist, daß ein Fluidfluß in jeder gewählten Richtung stattfinden kann und mit jeder beliebigen bevorzugten Ausrichtung des Durchflußmeßgeräts.
Gemäß einer bevorzugten Verwendung wird das Durchflußmeßgerät 10 zum Messen des Flußes von kompressiblen Fluiden eingesetzt, beispielsweise von Gasen. Da das Durchflußmeßge rät jedoch auch zum Messen von inkompressiblen Fluiden verwendbar ist, beispielsweise Öl oder Wasser, wird in diesem Text bis auf die Stellen, an denen dies nicht möglich ist, stets der Fluß von "Fluid" beschrieben.
Das Gehäuse 12 enthält eine Aufnahmekammer 25 am ersten Ende zum Aufnehmen des Fluidflußes vom Einlaß 18, bevor das Fluid durch die Flußkammer 14 läuft. Die Kammer 26 erlaubt es, jeden Schmutz, und bei einer Gasströmung, jegliche Feuchtigkeit in der Kammer abzuscheiden, bevor der Strom durch die Flußkammer 14 fließt. Weiterhin ist am zweiten Ende eine der Kammer 26 am ersten Ende ähnliche Kammer 27 bereitgestellt, um jeglichen abgeschiedenen Schmutz bzw. jegliche Feuchtigkeit aufzunehmen, falls der Fluß entgegen der dargestellten Richtung stattfindet.
Einzelne Fluidmengen mit jeweils bekanntem Volumen können über eine Membran 35 laufen. Der Volumendurchfluß ist aus der Anzahl derartiger Mengen bestimmbar, die über die Membran laufen. Dies ist in WO90/00248 ausführlicher beschrieben. Der Inhalt dieser Schrift ist hier durch Bezugnahme eingeschlossen. Die Membran 35 ist so angeordnet, daß die Membrankanten 33 sehr eng an den Seitenwänden 29 anliegen, wenn kein Fluß auftritt. Der Abstand zu den Seitenwänden liegt normalerweise in der Größenordnung einiger 20 Mikron, so daß jeglicher Flüssigkeitsdurchtritt hinter die Membran verhindert wird. Tritt ein Fluß auf, so bevorzugt man, daß der Spalt zwischen den Membrankanten und den Seitenwänden kleiner wird.
Es wird nun zusätzlich Bezug auf Fig. 4 und 5 genommen. Die Flußkammer 14 ist daher mit einem Paar erster bevorzugt steifer Seitenwände 30 und einem Paar zweiter weicher Seitenwände 29 versehen, die aus einem flexiblen Elastomer hergestellt sind, beispielsweise Gummi. Läuft ein Fluid über die Membran 35, so fällt der Druck in der Flußkammer 14, und die zweiten flexiblen Seitenwände 29 neigen daher dazu, sich geringfügig nach innen zu bewegen und den Spalt zwischen den Kanten 33 der Membran und den Seitenwänden 29 auf die Dicke einer Fluidgrenzschicht zu vermindern. Durch den großen Strömungswiderstand entlang des Spalts wird daher eine Undichtigkeit dauerhaft verhindert. Die Einwärtsbewegung der Seitenwände 29 wird durch Abstände 31 weiter vereinfacht, die nahe an den Kanten 33 der Membran 35 bereitgestellt sind.
Es wird nun kurz Bezug auf Fig. 6 genommen. Werden die Seitenwände nicht aus flexiblen Materialien hergestellt, so hat sich gezeigt, daß eine Fluidundichtigkeit durch Versehen der Seitenwände mit einer angerauhten Oberfläche 32 (auch in Fig. 3 dargestellt) dauerhaft verhindert werden kann.
Es wird nun besonders Bezug auf Fig. 2 genommen. Die Seitenwände 30 sind bevorzugt mit einer dünnen Schicht eines antistatischen und hydrophoben Materials bedeckt, beispielsweise kohlenstoffhaltigem Polyethylen. Diese Schicht verhindert den Aufbau statischer Elektrizität in der Flußkammer und die Kondensation von Feuchtigkeit an den Seitenwänden, die sonst die Biegung der Membran 35 stören könnten. Der weiteren Beschreibung ist zu entnehmen, daß es wichtig ist, die unbehinderte Bewegung der Membran 35 aufrecht zu erhalten. Gemäß einer anderen Ausführungsform können die Seitenwände insgesamt aus einem antistatischen und hydrophoben Material hergestellt sein.
