DE2504275B2

DE2504275B2 - Schwebekoerper-durchflussmesser mit einem elektrischen messumformer

Info

Publication number: DE2504275B2
Application number: DE19752504275
Authority: DE
Inventors: Hubert A. Huntingdon Valley; Yard John S. Warminster; Pa. Riester (V.St.A.)
Original assignee: Fischer & Porter GmbH, 3400 Göttingen
Priority date: 1974-02-13
Filing date: 1975-02-01
Publication date: 1977-10-13
Also published as: JPS50115864A; US3894433A; DE2504275C3; DE2504275A1; JPS573003B2; JPS5752816A

Description

^arE?™ soteher aus der DT-OS 21 28 750 bekannter Schwebekörper-Durchflußmesser arbeitet mit der Laufzeit von Schallimpulseri, die von einem Schallsender periodisch an den strömenden Meßstoff auf den Schwebekörper gesendet, von diesem reflektiert wiederum durch den Meßstoff auf einen Schallempfänger gelangen Die Zeitdifferenz zwischen dem Senden der Schallimpulse und dem Empfang der Schalllimpulse wird in Form elektrischer Signale als linearproportionales Maß für die jeweilige Position des im vom Meßstoff durchströmten Meßrohres beweglich angeordneten Schwebekörper ;'.ur Messung und/oder Anzeige verwendet.

Bei dieser Vorrichtung ist es wegen der Benutzung des Meßstoffes als Übertragungsmedium notwendig, daß Schallsender und -empfänger im Meßrohr angeordnet oder außerhalb des Meßrohres liegend über einen Flüsiigkeitsschallkoppler mit dem Meßstoff im Meßrohr gekoppelt wird, wobei u. U. im Meßrohr Schallspiegel vorgesehen werden müssen. In jedem Fall ist eine feste definierte räumliche Zuordnung von Meßrohr mit Schvebekörper und Schallsender und -empfänger Voraussetzung für das Funktionieren der Vorrichtung. Die Benutzung des Meßstoffes als Übertragungsmedium macht die Schallgeschwindigkeit vom Zustand (Dichte, Zusammensetzung, Temperatur u.a.) und von der Strömungsgeschwindigkeit sowie von der Winkellage zur Rohrlängsachse und der Gestalt des die Schallimpulse reflektierenden Schwebekörpers abhängig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Schwebekörper-Durchflußmesser gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs zu verbessern und ein Meßergebnis unabhängig von Zuständen und Strömungsgeschwindigkeiten des Meßstoffes unter Beseitigung verschiedener Winkellagen des freizügiger gestaltbaren Schwebekörpers zu erhalten bei Verwendung eines elektrischen Meßumformers, der außerhalb des Meßrohres beliebig angeordnet sein kann unter Fortfall gesonderter Schallkoppler und -spiegel.

Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt durch die kennzeichnenden Maßnahmen des Hauptanspruches.

Der Schwebekörper kann, da er nicht als freischwebender Reflektor für durch den Meßstoff zugeführte Schaliimpulse, sondern als Auslöser für Torsionsimpulse der den Schwebekörper führenden elektrischen Vbid

in der den Schwebekörp

magnetostriktiven Verbindung in seiner Gestalt und Ausführung den jeweiligen Erfordernissen des Messers einfach angepaßt werden und es ist ohne aufwendige zusätzliche konstruktive Maßnahmen ein Durchflußmesser mit geführtem Schwebekörper durch Ersatz der rein mechanischen Führungsstange durch eine elektrisch leitende magnetostriktive Verbindung unter Verwendung eines außerhalb des Meßrohres angeordneten Meßumformers eine einfachere, genauere Messung der Durchflußmenge des Meßstromes möglich.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Die Erfindung wird nachfolgend mit Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt F i g. i ein Meßsystem mit Geber und Meßumformer, F i g. 2 den Meßwertumformer im Blockschaltbild, Fig.3 die zeitlichen Zusammenhänge zwischen ausgesendeten und empfangenen Impulsen und die dadurch festgelegte Rechteckwelle als Maß für die

Strömungsgeschwindigkeit,

F i g. 4 und 5 Details abgewandelter Geber.

