DE2435263A1

DE2435263A1 - Verfahren und vorrichtung zur gesamtdurchflussmessung

Info

Publication number: DE2435263A1
Application number: DE2435263A
Authority: DE
Inventors: Wendall Charles Gates; Victor Lee Da Gragnano; James Gordon Schontzler
Original assignee: Manning Environmental Corp
Current assignee: Manning Environmental Corp
Priority date: 1973-07-27
Filing date: 1974-07-23
Publication date: 1975-02-13
Also published as: JPS5045669A; CA1079406A; US3866028A; GB1469261A; USRE29868E; GB1469262A

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Gesamtdurchflußmessung

Für diese Anmeldung wird die Priorität aus der entsprechenden U.S. Anmeldung Ser. No. 383 269 vom 27. Juli 1973 in Anspruch genommen.

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung und Anzeige des Gesamtdurchflusses in offenen Strömungskanälen von bekannter Querschnittsformgebung durch Umwandlung eines Flüssigkeitspegelstandes in eine Durchflußmengenanzeige.

Durchflußmesser zur Durchflußmessung in offenen Kanälen unter Verwendung des Flüssigkeitspegelstandes als Meßgröße müssen zur Umwandlung der Höhendaten mit einem nichtlinearen Wandler versehen sein. Die nichtlineare Beziehung ist dabei eine Funktion der Formgebung des Kanals, durch welchen die Flüssigkeit hindurchströmt. Für die verschiedensten Typen von Wehren, Dämmen, Kanälen und sonstigen künstlich angelegten Wasserläufen, sowie Kanälen von kreisrundem Querschnitt sind entsprechende hydraulische Gleichungen bekannt. Bei bekannten Vorrichtungen erfolgt die Umwandlung vermittels mechanischer Analognocken, welche jedoch zu Ungenauigkeiten und damit zu Meßfehlern führen, und wobei außerdem für jede Größe und jede Formgebung eines Kanals ein entsprechend ausgebildeter Nocken erforderlich ist. Daher besteht ein Bedarf für ein Verfahren und eine Vor^· richtung zur Gesamtdurchflußmessung in offenen Kanälen, vermittels welcher ein in Beziehung zum Flüssigkeitspegelstand

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stehendes Signal erzeugt wird, keine mechanischen Durchflußmeß- und -anzeigevorrichtungen erforderlich sind, und durch die unter Verwendung des Flüssigkeitspegelstandssignals genaue Durchflußmengenangaben für offene, künstlich angelegte Wasserläufe der hauptsächlich vorkommenden Querschnittsformen erzeugbar sind.

Aufgabe der Erfindung ist nunmehr, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Gesamtdurchflußmengenmessung durch Umwandlung eines Flüssigkeitspegelstandes in eine Durchflußmenge zu schaffen, welche auf einfache Weise und mit geringsten Mitteln an Durchflußkanäle unterschiedlicher Formgebung anpaßbar sind und darüber hinaus die Erzeugung von Hilfsausgangssignalen für die Ausführung bestimmter Arbeitsgänge an der fließenden Flüssigkeit bei vorbestimmten Flüssigkeitspegelständen, eine kontinuierliche Sichtaufzeichnung der Durchflußmenge, die Erzeugung eines Prüfsignals bei vorbestimmten Zuwachsraten der Durchflußmenge und einer Gesamtdurchflußmengenanzeige gestatten.

Die zur Lösung der gestellten Aufgabe vorgeschlagene Vorrichtung zur Messung des Gesamtdurchflusses ist erfindungsgemäß gekennzeichnet durch einen zur Anzeige der Oberfläche einer Flüssigkeit und Abgabe eines den Pegelstand in bezug auf einen vorbestimmten Bezugspegelstand anzeigenden Signals dienenden Flüssigkeits-Pegelstandsdetektor und Signalgeber und einen Rechner, der dazu dient, das Pegelstandssignal in ein Gesamtdurchflußsignal umzusetzen.

Entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren wird für einen Flüssigkeitspegel ein Bezugspegelwert vorgewählt, die Höhe des Flüssigkeitspegels in bezug auf den Bezugspegelwert ermittelt, ein der Höhe des Flüssigkeitspegels in bezug auf den Bezugspegelwert anzeigendes Relativsignal erzeugt, zu einem Rechner übertragen und in ein Digitalsignal umgewandelt, das Digitalsignal wird in einen Nur-Lese-Speicher eingespeist, in diesem ein digitales Durchflußmengensignal erzeugt, das digitale Durchflußmengensignal in einem Pufferspeicher gespeichert, das

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gespeicherte, digitale Durchflußmengensignal in vorbestimmten Zeitabständen in ein Maximaldurchfluß-Eingangsregister übertragen, das Maximaldurchfluß-Eingangsregister mit dem gespeicherten Signal gefüllt, und nach Auffüllung werden die Zählwerte des Maximaldurchfluß-Eingangsregisters in. einen Gesamtmengensummierer übertragen.

Entsprechend dem Vorschlag der Erfindung wird somit der tatsächliche Flüssigkeitspegelstand ermittelt und kontinuierlich ein einem vorbestimmten Bezugspegelstandswert entsprechendes Signal erzeugt. Der Detektor und Signalgeber liefert außerdem Hilfsausgangssignale für die Sichtanzeige bestimmter, interessierender Flüssigkeitspegelstände und die Übertragung derselben zu Vorrichtungen, vermittels deren in Abhängigkeit von dem Flüssigkeitspegelstand bestimmte Arbeitsgänge an der fließenden Flüssigkeit ausführbar sind. Das kontinuierlich erzeugte Flüssigkeitspegelstandssignal wird einem Rechner zugeführt und in diesem vermittels eines Nur-Lese-Speichers in eine Durchflußmengenanzeige umgesetzt. Speicher und Maximaldurchfluß-Eingangsregister bilden gemeinsam Zählwerte, die einem Summierer zugeführt werden, welcher die Gesamtdurchflußmenge durch den Kanal anzeigt.

