SE453328B

SE453328B - Flow meter with ferromagnetic component and Hall sensor

Info

Publication number: SE453328B
Application number: SE8405838A
Authority: SE
Inventors: R Berglund
Original assignee: Elektronom Eletta Ab
Priority date: 1984-11-20
Filing date: 1984-11-20
Publication date: 1988-01-25
Also published as: SE8405838L; SE8405838D0

Abstract

A housing (4) has a chamber (5) divided into two spaces by a membrane (6), with two channels (3) connecting each space with conduits on each side of the throttle. The pressure difference is connected crossways over the membrane, and a spring (8) is fitted in one space with an end directed towards the membrane. A ferro-magnetic component is fixed to the membrane, and an electrical sensor is fitted opposite in the other space. The sensor moinotors a position for the ferro-magnetic component, and emits a signal electrically when the position is taken up. The component is a permanent magnet (1), and the sensor comprises a Hall effect indicator (2). The spring used is of the screw type, and at its end opposite to the membrane has an axially adjustable holder (7).

Description

453 328 2 elektrisk signal som är tillnärmelsevis en linjär funktion av flödet. Det är uppfinningens viktigaste syfte att uppnå dylik ver- kan med enklare och billigare anordningar. Detta syfte jämte and- ra syften och fördelar uppnås enligt uppfinningen därigenom att yen flödesmätare av angivet slag förses med de i den kännetecknande delen av patentkrav 1 angivna kännetecknen. 453 328 2 electrical signal which is approximately a linear function of the flow. It is the most important object of the invention to achieve such an effect with simpler and cheaper devices. This object, together with other objects and advantages, is achieved according to the invention in that a flow meter of the type indicated is provided with the features stated in the characterizing part of claim 1.

Den angivna linjärsignalen uppnås på så sätt, att membranets för- flyttning genom det pålagda differenstrycket kommer att röra sig mot inverkan av fjädern, med en förflyttning som är en väsentligen linjär funktion av tryckskillnaden. Magneten, som är fäst vid mem- branet, kommer att röra sig bort ifrån Hall-effektgivaren. Denna givare ger en_signal som är en linjär funktion av det magnetfält den utsättes för. Tryckskillnaden är dock en olinjär funktion av flödet, och magnetflödet är också en olinjär funktion av membranför- flyttningen.The specified linear signal is obtained in such a way that the displacement of the diaphragm through the applied differential pressure will move against the action of the spring, with a displacement which is a substantially linear function of the pressure difference. The magnet, which is attached to the diaphragm, will move away from the Hall effect sensor. This sensor gives a_signal which is a linear function of the magnetic field to which it is exposed. However, the pressure difference is a non-linear function of the flow, and the magnetic flux is also a non-linear function of the diaphragm displacement.

Man inser att ett litet flöde genom strypningen ger upphov till ett litet tryckfall och alltså en liten membranförflyttning. Om flödet sedan blir t.ex. fördubblat, så fyrdubblas tryckskillnaden, liksom membranförflyttningen. Emellertid vill man bara ha en för- dubblad elektrisk signal. Signalen måste alltså ändras snabbt i början och därefter långsammare, då strömningen ökar. Detta uppnås genom att man använder en permanentmagnet, som har ett magnetfält, som snabbt avtar med ökande avstånd. En Hall-effektgivare avkänner detta magnetfält och ger en signal, som är linjärt beroende av mag- netfältet men alltså olinjärt beroende av membranförflyttningen.It is realized that a small flow through the choke gives rise to a small pressure drop and thus a small diaphragm displacement. If the flow then becomes e.g. doubled, so the pressure difference is quadrupled, as is the diaphragm displacement. However, you only want a doubled electrical signal. The signal must therefore change quickly at the beginning and then more slowly, as the flow increases. This is achieved by using a permanent magnet, which has a magnetic field, which rapidly decreases with increasing distance. A Hall effect sensor senses this magnetic field and gives a signal, which is linearly dependent on the magnetic field but thus non-linearly dependent on the diaphragm displacement.