Das Meßsystem besteht gemäß F i g. 1 aus dem Geber 10 und dem elektrischen Meßumformer 11. Als Geber 10 dient ein Schwebekörper-Durchflußmesser, bestehend aus einem sich von unten n;;ch oben erweiternden und von unten nach oben von dem Meßstoff durchströmten Meßrohr 12, das einen von dem Meßstoff je nach dessen Durchflußmenge mehr oder minder höhenverstellten Schwebekörper 13 enthält, der ι ο längs einer koaxial im Meßrohr 12 unbeweglich angeordneten elektrisch leitenden Führungsstange 14 reibungsarm geführt ist. Die Zu- und Ableitung des Meßstoffes erfolgt durch das Meßrohr haltende Endfittings 15 und 16, die seitliche Ein- und Auslässe 15«i, ι _s 16a aufweisen, mit denen ein nicht gezeigtes Rohrleitungssystem verbunden ist. Durch die rohrförmige Führungsstange 14 ist ein magnetostriktiver elektrischer Leiter 18 aus einer vergüteten stabilisierten Nickel-Cadmium-Legierung geführt, der mit dem Meßumformer 11 elektrisch verbunden ist. Hierzu ist das obere Ende der Führungsstange 14 samt dem Leiter 18 aus dem oberen Endfitting 16 abgedichtet herausgeführt und mit dem an diesem gehaltenen Meßumformer H verbunden. Das untere Ende des Leiters 18 ist über eine außerhalb des Meßrohres 12 angeordnete elektrische Verbindung 21 ebenfalls mit dem Meßumformer 11 zu einem geschlossenen Stromkreis verbunden.

Bei durchsichtigen Meßstoffen kann das Meßrohr aus durchsichtigem Werkstoff bestehen und eine Meßskala zur unmittelbaren visuellen Überwachung der Lage des Schwebekörpers aufweisen. Der elektrische Meßumformer kann von anzeigender, schreibender, regelnder oder ähnlicher Art sein. Die Führungsstange 14 schützt den magnetostriktiven Leiter 18 gegen den Meßstoff, wobei die Oberfläche der Führungsstange 14 mit einer korrosionsbeständigen, glatten, nichtleitenden Gleitschicht bedeckt sein kann, damit ein Klemmen des Schwebekörpers 13 vermieden wird. Der Effekt der Magnetostriktion bedeutet Dimensionsveränderungen eines ferromagnetischen Körpers in Abhängigkeit von auf ihn ausgeübten magnetischen Kräften. Als Material eignet sich Eisen, Nickel, Kobalt und Legierungen dieser Metalle. Es gibt eine Anzahl von physikalischen Veränderungen, denen solch ein magnetostriktives Material unterworfen ist, so Änderung in der linearen Richtung, in Kreisrichtung oder im Volumen. Die Kreisrichtungsbeeinflussung in einem magnetostriktiven Draht tritt als Dreheffekt auf, der als sogenannter »Wiedmann«-Effekt bekannt ist. so

Der Schwebekörper 13 enthält mindestens einen Permanentmagneten 17, dessen Permanentmagnetfeld die Führungsstange 14 und den Leiter 18 am jeweiligen Lageort des Schwebekörpers 13 quer durchsetzt. Wenn dem Leiter 18 von außen ein Stromimpuls zugeführt wird, entsteht an der vom Permanentmagnetfeld durchsetzten Stelle im magnetostriktiven Leiter 18 jeweils ein Torsionsimpuls, der über den Leiter 18 auf den Meßumformer 11 gelangt. Dies wird bei der Erfindung ausgenutzt.

Der linearproportional arbeitende elektrische Meßumformer 11 enthält gemäß Fig.2 einen Impuls-Span nungs-Konverter 20, dessen Ausgangsgröße einem Verstärker A\ zugeführt wird, der so gewählt ist, daß sein Ausgangsstrom im Meßbereich (Verstellbereich fts des Schwebekörpers) etwa 4 bis 20 mA beträgt, was für Prozeßregelvorrichtungen günstig ist. Die Durchfluß mengenskala des Durchflußmessers ist in entsprechende Stromwerte übersetzt. Die Ausgangsgröße des Verstärkers A\ wird einem Operationsverstärker Ai zugeführt, der dem Strombereich in gewünschter Weise angepaßt ist.