Das Verfahren und die Vorrichtung nach der Erfindung werden im nachfolgenden anhand des in der Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Fig. 1 ist ein vorderseitiger Aufriß eines Damms mit einem V-förmigen Oberlauf.

Fig. 2 ist eine Seitenansicht des Damms von Fig.1.

Fig. 3 ist ein Schnitt entlang der Mittellinie eines offenen Kanals.

Fig. 4 ist ein Schnitt entlang der Linie 4-4 von Fig. 3.

Fig. 5 ist eine schematische Darstellung des

Flüssigkeitspegelstandsdetektors und des

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Flüssigkeitsmengenrechners.

Fig. 6 ist ein Blockschaltbild des Pegelstands-Signalgebers und des Durchflußmengenrechners .

Fig. 7 ist ein elektrischer Schaltplan des Pegelstands-Signalgebers.

Fig. 8 ist ein elektrischer Schaltplan des Durchflußmengenrechners .

Fig. 9 ist ein Zeitdiagramm zur Veranschaulichung der Signalzuordnung im Motor-Schalt- und Verzögerungskreis.

Mit der Vorrichtung und nach dem Verfahren, die hier beschrieben sind, wird der Flüssigkeitspegelstand in einem offenen Kanal vermittels einer in einen Nur-Lese-Speicher programmierten Übertragungsfunktion in eine Durchflußmenge umgewandelt. "Flüssigkeitspegelstand" bezeichnet dabei die Höhe der freien Oberfläche der fließenden Flüssigkeit in bezug auf eine vorbestimmte Bezugshöhe. Zusätzliche Vorrichtungen gestatten die Steuerung weiterer, von bestimmten anderen Durchflußparametern abhängiger Vorgänge. Im nachfolgenden sind zwei Ausführungsbeispiele beschrieben, bei denen die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchflußmengenmessung verwendet wird.

Figur 1 zeigt einen Aufriß von vorn eines Damms oder Wehrs 11 mit einem im oberen Bereich angeordneten V-förmigen überlauf 12. Ein Flüssigkeitskörper 13, hier Wasser, ist in Fig. 2 dargestellt, und bildet eine freie Oberfläche 14. Die freie Oberfläche 14 befindet sich in einer höheren Lage als das untere Ende des Überlaufs 12, so daß demzufolge ein Überlaufstrom 15 durch den überlauf 12 hindurch austritt. Gleichungen, welche die Berechnung des Durchflusses durch Überläufe verschiedener Formgebung als Funktion der Höhe Q = Kf (H) gestatten, sind bekannt. Die Gleichung, welche den Durchfluß durch

5/2 einen V-förmigen überlauf angibt, lautet Q = KH ' . Darin ist

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K eine Proportionalitätskonstante, und H ist die Höhe der freien Oberfläche 14 der Flüssigkeit 13 über dem unteren Ende des Überlaufs 12. Das zweite Ausführungsbeispiel zeigt den Durchfluß durch einen offenen Kanal von bestimmter Querschnittsformgebung wie z.B. den in Fig. 4 dargestellten Kanal 16 von kreisförmigem Querschnitt. Die freie Oberfläche 14 der fließenden Oberfläche 13, hier als "Pegelstand¹¹ bezeichnet, folgt entsprechend der Darstellung in Fig. 3 der Neigung S des Kanals 16, welche für kleine Neigungswinkel durch =- vorgegeben ist. Die mittlere hydraulische Durchflußtiefe R in einem offenen Kanal ist definiert als das Verhältnis der Querschnittsfläche A des Durchflußstroms zu dem benetzten Umfang P des Durchflußkanals. R weist daher eine lineare Dimension auf und ist offensichtlich eine Funktion von H. Die Durchflußgeschwindigkeit in einem offenen Kanal wird durch folgende Gleichung angegeben: V = C VRS . C ist in dieser Gleichung ein Dxmensionskoeffxzient, der von der Kanaloberfläche und von dessen Querschnitt abhängig ist, und läßt sich im Falle eines gleichförmigen, dauernden Durchflusses durch die empirische Gleichung nach Manning

C =

R η

beschreiben, in welcher η ein aus Tabellen entnehmbarer Kanal-Oberflächenrauhextsfaktor ist, welcher von der Oberflächenrauhheit des Kanals 16 abhängig ist. Wenn nun die vorstehenden Gleichungen in die grundlegende Durchflußformel Q = AV eingesetzt werden, ergibt sich:

Q = AC

( η ) _ρ2/3

Wenn S gemessen wird, und die in Klammern enthaltenen Größen zu K¹ zusammengefaßt werden, ergibt sich die folgende Gleichung

Q = K· f(h),
in welcher die verbleibenden Ausdrücke eine Funktion von H sind.

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Figur 5 zeigt einen Flüssigkeits-Pegelstandsdetektor und Signalgeber 17 mit einer wasserdichten Abdeckhaube 18 und einer unteren Befestigungsplatte 19, welche an die jeweiligen örtlichen Gegebenheiten angepaßt ist. Bei dem in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbexspxel erfolgt die Befestigung auf einer waagerechten Oberfläche 20.

