DE2848489C2 - Wirbelströmungsmesser - Google Patents

Description

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wechselseitig gegenphasigen Ladungsänderungen von zv/ei piezoelektrischen Elementen (16a, \6b) erzeugt werden, welche ?u beiden Seiten der Neutralachse eines stromabwärts vom Wirbelerzeuger (12) angeordneten Druckempfängers angeordnet sind.

6. Wirbelströmungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die LogikschaltuNg (24) aus C-MOS-Bauelementen (Gi-G4) aufgebaut ist

7. Wirbelströmungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitkonstantenschaltung (25) einen variablen Widerstand (RIO) aufweist, mit dem der Meßbereich einstellbar ist

Die Erfindung betrifft einen Wirbelströmungsmesser, mit einem Wirbelerzeuger zur Erzeugung von der Strömungsgeschwindigkeit des zu untersuchenden Strömungsmittels proportionalen Karmanschen Strömungswirbeln, mit einem piezoelektrischen Meßfühler, der die Strömungswirbel abnimmt und in elektrische Ladungen umwandelt, mit einem Ladungsverstärker, der die Ladungssignale des Meßfühlers in ein Wechselspannungssignal umwandelt, dessen Frequenz der Wirbelfrequenz entspricht, und mit einer Auswerteschaltung, die das Wechsefepannungssignal in ein Gleichspannungssignal als Maß für die Strömungsgeschwindigkeit verarbeitet

Wenn ein Gegenstand in ein sich bewegendes Strömungsmittel eingesetzt wird, bilden sich bekanntlieh an der Rückseite dieses Gegenstandes einander abwechselnde, regelmäßige Wirbel, die in Strömungsrichtung eine Wirbelschleppe bilden, die auch als Karmansche Wirbelschleppe bezeichnet wird. Die Zahl der Wirbel (Wirbelfrequenz) während einer vorgegebenen Zeiteinheit ist dabei der Strömungsgeschwindigkeit des Strömungsmittels proportional.

Bei einem Wirbelströmungsmesser ist ein Wirbelerzeuger in einer Leitung angeordnet, die von dem zu messenden Strömungsmittel durchströmt wird. Am Wirbelerzeuger entstehen der Strömungsgeschwindigkeit proportionale Karmansche Wirbel, wodurch ein die Schwingung des Strömungsmittels darstellendes Wirbelsignal geliefert wird, das dann mittels eines Meßfühlers, etwa eines thermoempfindlichen oder piezoelektrischen Elements abgenommen und in ein elektrisches Signal zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit oder Durchsatzmenge des Strömungsmittels umgesetzt wird. Ein Beispiel für einen Wirbelströmungsmesser mit einem als Meßfühler wirkenden piezoelektrischen Element, bei dem das Signal nach Abgriff der Strömungsmittelschwingung als Änderung einer Wechselspannung durch einen piezoelektrischen Meßfühler verarbeitet wird, ist in der US-PS 3948 098 beschrieben. Der piezoelektrische Meßfühler vermag

weiterhin die Strömungsmittelschwingung als Änderung der elektrischen Ladungsgröße festzustellen. Dabei wird die vom piezoelektrischen Meßfühler abgenommene Ladungsgröße durch einen Ladungsverstärker in ein Spannungssignal umgewandelt, wobei die Grenzfrequenz (cutoff frequency) dieses Verstärkers normalerweise unter die Mindestgröße (1 Hz) der zu messenden Wirbelfrequenz festgelegt ist so daß eine zufriedenstellende Kennlinie im Wirbelfrequenzbereich

erhalten wird (etwa 1 — 120 Hz, wenn das zu messende Strömungsmittel eine Flüssigkeit ist). Zur Gewährleistung einer ausgezeichneten Niedrigbereich-Kennlinie (low-range characteristic) des Ladungsverstärkers muß ein großer Wert für die durch einen Widerstand und einen Kondensator, die eine Rückkopplungsschaltung des Verstärkers bilden, bestimmte Zeitkonstante gewählt werden. Die Ansprechempfindlichkeit des Verstärkers hängt jedoch von der Größe des Kondensators ab, die daher zur Erzielung einer hohen Ansprechempfindlichkeit herabgesetzt werden sollte. Infolgedessen ist eine Erhöhung des Widerstands für die Erzielung einer groß«. α Zeitkonstante nötig. Wenn die Grenzfrequenz des Ladungsverstärkers beispielsweise auf 1 Hz eingestellt vnrtl, steigt dei ei forderliche Widerstand auf einen außerordentlich groLcn Wert von über 1000 ΜΩ an. In der Praxis ergibt sich dabei zusätzlich zu Nachteilen bezüglich der Fe- .;gungskosten ein Problem bezüglich der Zuverlässigkeit eines Widerstandes mit einer Größe von über 1000 ΜΩ. Aus diesem Grund ist bisher noch kein Wirbelströmungsmesser der Art ^realisiert worden, bei dem die Signalverarueitung nach 'der Messung der Strömungsmittelschwingung als "Änderung der elektrischen Ladungsgröße durch einen • piezoelektrischen Meßfühler erfolgt.