Der Konverter 20 enthält einen hochgenauen quarzkristallgesieuerten oder anderweitig stabilen, fortlaufend arbeitenden Siromimpulsgenerator 2, wobei die Zeitfolge der von ihm gelieferten Stromimpulse von seiner Frequenz abhängt. Jeder dem Leiter 18 zugeführte Stromimpuls erzeugt ein kurzzeitiges Feld, das mit dem Permanentmagnetfeld des Schwebekörpers 13, 17 zusammenwirkt und am Lageort des Schwebekörpers in dem magnetostriktiven Leiter 18 einen Torsionsimpuls hervorruft, der sich im Leiter 18 vom Entstehungsort in beiden Richtungen fortsetzt, d. h. zu einer festgelegten Empfangsstelle im Meßumformer 11 hin sowie in entgegengesetzter Richtung. Mit dem Stromimpuls wird also praktisch gleichzeitig der Torsionsimpuls am Schwebekörper-Lageort erzeugt und von dort zur Empfangsstelle durch den Leiter 18 gesendet. Die Laufzeit des Torsionsimpulses vom jeweiligen Entstehungsort bis zur festgelegten Empfangsstelle entspricht somit genau der jeweiligen Schwebekörperposition. An der Empfangsstelle ist ein Tordonsfühler 23, z. B. ein Dehnungsmesser, vorgesehen, der den Torsionsimpuls aufnimmt und daraus unverzögert einen elektrischen Emfpangsimpuls ableitet. Die Zeitspanne zwischen dem Aussenden des Stromimpulses auf den Leiter 18 und dem Empfang des Torsionsimpulses, bzw. dem Auftreten des Empfangsimpulses, die linearproportional der jeweiligen Position des Schwebekörpers ist, braucht nur noch in eine analoge Spannung umgewandelt zu werden, deren Amplitude der besagten Zeitspanne und damit der Schwebekörperposition, d. h. der Durchflußmenge, entspricht.

Dies wird durch einen Multivibrator 24 erreicht, der Rechteckwellen mit einer Dauer erzeugt, die gleich dem Zeitabstand zwischen den ausgesendeten Stromimpulsen und den abgeleiteten Empfangsimpulsen ist. Der Multivibrator 24 ist hierzu einerseits mit dem Impulsgenerator 22 so gekuppelt, daß beim Auftreten jedes Siromimpulses und damit auch des davon abhängigen Torsionsimpulses die Rechteckwelle beginnt. Der Multivibrator 24 ist außerdem mit dem Torsionsfühler 23 gekuppelt, so daß mit dem Auftreten des betreffenden Empfängerimpulses die Rechteckwelle beendet wird. Die so bestimmten Rechteckwellen werden fortlaufend einem Integrator 25 zugeführt, der daraus einen Gleichstrommiuelwert bildet, dessen Größe der jeweiligen Durchflußmenge Hnearproportional ist, wobei vorausgesetzt ist, daß durch einen Amplitudenbegrenzer die Amplituden der einzelnen Rechteckwellen auf gleicher Höhe gehalten sind.

Die besagte Wirkungsweise des Konverters 20 ist in F i g. 3 dargestellt. Die Impulse Pi stellen die ausgesendeten Stromimpulse und Pi die Empfangsimpulse dar. Die Zeitspanne U zwischen beiden Impulsen ist proportional der jeweiligen Lage des Schwebekörpers und somit ein Maß für die Durchflußmenge. Der Anfang jeder Rechteckwelle P3 des Multivibrators 24 fällt mit dem Auftreten des Stromimpulses Pi und das Ende mit dem des Empfangsimpulses Pi zusammen. Durch Filtern und Integrieren erhält man den Mittelwert V der Gleichspannung, der in einem nachgeordneten Indikator die Durchflußmenge iinearproporiional anzeigt. Wichtig ist dabei, daß die Amplituden der einzelnen Rechteckwellen P₃ konstant gehalten werden, was mit

Hilfe von Zenerdioden od. dgl. Konstantspannungshaltern gelingt.

Die Amplitude der Rechteckwellen Pi kann auch durch eine Fremdbezugsspannung LW geregelt werden, in welchem Falle der Gleichspannungsmittelwert eine Funktion der Fremdbezugsspannung ist, so daß eine genaue Sperrsteuerung des Systems erreicht wird. Der Mittelwert V entspricht wie gesagt der jeweiligen Schwebekörperposition.

