DE2501380A1 - Messgeraet zur ermittlung der menge pro zeiteinheit eines stroemenden mediums - Google Patents
Messgeraet zur ermittlung der menge pro zeiteinheit eines stroemenden mediumsInfo
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Description
Kh/Lm 6.12.1974- 25Ö1380
Anlage zur
ROBERT BOSCH GMBH, 7 Stuttgart 1
Messgerät ^zur Ermittlung der Menge pro Zeiteinheit eines
strömenden Mediums
Die Erfindung bezieht sich auf ein Messgerät zur Ermittlung der Menge pro Zeiteinheit eines strömenden Mediums durch
einen vorbestimmten Strömungsquerschnitt.
Es sind bereits Messgeräte zur Ermittlung der Menge eines
strömenden Mediums bekannt, bei dsnen durch das- strömende
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Medium eine der Mediummenge proportionale Auslenkung des Messorgans aus der Ruhelage erfolgt. Derartige Messgeräte
haben jedoch den Nachteil, dass sich aufgrund der vorhandenen Hysterese unerwünschte Messfehler ergeben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Messgerät zur Ermittlung der Menge pro Zeiteinheit eines strömenden Mediums
zu entwickeln, das den Anforderungen an ein derartiges
Messgerät genügt, einfach aufgebaut ist und bei dem keine Hystereseeinflüsse das Messergebnis beeinflussen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass
im Ströinungsquerschnitt mindestens ein eine abwechselnd in und
gegen die Strömungsrichtung gerichtete, konstante periodische Eigenbewegung ausführender Staukörper angeordnet ist, dessen
von der strömenden Mediummenge infolge der Dämpfung der Eigenbewegung bewirkter Energieverlust
durch eine dem Produkt aus Mediummenge und Eigengeschwindigkeit des Staukörpers proportionale Energiezufuhr
ausgleichbar ist.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass die Eigenbewegung des Staukörpers senkrecht zu den
Feldlinien eines elektromagnetischen Feldes gerichtet und die Feldstärke des Elektromagnetfeldes in Abhängigkeit von
der durchströmenden Mediummenge zur Aufrechterhaltung der konstanten Eigenbewegung des Staukörpers änderbar und mit
dem Staukörper eine Querplatte verbunden ist, die senkrecht zu den Feldlinien des elektromagnetischen Feldes angeordnete
elektrische Stromleiter trägt. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist derart, dass die Eigengeschwindigkeit
des Staukörpers durch einen Geschwindigkeitsgeber ermittelbar ist, intern an mindestens einem Ende des
Staukörpers ein Ansatz aus magnetisch hochleitendem Material angeordnet ist, durch den der Widerstand eines magnetischen
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* ^Q 1380
Spannung Kreises konstanter magnetischer/änderbar und dadurch in
einer Wicklung eine der Eigengeschwindigkeit des Staukörpers proportionale Spannung induzierbar ist und die
Stromleiter der Querplatte von einem elektrischen Strom durchflossen werden, dessen Stromstärke der der Eigengeschwindigkeit
des Staukörpers proportionalen Spannung entspricht, die ebenfalls einem Komparator zuführbar und
mit einer Sollspannung vergleichbar ist, durch dessen Ausgangsspannung die-Feldstärke des Elektromagneten geändert
wird.
Nach einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung
dient als Staukörper eine quer zur Strömungsrichtung angeordnete Staiplatte, die an einer Torsionsfeder aufgehängt
und um eine Mittelachse des Strömungsquerschnittes drehbar gelagert ist.
Eine weiterhin verteilhafte Ausgestaltung der Erfindung
besteht darin, dass der Strömungsquerschnitt kreisförmig ausgebildet ist und durch einen Strömungsleitkörper
ein mittlerer Bereich des Strömungsquerschnittes
strömungsfrei gehalten wird.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmässige Weiterbildungen
der Erfindung ergeben sich in Verbindung mit den Unteransprüchen aus der nachfolgenden Beschreibung und
aus den in der Zeichnung vereinfacht dargestellten Ausführungsbeispielen.
Es zeigen:
Pig. Λ - 4- ein erstes Ausführungsbeispiel eines
Messgerätes zur Ermittlung der Menge pro Zeiteinheit eines strömenden
Mediums,
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Pig. 5 υ. 6 eine "Strömungsleitvorrichtung,
Fig. 7 - 10 weitere Ausführungsbeispiele eines
Messgerätes zur Ermittlung der Menge pro Zeiteinheit eines strömenden Mediums,
Fig. 11 u. 12 Blockschaltbilder der Eegelungsvor-
gänge des Messgerätes mit Stromsteuerung.