Eine als Welligkeit oder Schwankung bezeichnete , Störkomponente voi Frequenz. η unterhalb der Wirbelfrequenzen (im Be. eich on 1-120Hz) ist dem Wirbelsignal überlagert Die Störfrequenz steigt mit 'zunehmender Wirbelfrequenz an, und ihre Größe nimmt ebenfalls mit der Frequenz zu. Bei der Messurg des Wirbelsignals mittels des piezoelektrischen Meßfühlers wird zudem ale Messung durch Störung bzw. Rauschen, etwa durch eine Pumpe hervorgerufene Leitungsschwingungen usw., beeinträchtigt. Die von Leitungsschwingung herrührenden Störfrequenzen lie-•gen in einem Bereich von einem Mehrfachen von 10 Hz bis zu einem Mehrfachen von 100 Hz, wobei ihre Größe im allgemeinen proportional zur Frequenz ansteigt Beim Wirbelströmungsmesser sollte der ungünstige Einfluß solcher Störkomponenten zweckmäßig ausgeschaltet werden, um eine einwandfreie Messung des Wirbelsignals mit zufriedenstellendem Rauschabstand über einen weiten Bereich von niedrigen bis zu hohen Strömungsgeschwindigkeiten zu gewährleisten.

in Anbetracht der genannten Unzulänglichkeiten des . bekannten Wirbelströmungsmessers liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Wirbelströmungsmesser der anfangs genannten Art anzugeben, der eine verbesserte Ansprechempfindlichkeit aufweist und weitgehend unempfindlich gegenüber Störungen ist, so daß eine höhere Zuverlässigkeit gegeben ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein das Wechselspannungssignal vom Ladungsverstärker abnehmendes, aktives Filter mit einer Tiefpaß-Charakteristik und einer niedrigeren Grenzfrequenz als der des Ladungsverstärkers, um dessen Charakteristik im unteren Bereich zu kompensieren,
durch einen Komparator, um das Wechselspannungssignal in ein Impulssignal umzuwandeln,
durch eine Einrichtung zur Abschaltung der Filtercharakteristik des aktiven Filters, wenn das Spannungssignal einen vorgegebenen Pegel überschreitet,
durch eine Zeitkonstantenschaltung, an der das Impulssignal anliegt,

durch eine als Antivalsnzglied arbeitende Logikschaltung, an der sowohl das Impulssignal als auch das Ausgangssignal der Zeitkonstantenschaltung anliegt und die ein Ausgangsimpulssignal liefert, dessen Tastverhältnis der Strömungswirbelfrequenz entspricht, und durch einen Ausgangsverstärker, der das Impulssignal der Logikschaltung in ein Gleichspannungssignal

als Maß für die Geschwindigkeit oder den Durchsatz des Strömungsmittels umsetzt.

Im foigenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnung nähei erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine Teilschnittc'arstellung des mechanischen Aufbaus eines Wirbelstrümungsmessers,

F i g. 2 ein Schaltbild für eine Ausführungsform der Erfindung,
Fig.3 eine schematische Darstellung des Aufbaue eines beispielhaften piezoelektrischen Meßfühlers zur Verwendung bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung, F i g. 4 eine graphische Darstellung von Kennlinien zur Erläuterung der Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

F i g. 5 bis 8 graphische Darstellungen von Signalwellenformen zur Erläuterung der Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung und

F i g. 9 und 10 Schaltbilder für abgewandelte Ausführungsformen der Erfindung.

In den F i g. 1 und 2 sind ein Meßfühler 10 des Wirbelströmungsmessers, eine Auswerteschaltung 29, zwei Ausgangsleitungen 30, eine am Ausgang angeordnete Gleichspannungsquelle 40 und eine an derselben Stelle vorgesehene Last 50 veranschaulicht

Der Meßfühler 10 umfaßt eine Rohrleitung 11, in welcher das zu messende Strömungsmittel strömt, und einen säulen- bzw. stabförmigen Wirbelerzeuger 12, der an beiden Enden in der Leitung 11 verankert ist Ein Körper 12a des Wirbelerzeugers 12 besteht aus einem starren Werkstoff, wie rostfreier Stahl, mit einem trapezförmigen oder ähnlichen Querschnitt zur Erzeugung einer Karmanschen Wirbelstraße in dem zu messenden Strömungsmittel sowie zur stabilen Intensivierung der Strömungsmittelschwingung. Ein aus einem starren Werkstoff, wie rostfreier Stahl, bestehender Oberteil 126 des Wirbelerzeugers 12 ist mit einer Bohrung 12c versehen und durch Schweißen o. dgl. einstückig mit dem Körper 12a verbunden. Ein z. B. aus Lithiumnlobat (LiNbOj) o. dgl. bestehendes piezoelektrisches Element 13 ist mitteis eines Isoliermaterial» 14, wie Glas, in die Bohrung 12c des Wirbelerzeugers 12 eingegossen. Das piezoelektrische Element 13 ist scheibenförmig ausgebildet und so angeordnet, daß sein Mittelpunkt mit der Neutralachse des Wirbelerzeugers

so 12 übereinstimmt. Gemäß F i g. 3 ist das Element 13 an der dem Betrachter zugewandten und abgewandten Seite mit symmetrisch links und rechts angeordneten Elektroden 15a, 156, 15c und 15c/ versehen, wobei ein Bereich zwischen den Elektroden 15a und 15,6 einen ersten piezoelektrischen Wandler Ka und ein Bereich zwischer den Elektroden 15c und I5</ einen zweiten piezoelektrischen Meßwandler 166 bilden. Die Elektroden 15a und 15d bzw. 156 und 15c sind jeweils so zusammengeschaltet, daß die in dem ersten und dem zweiten Meßwandler 16a bzw. 166 entstehenden elektrischen Ladungen differential ziisammengeschaltet werden. Von den Elektroden 15a und 15c abgehende Leitungen 17a bzw. 176sind durch das Isoliermaterial 14 nach außen geführt und sowohl elektrisch als auch mechanisch mit der Auswer'.cschaitung 20 verbunden. Wenn das zu messende Strömungsmittel die Leitung 11 durchströmt, erzeugt der Wirbelerzeuger Karmansche Wirbel, wobei er mit einer wechselnden Kraft