In der wasserdichten Abdeckhaube 18 befindet sich ein Fenster 21, in welchem eine kontinuierliche Sichtanzeige der Höhe der freien Oberfläche 14, d.h_o des Pegelstands erscheint. Ein zweites Fenster 22 gestattet das Erkennen mehrerer Anzeigelampen, welche in Abhängigkeit von vorbestimmten, gemessenen Pegelständen der freien Oberfläche 14 aufleuchten. Am Boden ist aus der wasserdichten Abdeckhaube 18 ein ummanteltes Stahlkabel 23 herausgeführt, das mit einer isolierenden Ummantelung versehen ist. Das Stahlkabel 23 ist durch ein Gewicht 24 durchgeführt, aufgrund dessen das Stahlkabel 23 lotrecht von der Unterseite der Abdeckhaube 18 nach unten hängt. Hinter dem Gewicht 24 ist das Stahlkabel 23 elektrisch mit einer Sonde 25 aus einem leitfähigen Werkstoff verbunden. Die Sonde 25 ermittelt im Betrieb die Lage der freien Oberfläche 14 einer fließenden Flüssigkeit in einem offenen Kanal.

Der Flüssigkeits-Pegelstandsdetektor und Signalgeber 17 erzeugt ein dem Pegelstand der freien Oberfläche 14 in bezug auf einen vorbestimmten Bezugswert proportionales Signal ("Relativsignal¹¹ ) . Dieses Pegelstandssignal wird zu einem Durchflußmengenrechner 26 übertragen. Außerdem erzeugt der Flüssigkeits-Pegelstandsdetektor und Signalgeber 17 in Abhängigkeit von vorbestimmten Pegelstandswerten Hilfssignale, welche einer Zu satzausrüstung 27 zugeführt werden, die beispielsweise dazu verwendet werden kann, den Pegelstand der freien Oberfläche 14 aufzuzeichnen, die Flüssigkeit 13 zu chlorieren oder den Durchfluß zu sperren oder abzulenken.

In die Frontplatte 28 des Durchflußmengenrechners 26 wird der als Einschub ausgebildete Nur-Lese-Speicher 29 für eine be-

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stimmte Querschnittsformgebung eines offenen Kanals eingesetzt. Der Einschub kann die Form einer Patrone aufweisen, welche in eine entsprechende Ausnehmung in der Frontplatte 28 eingeschoben wird. Außerdem befinden sich an der Frontplatte 28 ein durch Stellknopf verstellbarer Schalter eines Maximaldurchfluß-Eingangsregisters 30 und ein Gesamtdurchflußmengenanzeiger 31. Weiterhin können ein durch Stellknopf verstellbarer Schalter für Prüfgeschwindigkeit 3.2 und ein Durchflußmengen-Aufzeichnungsgerät 33 an der Frontplatte 28 vorgesehen sein.

Figur 6 zeigt ein Blockschaltbild von Signalgeber und Rechner. Der Flüssigkeits-Pegelst'andsdetektor und'Signalgeber 17 erzeugt ein die Höhe der Flüssigkeitsfläche 14, d.h. den Pegelstand anzeigendes Ausgangssignal. Dieses Höhen- oder Pegelstandssignal wird einem Pegeleinstellverstärker 34 zugeführt. Außerdem erzeugt der Pegelstandsdetektor und Signalgeber 17 weitere Ausgangssignale in Abhängigkeit von vorbestimmten Pegelstandswerten, und diese zusätzlichen Ausgangssignale werden der Zusatzausrüstung 27 zugeführt. Der Ausgang des Pegeleinstellverstärkers 34 ist mit einem Analog-Digital-Wandler 36 verbunden. Das digitale Ausgangssignal des A/D-Wandlers 36 ist abhängig von dem Pegelstand der Flüssigkeitsoberfläche 14 und wird einem Nur-Lese-Speicher 29 zugeführt, welcher seinerseits ein Ausgangssignal erzeugt, das in einen ersten Pufferspeicher 37 eingegeben wird. Ein erster Taktgeber 38 erzeugt ein periodisches Ausgangssignal wie z.B. einen Impuls pro Minute, der dem ersten Pufferspeicher 37 zugeführt wird. Das Ausgangssignal eines zweiten Taktgebers 39 wird ebenfalls an den ersten Pufferspeicher 37, und außerdem.an den Analog-Digital-Wandler 36 angelegt. Der zweite Taktgeber 39 ist weiterhin mit einem Gesamtdurchflußmengensummierer 41 verbunden, welcher dem Gesamtdurchflußmengenanzeiger 31 zugeordnet ist.

Die im ersten Pufferspeicher 37 gespeicherten Daten werden einem Maximaldurchfluß-Eingangsregister 42 zugeführt,· und das von dem letzteren abgegebene Ausgangssignal durchläuft eine

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Teilerschaltung 43, in welcher es durch den Faktor 10 geteilt wird. Der Ausgang der Teilerschaltung 43 ist mit dem Gesamtdurchflußmengensummierer 41 verbunden. Ein Dekadenschalter gestattet die Wahl zwischen verschiedenen Durchflußmengenanzeigen, nämlich dem durch den Faktor 10 geteilten Signal am Ausgang der Teilerschaltung 43, einem durch den Faktor 100 geteilten Ausgangssignal von einer zweiten Teilerschaltung 46 oder einem durch den Faktor 1000 geteilten Ausgangssignal vom Ausgang einer dritten Teilerschaltung 47. Der Dekadenschalter 44 führt das ausgewählte Signal einem zweiten Pufferspeicher zu. Ein dem mit Stellknopf versehenen Prüfgeschwindigkeitsschalter 32 zugeordnetes Prüfgeschwindigkeitsregister 49 ist mit dem zweiten Pufferspeicher 48 verbunden und liefert ein Ausgangssignal zu einem Sampler-Prüfer 59.

Das Ausgangssignal des Nur-Lese-Speichers 29 kann außerdem einem Digital-Analog-Wandler 51 zugeführt werden, welcher ein der Durchflußmenge proportionales Ausgangssignal liefert, welches dem Durchflußmengen-Aufzeichnungsgerät 33 zugeführt wird.

