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Kompensierende Differenzdruckmeßeinrichtung zur Bestimmung des Durchflusses
strömender Medien Die Erfindung betrifft eine kompensierende Differenzdruckmeßeinrichtung
zur Bestimmung des Durchflusses strömender Medien.
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Bei den bekannten nach der Kompensationsmethode arbeitenden Druckmeßumformern
wird mit Hilfe eines Druckkraftwandlers, z. B. eines Kolbens, einer Membran oder
einer Tauchglocke der zu messende Druck oder Differenzdruck in eine der Fläche des
Wandlers proportionale Kraft umgeformt und diese Kraft gemessen. Bei elektrischen
Meßumformern, die nach dem Kraftvergleich arbeiten, wirkt der Druckkraftwandler
auf das System einer Waage und die auslenkende Kraft der Waage wird gegen die Kraft
eines elektromagnetischen Kompensationssystems ausgewogen. Das Gleichgewicht der
Waage wird von einer meist induktiv-elektrisch wirkenden Abtasteinrichtung überwacht
und der Verstärker der Abtasteinrichtung speist das elektromagnetische Kompensationssystem.
Bei genügend großer Verstärkung wird hierdurch die Waage abgeglichen und der Ausgangs
strom des Verstärkers ist gleichzeitig ein Maß für den- auf den Druckkraftwandler
wirkenden Druck- oder Differenzdruck. Die Genauigkeit, mit der der Druck oder Differenzdruck
über den Druckkraftwandler, das Waagensystem und den Stromkraftwandler in einen
proportionalen Strom umgeformt wird, hängt im wesentlichen von den Üb ertragungsfaktoren
der drei Wandler ab. Fehlermöglichkeiten ergeben sich z. B. beim Druckkraftwandler
bei einer klderung der effektiven Membranfläche infolge von Anderungen der Materialeigenschaften,
bei der Waage durch die Lagerreibung.
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Mit der nachfolgend vorgeschlagenen neuen Vorrichtung gelingt es
nun, den Kompensationsstrom ohne eine mechanische Waage direkt in eine Kompensationskraft
bzw. einen Druck umzuformen, der den auf den Druckkraftwandler wirkenden Differenz
druck kompensiert, so daß die Fehlerquellen infolge der Reihenschaltung der vielen
Wandler wesentlich verringert werden. Dies wird durch eine kompensierende Differenzdruckmeßeinrichtung
erreicht, die gemäß der Erfindung durch die Kombination folgeslder Merkmale gekennzeichnet
ist: ein bekanntes flüssigkeitgefülltes, differenzdruckbeaufschlagtes U-Rohr, das
bekannterweise einen Abschnitt leitender Flüssigkeit aufweist; eine bekannte aus
elektrischem oder lichtelektrischem Fühler mit nachgeschaltetem Verstärker bestehende
Abtasteinrichtung, deren Ausgangssignal der Pegeldifferenz im U-Rohr proportional
ist; eine nach dem bekannten Prinzip einer elektromagnetischen Pumpe aufgebaute
Anordnung, bestehend aus einem Elektromagneten, zwei Elektroden und dem mit der
leitenden Flüssigkeit gefüllten Abschnitt des U-Rohres; eine Serienschaltung von
Ausgang des Verstärkers, Elektroden, Erregerwicklung des Elektromagneten und einem
meßwertverarbeitenden Glied.
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Für die mit den Merkmalen der Unteransprüche angegebenen Weiterbildungen
des Erfindungsgegenstandes wird nur in Verbindung mit dem Hauptanspruch Schutz begehrt.
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Die Meßgröße Differenzdruck verursacht dabei eine Änderung des Flüssigkeitspegels
der leitenden Flüssigkeit im Luftspalt eines Magneten oder eine Pegeländerung einer
mit der leitenden Flüssigkeit kommunizierenden Flüssigkeit. Mittels einer elektrisch
oder lichtelektrisch wirkenden Abtasteinrichtung mit nachgeschaltetem Verstärker
wird diese Pegeländerung in einen elektrischen Strom umgewandelt und der Strom durch
die leitende Flüssigkeit geschickt. Die infolgedessen auf die leitende Flüssigkeit
wirkende elektrodynamische Kraft führt zu einer Verschiebung des Flüssigkeitsvolumens
innerhalb des Magnetluftspaltes und bei ausreichender Verstärkung des der Abtasteinrichtung
nachgeschalteten Verstärl:ers wird der Flüssigkeitspegel an der Abtastemrichtung
in die Ausgangslage zurückgeführt.