Bei dem Messgerät zur Ermittlung der Menge pro Zeiteinheit eines strömenden Mediums nach den Fig. 1-4- wird der
Strömungsquerschnitt 1 des strömenden Mediums durch die lichte Vieite eines Rohres 2 bestimmt, indem an einer
Torsionsfeder 3 eine als Staukörper dienende Stauplatte 4
drehbar angeordnet ist. Die Stauplatte 4- ist dabei
so ausgebildet,
dass die Breite der Stauplatte mit grosser werdendem Abstand
von der Mittelachse des Strömungsquerschnittes abnimmt. Die Eigengeschwindigkeit der Stauplatte 4 wird durch einen
Geschwindigkeitsgeber 6 ermittelt. Hierfür ist an mindestens einem Ende der Stauplatte 4 ein Ansatz 7 aus magnetisch hochleitendem Material angeordnet, der in den Luftspalt zwischen
den Schenkeln eines Permanentmagneten 8 mit einer Wicklung ragt.
Mit der Stauplatte 4- ist eine Querplatte 11 verbunden, die
elektrische Stromleiter 12 trägt und senkrecht zu den Feldlinien eines elektromagnetischen Feldes angeordnet ist. Das
elektromagnetische Feld wird durch eine Spule 13 erzeugt und der Feldlinienverlauf durch magnetische hochleitende Bleche
14- und 15 bestimmt.
Im Strömungsquerschnitt 1 ist an einer Halterung 17 ein
Strömungsleitkörper 18 angeordnet, der einen vorbestimmten mittleren Bereich des Strömungsquerschnittes strömungsfrei
hält.
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Die Wirkungsweise des in den Pig. 1-4 beschriebenen Messgerätes ist folgende:
Das durch den Strömungsquerschnitt 1 strömende gasförmige
oder flüssige Medium übt auf die beiden Flügel der Stauplatte 4, die an der beidseitig fest eingespannten Torsionsfeder
3 drehbar gelagert ist, Teilkräfte aus, die die konstante periodische Eigenbewegung der Stauplatte dämpfen.
Der Energieverlust pro Periodendauer, den die Stauplatte durch das strömende Medium erfährt, ist dabei proportional
dem Produkt aus der Eigengeschwindigkeit ν und der Menge pro Zeiteinheit des strömenden Mediums. Bei bekannter Eigengeschwindigkeit
ν kann aus der Energiezufuhr an die Stauplatte die pro Zeiteinheit durchströmende Mediummenge
ermittelt werden. Hierfür wird durch den Geschwindigkeitsgeber 6 die Eigengeschwindigkeit ν gemessen. Dies erfolgt
dadurch, dass an mindestens einem Ende der Stäuplatte 4
ein Ansatz 7 aus magnetisch hochleitendem Material angeordnet ist, durch den der Widerstand des magnetischen Kreises
des Permanentmagneten 8 änderbar ist, wodurch in der V/icklung 9 eine der Eigengeschwindigkeit der Stauplatte
proportionale Spannung Uv induziert wird.
Die der Eigengeschwindigkeit proportionale induzierte Spannung Uv wird in einem Operationsverstärker (siehe
Fig. 11) verstärkt und liegt an den Stromleitern 12 der Querplatte 11. Der Energieverlust der Stauplatte 4 infolge
der Dämpfung durch das strömende Medium wird durch Änderung der Feldstärke des durch die Spule 13 erzeugten Elektromagnetfeldes
ausgeglichen, indem die senkrecht zu den Feldlinien des Elektromagnetfeldes angeordneten Stromleiter
12 Kräfte K und K' erfahren, wodurch ein Beschleunigungsmoment auf die Stauplatte 4 erzeugt wird. Die Kraft K
auf einen stromdurchflossenon Leiter in einem Magnetfeld ergibt sich aus der Beziehung:
K= (i x3jl
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- 6 - '2 B Λ ·
Dabei "bedeutet i die der Eigengeschwindigkeit ν proportionale
Stromstärke, B die Feldstärke des Elektromagnetfeldes
und 1 die wirksame Länge des stromdurchflossenen Leiters. Unter der Voraussetzung, dass die Stromstärke i proportional
der Eigengeschwindigkeit ν und die Änderung des Maximalvrertes
der Eigengeschwindigkeit gleich Null ist, ist die Feldstärke B genau proportional der durchströmenden Mediummenge
pro Zeiteinheit.