Figur 7 zeigt den elektrischen Schaltplan der Sonde 25 und des in den Figuren 5 und 6 schematisch dargestellten Signalgebers 17. In der Wechselspannungsnetzleitung ist ein Betriebs- oder Umkehrschalter S1 angeordnet, und die Wechselspannungsphase ist durch eine Sicherung F1 abgesichert. Eine Lampe L1 zeigt den Einschaltzustand und das Vorhandensein der Wechselspeisespannung an. Außerdem ist in der Phasenleitung ein EIN-AUS-Schalter S2 angeordnet. Ein Netzgerät 52 liefert +15 Volt Gleichspannung für die Signalgeberschaltung, sowie eine Wechselspannung für einen Stellmotor 53, welcher zur Einstellung der Sonde 25 und zum Antrieb des Stellglieds an einem Potentiometer R8 dient. Der Drehsinn des Stellmotors wird durch öffnen bzw. Schließen der Schalter S5 und S6 gesteuert, welche jeweils den Relaiswicklungen K1 bzw. K2 zugeordnet sind. Die Relaiswicklungen K1 und K2 sind jeweils mit

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einem Transistor Q3 bzw. Q1 verbunden. Der Transistor Q2 ist mit der Basis des Transistors Q3 und dem Kollektor des Transistors Q4 verbunden. Der Transistor Q4 ist mit dem Ausgang eines monostabilen Multivibrators 0S1 verbunden. Verzögerungsglieder R10 und C2 sind ebenfalls mit dem monosta- bilen Multivibrator 0S1 verbunden. Der Kollektor des Transistors Q1 ist kapazitiv mit dem Eingang des monostabilen Multivibrators 0S1 verbunden. Widerstände R1 bis R7 dienen wie dargestellt als Vorspannungswiderstände für die Transistoren Q1 , Q2, Q3 und Q4.

Die Sonde 25 ist mit dem Basiskreis des Transistors Q1 verbunden. Außerdem liegen im Basiskreis des Transistors Q1 ein Kabeltrommelschalter S4 und ein Durchhangschalter S3.

Das Ausgangssignal des Potentiometers R8 liegt am Verstärker A1, dessen Verstärkungsgrad vermittels des Schalters S7 entsprechend den durch die Widerstände R15, R16 und R17 vorgegebenen Werten veränderlich einstellbar ist. Ein Pufferverstärker A2 ist mit dem Ausgang des Verstärkers A1 verbunden und liefert ein Ausgangssignal, das einem entfernt angeordneten Aufzeichnungsgerät zugeführt werden kann, mit dem der Pegelstand der freien Oberfläche 14 aufgezeichnet wird. Der Ausgang des Pufferverstärkers A2 ist außerdem mit mehreren Warn- und Hilfsschaltungen 54 verbunden, die typischerweise wie die Schaltung 56 ausgebildet sind. Der Pufferverstärker A2 ist mit dem Eingang eines Spannungsvergleichers A3 verbunden. Ein Bezugseingang für den Vergleicher A3 wird von einem Gleitkontakt an einem Widerstand R20 geliefert. Der Ausgang des Spannungsvergleichers A3 erscheint an einer Klemme des Schalters S9 und wird außerdem an den Eingang des Verstärkers A4 mit dem Verstärkungsgrad 1 angelegt. Der Ausgang des Einheitsverstärkers A4 ist mit einer zweiten Klemme des Schalters S9 verbunden. Der Schalter S9 verbindet den Ausgang von entweder Spannungsvergleicher A3 oder Verstärker A4 mit der Basis des Transistors Q5. Eine Leuchtdiode 57 ist mit dem Kollektor des Transistors Q5 verbunden und in Reihe mit der

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Relaisspule K3 geschaltet, welche dem Schalter S8 zugeordnet ist. Der Schalter S8 ist seinerseits mit der Zusatzausrüstung 27 verbunden.

Figur 8 zeigt weitere Einzelheiten der Schaltung von Fig. 6, welche nicht in Fig. 7 enthalten sind. Der Pegeleinstellverstärker 34 erhält das Ausgangssignal des Signalgebers 17 zugeführt. Der Ausgang des Pegeleinstellverstärkers 34 ist mit dem Analog-Digital-Wandler 36 verbunden,, weichst Signale an den Hur-Lese-Speicher 29 abgibt. Der Nur-Lese-Speicher 29 und der Analog-Digital-Wandler 36 liefern beide jeweils Ausgangssignale an eine Inverterschaltung 58, welche ein Ausgangssignal an ein (nicht dargestelltes) äußeres Aufzeichnungsgerät, oder über den Digital-Analog-Wandler 51 an das eingebaute DurchfluBmengen-AufZeichnungsgerät 33 abgibt. Die Inverterschaltung 58 liefert außerdem Ausgangssignale an den ersten Pufferspeicher 37, welcher in der dargestellten Weise mit dem Maxiitialdurchfluß-Eingangsregister 42 verbunden ist. Der Taktgeber 39 liefert Taktimpulse mit der Frequenz 20 Hz und ist sowohl mit dem ersten Pufferspeicher 37 als auch mit dem Maximaldurchfluß-Eingangsregister 42 verbunden. Der Ausgang des Maximaldurchfluß-Eingangsregisters 42 ist mit der durch 10 teilenden Teilerschaltung 43 verbunden, welche ihrerseits über den Dekadenschalter 44 mit dem zweiten Pufferspeicher 48 verbunden ist. Der Gesamtdurchflußmengenmesser 41 ist mit dem Ausgang der durch den Faktor 10 teilenden Teilerschaltung 43 verbunden. Ein Sampler-Prüfer 59 ist mit dem Ausgang des zweiten Pufferspeichers 48 verbunden.