Es wird nun besonders Bezug auf Fig. 7 genommen. Sie zeigt einen Querschnitt durch einen Abschnitt der Membran 35, die piezoelektrisch ist und eine dünne Schicht 36 aus piezoelektrischem Material enthält, z. B. Polyvinyldifluorid, und umgebende metallisierte Schichten, die mit 38 und 40 bezeichnet sind.
Eine bevorzugte Form der Membran 35 ist in der Flußkammer 14 im wesentlichen vertikal angeordnet. Damit vermeidet man eine mögliche asymmetrische Funktion der Membran durch Schwerkrafteinwirkung.
Fig. 2 zeigt, daß die Membran 35 bevorzugt länger ist als die Länge der Flußkammer 14, in der sie untergebracht ist. Damit stellt man sicher, daß die Membran 35 wellenförmig angeordnet ist und daß die ebenen Seiten 42 der Membran ständig in die Seitenwände 30 der Flußkammer eingreifen, und zwar bevorzugt an mindestens drei Stellen.
Es wird nun Bezug auf Fig. 2 genommen. Sie zeigt, daß die Membran 35 in diesem Beispiel an ihren Enden 51 an Stäben 52 befestigt ist. Jeder Stab 52 ist seinerseits mit Hilfe einer Feder 53, die in einem Gehäuse 56 enthalten ist, an einem festen Stab 54 montiert. Man sieht, daß durch diese Befestigungsart eine begrenzte Längsbewegung der Membran in der Flußkammer 14 möglich ist.
Es wird nun Bezug auf Fig. 2 und 8 genommen. Es sind verrundete Führungsblöcke 48 bereitgestellt, um eine Instabilität der Membran 35 herbeizuführen. Man beachte, daß für jedem Durchlauf einer Fluidmenge durch die Membran eine außerordentlich rasche Lageänderung durch eine Biegung der Membran 35 erforderlich ist. Das Bereitstellen der Führungsblöcke unterstützt das Umschalten der Membran von einer Stellung in die andere mit sehr geringer zugeführter kinetischer Energie, wie sie bei Gasströmungen auftritt.
Die Membran 35 bewegt sich im allgemeinen nicht in Längsrichtung der Flußkammer, wenn die einzelnen Fluidmengen das Durchflußmeßgerät durchlaufen und die Membran in eine Wellenbewegung versetzen. Gleichwohl "wandern" die Berührpunkte zwischen der Membran und den Flußkammerwänden in der Richtung des Fluidflußes. Dabei bewegt sich die Membran durch Biegung aus einer ersten Stellung gerade vor dem Freigeben einer Fluidmenge in eine zweite Stellung ganz kurz nach der Freigabe der Menge.
Es können Führungsfortsätze bereitgestellt sein, die beispielsweise aus Drahtgeflecht hergestellt sind. Da die Führungsfortsätze deswegen den Fluidfluß nicht stören, sind sie ähnlich wie die Membran angeordnet, und zwar in ihren beiden jeweiligen Stellungen gerade vor und nach der Freigabe einer Fluidmenge. Wenn die Berührpunkte zwischen der Membran und den Kammerwänden, die mit Punkten der größten Membrankrümmung zusammenfallen, die Flußkammer entlang und zum Kammerende hin laufen, so lösen sie sich von den Seitenwänden 30 und laufen auf die Führungsfortsätze. Die Fortsätze unterstützen das Erzeugen eines Instabilitätsgrads, der bei relativ kleiner zugeführter kinetischer Energie bewirkt, daß die Membranstellung relativ rasch zwischen der Stellung gerade vor und gerade nach dem Freigeben der Fluidmenge wechselt.
Es wird nun Bezug auf Fig. 3 und 9 genommen. Sie zeigen eine elektrische Verbindung 47 zu einer metallisierten Schicht der piezoelektrischen Membran 35, um einer Pulserfassungseinheit 66 (Fig. 17) elektrische Signale zuzuführen, die durch die Membranbewegung entstehen.