Die der Strömung entgegengerichtete Fläche der Stauplatte 4-soll
klein sein, um den Druckabfall an der Stauplatte möglichst gering zu halten. Unter der Voraussetzung eines kreisförmigen
Strömungsquerschnittes 1 ist die Stauplatte dabei derart auszubilden, dass mit grosser werdendem Abstand von der
Mittelachse des Strömungsquerschnittes die Höhe der Stauplatte abnimmt. D3m liegt die Bedingung zugrunde, dass das
Dämpfungsmoment suf ein beliebig kleines Flächenelement dF der Stauplatte 4-, das Teil einer Kreisringfläche der Breite dx
ist und einen mittleren Abstand x^, von der Mittelachse
des Strömungsquerschnittes hat, proportional der durch diese Kreisringfläche strömenden Mediuinmenge pro Zeiteinheit sein
soll. Da aufgrund dieser Bedingung für einen mittleren Bereich des Strömungsquerschnittes eine Höhe der Stauplatte
erforderlich wäre, die zu einer Beeinträchtigung der Strömung des Mediums und damit zu Messfehlern führen würde, wird
dieser mittlere Bereich durch einen Strömungsleitkörper 18 strömungsfrei gehalten. Mit dem Strömungsleitkörper 18
kann entsprechend den Fig. 5 und 6 eine Vorrichtung verbunden
sein, durch die der Strömungswiderstand entgegen der durch einen Pfeil gekennzeichneten VorzugsStrömungsrichtung
vergrösserbar ist. Diese Vorrichtung kann vorteilhafterweise aus federnd ausgebildeten Lamellen 20 bestehen, die
konzentrisch angeordnet mit ihrem inneren Ende fest mit dem Strömungsleitkörper 18 verbunden sind. Beispielsweise
zeigt die Fig. 5 lediglich zwei der Lamellen 20. Die in
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Vorzugsströmungsrichtung weisenden Enden 21 der Lamellen 20
sind gegen die Vorzugsströmungcrichtung hin gebogen und werden durch das in Vorzugsströmungsrichtung strömende Medium
in eine gestrichelt dargestellte Stellung 21' aufgebogen. Kommt es zu einer Rückströmung des Mediums entgegen öbr
Richtung der Vorzugsströmungsrichtung, so v/erden die Enden 21 der Lamellen 20 so weit entgegen der Vorzugsströiaungsrichtung
gebogen, dass sie den Strömungsquerschnitt nahezu
verschliessen. Eine derartige Vorrichtung ist erforderlich, wenn lediglich, die in einer Vorzugsrichtung strömende
Mediummenge bestimmt werden soll.
Eine weitere Lagerungsmöglichkeit der Stauplatte 4 ist in
den Fig. 7 und 8 dargestellt, in denen die Stauplatte 4 an Spitzen 23 schwenkbar um eine in der Mittelachse d.es
Strömungsquerschnittes 1 angeordnete Lagerachse 24 gelagert ist und als Rückstellkraft auf die Enden der Stauplatte 4
wirkende Federn 25 dienen.
Wie in Fig. 9 dargestellt kann das Messgerät zur Ermittlung der Menge pro Zeiteinheit eines strömenden Mediums auch
derart ausgebildet sein, dass im Strömungsquerschnitt 1 hintereinander zwei Staukörper 27 angeordnet und durch ein Hebelgestänge
29 miteinander verbunden sind, die an einer Halterung 30 befestigt im Strömungsquerschnitt axial gegenläufige Bewegungen
ausführen können.
Eine weitere Möglichkeit der Ausgestaltung des Messgerätes
zur Ermittlung der Menge pro Zeiteinheit eines strömenden Mediums ist in Fig. 10 vereinfacht dargestellt, in dem der
Strömungsquerschnitt in zwei gleich grosse EinzelStrömungsquerschnitte 31 j 32 mit je einem Staukörper 33 aufgeteilt
ist. Die beiden Staukörper 33 sind miteinander durch eine Hebelstangö 35 starr verbunden und um eine Drehachse 36 drehbar
gelagert.
- 8 6 0.9 830/0051
Bei dem in Fig. 11 dargestellten Blockschaltbild des Messgerätes zur Ermittlung der Menge pro Zeiteinheit eines
strömenden Mediums ist mit 4, 275 33 der in einem Strömungsquerschnitt angeordnete, eine konstante periodische Eigen- ■
bewegung ausführende Staukörper mit der Eigengeschwindigkeit ν bezeichnet und mit 6 der bereits in den Fig. 1 und
dargestellte Geschwindigkeitsgeber, an dem eine der Eigengeschwindigkeit des Staukörpers proportionale Spannung
Uv abgenommen, durch einen Operationsverstärker 7ß>
verstärkt und an die Stromleiter 12 der Querplatte 11 angelegt ist. Die der Eigengeschwindigkeit proportionale Spannung
Uv wird ausserdem mit einer Sollspannung II ^ in einem
Komparator 39 (z.B. Motorola 1710) verglichen, an dessen Ausgang ein Monoflop 40 (z.B. SN 74121) liegt, der einen
Vor-Rückwärtszähler 41 (z.B. SN 74191) steuert, dessen Zählerstand in einem DDA-Multiplizierer 42 (z.B. SN 7497)
.der.Mediummenge proportionale ., „ . , .