Die Arbeitsweise der Gesamtdurchflußmeßvorrichtung sei nun anhand Fig. 7 näher erläutert. Dazu wird zunächst der Schalter S1 in die Einschaltstellung gebracht, und der Ein-Aus-Schalter S2 wird von Hand geschlossen. Das Netzgerät 52 ist somit betriebsbereit und liefert Wechselstrom für die Feldwicklung des Stellmotors 53. Positive Gleichspannung wird an den Emitter des Transistors Q2 angelegt, und dieser durch die

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Widerstände R4 und R5 in den leitfähigen Zustand beaufschlagt, so daß der Basis des Transistors Q3 ein Strom zugeführt wird. Der leitfähige Transistor Q3 erregt die Relaisspule K1, so daß der Schalter S5 geschlossen und der Stellmotor 53 in einem solchen Drehsinn angetrieben wird, bei dem das Gewicht 24 und die Sonde 25 nach unten zur Flüssigkeitsoberfläche 14 abgesenkt werden. Sobald die Sonde'25 in Berührung mit der Flüssigkeitsoberfläche 14 gelangt, besteht Massenschluß für den Basiskreis des Transistors Q1, so daß Q1 leitfähig gemacht wird. Da der Transistor Q2 ein PNP-Transistor ist, wird dieser abgeschaltet, sobald seine Basis auf das Emitterpotential gebracht wird. Sobald der Transistor Q2 abgeschaltet ist, entfällt der Basisstrom an Transistor Q3, wodurch auch dieser Transistor Q3 abgeschaltet und die Relaiswicklung K1 stromlos gemacht wird, so daß sich der Schalter S5 öffnet. Nunmehr steht über den Transistor Q1 und die Relaiswicklung K2 ein Stromweg zur Masse zur Verfügung, durch den der Schalter S6 geschlossen wird. Dadurch wird der Stellmotor 53 umgesteuert und hebt die Sonde 25 so lange an, bis diese außer Eingriff mit der Flüssigkeitsoberfläche 14 gelangt. Dadurch wird der Basiskreis für den Transistor Q1 unterbrochen, Transistor Q1 wird abgeschaltet, und Transistor Q2 kann wiederum in den leitfähigen Zustand vorgespannt werden. Sobald Transistor Q1 abgeschaltet wird, ist Relaiswicklung K2 stromlos, so daß sich Schalter S6 öffnet, wodurch der Antrieb des Stellmotors 53 abgeschaltet ist und die Sonde 25 nicht weiter angehoben wird. Sobald Transistor Q1 abgeschaltet und Transistor Q2 angeschaltet wird, erscheint ein zu negativen Werten hin gehendes Signal bei el, welches an den Triggereingang des monostabilen Multivibrators 0S1 angelegt wird. Daraufhin erscheint ein positiver Impuls, dessen Verweilzeit durch die Werte von Widerstand R10 und Kondensator C2 vorgegeben ist, als e2 am Ausgang von 0S1. Der Impuls e2 wird an die Basis des Transistors Q4 angelegt und macht diesen während der Impulsbreite von e2 leitend. Bei leitendem Transistor Q2 wird die Basis

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von Transistor Q3 während der Zeitdauer des Impulses e2 auf Massepotential gehalten, so daß Transistor Q3 in dieser Zeit nicht leiten kann. Nach Ablauf des Impulses e2 wird durch den Stromdurchgang durch den Transistor Q2 in die Basis des Transistors Q3 der Transistor Q3 angeschaltet und erregt seinerseits die Relaiswicklung K1, wodurch der Schalter S5 geschlossen wird und der Stellmotor 53 angeschaltet ist. Somit wird die Sonde 24 gegen die Flüssigkeitsoberfläche 14 abgesenkt. In der beschriebenen Weise wird die Sonde 25 in Berührung mit der Flüssigkeitsoberfläche 14 gebracht und sofort wieder von dieser zurückgezogen. Sobald der Kontakt mit der Flüssigkeitsoberfläche 14 unterbrochen ist, wird der Stellmotor 53 angehalten, wobei beide Schalter S5 und S6 während der durch die Impulsbreite des Impulses e2 vorgegebenen Verzögerungszeit offen sind. Bei der hier beschriebenen Ausführungsform führen die Verzögerungsglieder R10 und C2 zu einer Impulsbreite von e2 von angenähert 4 Sekunden.

Das Zeitdiagramm von Fig. 9 veranschaulicht die gegenseitige zeitliche Zuordnung der Signale in dem transistorierten Schalt- und Verzögerungskreis für den Stellmotor 53. Im Zeitpunkt t wird der Schalter S2 geschlossen, wenn sich die Sonde 25 nicht in Berührung mit der Flüssigkeitsoberfläche 14 befindet. Im Zeitpunkt t wird somit der Transistor Q2 eingeschaltet und erzeugt einen negativ werdenden Impuls el, der den monostabilen Multivibrator OS1 triggert, welcher an seinem Ausgang einen positiv werdenden Impuls e2 erzeugt. Die Verweilzeit des Impulses e2 ist mit T bezeichnet. Der Transistor Q4 ist während der Verweilzeit des Impulses e2 leitend. Im Zeitpunkt t₁, d.h. wenn Impuls e2 abfällt, wird der Transistor Q3 angeschaltet, da der Transistor Q2 der Basis des Transistors Q3 Strom zuführt. Die Relaiswicklung K1 wird erregt und schließt den Schalter S5, so daß der Stellmotor 53 angetrieben wird und die Sonde 25 gegen die Flüssigkeitsoberfläche 14 absenkt. Im Zeitpunkt t₂ berührt die Sonde 25 die Flüssigkeitsoberfläche 14, wodurch der Basiskreis durch den Transistor Q1 vervollständigt