Die Pulserfassungseinheit enthält bevorzugt eine elektronische Signalverarbeitungsschaltung, die so betrieben wird, daß sie eine besondere Pulsform erkennt oder ein elektrisches Signal, das der Membranbiegung zum Zeitpunkt der Freigabe einer Fluidmenge aus dem Auslaß 22 des Fluiddurch flußmeßgeräts entspricht. Natürlich ist es wichtig, daß man solche Pulse von Hintergrundsignalen unterscheiden kann, die die Membran dauernd erzeugt.
Ein Wert für das Volumen einer jeden Fluidmenge ist entweder vorhanden oder vorbestimmt und in einem Speicher 68 eines Mikroprozessors 70 abgelegt, so daß jedes empfangene Signal den Fluß eines Bezugsvolumens des Fluids durch das Durchflußmeßgerät darstellt. Der Mikroprozessor weist auch bevorzugt eine Anzeige 72 und einen seriellen Kommunikationsport 74 auf.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann der Mikroprozessor die Flußrate unter Verwendung des voreingestellten Werts für jede Menge und mit den empfangenen elektrischen Signalen berechnen. Der Mikroprozessor verwendet dazu Ausflußmengendaten, die normalerweise in einer Tabelle enthalten sind, und bildet durch den Vergleich des voreingestellten Mengenwerts mit dem Mengenwert einen Differenzwert. Der Mikroprozessor wiederholt diese Berechnungsund Vergleichsschritte iterativ und kann damit einen "tatsächlichen" Mengenwert erhalten und damit einen tatsächlichen Durchflußwert.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind in der Flußkammer Druck- und Temperatursensoren montiert (mit 108 bzw. 110 bezeichnet, siehe Fig. 9), die dem Mikroprozessor fortlaufend Druck- und Temperaturmeßwerte liefern. Der Mikroprozessor berechnet auch gemäß den empfangenen Druck- und Temperaturdaten alle nötigen Einstellungen des Momentanwerts für das Volumen jeder Fluidmenge.
Der Mikrocontroller 70 kann die Druck- und Temperaturmeßwerte auch dazu verwenden, eine Alarmanzeige auszulösen, wenn die Temperatur einen gefährlich hohen Wert erreicht, der einen Brand anzeigen kann, oder wenn der Druck unter einen vorbestimmten Grenzwert fällt, der zur Anzeige eines Lecks im System dienen kann.
Es wird nun die Erfindung gemäß der Darstellung in Fig. 10 und 11 betrachtet. Eine erste Ausführungsform der Membran ist eine Membran 115, die von einer oberen Schicht 116 und einer unteren Schicht 118 gebildet wird. Die beiden Schichten sind entlang ihrer längs verlaufenden Außenkanten 120 verbunden, üblicherweise durch Heißsiegeln oder mit einem Kleber. Da die Membran so leicht wie möglich sein soll, damit sie in jeder Lage mit einem geringstmöglichen Schwerkrafteinfluß arbeiten kann, können die flexiblen Schichten der Membran so ausgebildet sein, daß sie jeweils ungefähr 5 Mikron dick sind. In dieser Ausführungsform kann das Membranmaterial aus einem flexiblen Kunststoff bestehen, bei spielsweise aus Polyethylen. Andere thermoplastische oder heißhärtende Kunststoffe können ebenfalls geeignet sein. Es hat sich gezeigt, daß sich sehr viele Kunststoffe wie ein Thermoplast verhalten und sich bei hohen Temperaturen verformen. Sie stören dadurch die Eigenbiegebewegung des Materials und können sich so stark verformen, daß der Fluidfluß blockiert wird. Metallfolien widerstehen zwar der Verformung durch starke Hitzeeinwirkung, sie unterliegen aber der Korrosion und neigen zu Bruch und Ausfall. Man bringt nun Streifen 122 a, b, c aus einem flexiblen Material, das seine Biegeeigenschaften auch bei hohen Temperaturen behält, in der Hülle an, die die oberen und unteren Schichten der Zweischichtmembran bilden. Es hat sich gezeigt, daß die Membran dadurch ihre Biegeeigenschaften auch bei hohen Temperaturen behält, daß die Korrosionsbeständigkeit erhalten bleibt, und daß die Membran aus ganz besonders dünnen Schichten aus flexiblem Kunststoffmaterial hergestellt werden kann. Die Streifen 122 sind normalerweise aus Glasfasern hergestellt, z. B. Lichtleitern. Sie können jedoch auch aus Graphitfasern oder Gewebefasern bestehen. Sie können auch aus dünnen Metallstreifen geformt sein.