m eine"}frequenz gewandelt wird. Diese Frequenz wird m
einem Digital-Analog-Wandler 43 (z.B. CD 4016) in eine
Spannung rückgewandelt, die über ein RC-Glied und durch einen Operationsverstärker 44 verstärkt an der Spule 13 anliegt,
durch die ein Elektromagnetfeld erzeugt wird, dessen Feldstärke B proportional der durchströmenden Luftmenge ist,
so dass auf die Stromleiter 12 der Querplatte 11 ein Beschleunigungsmoment M erzeugt wird, das das durch die
strömende Mediummenge erzeugte Dämpfungsmoment auf die Stauplatte ausgleicht.
Der Digital-Analog-Wandler 43 enthält einen Feldeffekt-Transistor 45, dessen eine Steuerelektrode direkt und
einen Feldeffekt-Transistor 46, dessen Steuerelektrode über einen Inverter 47 am Ausgang des DDA-Multiplizierers 42
liegt. Je nachdem, welcher der Feldeffekt-Transistoren 45,
durchgesteuert wird, ist der Ausgang des Digital-Analog-Wandlers 43 mit einer Referenzspannung Uf. oder mit Masse
verbunden.
609830/0051 - 9 -
_ 9 ~ L
Bei dem in Fig. 12 dargestellten Blockschaltbild liegt im
Gegensatz zu Fig. 11 die der Eigengeschwindigkeit ν der Stauplatte 4 proportionale Spannung Uv am Eingang einer
Impulsformerstufe 49 (z.B. CD 4007), an deren Ausgang eine
Rechteckspannung konstanter Amplitude abnehmbar und den Stromleitern 12 zuführbar ist. Weiterhin erfolgt die Ansteuerung
des Vor-RückwärtsZählers 41 ■ durch
einen R-S-Flip-Flop 50.
Die Eigengeschwindigkeit des Staukörpers kann im Gegensatz zu dem beschriebenen Geschwindigkeitsgeber 6 in nicht dargestellter
Weise durch einen Eeldplattengeber erfolgen, durch den die Auslenkung des StaukÖrpers in eine Spannung umwandelbar
ist. Ebenfalls nicht dargestellt ist eine weitere Ausführungsform des Geschwindigkeitsmesser^ durch den die
Geschwindigkeit indirekt über Einspannmomente der Torsionsfeder mittels piezo-keramischer Element gemessen wird.
- 10 609830/0051
Claims (1)
- AnsprücheΛ ή Messgerät zur Ermittlung der Menge pro Zeiteinheit eines strömenden Mediums durch einen vorbestimmten Strömungsquerschnitt, dadurch gekennzeichnet, dass im Strömungsabwechselnd in querschnitt (1) mindestens ein eine Γ und gegen die Strömungsrichtung gerichtete, konstante periodische Eigenbewegung ausführender Sta\3körper (4, 27, 33) angeordnet ist, dessen von der strömenden Meditimmenge infolge der Dämpfung der Eigenbewegung (v ) bewirkter Energieverlust durch eine dem Produktaus Mediummenge und Eigengeschwindigkeit (v )des Staukörpers (4, 27, 33) proportionale Energiezufuhr ausgleichbar ist.2. Messgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Eigenbewegung (v ) des Staukörpers (4, 27, 33) senkrecht zu den Feldlinien eines elektromagnetischen Feldes (13, 14-, 15) gerichtet und die Feldstärke (B) des Elektromagnetfeldes (13, 14, 15) in Abhängigkeit von der durchströmenden ' Mediummenge zur Aufrechterhaltung der konstanten Eigenbewegung (v ) des Staukörpers (4, 27, 33) änderbar ist.- 11 609830/00513. Messgerät nach. Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Staukörper (4-, 27, 33) eine Querplatte (11) verbunden ist, die senkrecht zu den Feldlinien des elektromagnetischen Feldes (13» 14-» 15) angeordnete elektrische Stromleiter (12) trägt.4-. Messgerät nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, dass die Eigengeschwindigkeit (v ) des Staukörpers (4-, 27» 33)tidurch einen Geschwindigkeitsgeber (6) ermittelbar ist, indem an mindestens einem Ende des Staukörpers (4-, 27, 33) ein Ansatz (7) aus magnetisch hochleitendem Material angeordnet ist, durch den der Widerstand eines magnetischenSpannung Kreises konstanter magnetischer?"