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und Q1 angeschaltet wird. Bei Anschalten von Transistor Q1 werden Transistor Q2 und durch diesen wiederum Transistor Q3 abgeschaltet. Die Relaiswicklung Kl ist somit stromlos, der Schalter S5 wird geöffnet, und die Relaiswicklung K2 ist durch den Transistor Q1 erregt, wodurch der Schalter S5 geschlossen und der Motor 53 angeschaltet wird, um die Sonde 25 anzuheben. Im Zeitpunkt t₃ gelangt die Sonde 25 außer Berührung mit der Flüssigkeitsoberfläche 14, so daß der Transistor Q1 abgeschaltet und der Transistor Q2 angeschaltet wird. Ein negativ werdender Impuls el triggert den Multivibrator 0S1, welcher seinerseits einen positiv werdenden Impuls e2 liefert. Der Impuls e2 schaltet den Transistor Q4 an und bewirkt eine Verzögerungszeit, während welcher der Transistor Q3 bis zum Zeitpunkt t. im abgeschalteten Zustand gehalten wird. Dieser Vorgang wiederholt sich, sobald die Sonde 25 wiederum gegen die Flüssigkeitsoberfläche 14 abgesenkt wird.

Der Stellmotor 53 ist über Zahnräder mit der Welle des Drehpotent iometers R8 verbunden. Das vom Potentiometer R8 abgegebene Signal wird an den Eingang des Verstärkers A1 angelegt, und dessen Verstärkungsgrad wird vermittels des Schalters S7 durch Einschalten eines der Widerstände R15-R17 eingestellt. Wenn der Stellweg der Sonde 25 beispielsweise 152 cm beträgt, verdreht der Stellmotor 53 das Potentiometer R8 für den ganzen Stellweg um eine volle Umdrehung. In diesem Falle beträgt der durch den Rückkopplungswiderstand R17 vorgegebene Verstärkungsgrad 1, so daß das Ausgangssignal des Verstärkers A1 den gleichen Signalbereich wie das Ausgangssignal des Potentiometers R8 umfaßt. Wenn dagegen der Stelle bereich für die Sonde auf 76 cm beschränkt wird, kann durch den Schalter S7 der Rückkopplungswiderstand R16 eingeschaltet werden, welcher den Verstärkungsgrad 2 für den Verstärker A1 vorgibt. Am Ausgang des Verstärkers A1 erscheint nunmehr das gleiche Ausgangssignal für eine halbe Umdrehung des Potentiometers R8. Wenn der Stellweg der Sonde 25 auf eine senkrechte

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Strecke von 38 cm eingeschränkt wird, läßt sich am Verstärker Ä1 der Rückkopplungswiderstand R15 einstellen, so daß der Verstärkungsgrad 4 beträgt. In diesem Falle liefert eine Viertelumdrehung des Potentiometers R8 am Ausgang des Verstärkers A1 ein Ausgangssignal, welches dem vollen Verstellbereich des Potentiometers R8 entspricht. Der Verstärker A2 übt eine Pufferfunktion aus und führt das durch die Stellung der Welle des Potentiometers R8 erzeugte Signal einem Aufzeichnungsgerät zu, mit dem der Pegelstand der Flüsssigkeitsoberflache 14 kontinuierlich aufgezeichnet wird.

Der Ausgang des Verstärkers A2 ist außerdem mit mehreren Warn- und Hilfsschaltungen 54 verbunden. Die Schaltung 56 stellt eine typische Ausführungsform derartiger Warn- und Hilfsschaltungen 54 dar. Das Äusgangssignal des Verstärkers A2 wird dem Eingang eines Spannungsvergleichers A3 zugeführt, welcher außerdem eine Bezugsspannung von dem Potentiometer R20 zugeführt erhält. Sobald das Ausgangssignal des Verstärkers A2 die Bezugsspannung überschreitet, erzeugt der Vergleicher A3 ein Ausgangssignal, das einer Klemme des Schalters S9 und dem Eingang des Verstärkers A4 zugeführt wird. Der Verstärker A4 bewirkt eine Inversionsfunktion und legt das invertierte Ausgangssignal des Vergleichers A3 an die andere Klemme des Schalters S9 an. Der Schalter S9 verbindet das invertierte oder das nicht invertierte Ausgangssignal des Vergleichers A3 mit der Basis des Transistors Q5, was jeweils davon abhängig ist, ob die Leuchtdiode 57 normalerweise angeschaltet oder normalerweise abgeschaltet ist. Sobald der Transistor Q5 leitfähig ist, wird die Leuchtdiode 57 angeschaltet und zeigt somit an, daß die Flüssigkeitsoberfläche 14 einen vorbestimmten Pegelwert erreicht hat. Außerdem wird die Relaiswicklung K3 erregt und betätigt den Schalter S8, durch den äußere Zusatzausrüstungen 27 wie z.B. ein angeschlossenes Aufzeichnungsgerät, ein Chlorinator oder eine andere Vorrichtung angeschaltet werden, vermittels welcher bei dem vorbestimmten Pegelstand der Flüssigkeit eine vorbestimmte Funktion ausgeführt wird.

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Entsprechend Fig. 8 liegt der Ausgang des Signalgebers 17 am Eingang des Pegeleinstellverstärkers 34. Wie eingangs ausgeführt, lautet die Durchflußmengengleichung für einen V-för-

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migen Überlauf Q = AH ' . Die Einstellung für maximales H erfolgt durch Einstellen des Verstärkungsgrads von Verstärker 34 am Widerstand R30 und ist so bemessen, daß sie bei Einstellung des Maximaldurchfluß-Eingangsregisterschalters 30 mit dem Maximaldurchsatz in gewünschten Einheiten zusammenfällt. Der Ausgang des Verstärkers 34 wird im Analog-Digital-Wandler 36 umgewandelt und dem Nur-Lese-Speicher 29 zugeführt. Der Nur-Lese-Speicher 29 liefert ein digitales Ausgangssignal, welches dem Durchfluß vom Maximalwert bis zu Null entspricht. Bei dem in den Figuren 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Nur-Lese-Speicher 29 insbesondere für einen V-förmigen überlauf programmiert.