• beaufschlagt wird, die von der auf die Wirbelbildung zurückzuführenden Strömungsmittelschwingung herrührt. Bei Einwirkung dieser Wechselkraft auf den Wirbelerzeuger 12 entstehen auf beiden Seiten der Neutralachse, wie dargestellt, zueinander entgegengesetzte, wechselnde (mechanische) Spannungen. Die auf diese Weise im Wirbelerzeuger 12 entstehende Spannungs- oder Belastungsänderung wird über das Isoliermaterial 14 zum piezoelektrischen Element 13 übertragen. In den beiden piezoelektrischen Meßwandlern 16a und i6b entstehen somit entsprechend dieser Spannungsänderung gegenphasige Änderungen der elektrischen Ladungsgrößen. Bezüglich der die Leitungsschwingung beinhaltenden Störkomponente schwingt der Wirbelerzeuger 12 zusammen mit der Leitung 11, da er aus einem starren Werkstoff besteht, so daß die Schwingung als Beschleunigung in den piezoelektrischen Meßwandlern 16a und Wb auftritt und somit ihr größter Teil phasengleiche Änderungen der elektrischen Ladungsgrößen hervorruft. Die in den Meßwandlern 16, 16A erzeugten Ladungsgröifen werden dabei diffentiell abgenommen, so daß sich die auf dem Signal beruhenden gegenphasigen Ladungsgrößen verdoppeln. Die gegenphasigen Ladungsgrößen heben dagegen einander auf, so daß sie ausreichend klein werden und das zwischen den Leitungen 17a und 17b anliegende Signal einen zufriedenstellenden Rauschabstand besitzt. Die zwischen r"en Leitungen 17a und Mb entstehende Wechselladung q mit einer Wirbelfrequenz /wird der Schaltung 20 eingegeben. Die Größe dieser Wechselladung q ist dem Quadrat der Wirbelfrequenz / proportional

Bei dem Meßfühler 10 mit dem beschriebenen Aufbau wird die wechselnde Kraft aufgrund der von der Erzeugung der Karmanschen Wirbel herrührenden Strömungsmittelschwingung vom Wirbelerzeuger 12 abgenommen, wobei die in ihm entstehende (mechanische) Spannung von den piezoelektrischen Meßwandlern im Wirbelerzeuger i2 abgegriffen wird, so daß eine erheblich vereinfachte Ausbildung ohne alle beweglichen Teile erreich* wird und der Meßfühler somit bei hoher Ansprechempfindlichkeit robust und dauerhaft ist Da außerdem die von der Strömungsmittelschwingung herrührende Wechselkraft den ganzen Wirbelerzeuger beaufschlagt, wird er in geringstmöglichem Maß durch die Strömungsgeschwindigkeitsverteilung des zu messenden Strömungsmittels beeinflußt Da zudem der Meßwandler selbst mit dem Strömungsmittel nicht in unmittelbarer Berührung steht, kann für die damit in Berührung stehenden Teile ein geeignetes korrosionsbeständiges Material gewählt werden, und bezüglich etwaiger überzüge bestehen keinerlei Einschränkungen, so daß der Meßfühler auch in stark korrodierenden Strömungsmitteln eingesetzt werden kann. Darüber hinaus kann eine ausgezeichnete Wärmebeständigkeit gewährleistet werden, wenn für das Isoliermaterial 14 ein Glas o. dgl. mit hoher Wärmebeständigkeit verwendet wird, um das piezoelektrische Element 13 im Wirbelerzeuger 12 zu kapseln. Hierdurch lassen sich zahlreiche Vorteile, einschließlich des Einsatzes in M Strömungsmitteln hoher Temperatur erzielen.

Obgleich beim beschriebenen Meßfühler 10 beide Enden des Wirbelerzeugers 12 an der Rohrleitung 11 befestigt sind, kann er auch ein befestigtes und ein freies Ende oder aber ein befestigtes und ein abgestütztes bzw. verspanntes Ende besitzen. Die Befestigung kann durch Schweißen, Verschrauben oder Verstiften erfolgen. Das Element 13 aus Lithiumniobat kann durch einen piezoelektrischen Kristall aus Lithiumniobat oder Quarz oder durch ein piezoelektrisches oder druckempfindliches Keramikelement aus Zirkontitanat (PZT) oder Titanat ersetzt werden. Genauer gesagt: es kann jedes Element verwendet werden, das eine Kraft in eine Ladungsgröße umzuwandeln vermag. Das Isoliermaterial 14 braucht nicht aus Glas zu sein; vielmehr können auch andere Werkstoffe, wie Epoxyharz, Keramik, Zement oder Glimmer, verwendet werden. Für diesen Zweck eignet sich jedes Material, das einen elektrischen Isolator mit chemischer Stabilität darstellt und die vom Wirbelerzeuger 12 gelieferte Kraft mit Sicherheit und hoher Ansprechempfindlichkeit zum piezoelektrischen Element zu übertragen vermag. Ein den beschriebenen Aufbau besitzender Meßfühler für einen Wirbelströmungsmesser ist in der DE-OS 28 27 985 beschrieben.

Bei der dargestellten Ausführungsform des Meßfühlers 10 ist das piezoelektrische Element 13 im Wirbelerzeuger 12 angeordnet Die Konstruktion kann jedoch auch so abgewandelt werden, daß ein mit einer Wechselkraft aufgrund der Strömungsmittelschwingung beaufschlagbarer Druckwandler in Strömungsrichtung hinter dem Wirbelerzeuger 12 und getrennt von diesem angeordnet ist, wobei das piezoelektrische Element 13 in den Druckerzeuger mit Hilfe eines Isoliermaterials 14, wie Glas, so eingekapselt ist, daß es die im Druckwandler auftretende Spannungsänderung abzugreifen vermag. Außerdem ist der Meßfühler 10 nicht auf die Verwendung eines piezoelektrischen Meßfühlers zur Feststellung der im Wirbelerzeuger oder im Druckwandler aufgrund der Strömungsmittelschwingung erzeugten (mechanischen) Spannung beschränkt, vielmehr kann er eine beliebige andere Konstruktion besitzen, bei welcher die Strömungsmittelschwingung mittels eines piezoelektrischen Meßfühlers meßbar ist.