Es wird nun Bezug auf Fig. 12 und 13 genommen. Sie zeigen eine weitere Form der flexiblen Membran, in der eine einzelne Schicht flexiblen Materials 125 verwendet wird, das dem Material ähnlich ist, das bei der Doppelschichtmembran 115 verwendet wurde. Die Membran enthält mehrere Streifen 132 a, b, c, d, die an den äußeren Längskanten der Membran befestigt sind. Weitere Streifen könnten auch an anderen Stellen in Langsrichtung der Membran montiert sein. Das Gehäuse 126 ist mit entsprechenden inneren Kanälen 128 ausgebildet, die im Gehäuse verlaufen und Führungen für die Biegebewegung der Streifen bilden. Die Streifen sind an den Kanten 130 der Membran befestigt. Die Streifen 132 können in ähnlicher Weise aus Glasfasern, Graphitfasern, Gewebe, Metallstreifen usw. bestehen und werden bevorzugt an der äußeren Fläche der Membran befestigt, z. B. mit einem Kleber. In der Ausführungsform nach Fig. 10 und 11 sind die Streifen 122 bevorzugt nur an den Längsenden 114 a, b der Membran an dieser befestigt. Man beachte auch, daß die Streifen aus wärmebeständigem flexiblen Material geradlinig oder gekrümmt ausgeführt werden können. Die Streifendicke kann sich über der Streifenlänge verändern, um die Biegeeigenschaften der Membranen zu verändern und anzupassen.
Eine weitere Form einer Zweischichtmembran ist in Fig. 14 und 15 dargestellt. Sie zeigen eine längliche Spule aus wärmebeständigem Fasermaterial, das in einer abgedichteten Hülle angeordnet ist, die zwischen den beiden Schichten der Membran 115 ausgebildet ist. Die Spule 134 dehnt sich natürlich so aus, daß sie sich entlang des Hülleninnenrands anordnet und insbesondere entlang der Längskanten 120 der Membran verläuft. Die längliche Faser ist bevorzugt eine lose Spule innerhalb der Membran und besteht normalerweise aus Glasfasern, beispielsweise Lichtleitern. Graphitfasern und Gewebefasern sind ebenfalls geeignet.
Um eine Membran zu erzeugen, die eine unterschiedliche Elastizität über der Membranlänge aufweist, kann die Spule 134 in regelmäßigen Abständen über der Membranlänge mit Faserverbindungsbändern 135 zusammengebunden werden. Damit ist einsichtig, daß der Abschnitt der Spule 136 zwischen dem längs verlaufenden Teil der Spule 137 an den Verbindungsbändem und der längs verlaufende Teil der Spule 138 am Innenrand der Membranhülle einen größeren Widerstand gegen eine Längsbiegung der Membran aufweist. Damit kann die regelmäßige biegende und pulsierende Schwingungseigenschaft der Membran gefördert werden (siehe Fig. 16).
Fig. 17 zeigt noch eine weitere Form einer Membran mit Verstärkungsfasern oder Streifen, die es der Membran ermöglichen, ihre Schwingungseigenschaften beizubehalten. Die einzelne Membranschicht 140 enthält eine Anzahl innerer Kanäle 142, die lose längliche Fasern 144 enthalten. Die Fasern gleichen den oben beschriebenen Fasern. Die Fasern 144 sind ebenfalls bevorzugt nur an den Längsenden 114 a, b der Membran befestigt, um eine freie Biegung der Membran zu gestatten. Eine derartige in Fig. 17 dargestellte Einschichtmembran ist normalerweise ungefähr 60 Mikron dick.