Genom denna kombination av tvâ olinjära effekter uppnås enligt upp- finningen en signal som är tillnärmelsevis linjärt beroende av flö- desändringar inom ett användbart flödesintervall av åtminstone en tiopotent, med en linjearitet som i praktiken visat sig vara bätt- re än 5%.According to the invention, this combination of two non-linear effects achieves a signal that is approximately linearly dependent on flow changes within a usable flow range of at least one ten-potency, with a linearity which in practice has been shown to be better than 5%.

En flödesmätare av detta slag har stor användbarhet inom en mång- fald industriella processystem, både för kontroll och styrning samt kan göras mycket driftsäker.A flow meter of this kind has great utility in a variety of industrial process systems, both for control and management and can be made very reliable.

Uppfinningen skall nu närmare beskrivas med utgångspunkt från ett icke-begränsande utföringsexempel, åskådliggjort i ritningarna. 3 , 453 328 Fig. 1 visar en påsiktsvy och fig. 2 en genomskärningsvy enligt snittet II-II i fig. 1, av en flödesmätare. Pig. 3 är ett diagram, som åskådliggör lineariseringen enligt uppfinningen.The invention will now be described in more detail on the basis of a non-limiting exemplary embodiment, illustrated in the drawings. Fig. 1, 453 328 Fig. 1 shows a view view and Fig. 2 a sectional view according to the section II-II in Fig. 1, of a flow meter. Pig. 3 is a diagram illustrating the linearization of the invention.

Den i fig. 1 i påsikt och i fig. 2 i genomskärning visade tryck- givaren är uppbyggd med en s.k. primär tryckgivare i form av en strypning 1 i en ledning 2. Strypningen består av en enkel stryp- bricka, men uppfinningen utesluter ej användning av andra typer av strypningar av känt slag. Från båda sidorna av strypningen går ka- naler 3 till ett utrymme S i ett hus 4 och mynnar på var sin sida om ett membran 6, som delar utrymmet i två rum. Membranet är för- styvat på mitten 7 samt belastat med en skruvfjäder 8 från ena si- dan. Skruvfjäderns andra ände sitter i en hållare, som genom en skruv 9 kan förflyttas, så att membranets 6 neutralläge vid noll- tryck kan förflyttas. Membranet är också något styrt av fjädern, i det att ett vid detta fäst utskott är infört i skruvfjädern 6.The pressure sensor shown in Fig. 1 in elevation and in Fig. 2 in cross section is constructed with a so-called primary pressure sensor in the form of a choke 1 in a line 2. The choke consists of a simple choke washer, but the invention does not exclude the use of other types of choke of known type. From both sides of the choke, channels 3 go to a space S in a housing 4 and each side opens into a membrane 6, which divides the space into two rooms. The diaphragm is stiffened in the middle 7 and loaded with a helical spring 8 from one side. The other end of the helical spring is located in a holder, which can be moved through a screw 9, so that the neutral position of the diaphragm 6 can be moved at zero pressure. The diaphragm is also somewhat controlled by the spring, in that a projection attached to it is inserted in the helical spring 6.

