DE3010175A1

DE3010175A1 - Vorrichtung zur messung des durchsatzes stroemender fluide

Info

Publication number: DE3010175A1
Application number: DE19803010175
Authority: DE
Inventors: Gyoergy Dr Bucsky; Zoltan Dr Kiss; Ivan Matyas; Jozsef Pazmany; Gyula Selyem; Lajos Tatrai
Original assignee: Magyar Tudomanyos Akademia
Current assignee: Magyar Tudomanyos Akademia
Priority date: 1979-03-19
Filing date: 1980-03-17
Publication date: 1980-10-09
Also published as: DD149572A5; US4335618A; FR2452087B1; HU183092B; FR2452087A1

Description

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BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung des Durchsatzes strömender Fluide mit Hilfe eines in den Strömungsweg des strömenden Fluids geschalteten Schwebekörperoder Rotationsströmungsmessers, mit einem im Inneren eines Rohrs mit durchsichtiger Wandung angeordneten Schwebekörper aus lichtundurchlässigem Material, dessen Lage dem Durchsatz oder Strom des strömenden Fluids proportional ist.

Sowohl im Labor als auch in industriellen Einrichtungen stellt die Messung des Durchsatzes strömender Gase oder Flüssigkeiten, die Erfassung der gemessenen Werte und darüber hinaus die Regelung bzw. die Konstanthaltung des Durchsatzes ein immer grösseres Problem dar.

Bei Messung des Durchsatzes strömender Gase und Flüssigkeiten werden die sogenannten Rotationsströmungsmesser (auch "Rotameter") verbreitet angewendet. Diese Vorrichtungen lassen sich einfach, kostensparend und ohne Schwierigkeiten einsetzen und bedienen. Ein bedeutender Nachteil neben den günstigen Eigenschaften besteht darin, daß der gemessene Durchsatz nur sichtlich dargestellt werden kann. Die sich aus den oft unterschiedlichen Druckwerten des strömenden Fluids ergebenden Durchsatzänderungen können nur durch manuelle Eingriffe ausgeglichen werden und auch die Erfassung der Meßwerte ist gerätetechnisch unmöglich. Die Messung eines Vorganges ist deshalb nur unter ständiger Überwachung ausführbar. Die Ablesung der Rotationsströmungsmesser mit Hilfe eines Instrumentes ist umständlich, weil die Lage des rotierenden Schwebekörpers des Rotameters wahrend der Messung nicht stabilisiert ist, wobei er mit geringen Amplituden schwingt. Die achsiale Abmessung des Schwebekörpers ist größer, im allgemeinen viel größer als die die Meßgenauigkeit bestimmenden Skalateilungen, die das Ausmaß der

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durch den Schwebekörper ausgeführten Schwingungen nur unwesentlich übertreffen.

Innerhalb der verhältnismäßig langen Meßstrecke des Meßrohres mag eine genaue Lagebestimmung erforderlich sein, was sich bei der Ausführung der Messung mit Hilfe eines Meßgerätes noch erschwerend auswirkt.

Die gerätetechnische Strömungsmessung mit einem Rotationsströmungmesser ist bekanntlich mit mehreren Lösungen zu verwirklichen. Diese Meßgeräte bilden mit dem Strömungsmesser eine fest zusammengebaute, nicht unterteilbare Meßeinheit. Daraus folgt, daß derart ausgebildete Meßgeräte an vorhandene, funktionsbereite Strömungsmesser nicht mehr angeschlossen werden können und nur über einen Ferngeber, der Meßsignale nur mit beschränkter Genauigkeit ausgibt, sowie einen Endschalter und gegebenenfalls Registrierungsmöglichkeit verfügen. Bei derart ausgebildeten Geräten ist die freie Bewegung des Schwebekörpers durch eine mechanisch betätigte Vorrichtung bzw. das magnetische oder elektrische Feld begrenzt, was zur wesentlichen Erhöhung des Meßfehlers führt. Das Meßrohr ist meist durch eine Induktionsoder elektromagnetische Wicklung oder eine andere, der technischen Lösung entsprechende Vorrichtung umschlungen, wodurch eine visuelle Ablesung ausgeschlossen ist. Die hier angeführten Fehler und Mangel bestehen bei den bekannten Lösungen im allgemeinen nicht voneinander getrennt, sondern vielmehr miteinander zusammenwirkend.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, die, wenn sie an ein Rotationsströmungsmeßgerät angeschlossen ist, die genaue Messung des Durchsatzes strömender Fluide ermöglicht und gleichzeitig die visuelle Ablesemöglichkeit des Meßgerätes nicht beeinflußt, in einem breiten Anwendungsbereich eingesetzt und als Meßsignalgeber zur Regelung des Stroms verwendet werden kann.