In F i g. 1 ist bei seitlicher Anordnung der Ein- und Auslässe 15a, 166 eine koaxiale Herausführung der Führungsstange 14 samt Leiter 18 aus dem Meßrohr 12 möglich. Bei achsparalleler Anordnung des Ein- bzw Auslasses ist dagegen gemäß Fig.4 eine seitliche Herausführung des betreffenden Endes des Leiters It erforderlich, wobei die koaxiale Halterung im Meßrohi 12 durch einen Haltestern 19 erfolgt, dessen eine Speiche 19a als elektrische Verbindung zum Torsions fühler 23 dient.

Gemäß Fig.5 kann die Führungsstange 14 sam Leiter 18 auch am oberen Ende abgewinkelt sein un< dieser Abschnitt 14a abgedichtet aus dem Meßrohr i; seitlich herausgeführt werden. Die elektrische Verbin dung ist in gleicher Weise zu denken.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schwebekörper-Durchflußmesser mit einem elektrischen Meßumformer, der die strömungsabhängige Position des in einem vom Meßstoff durchströmten Meßrohr angeordneten Schwebekörpers linearproportional erfaßt, indem vom jeweiligen Ort des Schwebekörpers periodisch ausgehende impulse einer festgelegten Empfangsstelle des Meßumformers zugeführt und im Meßumformer durch Vergleich mit ihren Erzeugerimpulsen in die Position des Schwebekörpers messende elektrische Signale umgewandelt werden, dadurch gekennzeichnet, daß der ein Magnetfeld erzeugende Schwebekörper (13,17} längs einer im Meßrohr (12) angeordneten elektrisch leitenden magnetostriktiven Verbindung (14, 18) zu dem außerhalb des Meßrohres angeordneten Meßumformer (11) verschieblich geführt ist, an welche Verbindung (14, 18) periodische Stromimpulse angelegt sind, die zusammen mit dem die Verbindung durchsetzenden Magnetfeld in dieser vom Ort des Schwebekörpers abwandernde periodische Torsionspulse hervorrufen, die im Meßumformer (11) in elektrische Empfangsimpulse verwandelt und durch Vergleich mit den Stromimpulsen die Position des Schwebekörpers linearproportional wiedergebende elektrische Signale bilden.

2. Durchflußmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwebekörper (13) Permanentmagnete (17) aufweist und an einer rohrförmigen Führungsstange (14) verschieblich geführt ist, die von einem mit dem Meßumformer (11) verbundenen magnetostriktiven Leiter (18) durchsetzt ist, der mit einem Stromimpulsgenerator (27) und mit einem Torsionsfühler (23) in Verbindung steht, die beide an einen Rechteckwellengenerator (24) mit Amplitudenbegrenzer angeschlossen sind, der ausgangsseitig Rechteckwellen (P3) mit einer dem zeitlichen Abstand (ld) zwischen Stromimpuls (P]) und Empfangsimpuls (Pi) entsprechender Dauer einem Integrator (25) zuführt, der sie zu einer über einen Verstärker (A\) der jeweiligen Schwebekörperposition im gesamten Verstellbereich linearproportionalen Gleichspannung (V) verarbeitet.

3. Durchflußmesser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Quarzkristallschwinger als Stromimpulsgenerator (22) vorgesehen ist.

4. Durchflußmesser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitende magnetostriktive Verbindung (14, 18) durch einen Haltestern (19) koaxial im Meßrohr (12) gehalten und über eine Speiche (19ajdes Haltesterns leitend mit dem Meßumformer (11) verbunden ist.

5. Durchflußmesser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das mit dem Meßumformer (11) leitend verbundene obere Ende (14a) der magnetostriktiven Verbindung (14, 18) abgebogen und abgedichtet seitlich aus dem Meßrohr (12) herausgeführt ist.

6. Durchflußmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitende magnetostriktive Verbindung (18) aus einer Nickel-Cadmium-Legierung besteht und außen mit einer korrosionsbeständigen glatten nichtleitenden Gleitschicht umgeben ist.

Die Erfindung betrifft einen Schwebekörper-Durchflußmesser entsprechend dem Oberbegriff des Haupt-