På motsatt sida av membranet sitter en magnetbärare med en inne- sluten permanentmagnet 10. Vid den visade utföringsformen inskjuter magnetbäraren vidare i en fördjupning i det hus, vari de båda rum- men är bildade. Detta hus 4, i vilket rummen och membranet 6 är upptagna, utgör tillsammans med det rörparti, där strypbrickan 1 är upptagen, ett tudelbart hus. Alla dessa delar, inklusive fjä- dern 8, tillverkas av ett material som motstår den fluid som skall mätas. Vidare bör materialet šrara omagnetiskt, gärna austenitiskt rostfritt stål. = Utanpâ detta hus sitter ett påskruvat avkännarhus 13 med en Hall- effektgivare 11, som är tryckt emot det delbara huset t.ex. medelst ett fjädrande mellanlägg av skumplast. Mittemot sitter en skruv 12 av magnetiskt material, vilken dels koncentrerar fältet genom Hall-givaren, dels möjliggör en justering för variationer i till- verkningsprocessen hos membranet 6, motfjädern 8, defekter i mem- branhuset etc.On the opposite side of the diaphragm is a magnetic carrier with an enclosed permanent magnet 10. In the embodiment shown, the magnetic carrier slides further into a depression in the housing in which the two spaces are formed. This housing 4, in which the chambers and the diaphragm 6 are accommodated, together with the pipe section, where the throttle washer 1 is accommodated, forms a divisible housing. All these parts, including the spring 8, are made of a material that resists the fluid to be measured. Furthermore, the material should be non-magnetic, preferably austenitic stainless steel. On the outside of this housing is a screwed-on sensor housing 13 with a Hall effect sensor 11, which is pressed against the divisible housing, e.g. by means of a resilient insert of foam plastic. Opposite is a screw 12 of magnetic material, which partly concentrates the field through the Hall sensor, partly enables an adjustment for variations in the manufacturing process of the diaphragm 6, the counter spring 8, defects in the diaphragm housing, etc.

Vid ett provat utföringsexempel användes som magnet en permanent- magnet Honeywell 103 MG 5 och som Hall-givare en Honeywell 9255_ 12-2. Den senare är en mqpolitisk anordning som innefattar kompen- sation för temperaturvariationer samt är linjär inom intervallet 0-400 gauss, med en känslighet om 2,5-7,5 mV/gauss, beroende av den använda matningsspänningen. Den nämnda magneten, som är magnetise- 453 328 rad vinkelrätt mot membranplanet, ger ca 400 gauss på 12,5 mm av- stånd samt en till en början snabb, därefter långsammare minsk- ning med ökande avstånd.In a tested embodiment, a permanent Honeywell 103 MG 5 magnet was used as the magnet and a Honeywell 9255_ 12-2 was used as the Hall sensor. The latter is a mqpolitical device that includes compensation for temperature variations and is linear in the range 0-400 gauss, with a sensitivity of 2.5-7.5 mV / gauss, depending on the supply voltage used. The said magnet, which is magnetized perpendicular to the diaphragm plane, gives about 400 gauss at a distance of 12.5 mm and a initially fast, then slower decrease with increasing distance.

Den använda magneten har formen av en cirkulär skiva, magnetise- rad väsentligen i dess qpueudamﬂs riktning, varvid symmetriaxeln monteras vinkelrätt mot membranet. Med en Hall-effektgivare av an- given modell erhålles en signal, vars tecken vänder, om magneten vändes med sina poler riktade åt motsatt håll, varför man vid till- verkningen av flödesmätaren måste se till att vända den rätt. Gi- vetvis kan andra typer av magneter användas, både med hänsyn till form och magnetisering, så länge deras magnetfält uppfyller kravet på först snabb och därefter långsammare minskning av magnetfältet för ökande avstånd därifrån.The magnet used is in the form of a circular disk, magnetized substantially in the direction of its column, the axis of symmetry being mounted perpendicular to the diaphragm. With a Hall effect sensor of the specified model, a signal is obtained, the sign of which is reversed, if the magnet is turned with its poles directed in the opposite direction, which is why in the manufacture of the flow meter one must make sure to turn it correctly. Of course, other types of magnets can be used, both in terms of shape and magnetization, as long as their magnetic field meets the requirement of first rapid and then slower reduction of the magnetic field for increasing distance therefrom.