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Verwendet man, wie dies an sich bekannt ist, für die oberhalb der
elektrisch leitenden Flüssigkeit befindliche Flüssigkeit eine leichtere und sieht
Querschnittserweiterungen im Bereich der Grenzfläche zwischen diesen beiden Flüssigkeiten
vor, so erzielt man eine von dem Verhältnis der spezifischen Gewichte dieser Flüssigkeiten
und dem Querschnittsverhältnis abhängige Steigerung der Empfindlichkeit.
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Die Ausnützung der Wirkung eines eine leitende Flüssigkeit durchfließenden
elektrischen Stromes unter dem Einfluß eines Magnetfeldes ist an sich bei Pumpen
bekannt, wenn man aus bestimmten Gründen Kolbenpumpen oder andere rotierende Pumpen
nicht verwenden kann. Während es bei Pumpen aber
darum geht, Flüssigkeit
von einem an einen anderen Ort zu bringen, betrifft die Erfindung die Anwendung
dieses physikalischen Prinzips speziell bei einem an sich bekannten Kompensationsmeßverfahren
in der Weise, daß durch die Wechselwirkung zwischen dem Strom in der leitenden Flüssigkeit
und dem Magnetfeld die durch die Meßgröße von ihrem Ort fortbewegte Flüssigkeit
(Pegeländerung) wieder in ihre ursprüngliche Lage gebracht und der hierzu erforderliche
Strom gemessen wird. Durch die Erfindung wird erreicht, daß die oben beschriebenen
Fehlermöglichkeiten bekannter Meßeinrichtungen vermieden sind.
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Würde die Induktion im Luftspalt des Magneten von einem Dauermagneten
erzeugt werden, so wäre der elektrodynamisch erzeugte Druck proportional dem Strom
durch die leitende Flüssigkeit. Wird dagegen ein Elektromagnet verwendet, dessen
Erregerwicklung von dem gleichen Strom durchflossen wird, der durch die leitende
Flüssigkeit strömt, so ist der elektrodynamisch erzeugte Druck proportional dem
Quadrat des Stromes. Es wird somit ein radizierender Meßumformer erhalten, mit dem
Durchilußmessungen nach dem Differenzdruckmeßverfahren ausgefiihrt werden können
und bei dem die Anzeige proportional der durchfließenden Strömung ist.
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Zur Erläuterung des Meßprinzips sind in den Fig. 1 und 2 Meßvorrichtungen
der genannten Art schematisch dargestellt; Fig. 3 zeigt- den kompletten Aufbau einer
erfindungsgemäß ausgebildeten Durchflußmeßeinrichtung mit Abtasteinrichtung, Verstärker
und Kompensationsstromkreis, F i g. 4 ein verbessertes Ausführungsbeispiel, F i
g. 5 den konstruktiven Aufbau einer Meßstrecke.
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Der Druckwandler nach F i g. 1 besteht aus einem Permanentmagneten
1 mit den Polschuhen 2, durch deren Luftspalt ein Rohr 6 aus dünnwandigem isolierendem
Material geführt ist, das innerhalb des Luftspaltes 3 einen rechteckigen Querschnitt
besitzt. Das Rohr ist mit einer leitenden Flüssigkeit 11, z. B.
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Quecksilber, gefällt. Seitlich vom Luftspalt ragen die Elektroden
4 und 5 durch die Wand des Rohres 6 in die leitende Flüssigkeit hinein, und an diese
Elektroden sind die Zuführungen für den Strom 1 angelötet.