Es hat sich ebenfalls gezeigt, daß die Membranbiegung aufgrund des Fluidflußes durch das Durchflußmeßgerät auch Membranschwingungen erzeugen kann, die nicht zu einzelnen Mengen des Fluidflußes gehören. Dadurch wird es für die Signalverarbeitungsschaltung schwierig, zwischen den Signalpulsen zu unterscheiden, die Mengen des Fluidflußes darstellen, und den Schwingungen, die insbesondere bei hohen Fluidflußraten einen turbulenten Fluß im Meßgerät erzeugen können.
In Fig. 18 ist eine Ausführungsform des Durchflußmeßgeräts dargestellt, die zum Unterscheiden zwischen Signalpulsen, die die Fluidflußmengen darstellen, und Schwingungspulsen besonders nützlich ist. Eine Doppelschichtmembran mit einer oberen Schicht 116 und einer unteren Schicht 118, zwischen denen die mittlere Schicht aus flexiblem Stützmaterial 122 verläuft, erstreckt sich zwischen Führungsblöcken 148. An den Führungsblöcken 148 sind Anschlagglieder 150 montiert, die von den inneren Flächen 151 des oberen und unteren Führungsblocks ausgehen. Die Anschlagglieder dienen somit als Führungsfortsätze und begrenzen auch die Biegebewegung der Membran, die beim Biegen nacheinander an die Anschlagglieder schlägt. Die Anschlagglieder werden gegenwärtig normalerweise aus dünnen Blattfedern hergestellt. Piezoelektrische Elemente 152 a, b sind an den Längsenden 153 montiert und bevorzugt an den Außenflächen der Blattfeder Anschlagglieder. Die abwechselnde Biegung bewirkt, daß die Membran an die Anschlagglieder schlägt. Dadurch erzeugen die piezoelektrischen Elemente nacheinander Signalpulse, die den Durchgang einer Menge des Fluidflußes darstellen. Die piezoelektrischen Elemente sind elektrisch mit dem Pulsdetektor der Signalverarbeitungsschaltung verbunden, siehe Fig. 9.
Um die Signale, die dadurch entstehen, daß die Membran schwingt und an die Anschlagglieder anschlägt, von den Signalpulsen zu unterscheiden, die beim Durchgang von Mengen des Fluidstroms entstehen, enthält der Pulsdetektor eine Diskriminatorschaltung 156, die allgemein Signale über einem vorbestimmten Schwellwert durchläßt. Die Diskriminatorschaltung 156 speist die empfangenen Signale in eine Flip-Flop- Schaltung 158 ein. Die Flip-Flop-Schaltung 158 leitet einzelne Pulssignale in abwechselnder Folge vom ersten und zweiten piezoelektrischen Element an den Mikrocontroller 70.
Fig. 19 zeigt eine andere Anordnung der Membran zwischen Anschlaggliedern, damit ein piezoelektrisches Element Signalpulse hauptsächlich dann erzeugt, wenn die Membran an die Anschlagglieder schlägt. Die Anordnung gleicht der Anordnung in Fig. 18, das piezoelektrische Element 154 ist jedoch in Form eines piezoelektrischen Films bzw. einer piezoelektrischen Schicht auf der Membran befestigt. Der piezoelektrische Film kann an einer Außenfläche der Membran befestigt sein, siehe Fig. 19, oder er kann lose zwischen den beiden Schichten der Membranhülle liegen. Biegt sich die Membran von einer ersten Stellung, in der sie an ein erstes Anschlagglied stößt, in eine zweite Stellung, in der sie an ein zweites Anschlagglied stößt, so erzeugt das piezoelektrische Element nacheinander elektrische Pulse, die den Durchgang einer Menge des Fluidflußes darstellt. Damit stellen in der Ausführungsform nach Fig. 18 die piezoelektrischen Signale selbst kein Maß für die Membranbiegung dar, sondern sie zeigen nur den Anschlag der Membran auf die Anschlagglieder an. Dagegen entsteht in Fig. 19 das Hauptsignal aus dem piezoelektrischen Material beim Anschlagen der Membran an die Anschlagglieder, es wird jedoch auch beim Biegen und Schwingen der Membran ein Signal erzeugt. Ist der piezoelektrische Film an der Membran befestigt, so wird das piezoelektrische Element bevorzugt mit einem elastischen Kleber befestigt, damit sich das piezoelektrische Material mit der Membran biegen kann.