Pig. 3 förklarar hur man med denna flödesmätare kan erhålla en sig- nal, som är väsentligen ett linjärt mått på det flöde som går ge- nom ledningen 2 i pilens riktning enligt fig. 2. Som inledningsvis angivits, kommer den tryckskillnad som uppstår vid strypningen 1 att vara väsentligen kvadratiskt beroende av flödet. När sålunda flödet ökar från O till 100% av ett förutbestämt flödesintervall, enligt vad som avsatts på x-axeln, så kommer alltså tryckskillnaden över membranet 5 att stiga som kurvan 31 i fig. 3, där efter y-axeln utsatts tryckskillnaden ¿5p i mm vattenpelare.Pig. 3 explains how to obtain a signal with this flow meter, which is essentially a linear measure of the flow which passes through the line 2 in the direction of the arrow according to Fig. 2. As stated at the outset, the pressure difference which occurs at the choke 1 to be substantially quadratic dependent on the flow. Thus, when the flow increases from 0 to 100% of a predetermined flow interval, according to what is deposited on the x-axis, then the pressure difference across the diaphragm 5 will rise as the curve 31 in Fig. 3, where after the y-axis the pressure difference ¿5p in mm water column.

Man ser av fig. 2 att membranet 6 då under inverkan av trycket kom- mer att gå åt vänster i figuren, och magneten 10 fjärmar sig från Hall-effektgivaren. Magnetfältet som avkännes av den senare kommer att minska, först snabbt och därefter långsammare. Hall-spänningen kommer alltså att från något bestämt värde sjunka mot noll. Skill- naden mellan det faktiska värdet och det nämnda bestämda värdet ökar alltså snabbare än membranets rörelse, såsom kurvan 30 visar, där alltså efter x-axeln avsatts membranets rörelse mellan nollä- get och fullt utslag och efter y-axeln spänningsski1lnaden«AV i volt. Man inser då att en kurva utvisande spänningsskillnaden.¿V som funktion av flödet genom strypningen kommer att bli ett slags kombination mellan dessa på var sitt sätt olinjära kurvor, där av- vikelserna från linjearitet kommer att till mycket stor del kom- pensera varandra.It can be seen from Fig. 2 that the membrane 6 will then, under the influence of the pressure, move to the left in the figure, and the magnet 10 moves away from the Hall effect sensor. The magnetic field sensed by the latter will decrease, first rapidly and then more slowly. The hall voltage will thus drop from zero to a certain value. The difference between the actual value and the said determined value thus increases faster than the movement of the diaphragm, as curve 30 shows, where after the x-axis the movement of the diaphragm between the zero position and full stroke is plotted and after the y-axis the voltage difference «OFF in volts . One then realizes that a curve showing the voltage difference.¿V as a function of the flow through the choke will be a kind of combination between these in their own way non-linear curves, where the deviations from linearity will to a very large extent compensate each other.

Vid ett provat exemplar, överensstämmande med fig. 1 och 2, hade 5 453 328 membranet en diameter om 45 mm. Kombinationen av fjädern 8 och strypbrickan 1 valdes så att fullt utslag för önskat intervall motsvarade en membranrörelse om 1-2 mm. Den använda Hall-effekt- givaren, ovan nämnd, har bara tre elektriska anslutningar, beteck- nade (+) (0) och (-). Utsignalen uttogs via (0) och (-). medfö- rande, vid rätt magnetiseringsriktning, en fallande utspänning för ökat flöde. Justering utfördes vid ett på annat sätt mätt flöde om 20% av intervallet, genom justering av skruven 9. En operations- förstärkare av helt konventionellt slag kopplades efter Hall-effekt- givaren, vari nollnivån för flödet inställdes. Med denna enkla jus- tering erhölls för 10-100% av mätintervallet en linjearitet mel- lan flöde och utsignal om bättre än 5%, vilket i allmänhet ger all- deles tillräcklig noggrannhet. En ytterligare möjlighet till jus- tering föreligger genom justerskruven 12, varmed fältbilden kan modifieras.In a tested specimen, corresponding to Figures 1 and 2, the membrane had a diameter of 45 mm. The combination of the spring 8 and the throttle washer 1 was chosen so that the full deflection for the desired interval corresponded to a diaphragm movement of 1-2 mm. The Hall power sensor used, mentioned above, has only three electrical connections, denoted (+) (0) and (-). The output signal was output via (0) and (-). causing, at the correct direction of excitation, a decreasing output voltage for increased flow. Adjustment was performed at an otherwise measured flow of 20% of the interval, by adjusting the screw 9. An operational amplifier of a completely conventional type was connected to the Hall effect sensor, in which the zero level of the flow was set. With this simple adjustment, for 10-100% of the measurement interval, a linearity between flow and output signal of better than 5% was obtained, which generally gives quite sufficient accuracy. An additional possibility for adjustment exists through the adjusting screw 12, with which the field image can be modified.