Die Auswerteschaltung 20 (F i g. 2) des Wirbelstrommessers umfaßt einen Ladungsverstärker 21. einen Filterkreis 22, einen Komparator 23, eine Logikschaltung 24, eine Zeitkonstantenschaltung 25, einen Ausgangsverstärker 26, einen Ausgangstransistor 27 und eine Konstantspannungsschaltung 28. Der Ausgangstransistor 27 ist mit einem Rückkopplungswiderstand Rf in Reihenschaltung angeordnet, die ihrerseits über zwei Ausgangsleitungen 30 mit einer Reihenschaltung aus einer Gleichspannungsquelle 40 und einer Last 50 an der Empfangsseite verbunden ist, so daß der vom Ausgangstransistor 27 gesteuerte Ausgangsstrom Io zum Rückkopplungswiderstand Rf und zur Last 50 fließt Die parallel zum Ausgangstransistor 27 geschaltete Konstantspannungsschaltung 28 besteht aus einem Konstantstromkreis / der einen Feldeffekttransistor Q1 umfaßt mit dem über einen Widerstand R 20 eine Zenerdiode Dz\ in Reihe geschaltet ist Über die Zenerdiode Dz ί wird eine stabilisierte Spannung Es erzeugt, die an die Stromklemme der Logikschaltung 24 und auch an die eine (-)-Klemme eines Operationsverstärkers OP4, welche den Ausgangsverstärker 26 bildet, über spannungsteilende Widerstände Ä16 und R\7 angelegt wird. Die Spannung Es wird dabei einer am Rückkopplungswiderstand Rf entstehenden Rückkopplungsspannung IoRf überlagert und dann an die andere Eingangsklemme (+) des Operationsverstärkers OP4 über spannungsteilende Widerstände Ä18 und Ä19 angelegt Die über die Reihenschaltung aus dem Widerstand R 20 und der Zenerdiode Dz 1 entstehende Spannung wird weiterhin als Versorgungsspannung V über einen Transistor Q 2 zu den Operationsverstärkern

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OPl, OP2, OP3 und OP4 im Ladungsverstärker 21, C5,C6, an den Rückkopplungskreis des Operationsverdem Füterkreis 22, im Komparator 23 bzw. im stärkers OP2 angeschlossen, umfaßt. Die Ausgangs-

Ausgangsverstärker 26 geleitet klemme des Ladungsverstärkers 21 ist mit der |

Der Ladungsverstärker 21 umfaßt einen Kondensator Eingangsklemme des Filterkreises 22 über einen Cl und einen Widerstand Ri, die in den Rückkopp- 5 Kopplungskondensator CZ verbunden. Die vom Meßlungskreis der Operationsverstärker OPl und OP2 fühler 10 gelieferte Wechselladungsgröße g erhöht sich n, eingeschaltat sind, wobei die Zuleitungen 17a und YIb mit dem Quadrat der Wirbeifrequenz f, wobei | des Meßfühlers 10 über einen Kopplungskondensator Störsignale, wie Leitungsschwingungen, meist Frequen- Co zwischen die Eingangsklemmen des Ladungsverstär- zen oberhalb der Wirbelfrequenzen von 1 bis 120Hz kers 21 eingeschaltet sind. Die Versorgungsspannung V 10 besitzen. Aufgrund der Anordnung des Filterkreises 22 wird an die Stromklemmen von OPl angelegt, und die wird somit der Verstärkungsgrad der gesamten durch die Widerstände R 2 und R 3 geteilte Spannung Schaltung aus dem piezoelektrischen Element 13, dem ' h wird ebenfalls über einen Widerstand R 4 an die Ladungsverstärker 21 und dem Füterkreis 2f2 innerhalb Eingangsklemme (+) des Operationsverstärkers OPl eines Wirbelfrequenzmeßbereichs praktisch konstant angelegt Der Ladungsverstärker 21, der an seinen 15 gehalten, und die durch den Meßfühler 10 nicht Eingangsklemmen vom Meßfühler 10 mit der Wechsel- unterdrückten Störsignale (etwa extrem starke Leiladungsgröße q gespeist wird, dient zur Umwandlung tungsschwingungen oder Rauschen aufgrund einer bei des Eingangssignals in eine Wechselspannung e 1. Da der Fertigung eingeführten Unsymmetrie zwischen den die in den Kapazitäten der Zuleitungen 17a und 176 beiden piezoelektrischen Meßfühlern 16a und i6b) auftretende Änderung keinen Einfluß auf die Ausgangs- 20 werden vollständig unterdrückt, wobei die Wechselspannung hat, verhindert der Ladungsverstärker 21 spannung e 2 mit einem zufriedenstellenden Rauschab- „ vorteilhaft eine Verschlechterung des Rauschabstands stand erhalten wird. Weiterhin kann die niederfrequente | aufgrund des Anschlusses der Zuleitungen 17a und 176. Charakteristik des Ladungsverstärkers 21 mittels eines I Die Zuleitungen können daher ausreichende Länge Aktivfilters kompensiert werden, das bei der dargestellbesitzen, wodurch der Einbau der Schaltung 20 an einer 25 ten Ausführungsform den Operationsverstärker OP2 vom Detektor 10 entfernten Steile vereinfacht wird. Da beinhaltet. Zur Erzielung einer guten derartigen das piezoelektrischf- Flement Vj mittels des Isoliermate- Charakteristik des Ladungsverstärkers ist es daher rials 14 in den Meßfühler 10 eingegossen ist, besitzt der notwendig, eine große, durch den Widerstand R1 und Isolationswiderstanu des piezoelektrischen Meßwand- den Kondensator Ci bestimmte Zeitkonstante einzulers normalerweise einen ziemlich hohen Wert Bei 30 führen. Die Ansprechempfindlichkeit des Ladungsver-Einsatz des Meßfühlers 10 unter hohen Temperaturen stärkers hängt jedoch von der Größe des Kondensators tritt jedoch eine starke Abnahme des Isolationswider- Ci ab, die daher zur Erzielung einer hohen Ansprechstands des piezoelektrischen Elements 13 aus Lithium- empfindlichkeit verringert werden sollte. Aus diesem niobat sowie auch des Isolationswiderstands des Grund muß somit der Wert des Widerstands R1 hoch Isoliermaterials 14, wie Glas, auf, wodurch das Potential 35 sein, um die Zeitkonstante zu erhöhen. Wenn beispielsan der Eingangsklemme (—) des Operationsverstärkers weise die Grenzfrequenz des Ladungsverstärkers unter OPl herabgesetzt wird und damit das Problem der die Mindestwirbelfrequenz (1 Hz) verringert wird, steigt Sättigung der Ausgangsspannung e 1 des Operations- der erforderliche Wert des Widerstands R1 außerorverstärkers OPl auftritt. Beim dargestellten Ladungs- dentlich stark bis auf einen Wert von über 1000 verstärker 21 wird jedoch die Ladung vom Meßfühler 10 40 Megohm an. Neben erhöhten Fertigungskosten ergibt über einen Kopplungskondensator Co abgenommen, so sich dabei in der Praxis ein Problem bezüglich der daß ein Gleichctromfluß zum Meßfühler 10 unterdrückt Zuverlässigkeit eines Widerstands mit einer Größe von und damit eine Änderung des Arbeitspunkts aufgrund mehr als 1000 Megohm. Bei der dargestellten Ausfühder Abnahme des Isolationswiderstands des Meßfühlers rungsform der Erfindung wird daher die Grenzfrequenz Iö verhindert wird. Die Kapazität des Koppiungskon- 45