Wie bereits erwähnt besteht eine Schwierigkeit beim Betrieb des Fluiddurchflußmeßgeräts bei höheren Temperaturen darin, daß permanente Krümmungen der Membran erzeugt werden. Diese dauerhaften Membrankrümmungen können auch ohne Durchfluß entstehen, so daß es auch wünschenswert sein kann, die Membran in Zeitabschnitten völlig eben zu halten, in denen kein Fluß oder nur ein geringer Fluß auftritt. Ein geringer Fluß in einem Erdgasverteilsystem kann beispielsweise durch die Flußmenge auftreten, die von Zündflammen verbraucht wird. Eine Ausführungsform des Durchflußmeßgeräts, das die Membran in Zeitabschnitten ohne Durchfluß eben halten kann, um eine dauerhafte Membranbiegung zu verhindern, ist in Fig. 20 dargestellt. Es ist eine innere Vorkammer 156 bereitgestellt, die an die Fluideinlaßöffnung 18 angeschlossen ist und damit in Fluidverbindung steht. Die innere Vorkammer wird von einem Vorkammergehäuse 157 bestimmt, das im allgemeinen ein abgewinkeltes Glied enthält. Das abgewinkelte Glied lenkt den Fluidfluß auf ein Diaphragma 158, das am Auslaß der inneren Vorkammer angeordnet ist und über eine relativ weiche Druckfeder 160 mit der Hauptgehäusewand verbunden ist. Ein Ende eines Hebelarms 162 ist ebenfalls mit der Feder verbunden, wobei sich der Hebelarm um den Drehpunkt 164 dreht, der am Gehäuse befestigt ist. Das andere Ende des Hebelarms ist mit dem vorderen Ende der Membranfederbefestigung 166 verbunden. Tritt kein Fluß auf, so wird das Diaphragma gegen die Diaphragmagrenzanschläge 168 am inneren Vorkammergehäuse gedrückt. Der Hebelarm dreht sich dabei, so daß ausreichend stark am Membranende gezogen wird, um die Membran zu glätten. Die Feder 160 ist hinreichend weich, damit ein ganz geringer Fluidfluß durch die Einlaßöffnung das Diaphragma von den Diaphragmagrenzanschlägen abheben und das Durchflußmeßgerät arbeiten kann.
Eine weitere ähnliche Ausführungsform eines Mechanismus, der die Membran in Zeiten ohne Fluß eben hält, zeigt Fig. 21. Eine innere Vorkammer 156 steht wieder in Fluidverbindung mit der Fluideinlaßöffnung 18, wobei ein Vorkammergehäuse 157 die innere Vorkammer bildet. Ein Diaphragma 158 wird in Richtung des Fluidflußes bewegt, wenn die Menge des Fluidflußes einen unteren Grenzwert übersteigt. Eine Zugfeder 160, die zwischen dem Diaphragma und dem Durchflußmessergehäuse eingebaut ist, drückt das Diaphragma gegen die Diaphragmagrenzanschläge 168 auf dem Vorkammergehäuse. Das Diaphragma ist auch mit dem vorderen Ende der Membranfeder befestigung verbunden. Der Mechanismus arbeitet in ähnlicher Weise wie der Mechanismus in Fig. 20, jedoch ohne einen Hebelarm zu drehen.
Um den Abstand zwischen den Federbefestigungsklemmen an den Membranenden adaptiv zu ändern und bei höheren Flußraten die Neigung der Membran zu einem stärkeren Biegegrad auszugleichen, kann ein ähnlicher Mechanismus zum Glätten der Membran wie am vorderen Membranende auch am hinteren Membranende bereitgestellt werden. In der in Fig. 21 dargestellten Ausführungsform ist ein kappenförmiges oder parabolisches Schleppglied 170 an der Klemme des hinteren Endes der Membranfederbefestigung 172 angebracht. Das Schleppglied ist ferner über eine Zugfeder 174 am Gehäuse des Durchflußmeßgeräts befestigt. Bei zunehmenden Flußraten übt das Schleppglied daher einen zunehmenden Zug auf die Membran aus und wirkt der Neigung der Membran entgegen, sich bei höheren Flußraten zunehmend zu krümmen.