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Bei der Anordnung nach Fig. 1 ist der Strom 1 proportional dem Differenzdruck
in den Schenkeln des Rohres 6. Um einen dem Durchfluß der Durchflußmeßstrecke unmittelbar
proportionalen Ausgangsstrom zu erhalten, ist daher bei der Ausführungsform der
Erfindung wie in Fig. 2 ein Elektromagnet verwendet, dessen Erregerspule 8 vom Strom
durchflossen wird. Diese Anordnung bietet den weiteren Vorteil, daß auch Wechselstrom
als Speisestrom verwendet werden kann. Der auf die Flüssigkeit ausgeübte Druck pulsiert
hierbei zwar mit der doppelten Frequenz der Speisefrequenz des Wechselstromes zwischen
einem positiven Wert und dem Wert Null, jedoch werden diese Pulsationen infolge
der Trägheit der Flüssigkeit gemittelt. Die Pulsation bringt noch den Vorteil, daß
Wandreibungen der Flüssigkeit eliminiert werden.
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Bei der Meßvorrichtung nach F i g. 3 ist das U-förmig gebogene Rohr
6 wieder mit einer leitfähigen Flüssigkeit, beispielsweise Quecksilber, gefüllt.
Auf die Enden des Rohres 6 wirkt der zu mes-
sende Differenzdruck Pi-P2, der ein
Maß für die Strömungsgeschwindigkeit eines im Rohr 40 strömenden Mediums ist. Der
Druck wird vor einer Meßblende 41, der Drucks, hinter derselben abgegriffen. Innerhalb
der Rohrschenkel sind die elektrischen Widerstände 13 und 14 angeordnet, die so
weit in die elektrisch leitende Flüssigkeit eintauchen, daß in der Nullstellung
der beiden Flüssigkeitsspiegel z. B. jeweils die Hälfte jedes Widerstandes von der
Flüssigkeit bedeckt ist. Die Widerstände 13 und-14 bilden zusammen mit den Widerständen
15 und 16 eine Brückenschaltung 12, die von einer Speisestromquelle U gespeist wird.
Die Brückendiagonale ist an einen Kompensationsverstärker 9 angeschlossen, der bei
Unsymmetrie der Brücke einen Ausgangsstrom I erzeugt und durch die Elektroden 4
und 5 der Meßstrecke schickt. Auf die Meßstrecke zwischen den Elektroden4 und 5
wirkt - senkrecht zur Zeichenebene - die von dem Elektronmagneten 42 erzeugte magnetische
Induktion. Die Erregerwicklung 43 des Elektromagneten 42 ist mit dem Ausgang des
Verstärkers 9, einem meßwertverarbeitenden Glied 10, beispielsweise einem Meßinstrument,
und den Elektroden 4 und 5 in Reihe geschaltet.
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Solange auf die Enden des U-förmigen Rohres 6 kein Diflerenzdruck
wirkt, steht der lFlüssigkeitsspiegel in beiden Schenkeln in der Mitte der Widerstände
13 und 14, und die Brückendiagonale liefert keine Eingangsspannung an den Verstärker
9, da die Brücke so ausgelegt ist, daß sie abgeglichen ist, wenn jeweils der halbe
Widerstand 13 bzw. 14 in der Brükkenschaltung wirksam ist. In der gezeichneten Stellung
wird die untere Hälfte der beiden Widerstände von der leitenden Flüssigkeit 11 kurzgeschlossen.
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Wirkt auf den linken Schenkel beispielsweise der Druck und auf den
rechten Schenkel des Rohres ein kleinerer Druck P2, so wird die Flüssigkeit 11 auf
der linken Seite nach unten und auf der rechten Seite nach oben gedrückt. Der Widerstand
13, der in der Brückenschaltung wirksam ist, wird somit vergrößert und der Widerstandl4
im anderen Brückenzweig verkleinert. Das Brückengleichgewicht ist gestört, und in
der Brückendiagonalen fließt Strom zum Verstärker 9. Der Verstärker liefert einen
AusgangsstromI zu den Elektroden 4 und 5 durch die Meßstrecke, und die Flüssigkeit
wird in Richtung des zwischen den Elektroden eingezeichneten Pfeiles infolge elektrodynamischer
Druckkräfte verdrängt. Besitzt der Verstärker 9 eine ausreichende Verstärkung, so
stellt sich im Ausgang- des Verstärkers ein solcher StromI ein, daß der Differenzdruck
P1-P9 auf die Schenkel des U-förmigen Rohres kompensiert wird und die Flüssigkeitsspiegel
in ihre Ausgangslage zurückkehren.