densators Co wird selektiv auf eine Größe eingestellt, * /_ 1 \

die ausreichend größer ist als die äquivalente Kapazität \ 2η Cl RlJ Cs des piezoelektrischen Elements 13, so daß der

Verstärkungsgrad des Ladungsverstärkers 21 nicht des Ladungsverstärkers 21 höher (z. B. 30 Hz) gewählt

wesentlich beeinflußt wird. Die Arbeitsweise des 50 als die Mindestwirbelfrequenz, und die Größe des

Ladungsverstärkers bleibt daher auch bei Einsatz des Kondensators Ci wird größer eingestellt als die

Meßfühlers 10 in einer Umgebung hoher Temperatur äquivalente Kapazität Cs des piezoelektrischen EIe-

ohne Beeinträchtigung seiner Ansprechempfindlichkeit ments 13. so daß der Verstärkungsgrad des Ladungsver-

stabil. Falls sich im piezoelektrischen Meßfühler eine stärkersauf

statische Ladung aufbaut, kann erforderlichenfalls ein 55 q_s

Entladungswiderstand Ro parallel zu diesem Meßfühler -pr~ < 1
geschaltet werden. Der zwischen die Stromklemme und

die i+)-Eingangsklemme des Operationsverstärkers eingestellt wird. Außerdem wird, wie durch die

OP1 geschaltete Kondensator C2 dient zur Verhinde- gestrichelte Linie A in F i g. 4 angedeutet, der Wert des

rung des Schwingens von Komparator 23 usw. bis zur 60 Widerstands Al auf Kosten der niederfrequenten

Stromversorgungsleitung. Charakteristik ausreichend klein (z. B. 50 Megohm)

Der Füterkreis 22 ist als Tiefpaßfilter mit Einfach- gewählt. Darüber hinaus wird die Grenzfrequenz /a des

rückkopplung dargestellt, das einen Operationsverstär- Aktivfilters 22, wie durch die gestrichelte Linie b in

ker OP2, einen Eingangsimpedanzkreis 22a aus Fig.4 gezeigt, so gewählt, daß sie in der Nähe der

Widerständen R 5, R 6 und einem an den Eingangskreis 65 Mindestwirbelfrequenz liegt, während der Verstär-

des Operationsverstärkers OP 2 angeschlossenen Kon- kungsgrad auf einen ausreichend hohen Wert eingestellt

densator C4, sowie einen Rückkopplungsimpedanz- wird. Die gesamte Schaltung aus dem piezoelektrischen

kreis 22,6 aus Widerständen R 7, R 8 und Kondensatoren Element 13, dem Ladungsverstärker 21 und dem

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ίο

Aktivfilter 22 erhält dann die in Fig.4 durch die ausgezogene Linie veranschaulichte Kennlinie, gemäß welcher die niederfrequente Charakteristik des Ladungsverstärkers 21 durch das Aktivfilter 22 zur Erzielung eines gewünschten Verstärkungsgrads kompensiert ist. Infolgedessen wird der Verstärkungsgrad der gesamten Schaltung innerhalb eines Frequenzbereichs zwischen fa und fc konstant gehalten, wobei bei jeder Frequenz oberhalb von fc eine (Stör-)Minderung von z. B. -20 dB/dec erreicht v/ird. Aus diesem Grund kann das Störsignal bei jeder Frequenz über dem Meßfrequenzbereich bezüglich der Amplitude völlig unterdrückt werden, so daß ein verbesserter Störabstand erreicht wird. Durch derartige Verbindung des - Aktivfilters mit dem Ladungsverstärker werden sowohl :die niederfrequente Charakteristik als auch die Ansprechempfindlichkeit des Ladungsverstärkers durch das Aktivfilter kompensiert, so daß die Größe bzw. der Wert des den Ladungsverstärker 21 darstellenden Widerstands R1 beträchtlich verringert werden kann.

. Wenn die Größe des Widerstands R i im Ladungsverstärker weiter verringert werden soll, kann die Ausgangsspannung e 1 des Operationsverstärkers OfI geteilt und an den Widerstand R 1 angelegt werden, um eine dem Spannungsteilungsverhältnis proportionale Verringerung zu erreichen.