(8) änderbar und dadurch in einer Wicklung (9) eine der Eigengeschwindigke it (ν ) des Staukörpers (4-, 27» 33) proportionale Spannung (Uve) induzierbar ist.5. Messgerät nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung der Eigengeschwindigkeit (v ) die Auslenkung des Staukörpers (4-, 27» 33) durch einen Feldplattengeber in- eine Spannung umwandelbar ist.6.. Messgerät nach Anspruch 4-, dadurch gekennzeichnet, dassdie Stromleiter (12) der Querplatte (11) von einem ' elektrischen Strom durchflossen werden, dessen Stromstärke (i) der der Eigengeschwindigkeit (ve) des Staukörpers, 27» 33) proportionalen Spannung (TJv ) entspricht, 609 8.30/00 51die ebenfalls einem Komparator (39) zuführbar und mit einer Sollspannung (U -^,) vergleichbar ist, durch dessen Ausgangsspannung die Feldstärke des Elektromagneten (13,1*1,15) geändert wird.7. Messgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromleiter (12) der Querplatte (11) von einem elektrischen Strom konstanter Amplitude und sich in Abhängigkeit von der Eigenbewegungsrichtung des Staukörpers (4-, 27, 3-3) ändernder Stromrichtung durchflossen werden und die der Eigengeschwindigkeit (v ) des Staukörpers (4-, 2?, 33) proportionale Spannung(Uv J einem Komparator (39) zuführbar und mit einer Sollspannung(Uvergleichbar ist, durch dessen Ausgangsspannung die Feldstärke des Elektromagneten (13,14,15) geändert wird."8. Messgerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Staukörper eine quer zur Strömungsrichtung angeordnete Stauplatte (4-) dient.9· Messgerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Stauplatte (4) an einer Torsionsfeder (3) aufgehängt und um eine Mit^elachse^des Strömungsquerschnittes (1) drehbar gelagert ist.609830/0051 - 13 -t I-, \10. Messgerät nach Anspruch. 9> dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsquerschnitt (1) kreisförmig ausgebildet ist.11. Messgerät nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Stauplatte (4) mit grosser werdendem Abstand von der Mittelachse des Strömungsquerschnittes (1) eine abnehmende Höhe aufweist.12. Messgerät nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe der Stauplatte (4-) durch die Bedingung bestimmbar ist, dass das Dämpfungsmoment auf ein beliebig kleines Flächenelement (dF) der Stauplatte (A), das Teil einer Kreisringfläche der Breite (dx)ist und einen mittlerenAbstand (χ,,) von der Mittelachse ν des Strömungsquerschnittes (1) hat, proportional der durch diese Kreisringfläche strömenden Mediummenge pro Zeiteinheit' sein soll.13. Messgerät nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass durch einen Strömungsleitkörper (18) ein mittlerer Bereich des Strömungsquerschnittes (1) strömungsfrei gehalten wird.Messgerät nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Strömungsleitkörper (18) eine Vorrichtung verbunden ist, durch die der Strömungswiderstand entgegen609830/0051- 14 -einer Vorzugsströmungsrichtung vergrösserbar ist.15· Messgerät nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung federnd ausgebildete Lamellen (20) aufweist, die einerseits am Strömungsleitkörper (18) befestigt und deren in Vorzugsströmungsrichtung weisende Enden (21) gegen die Vorzugsströmungsrichtung hin gebogen sind.16. Messgerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Stauplatte (4) an Spitzen (23) schwenkbar um eine in der Mittelachse des Strömungsquerschnittes (1) angeordnete Lagerachse (24) gelagert ist und als Kückstellkraft auf die Enden der Stauplatte (4) wirkende Federn (25) dienen.17· Messgerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Strömungsquerschnitt (1) hintereinander zwei Staukörper (27) angeordnet und durch ein Hebelgestänge 29 miteinander verbunden sind, die an einer Halterung 30 befestigt imStrömungsquerschnitt axial gegenläufige Bewegungen ausführen können.18. Messgerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsquerschnitt (1) zwei gleich grosse Einzelströmungsquerschnitte (31» 32) aufweist, in denen je ein Staukörper (33) angeordnet ist.609830/0051- 15 -19· Messgerät nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die "beiden Staukörper (33) miteinander durch eine Hebelstange (35) starr verbunden und um eine Drehachse (36) drehbar gelagert sind. .>,609830/0051
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