Claims

1. Fluiddurchflußmeßgerät, umfassend:

ein Gehäuse (12), das ein Paar Fluidöffnungen (18, 22) aufweist, zwischen denen ein Fluidflußpfad (14) be stimmt ist; und

eine flexible Membran (35), die sich in der Längsrichtung des Fluidflusses erstreckt und an gegenüberliegenden Längsendbereichen der Membran im Gehäuse montiert ist, wobei die Membran so eingerichtet ist, daß sie sich biegen kann und den Durchgang einzelner Fluidmengen entlang des Fluidpfads erlaubt und jede Fluidmenge ein bekanntes Volumen hat, das sich abhängig von der Flußrate ändert,

gekennzeichnet durch mindestens ein längliches elastisches Glied (122), das in die Membran aufgenommen ist und eine Anzahl elastischer Linien bildet, die zwischen den Längsendbereichen der Membran in Richtung des Fluidflußpfads verlaufen, um der Membran für eine Wellenbewegung durch Verbiegen Elastizität zu verleihen.

2. Durchflußmeßgerät nach Anspruch 1, wobei die flexible Membran aus mindestens einer Schicht eines flexiblen Materials ausgebildet ist.

3. Durchflußmeßgerät nach Anspruch 2, wobei die flexible Membran aus zwei Schichten flexiblen Materials ausgebildet ist, die an ihren Umfang dicht miteinander verbunden sind.

4. Durchflußmeßgerät nach Anspruch 2, wobei die flexible Membran aus einem Rohr aus flexiblem Material hergestellt ist, das zwei gegenüberliegende Endöffnungen aufweist, die dicht miteinander verbunden sind.

5. Durchflußmeßgerät nach Anspruch 2, wobei die flexible Membran aus einem Blatt flexiblen Materials ausgebildet ist, das mindestens einen inneren Kanal aufweist, der sich in Längsrichtung des Fluidflußpfads erstreckt.

6. Durchflußmeßgerät nach Anspruch 2, 3, 4 oder 5, wobei das flexible Material nicht elastisch ist.

7. Durchflußmeßgerät nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das mindestens eine längliche elastische Glied (122) eine Anzahl länglicher elastischer Streifen enthält.

8. Durchflußmeßgerät nach Anspruch 7, wobei die Streifen an mindestens einem Längsendbereich (114) der Membran befestigt sind.

9. Durchflußmeßgerät nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Streifen eine geradlinige Form haben.

10. Durchflußmeßgerät nach Anspruch 7, 8 oder 9, wobei sich die Streifendicke in mindestens einer Dimension ändert.

11. Durchflußmeßgerät nach Anspruch 7, 8, 9 und 10, wobei die flexible Membran aus zwei Schichten flexiblen Materials besteht und die Streifen zwischen den Schichten des flexiblen Materials eingeschlossen sind.

12. Durchflußmeßgerät nach Anspruch 11, wobei die Streifen über ihre Länge mit zumindest einer Schicht des flexiblen Materials verbunden sind.

13. Durchflußmeßgerät nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das mindestens eine elastische Glied ein läng liches Fasermaterial (144) enthält.

14. Durchflußmeßgerät nach Anspruch 13, wenn abhängig von Anspruch 5, wobei das Fasermaterial in dem mindestens einen inneren Kanal eingeschlossen ist.

15. Durchflußmeßgerät nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, wobei das mindestens eine elastische Glied eine Spule (134) aus einem länglichen Fasermaterial enthält, die zwischen zwei Schichten (116, 118) des flexiblen Materials eingeschlossen ist, und sich zumindest ein Abschnitt der Spule von einer Seitenkante der Membran zur anderen Seitenkante erstreckt.