Wenn das zu messende Strömungsmittel mit niedriger Geschwindigkeit strömt, enthält die Wellenform der am Ausgang des Ladungsverstärkers 21 gelieferten Wechselspannung el gemäß Fig.5 ein überlagertes hochfrequentes Störgeräusch, z. B. Leitungsschwingungen. Wenn das Strömungsmittel mit hoher Geschwindigkeit strömt, enthält die Wellenform Schwebungssignale mit niederfrequenter Welligkeit. Die über das eine " Tiefpaßkennlinie besitzende Filter 22 abgenommene Spannung ei erhält dabei die Wellenform gemäß Fig.6, die zeigt, daß das hochfrequente Störgemisch unter Gewährleistung eines guten Rauschabstands bei niedriger Strömungsmittelgeschwindigkeit beseitigt ist, während der Ausgang aufgrund des niederfrequenten Störsignals bei hoher Strömungsgeschwindigkeit gesättigt ist und somit eine Wellenform entsteht, deren hochfrequente Signalanteile nicht erkennbar sind. Dies ist darauf zurückzuführen, daß die Signalkomponenten bei hoher Strömungsgeschwindigkeit hohe Frequenzen erhalten und daher im Filterkreis 22 unterdrückt werden, während die niederfrequenten Welligkeitskomponenten des Störsignals bei hoher Strömungsgeschwindigkeit groß werden.

Bei der vorliegenden Vorrichtung ist eine Reihenschaltung aus einer Zenerdiode DZ2 und einem Widerstand R2\ zwischen Eingangs- und Ausgangsklemmen des Operationsverstärkers, welcher den Filterkreis 22 bildet, eingeschaltet Wenn das Ausgangssignal e2 des Operationsverstärkers OP 2 die Zenerspannung VZ übersteigt, wird über eine Reihenschaltung aus den Elementen DZ2 und 7? 23 eine Rückkopplung an den Operationsverstärker OP 2 angelegt, um bei Gewährleistung einer Amplitudenbegrenzungscharakteristik die Filtercharakteristik abzuschalten. Durch selektive Einstellung der Zenerspannung VZ auf eine Größe, welche dem Ausgangssignal e2 des Operationsverstärkers OP 2 äquivalent ist, bei dem die Wirbelfrequenz in der Größenordnung von 6 bis 10 Hz liegt, wird demzufolge eine Wellenform des Ausgangssignals el der in Fig.7 gezeigten Art erreicht, in welcher die hochfrequenten Störkomponenten unterdrückt sind, wenn e 2 bei niedriger Strömungsgeschwindigkeit unter VZ liegt, während dte Wellenform durch niederfrequente Störkomponenten nicht beeinflußt wird, wenn e2 bei hoher Strömungsgeschwindigkeit über VZliegt, so daß das erhaltene Signal sowohl bei niedriger als auch bei hoher Strömungsgeschwindigkeit einen zufriedenstellenden Rauschabstand besitzt

Selbst bei Weglassung des Widerstands R 21 in der Reihenschaltung wird eine ausreichend große Wirkung

ίο zur Auslösung der Filtercharakteristik durch die Zenerdiode DZ2 allein bewirkt. In diesem Fall ergibt sich jedoch eine geringfügige Verzerrung in der Ausgangswellenform. Als andere Möglichkeit zur Abschaltung der Filtercharakteristik des Filterkreises 22 kann parallel zu letzterem ein Schalter angeordnet sein, der geschlossen wird, wenn das Ausgangssignal des Filterkreises 22 oder des Ladungsverstärkers 21 in bezug auf die Signalspannung eine vorgegebene Größe übersteigt. Die Ausführung mit einer Zenerdiode ist jedoch vorteilhafter, weil hierdurch die Schaltungsanordnung vereinfacht wird.

Der dargestellte Komparator 23 ist ein Schmitt-Trigger mit einem Operationsverstärker OPZ und einem Widerstand R9 für die positive Rückkopplung des Operationsverstärkers OP3. Die Ausgangsklemme des Filterkreises 22 ist über einen Kopplungskondensator C 7 mit der Eingangskiemme des !Comparators 23 verbunden. Die Versorgungsspannung V liegt an den Stromklemmen des Operationsverstärkers OP3 an, während eine Spannung, die durch Teilung der Spannung Vi durch einen Teilerkreis aus Widerständen R10, All und Ä12 erhalten wird, über Widerstände R13 und Λ14 an die Eingangsklemmen ( —) bzw. (+) des Operationsverstärkers OP3 angelegt wird, um auf diese Weise einen Triggerpegel-Soilwert festzulegen. Die Werte der Widerstände /?13 und RH sind ausreichend größer gewählt als diejenigen der Widerstände R10, RW und R12, wobei parallel zum Widerstand R12 ein Kondensator C% geschaltet ist Der die Wechselspannung e2 der Wirbelfrequenz f gemäß F i g. 8a über den Filterkreis 22 empfangende Komparator 23 dient zur Umwandlung der Spannung e2 in einen Signalimpuls Pi eines festen Pegels (vgl, F ig. 8b).

Die Logikschaitung z4 gemäß Hg.2 ist eine C-MOS-Torschaltung mit zwei exklusiven ODER-Gliedern C i und G 2, wobei die Ausgangsklemme des Komparators 23 mit der einen Eingangskiemme des ODER-Glieds G1 verbunden ist, dessen andere Eingangsklemme mit der Bezugsseite einer an die ODER-Glieder Gi und G 2 angelegten festen Spannung Es verbunden ist. Die Ausgangsklemme des ODER-Glieds G1 ist an die eine Eingangsklemme des ODER-Glieds G 2 und auch an eine Zeitkonstantenschaltung 25 angeschlossen, deren Ausgangsklemme mit der anderen Eingangsklemme des ODER-Glieds G 2 verbunden ist. Das exklusive ODER-Glied liefert ein Ausgangssigital entsprechend »1«, wenn die Zustände der an die beiden Eingangsklemmen angelegten Signale »l« und »0« oder »0« und »1« betragen, bzw. ein Ausgangssignal »0«, wenn die Eingangssignalzustände »1« und »1« bzw. »0« und »0« entsprechen. Wenn die Schwellwertspannung gemäß Fig.8 zur Unterscheidung zwischen »1« und »0« auf üTeingestellt ist, wird an der Ausgangsklemme des ODER-Glieds Gl ein Signalimpuls P 2 mit einer festen Amplitude JEs(F i g. 8c) geliefert Das Signal P 2 wird der aus einem Widerstand R10 und einem Kondensator C% bestehenden Zeitkon-