Diese Aufgabe wird bei der eingangs beschriebenen Vorrichtung

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dadurch gelöst, daß die äußere Wandung des Meßrohres mit einer linienartigen Lichtquelle verbunden ist, mit deren Licht eine Strecke des Meßrohres, die länger als der Schwebekörper ist, linienartig beleuchtet wird, daß an der äußeren Wandung des Meßrohres der linienartigen Lichtquelle diametral entgegengesetzt mehrere Lichtfühler untergebracht sind, deren Empfindungsrichtung rechtwinkelig zur Achse des Rotationsströmungsmessers gerichtet ist und welche in Abständen, die der bestimmten axialen Teilung entsprechen, untergebracht sind, wobei diese Teilungslänge kürzer als die axiale Länge des Schwebekörpers ist, und daß die Lichtfühler mit einer logischen Schaltung verbunden sind, die anhand diskreter, von den Lichtfühlern erhaltener Signalkorabinationen eine der Lage des Schwebekörpers im Rotationsströmungsmesser entsprechende Signalkombination erzeugt.

Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform der Einrichtung sind die Halterungen der linienartigen Lichtquelle und der Lichtfühler mittels eines elastischen Bügels miteinander verbunden, welcher die Halterungen an die äußere Wandung des Meßrohres anpreßt. Mit Hilfe des elastischen Bügels läßt sich der aus der Lichtquelle und den Lichtfühlern aufgebaute optische Lagefühlapparat längs des Meßrohree frei verstellen, so daß die Meßstrecke innerhalb eines weiten Meßbereiches auf eine beliebige Stelle versetzt werden kann. Diese Lösung ermöglicht es, die konstruktionstechnische Länge des optischen Lagefühlapparates wesentlich kürzer zu machen, als der gesamte Meßbereich des Meßrohres. Ein weiterer Vorteil des Bügels besteht darin, daß der optische Lagefühler mit einem einfachen Handgriff auf das Meßrohr fest aufgeklappt werden kann.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung setzt sich die linienartige Lichtquelle aus mehreren diskreten Lichtquellen und einer vor diesen diskreten Lichtquellen angeordneten Zylinderoptik mit zur Achse des Meßrohres paralleler Achse zusammen und die Lichtfühler sind aus Lichttransistoren mit optischen Linsen aufgebaut.

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Sehr günstig läßt sich die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Regelung von strömenden Mengen, z.B. derart einsetzen, daß die Ausgänge der logischen Schaltung mit einem Digital-Analog-Wandler verbunden sind, der zur Lage des Schwebekörpers proportionale analoge Spannungssignale erzeugt, daß die Spannungssignale mit dem Meßsignaleingang einer Strömungsregelungseinheit verbunden sind und der Ausgang der Strömungsregelungseinheit ein Angriffsorgan, z.B. ein Regelventil steuert, das die Strömungsvex^hältnisse des mit dem Gerät gemessenen strömenden Fluids beeinflußt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen;

Fig. 1 einen Längsschnitt des Meßrohres in vergrößerter Darstellung mit angeschlossenem optischen Lagefühler;

Fig. 2 die Draufsicht der Vorrichtung der Fig. 1 und

Fig. 3 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Die Fig. 1 zeigt den optischen Lagefühler 1 der erfindungsgemäßen Vorrichtung in vergrößerter Schnittdarstellung in Vorderansicht; er ist funktionsmäßig an das Meßrohr 12 angepaßt. Der optische Lagefühler 1 besteht aus einer das Licht längs einer Linie emittierenden Lichtquelle 10 und längs der Bahn der Lichtstrahlen angeordneten Lichtfühlern 11. Aus Fig. 2 ist ersichtlich, daß die Lichtfühler 11 im Verhältnis zur Lichtquelle 10 längs der diametral gegenüberliegenden Komponenten des Meßrohres 12 angeordnet sind und daß die Halterungen 13 bzw. 14 mit einem Bügel 15 aus elastischem Stoff untereinander verbunden sind. Die Gerade, die die Achsenlinien der Halterungen 13 und 14 untereinander verbindet, ist etwas langer als der Durchmesser des Meßrohres 12, d.h. sie schneidet den Mittelpunkt desselben nicht, wodurch die Preßkraft des Bügels 15 die ganze Vorrichtung auf dem Meßrohr 12 hält. Bei dieser

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Ausführungsform läßt sich der optische Lagefühler 1 mit einem einzigen Handgriff auf das Meßrohr 12 aufklappen und längs der Achse desselben frei verstellen. Der optische Lagefühler 1 überlappt das Meßrohr 12 nicht und demzufolge können die Skalenteilungen 16 auch bei aufgesetztem optischen Lagefühler 1 (wie in Fig. 1 gezeigt) abgelesen werden.