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Der Ausgang des Verstärkers, der beispielsweise ein elektrisches
Strommeßinstrument 10 durchfließt, ist infolge Verwendung eines Elektromagneten,
dessen Erregerwicklung ebenfalls von dem Strom 1 durchflossen wird, proportional
der Quadratwurzel aus der DruckdifferenzP-P2. Ist diese Druckdifferenz an der Blende
einer Durchflußmeßstrecke abgegriffen, so ist der Ausgangsstrom dem Durchfluß der
Durchflußmeßstrecke unmittelbar proportional.
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An Stelle der Abtasteinrichtung nach Fig. 3 mit in die leitende Flüssigkeit
eintauchenden Widerständen in Brückenschaltung kann auch eine andere elektrische
oder lichtelektrische Abtasteinrichtung verwendet werden. So läßt sich beispielsweise
ein
Hochfrequenzabgrtff anbringen, bei dem außerhalb der Flüssigkeit
an der Rohrwand zwei induktiv gekoppelte Spulen eines Hochfrequenzschwingkreises
angebracht sind. Die Kopplung der Spulen wird bei einer Anderung des Flüssigkeitsstandes
verändert und hierdurch ein Eingangs strom in den Verstärker 9 geschickt. Auch Kondensatorplatten,
zwischen denen der Flüssigkeitsspiegel liegt, können zur übers wachung des Pegels
verwendet werden. Es ist auch denkbar, Schwimmer in der Flüssigkeit anzuordnen und
beispielsweise mit einem Plättchen aus ferromagnetischem Material zu versehen, so
daß die Stellung des Schwimmers von einem induktiven Abgriff außerhalb der Flüssigkeit
überwacht werden kann.
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Weiterhin sind lichtelektrische Abgriffe mit lichtelektrischen Zellen,
Fotodioden oder Fototransistoren besonders geeignet.
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Bei dem Gerät nach F i g. 4 sind Maßnahmen zur Empfindlichkeitssteigerung
getroffen. An das mit Quecksilber 11 gefüllte Rohr, dessen Teil mit den Elektroden
4 und 5 innerhalb des Magnetluftspaltes liegt, schließen sich Erweiterungen 17 und
18 an.
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Der Quecksilberspiegel reicht nur bis in diese Erweiterungen. An das
Quecksilber schließt eine spezifisch leichtere Flüssigkeit an, die auch elektrisch
nicht leitend sein kann. Diese Flüssigkeit 21, beispielsweise Wasser, erstreckt
sich bis in die Rohre 19 und 20 die an die Erweiterungen 17 und 18 anschließen.
Infolge der Querschnittserweiterung auf die Fläche F3 und anschließender Querschnittsverengung
auf die Fläche2 und infolge der unterschiedlichen spezifischen Gewichte der aufeinandergeschichteten
Flüssigkeiten, beispielsweise Quecksilber und Wasser, stellt sich bei einem vorgegebenen
Druck in der Meßstrecke infolge der elektrodynamischen Kräfte eine größere Höhendifferenz
in den Rohrteilen 19, 20 mit dem Querschnitt F2 ein. Die Höhendifferenz ist um das
Produkt aus dem Unterschied der spezifischen Gewichte und dem Verhältnis der Flächen
F2 und F vergrößert. Die Abtasteinrichtung kann daher empfindlicher arbeiten, daß
sich größere Verschiebungen innerhalb der Rohrteile 19 und 20 bei einer gegebenen
Druckdifferenz einstellen.
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Im Beispiel der Zeichnung ist die Abtasteinrichtung nicht dargestellt.