ii

stantenschaltung 25 zugeführt und in ein Signal P3 (Fig.8d) umgesetzt, das mit einer Verzögerung entsprechend der Zeitkonstante C9, R 10 der Schaltung 25 ansteigt und abfällt Diese Zeitkonstante ist so gewählt, daß sie ausreichend kleiner ist als die Impulsbreite des Signals Pi. Wenn das Signal P3 zusammen mit dem Signal P 2 dem ODER-Glied G 2 zugeführt wird, erscheint an der Ausgangsklemme des ODER-Glieds G 2 ein Signalimpuls Po (Fig.8e) während einer Zeitspanne ti, welche das Ausgangssi- ίο Jnal der Zeitkonstantenschaltung 25 benötigt, um ET von 0 aus zu erreichen, sowie auch während einer Zeitspanne f 2, die für den Übergang dierzs Ausgangssignals von £7 auf Es erforderlich ist Die Amplitude Es des Signals Po ist konstant, und seine Impulsbreite r(=il + f2) in jeder Periode Tist ebenfalls konstant Insbesondere wird dabei die Impulsbreite ί unabhängig von etwaigen Änderungen der Schwellwertspannung ET aufgrund von Temperaturschwankung praktisch auf einer festen Größe gehalten. Dies bedeutet, daß eine Kennlinie erzielt wird, bei welcher die Schwellwertspannung ET der Torschaltung Ln Normaltemperaturbereich der Hälfte der Versorgungsspannung Es entspricht Da die Amplitude des an den Eingang des iÖDER-GIieds G"l angelegten Signals ebenfalls konstant ist, steigt dann, wenn die Schwellwertspannung ET abfällt und die Zeitspanne ti in der Impulsbreite t (= i ί +12) des Signals Po p.bnimmt die Zeitspanne 12 zur Herstellung eine^ Ausgleichs um einen äquivalenten Betrag an. Wenn dagegen die Schwellenwertspannung "ET unter Verlängerung der Zeitspanne f 1 ansteigt, verkürzt sich andererseits die Zeitspanne f2 entsprechend, so daß wied ^rum ein Ausgleich hergestellt wird. iiDie Impulsbreite t kann ohne weiteres durch Änderung fder Zeitkonstante C9, Ä10 mittels eines variablen Widerstands R10 eingestellt werden. Im Ausgangssignalimpuls Po der Logikschaltung 24 ist deren

Tastverhältnis—der Wirbelfrequenz /genau proportional. Dieses Signal Po wird über einen Widerstand R 15 an die (— )· Singangsklemme des Ausgangsverstärkers 26 angelegt.

Die Verwendung der C-MOS-Torschaltung als Logikschaltung 24 bietet somit die Vorteile, daß die Schaltung praktisch frei wird von ungünstigen Einflüssen aufgrund von Temper^turschwankungen und daß außerdem der Stromverbrauch weitgehend herabgesetzt wird. Gemäß F i g. 9 kann das Aasgangssignal P3 der Zeitkonstantenschaltung 25 über das exklusive ODER-Glied G 2 zum exklusiven ODER-Glied G 3 geleitet werden. Bei dieser Ausfühiungsform ist ein ODER-Glied bzw. Tor G 4 zum Invertieren des Ausgangssignals Po des ODER-Glieds G 2 vorgesehen, da an der Hochspannungsseite z/.as Konstantspanrungsschaltung 28 und an der Nie<lerspannungsseite gemäß F ί g. 9 ein Rückkopplungswiderstand Rf angeordnet sind. Obgleich die Glieder Gi und G 3 als exklusive ODER-Glieder dargestellt sind, können sie jeweils auch als einfache ODER-Glieder oder NAND-Glieder arbeiten.

Der Ausgangsverstärker 26 umfaßt einen Operationsverstärker OP4, dessen (-)-Eingangsklemme mit der Ausgangsklemme der Logikschaltung 24 über einen Widerstand RH verbunden ist Die Leitungsspannung V wird an die Stronuctem;;·.-' (>■■■> O rations Verstärkers OP4 angelegt, wobei eine durch Teilung ^„; i'^iaa Spannung Es durch die Widerstände Ä-16 und R\7 erhaltene Spannung der einen bzw. (-)-Eingangsklemme des Operationsverstärkers OP4 zugeführt wird, an dessen anderer Eingangsklemme eineSp"nⁿ"r¹« anliegt, die durch Teilung der einander überlagerten iesi-,, Spannung eS und der Rückkopplupgsspannung loRf durch die Widerstände R18 und R19 erhalten wird. An den Widerstand 7? 13 ist ein Kondensator ClO zur Glättung des Signalimpulses Po angeschlossen. Das Potential Ea an der (-)-Eingangsklemme des Operationsverstärkers OP4 sowie die Spannung Eb an dessen ( + )-Eingangsklemme lassen sich daher durch die folgenden Gleichungen darstellen:

Eb

RYI (RiS + t/TRi€)

£15 £16 + Ä16Ä17 + Ä17R15

Ä19

Ä18 + Ä19

(IoRf+Es),

Es, (1)

(2)

worin Rf < Rl», R19 ist.