Die Lichtquelle 10 besteht aus mehreren, in einer Halterung untereinander angeordneten Leuchtelementen, z.B. Glühlampen und einer das Licht dieser Leuchtelemente in eine Linie konzentrierenden Zylinderoptik 17· Die Zylinderoptik 17 hat einen an sich bekannten Aufbau, sie wird bei optischen Lochbandablesern zur Beleuchtung der empfindlichen Zone verwendet.

In bestimmten, gleichen Abständen sind die Lichtfühler 11 in der Halterung 14 untereinander auf der gedruckten Stromkreisplatte 18 montiert und zueinander parallel angeordnet. Die Lichtfühler 11 bestehen zweckmäßigerweise aus Lichttransistoren, an deren vorderer lichtempfindlicher Oberfläche eine optische Linse angebracht ist. Ein derartiger Lichtfühler ist z.B. der Phototransistor Siemens AG BPY 61/JK. Die Lichtfühler 11 sind dicht an dicht angeordnet. Im Falle des beispielshalber erwähnten Lichttransistors besteht zwischen den benachbarten Lichttransistoren ein Abstand von ungefähr 2,5 mm. Nachdem die Lichtfühler eingelegt wurden, wird der Innenraum der Halterung 14 zweckmäßig mit durchsichtigem Kunstharz ausgegossen.

Es wird darauf hingewiesen, daß die axiale Länge der Halterung 14, die im wesentlichen mit der Länge der Zylinderoptik 17 übereinstimmt, größer ist als die Höhe des Schwebekörpers 19 des Meßrohres.

Figur 3 zeigt ein funktionelles Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Das Meßrohr 12 und der damit verbundene optische Lagefühler 1 sind nur schematisch dargestellt. Die Ausgänge der Lichtfühler 11 sind mit den Eingängen des Meßverstärkers 3 verbunden, wobei das Maß der Belichtung der Lichtfühler 11 nach entsprechender Verstärkung und Signal-

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formung durch ein Signal dargestellt wird, das am Ausgang mit einer der Zahl η der Lichtfühler 11 entsprechenden Zahl bis zum erforderlichen Niveau verstärkt wird. Die Ausgänge des Meßverstärkers 3 sind an einen Inverter 4 angeschlossen, der je zwei Ausgänge für einen jeden Lichtfühler 11 besitzt. Beide zusammengehörenden Ausgänge haben jeweils den negierten logischen Wert. Erhält ein Lichtfühler 11 von der Lichtquelle 10 Lichtstrahlen, so tritt am zugehörigen positiven Ausgang der Pegel 1 und am negierten Ausgang der Pegel 0 auf.

Die Ausgänge des Inverters 4 sind mit einer logischen Schaltung 5 verbunden. Die logische Schaltung 5 ist aus einer Kombinationsschaltung aufgebaut, die in Übereinstimmung mit der von der Verschiebung des Schwebekörpers 19 angegebenen Abmessung des Meßrohrs 12 ausgebildet ist. In einer beliebigen diskreten Lage des Schwebekörpers 19, wenn er oben oder unten den Weg mindestens des einen der Lichtfühler 11 freiläßt und mindestens einen abdeckt, bedeutet dies, daß der Schwebekörper 19 sich in dem Meßbereich befindet. Die logische Schaltung 5 ist derart ausgebaut, daß innerhalb des Meßbereiches in einer jeden diskreten Stellung des Schwebekörpers 19 an ihrem Ausgang den Zahlwert der diskreten Stellung in kodierter Form ausgibt. Die einzelnen diskreten Stellungen bestimmen im wesentlichen innerhalb der den Abständen der benachbarten Lichtfühler 11 entsprechenden Unsicherheit die Lage des Schwebekörpers 19.

Wenn der Schwebekörper 19 im Laufe der Funktion Schwingungen mit kleinerer Amplitude als der Teilungsabstand ausführt, wird dadurch die richtige Funktion der logischen Schaltung 5 nicht beeinflußt. Die hier angegebene logische Bedingungskombination, die der obigen Funktion entspricht, läßt sich auf mehrerlei Art aufstellen, deren konkrete Ausführungsform aber nicht in den Bereich der Erfindung fällt.