16. Durchflußmeßgerät nach Anspruch 15, wobei gegenüberliegende Seiten der Spule an zumindest einer Stelle aneinander befestigt sind.

17. Fluiddurchflußmeßgerät nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Membran ein Paar gegenüber liegende Seitenkanten aufweist, die in Richtung des Fluidflußpfads verlaufen, damit die Seitenkanten mit dem Gehause Dichtungen bilden.

18. Fluiddurchflußmeßgerät nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, zudem umfassend eine Führungsvorrichtung (148), die innerhalb des Gehäuses nahe an mindestens einem der ersten und zweiten Längsendbereiche montiert ist, um die Biegung der Membran zu unterstützen.

19. Fluiddurchflußmeßgerät nach Anspruch 18, wobei die Führungsvorrichtung einen Führungsfortsatz nahe an dem zugehörigen Längsendbereich umfaßt.

20. Fluiddurchflußmeßgerät nach Anspruch 19, wobei der Führungsfortsatz permeabel ist.

21. Fluiddurchflußmeßgerät nach Anspruch 19, wobei der Führungsfortsatz eine dünne Blattfeder (150) enthält.

22. Fluiddurchflußmeßgerät nach irgendeinem der Ansprüche 18 bis 21, wobei die Führungsvorrichtung ein Paar Führungsglieder (148) enthält, die innerhalb des Gehäuses nahe an einer Fluidöffnung montiert sind.

23. Fluiddurchflußmeßgerät nach irgendeinem der Ansprüche 18 bis 22, das die Führungsvorrichtung innerhalb des Gehäuses enthält, und zwar nahe an beiden Längsendbereichen der Membran montiert.

24. Fluiddurchflußmeßgerät nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche in Verbindung mit Einrichtungen, die auf die Membranbiegung ansprechen, um eine Fluidflußrate entlang des Pfads zu erfassen.

25. Durchflußmeßgerät nach Anspruch 24, wobei die Ansprecheinrichtung eine Vorrichtung zum Erzeugen elektrischer Signale enthält, die der Membranbiegung entsprechen, und die Erzeugungsvorrichtung Anschlagvorrichtungen (150) nahe an mindestens einer der Membranflächen enthält.

26. Durchflußmeßgerät nach Anspruch 25 wenn abhängig von Anspruch 18, wobei die Anschlagvorrichtung mindestens ein auf der Führungsvorrichtung (148) montiertes Anschlagglied (150) enthält, das innerhalb des Gehäuses nahe an mindestens einem der ersten und zweiten Längsendbereiche der flexiblen Membran befestigt ist.

27. Durchflußmeßgerät nach Anspruch 25 oder 26, wobei die Anschlagvorrichtung ein Paar Anschlagglieder enthält, die innerhalb des Gehäuses nahe an den jeweiligen Membranflächen montiert sind.

28. Durchflußmeßgerät nach Anspruch 27 wenn abhängig von den Ansprüchen 21 und 22, wobei das Anschlagglied Blattfedern enthält, die auf beiden Führungsgliedern des Paars montiert sind.

29. Durchflußmeßgerät nach Anspruch 25, 26, 27 oder 28, wobei die Vorrichtung zum Erzeugen elektrischer Signale piezoelektrisches Material enthält, das innerhalb des Gehäuses montiert ist, so daß eine Wellenbewegung der Membran bewirkt, daß die Membran an die Anschlagvorrichtung anstößt und das piezoelektrische Material ein elektrisches Signal erzeugt.

30. Durchflußmeßgerät nach Anspruch 29 wenn abhängig von Anspruch 18, wobei die Anschlagvorrichtung ein in der Führungsvorrichtung montiertes Anschlagglied enthält und das piezoelektrische Material auf mindestens einem Anschlagglied befestigt ist.

31. Durchflußmeßgerät nach Anspruch 29, wobei das piezoelektrische Material auf mindestens einer Fläche der flexiblen Membran befestigt ist.