Der Verstärkungsgrad des Operationsverstärkers OP4 ist ausreichend groß, und ein Ausgangstransistor 27 wird so angesteuert, daß die Größen Ea und Eh zur Steuerung des Ausgangsitroms Io jeweils gleich sind. Infolgedessen läßt sich der Strom Io wie folgt ausdrücken:

Io =

+ Ä19

R/R19 (Ä15 Ä16 + Ä16 RYl + RYI RlS)

RlS RYl RiS - R16 RJ9 (RiS + RYI) „ Ä18 + Ä19 ^S

R16R11 t/T

Da jeder Widerstandswert, die Impulsbreite t und die Spannung Es gemäß Gleichung (3) jeweils konstant sind, entspricht der Ausgangsstrom Io genau der Wirbelfrequenz /(= l/T?bzw. der Strömungsgeschwindigkeit des Strömungsmittels. Der auf diese Weise erhaltene Ausgangsstrom Io wird über die beiden Leitungen 30 zu einer an der Ausgangsseite vorgesehenen Last 50 geleitet.

Der Nullpunkt des Ausgangsstroms Io ist mittels des Regelwiderstands R19 einstellbar, während der Meßbereich mittels des Regelwiderstands R10 einstellbar ist Es ist daher ohne weiteres möglich, einen gewünschten Ausgangsstrom Io im Bereich von z. B. 4 bis 20 mA (Gleichstrom) be: einer Wirbelfrequenzänderung von 0 bis 100% zu erhalten. Ein besonderer Vorteil besteht darin, daß der Nullpunkt bei Bereidiseinstellung rieht abweicht, weil eine solche Einstellung durch Änderung

ω der Impulsbreite t des Signals Po mittels des Regelwiderstands R10 in der Zeitkonstantenschaltung 25 erfolgt

Obgleich bei der beschriebenen Atsführungsform der Erfindung die Schaltung 20 am Meßfühler 10 montiert ist, ist es auch möglich, am Meßfühler 10 nur die Vorstufe 20a der Schaltung 20 in Form des Ladungsverstärkers 21, des Filterkreises 22 und des Komparators 23 vorzusehen. Wenn der Wandler in eine Vorstufe 20a und

eine Endstufe 20b unterteilt wird, können Störungen der Logikschaltung 24 usw. aufgrund der Trennung anstehenden Störsignalen auftreten. Ein ungünstiger Einfluß dieser Störsignale kann jedoch wirksam dadurch ausgeschaltet werden, daß gemäß F i g. 9 eiae Schutzschaltung aus Dioden Dl, £72 und einem Widerstand Ä22 im Eingang der Endstufe 20b vorgesehen wird. Weiterhin kann gemäU Fig. 10 ein Wirbelströmungsmesser dadurch realisiert werden, daß eine Stromquelle 40 in der Nähe der Endstufe 20b angeordnet und ein Anzeigegerät 60 durch das Ausgangssignai des Verstärkers 26 in der Endstufe 20b angesteuert wird.

Hierzu 7 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

M1(t rt — Patentansprüche:

1. Wirbelströmungsmesser, mit einem Wirbelerzeuger (12) zur Erzeugung von der Strömungsgeschwindigkeit des zu untersuchenden Strömungsmittels proportionalen Karmanschen Strömungswirbeln, mit einem piezoelektrischen Meßfühler (10,16), der die Strömungswirbel abnimmt und in elektrische Ladungen umwandelt, mit einem Ladungsverstärker (21), der die Ladungssignale des Meßfühlers (10,16) in ein Wechselspannungssignal umwandelt, dessen Frequenz der Wirbelfrequenz entspricht, und mit einer Auswerteschaltung (20), die das Wechselspannungssignal in ein Gleichspannungssignal als Maß für die Strömungsgeschwindigkeit verarbeitet, g e kennzeichnet durch

ein das Wechselspannungssignal vom Ladungsverstärker (21) abnehmendes, aklives Filter (22, OP2) mit einer Tiefpaß-Charakteristik und einer niedrigeren Grenzfrequenz als der des Ladungsverstärkers . (21), um dessen Charakteristik im unteren Bereich zu kompensieren,

durch einen Komparator (23), um das Wechselspannungssignal in ein Impulssignal umzuwandeln,
durch eine Einrichtung (DZ2, R 21) zur Abschaltung der Filtercharakteristik des aktiven Filters (22, OP2), wenn das Spannungssignal (el) einen vorgegebenen Pegel überschreitet,
durch eine Zeitkonstantenschaltung (25), an der das Impulssignal anliegt,

durch eine als Antivalenzglied arbeitende Logikschaltung (24), an der sowohl das impulssignal als auch das Ausgangssignal der Zeitkonstantenschaltung (25) anliegt und die ein Ausgangsimpulssignal liefert, dessen Tastverhältnis der Strömungswirbelfrequenz entspricht,

und durch einen Ausgangsverstärker (26), der das Impulssignal der Logikschaltung (24) in ein Gleichspannungssignal als Maß für die Geschwindigkeit oder den Durchsatz des Strömungsmittels umsetzt.

2. Wirbelströmungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das aktive Filter (22, OP2) ein Tiefpaßfilter mit Einfachrückkopplung ist, das aus einem Operationsverstärker (OP2) und einem Impedanzkreis {22a, 22b) besteht

3. Wirbelströmungsmesser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Eingangs- und Ausgangsklemmen des Operationsverstärkers (OP 2) des aktiven Tiefpaßfilters (22) eine Reihenschaltung aus Zenerdiode (DZ2) und Widerstand (R 21) geschaltet ist, welche die Filtercharakteristik des Filters (22) abschaltet, wenn das Ausgangssignal (e2) des Operationsverstärkers (OP2) einen vorgegebenen Pegel übersteigt

4. Wirbelströmungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet daß das aktive Tiefpaßfilter (22) solche vom Ladungsverstärker (21) zugeführte Signale verarbeitet, die aus wechselseitig gegenphasigen Ladungsänderungen von zwei piezoelektrischen Elementen (16a, \bb) erzeugt werden, weiche zu beiden Seiten der Neutralachse des Wirbelerzeugers (12) innerhalb des Wirbelerzeugers (12) angeordnet sind.

5. Wirbelströmungsmesser nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das aktive Tiefpaßfilter (22) solche vom Ladungsverstärker (21) zugeführte Signale verarbeitet, die aus 10