Im Falle eines Durchflusses durch einen Kanal wie z.B. den in den Figuren 3 und 4 dargestellten Kanal 16 von kreisförmigem Querschnitt wird eine Lösungstabelle für Durchfluß in offenen Kanälen anhand der Formel nach Manning verwendet, um den Maximaldurchsatz zu erhalten. Das maximale H für den Kanal ist ein Verstärkungsfaktor, der am Ausgang des Verstärkers 34 so eingestellt wird, daß er mit dem Maximaldurchsatz zusammenfällt, der vermittels des Schalters 30 in der Frontplatte 28 eingestellt wird. Der Nur-Lese-Speicher 29 für einen Kanal dieser Formgebung liefert ein digitales Ausgangssignal, das als Funktion von H in Beziehung steht zu jedem Teil des Maximaldurchsatzes .

Der Nur-Lese-Speicher 29 enthält ein Programm, welches ein in Beziehung zum Ausgangssignal stehendes Durchsatzvolumen vorgibt, das von dem eingestellten Maximalwert für den Ausdruck H in Verstärker 34 und dem Maximaldurchsatz für den jeweiligen Kanal, welcher am Maximaldurchfluß-Eingangsregisterschalter 30 des Rechners 26 eingestellt wird, vorgegeben ist. Die Inverterschaltung 58 dient lediglich dazu, Digitalsignale

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der richtigen Polarität für den Digital-Analog-Wandler 51 und den ersten Pufferspeicher 37 zu liefern. Der Digital-Analog-Wandler 51 ist wahlweise als Zusatz vorgesehen und wird nur dann verwendet, wenn ein (nicht dargestelltes) äußeres Aufzeichnungsgerät angeschlossen wird oder ein inneres, d.h. eingebautes Aufzeichnungsgerät 33 vorgesehen ist.

Wie aus Fig. 6 und im einzelnen aus Fig. 8 ersichtlich, sammelt der erste Pufferspeicher 37 Daten von dem Nur-Lese-Speicher 29. Der Taktgeber 38 gibt diese Daten jede Minute einmal an das Maximaldurchfluß-Eingangsregister 42 ab, welches durch Verstellen des Stellknopfs an dem Eingangsregisterschalter 30 in der Frontplatte 28 des Rechners 26 wie vorstehend beschrieben bis zu einem bestimmten Grade aufgefüllt wird. Sobald das Maximaldurchfluß-Eingangsregister 42 durch die periodischen Datenzugänge von dem ersten Pufferspeicher 37 aufgefüllt worden ist, überträgt es seinen Inhalt über die durch den Faktor 10 teilende Teilerschaltung 43 zu dem Gesamtdurchflußmengensummierer 41. Alle etwa verbleibenden, vom ersten Pufferspeicher 37 zugeführten Daten werden so lange im Maximaldurchfluß-Eingangsregister 42 zurückgehalten, bis dieses erneut aufgefüllt wird und überträgt. Der mit der Frequenz 20 Hz arbeitende Taktgeber 39 führt dem Gesamtdurchflußmengensummierer 41 Impulse zu, vermittels welcher der Motor des Summierers angetrieben wird und vermittels des Gesamtdurchflußmengenanzeigers 31 eine Anzeige der Gesamtdurchflußmenge liefert.

Der in den Figuren 6 und 8 dargestellte Dekadenschalter 44 liefert einen zur Verkleinerung oder Vergrößerung, d.h. dem sogenannten Scaling dienenden Faktor am Eingang des zweiten Pufferspeichers 48. Wenn zwischen Probenahmen oder Prüfungen große Durchflußmengen durchlaufen, kann der Dekadenschalter 44 dazu verwendet werden, die Durchflußeinheiten innerhalb des Bereichs des zweiten Pufferspeichers 48 zu halten. Das

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Puffergeschwindigkeitsregister 49 wird vermittels des Prüfgeschwindigkeitsschalters 32 auf die gleichen Durchflußmengeneinheiten wie am Maximaldurchfluß-Eingangsregisterschalter 30 eingestellt. Sobald daher der Einstellung des Prüfgeschwindigkeitsregisters 49 entsprechende Daten im zweiten Pufferspeicher 48 angesammelt sind, wird ein eine Funktion des Durchflusses darstellendes Ausgangssignal an den Sampler-Prüfer 59 abgegeben.

Das Verfahren und die Vorrichtung zur Gesamtdurchflußmessung gestatten somit die Anzeige der Gesamtdurchflußmenge aufgrund der Ermittlung des Flüssigkeitspegelstandes der fließenden Flüssigkeit in einem offenen Kanal von bekannter Querschnittsformgebung und Größe. Die Vorrichtung weist nur ein Minimum an beweglichen Teilen auf und liefert bestimmten Pegelstandswerten entsprechende Ausgangssignale für die Ausführung vorbestimmter Arbeitsgänge an der strömenden Flüssigkeit. Weiter- _t hin sind eine kontinuierliche Gesamtmengerianzeige und eine Sichtanzeige des zeitlichen Verlaufs der Durchflußmenge vorgesehen. Eine Einstellung ermöglicht eine periodische überprüfung als Funktion des Durchflusses.

- Patentansprüche!