Zweckmäßig ist beispielsweise ein lichtelektrischer Abgriff mit Fotodioden oder
Fototransistoren. Um einen größeren Kontrast an der Grenzfläche der Flüssigkeit
21 zu halten, kann diese in geeigneter Weise gefärbt sein. An die Flüssigkeit 21,
beispielsweise Wasser, schließt sich eine spezifisch noch leichtere Flüssigkeit,
vorzugsweise Öl, an.
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Die Enden der Rohre werden von Trennmembraunen23, 24 abgeschlossen,
hinter denen sich die Ölfällung 22 befindet. Die Verwendung von Trennmembranen bei
Anordnungen zur Durchflußmessung ist an sich bekannt. Der Druck von der primären
Meßstrecke wirkt über die Impulsleitungen 25 und 26 und lenkt die Trennmembranen
23 bzw. 24 entsprechend dem wirkenden DifferenzdruckP-P2 aus.
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Das Öl hinter den Trennmembranen wird verdrängt, und wenn der Druck
größer ist als der Drucks2, sinkt der Flüssigkeitsspiegel der Flüssigkeit21 im linken
Schenkel des Rohres 19 und steigt im rechten Schenkel 20 nach oben. Die Abtasteinrichtung
spricht an und steuert den Verstärker 9 aus, dessen Ausgangsstrom 1 über die Elektroden
4 und 5 und das Quecksilber 11 fließt. Die hierdurch im Luftspalt des Magneten,
von dem hier nur die Erregerwick-
lung 43 dargestellt ist, erzeugte elektrodynamische
Kraft führt die Flüssigkeit 11 in Richtung des Pfeiles zwischen den Elektroden 4
und 5 nach links, und die Flüssigkeitsspiegel kehren in die Ausgangslage zurück.
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Die Trennmembranen 23 und 24 schließen die Meßeinrichtung gegen die
Impulsleitungen 25 und 26 ab. Sie werden zweckmäßig so ausgebildet, daß sie gleichzeitig
als Überlastsicherung wirken und das Gerät vor einer Zerstörung schützen. Steigt
der über die Impulsleitungen übertragene Druck über das zulässige Maß hinaus an,
so legen sich die Membranen gegen das gestrichelt eingezeichnete Membranbett 27
bzw. 28 an und können infolge dieser Unterstützung die praktisch auftretenden Überlastdruckwerte
aufnehmen.
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Die Abtasteinrichtung, welche den Verstärker 9 aussteuert, kann auch
auf die Auslenkung der Trennmembranen ansprechen. Zu diesem Zweck wird beispielsweise
eine induktiv oder kapazitiv wirkende Abtasteinrichtung bekannter Ausführung gegenüber
einer oder beiden Trennmembranen angebracht.
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Die Vorrichtung gemäß der Erfindung läßt sich aus einzelnen Bauelementen
aufbauen, so daß fehlerhafte Elemente leicht ausgewechselt werden können.
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Nach Fig. 5 kann z. B. der die leitende Flüssigkeit enthaltende Teil
als Meßelement in Form eines Einschubes ausgebildet werden. Das Plättchen 29 besteht
aus Kunststoff und enthält einen Kanal 32 mit der elektrisch leitenden Flüssigkeit.
In die stärker ausgeführten Randteile sind die Anschlüsse 30 und 31 für die Meßdruckleitungen
eingeschraubt. In einem Querkanal sind die Elektroden 4 und 5 eingesetzt, an die
die elektrischen Zuführungen für den Strom I angelötet werden. Das Element29 ist
so ausgebildet, daß es in den Luftspalt eines Magneten eingeschoben werden kan.
Die Flüssigkeitsstrecke wird mit Quecksilber gefällt, das den Kanal 32 ausfüllt
und sich zum Teil in die Anschlußleitungen 30. und 31 erstreckt.
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Damit während der Lagerhaltung und beim Einbau des Meßelementes kein
Quecksilber verloren gehen kann, werden die Anschlüsse mit nicht dargestellten Verschlußstöpseln
oder Verschlußkappen, beispielsweise aus Kunststoff, abgeschlossen, die erst entfernt
werden, wenn das Meßelement eingebaut ist und mit den Druckanschlüssen verbunden
werden soll.