Av fig. 1 och 2 framgår att uppfinningen är mycket praktisk att tillämpa. De båda rörstutsarna 2 samt strypbrickan 1 är utbytbara, varför apparaten kan tillämpas på olika rördiametrar och anpassas till olika flödesintervall allt efter behovet. Hall-effektgivaren ger en väsentligen linjär signal för flödet, varigenom man i många fall har en direkt användbar signal, utan annat än en strömkälla för givarens drift. I andra fall kan en operationsförstärkare an- ordnas direkt intill, så att man får en i förhållande till andra anläggningar anpassad signal. Dylika elektroniska anordningar lig- ger väl inom fackmannens förmåga att konstruera, varför de ej här särskilt beskrivits, helst som uppfinningen går ut på att slippa tidigare förekommande mera komplicerade lösningar av elektronik- karaktär. Detta utesluter naturligtvis ej att den från den uppfin- ningsmässiga givaren kommande signalen göres till föremål för olika slag av komplicerad signalbehandling och liknande.Figures 1 and 2 show that the invention is very practical to apply. The two pipe nozzles 2 and the throttle washer 1 are interchangeable, so the apparatus can be applied to different pipe diameters and adapted to different flow intervals as required. The Hall power sensor provides a substantially linear signal for the flow, whereby in many cases you have a directly usable signal, without anything other than a power source for the operation of the sensor. In other cases, an operational amplifier can be arranged directly next to it, so that you get a signal adapted to other systems. Such electronic devices are well within the ability of the person skilled in the art to construct, which is why they are not specifically described here, preferably as the invention aims to avoid previously existing more complicated solutions of an electronic nature. Of course, this does not exclude that the signal coming from the inventive sensor is made the subject of various kinds of complicated signal processing and the like.

Claims

A flow meter with an electrical output signal, wherein a line (2) is arranged in a line (2) for producing a pressure difference depending on the flow occurring in the line, and a pressure sensor for sensing this pressure difference, in which pressure sensor is included a housing (4) with a space (S), which is divided by a membrane (6) into two compartments, each connected via a separate duct (3) to the conduit (2) on either side of the choke (1), wherein - through the diaphragm (6) is exposed to the pressure difference generated by the throttle, and a Hall effect sensor (11) is mounted at the housing in the middle of a permanent magnet (10) attached to the diaphragm and thus movable during pressure change, characterized by that the membrane (6) has a central stiffener (7) and a stem perpendicular to the membrane, at the end of which the disc-shaped, magnetically magnetized permanent magnet (10) is mounted substantially parallel to the central stiffener (7) of the membrane and the stem is arranged to be received in a hole arranged in the middle of the Hall effect sensor (11), while a compression spring (8) is arranged opposite the stem towards the central stiffening, one end of which abuts the central stiffening (7) and the other end of which abuts a holder mounted in the housing (2), which is adjustable to its position through a screw (9) accessible outside the housing (4), and the Hall effect sensor (11) is mounted on the outside of the housing (4), which is magnetic. and opposite the Hall effect sensor (11) facing away from the housing (4), a screw (12) of magnetic material which can be adjusted for field adjustment is arranged.