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Claims

Patentansprüche

1.) Vorrichtung zur Messung des Gesamtdurchflusses, gekennzeichnet durch einen zur Anzeige der Oberfläche (14) einer Flüssigkeit und Abgabe eines den Pegelstand dieser Flüssigkeit in bezug auf einen vorbestimmten Bezugspegelstand anzeigenden Signals dienenden Flüssigkeits-Pegelstandsdetektor und Signalgeber (17) und einen Rechner (26), der dazu dient, das Pegelstandssignal in ein Gesamtdurchflußsignal umzusetzen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine auf vorbestimmte Pegelstandssignalwerte ansprechbare und zur Abgabe einer Vielzahl von Hilfssignalen dienenden Schaltung und eine auf die Hilfssignale ansprechbare und zur Ausführung einer Vielzahl vorbestimmter Arbeitsgänge an der Flüssigkeit dienende Vorrichtung.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine zur Sichtanzeige der Ist-Oberflächenhöhe dienende Vorrichtung (25) .

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zur Anzeige der Oberfläche einer Flüssigkeit (13) dienende Pegelstandsdetektor und Signalgeber (17) eine zur Berührung mit der Flüssigkeitsoberfläche (14) bringbare Sonde (25), einen zum senkrechten Anheben und Absenken der Sonde dienenden Stellmotor (53), eine zur Drehsinnumkehr des Stellmotors dienende Umsteuervorrichtung und eine im Anschluß an das Anheben der Sonde zur Verzögerung des Absenkens der Sonde dienende Vorrichtung aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die auf die Hilfssignale ansprechbare Vorrichtung aus zur Anzeige vorbestimmter Flüssigkeitspegelstände dienenden Warn- und HilfBschaltungen (54, 56) besteht.

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6. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die auf vorbestiinmte Pegelstandssignalwerte ansprechbare Vorrichtung mehrere Spannungsvergleicher (A3), und die auf die Hilfssignale ansprechbare Vorrichtung mehrere, zur Anzeige von außerhalb vorbestimmter Grenzwerte liegender Pegelstandswerte dienende Lampen (22) aufweist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rechner (26) einen zur Vergrößerung oder Verkleinerung der erzeugten Pegelstandssignalwerte und Erzeugen eines entsprechenden Ausgangssignals dienenden Pegelwerteinstellverstärker (34) , einen Analog-Digital-Wandler (36), der dazu dient, das analoge Ausgangssignal des Verstärkers in ein entsprechendes digitales Signal umzuwandeln, einen Nur-Lese-Speicher (29), dem das digitale Ausgangssignal zuführbar ist, und der dazu dient, ein zusätzliches digitales Durchflußmengenausgangssignal zu erzeugen, einen Pufferspeicher (37), der zur Speicherung des zusätzlichen digitalen Ausgangssignals dient, ein Maximaldurchfluß-Eingangsregister (42), dem das zusätzliche digitale Ausgangssignal zuführbar ist, und das dazu dient, ein Durchflußausgangssignal zu liefern, einen zur Übertragung des zusätzlichen Ausgangssignals in vorbestimmten Zeitintervallen in das Maximaldurchflußeingangsregister dienenden Taktgeber (38) und einen Gesamtmengensummierer (41), dem das Durchflußausgangssignal zuführbar ist, aufweist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch einen weiteren Speicher (48) , dem das Durchflußausgangssignal des Durchflußeingangsregisters (42) zuführbar ist, und ein mit dem zusätzlichen Speicher (48) verbundenes, zur Vorwahl einer Prüfdurchflußmenge dienendes Prüfgeschwindigkeitsregister (49) , wobei für jeden vorgewählten Durchflußmengenzuwachs ein Prüfausgang durch den zusätzlichen Speicher erzeugbar ist.

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9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Digital-Analog-Wandler (51), dem das zusätzliche digitale Ausgangssignal zuführ ist, und der dazu dient, ein analoges Durchflußmengenausgangssignal zu liefern, und ein Aufzeichnungsgerät (33) , dem das analoge Ausgangssignal zuführbar ist, und das zur Aufzeichnung des zeitlichen Verlaufs der Durchflußmenge dient, vorgesehen sind.

10. Verfahren zur Messung des Gesamtdurchflusses durch Umwandlung eines Flüssigkeitspegelstandes in eine Durchflußmengenanzeige, vermittels der Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß für einen Flüssigkeitspegel ein Bezugspegelwert vorgewählt, die Höhe des Flüssigkeitspegels in bezug auf den Bezugspegelwert ermittelt, ein die Höhe des Flüssigkeitspegels in bezug auf den Bezugspegelwert anzeigendes Relativsignal erzeugt, zu einem Rechner (2 6) übertragen und in ein Digitalsignal umgewandelt, das Digitalsignal in einen Nur-Lese-Speicher (29) eingespeist, in diesem ein digitales Durchflußmengensignal erzeugt, das digitale Durchflußmengensignal in einem Pufferspeicher (37) gespeichert, das gespeicherte, digitale Durchflußmengensignal in vorbestimmten Zeitabständen in ein Maximaldurchflußeingangsregister (42) übertragen, das Maximaldurchflußeingangsregister mit den gespeicherten Signalen gefüllt wird, und nach Auffüllung die Zählwerte des Maximaldurchflußeingangsregisters (42) in einen Gesamtmengensummierer (41) übertragen werden.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das digitale Durchflußmengensignal in ein analoges Durchflußmengensignal umgewandelt und dieses in seinem zeitlichen Verlauf sichtbar aufgezeichnet wird.

12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Zählwerte des Maximaldurchflußeingangsregisters (42) in einem zusätzlichen Pufferspeicher (48) gespeichert werden,

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ein Prüfdurchflußzuwachs vorgewählt, dieser in den zusätzlichen Pufferspeicher (48) eingeführt und nach Auffüllung desselben bei den vorgewählten Prüfdurchflußzuwachsraten ein Ausgangssignal des Speichers erzeugt wird.

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