Die die momentane Stellung des Schwebekörpers 19 in kodierter Form darstellenden Ausgänge der logischen Schaltung 5 stehen mit der Anzeigeeinheit 6 in Verbindung. In der Anzeigeeinheit

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sind Dekodierer 6 a und Digitalanzeiger 6 b untergebracht, die in einem angegebenen Fall den Zahlenwert der vorzeichenmäßigen Stellung des Schwebekörpers 19 anzeigen. Die Nullstellung des Schwebekörpers 19 kann sich z.B. in der Mitte des Meßbereiches befinden. In dem in Figur 3 gezeigten Fall befindet sich der Schwebekörper 19 in Position "-18".

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform können die Ausgänge der logischen Schaltung 5 an die Eingänge des Digital-Analog-Wandlera 7 angeschlossen werden, welcher anhand des die Stellung des Schwebekörpers 19 anzeigenden kodierten Digitalsignals ein analoges Spannungssignal erzeugt, das ebenfalls die Stellung des Schwebekörpers 19 angibt. Indem dieses Signal zum Eingang der Regeleinheit 8 geführt wird, kann es zur Regelung des Durchsatzes des strömenden Fluids verwendet werden. Zu diesem Zweck wird mit Hilfe des Ausgangssignals der Regeleinheit 8 über ein Eingrifforgan 9, z.B. ein Regelventil der Durchsatz dos strömenden Fluids derart verstellt, daß dadurch die Stellung des Schwebekörpers 19 auf konstantem Wert bleibt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht die instrumentale Messung des Durchsatzes des strömenden Fluids, die Erfassung der gemessenen Werte und je nach Bedarf die Regelung des Durchsatzes. Der zweckmäßig aufgebaute optische Lagefühler 1 ermöglicht es, daß die Vorrichtung mit einem gebräuchlichen und bereits funktionsmaßig eingebauten Rotationsströmungsmessers beliebigen Typs und beliebiger Abmessung verbunden werden kann, ohne die Bauelemente abbauen zu müssen oder daß die sichtliche Ablesbarkeit des Rotationsströmungsmessers beeinträchtigt wird.

Durch die treffende Anwahl der optischen Eigenschaften der Lichtfühler 11 und der Lichtstärke der Lichtquelle 10 können die Messungen auch bei nur teilweise durchsichtigen Fluiden durchgeführt werden.

Aus der konstruktionstechnischen Anordnung folgt, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung die Bewegung: des Schwebekörpers des

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Rotationsströmungsmessers nicht hindert und sie gleichzeitig keine mechanisch "beweglichen Bestandteile beinhaltet, so daß die Möglichkeit des Schadhaftwerdens nur gering ist und die Wartung praktisch überflüssig ist.

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Claims

PAVEN .'ANWÄLTE

SCHIFF ν. FÜNER STREHL SCHÜBEL-HOPF EBBINGHAUS FINCK

MARIAHILFPLATZ 2 Ä 3, MDNCHEN 9O POSTADRESSE! POSTFACH 95 O1 6O, D-8OOO MDNCHEN 95

PROFESSIONAL REPRESENTATIVES ALSO BEFORE THE EUROPEAN PATENT OFFICE

• KARL LUDWIO SCHIFF (1964-1978)

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MAGYAR TUDOMANYOS AKADEMIA MUSZAKI dipl. ing. peter strehl

KEMIAI KUTATO INTEZET DIPL. CHEM. DR. URSULA SCHÜBEL-HOPF

DIPL. ING. DIETER EBBINeHAUS DR. INQ. DIETER FINCK

TELEFON <OS9) 48 2O 64 TELEX 5-23 565 AURO D

TELESRAMME auromarcpat München

DEA/G - 1997ο 17. März 198o

Vorrichtung zur Messung des Durchsatzes strömender Fluide

PATENTANSPRÜCHE

1J Vorrichtung zur Messung des Durchsatzes von strömenden Fluiden, mit einem in den Strömungsweg des strömenden Fluids geschalteten Rotationsströmungsmeßgerät, das einen im Innenraum eines Meßrohres mit durchsichtiger Wandung angeordneten lichtundurchlässigen Schwebekörper aufweist, dessen Lage dem Durchsatz des strömenden Fluids proportional ist, dadurch gekennzeichnet , daß mit der äußeren Wandung des Meßrohres (12) eine linienartige Lichtquelle (10) in Verbindung steht, mit deren Licht eine Strecke des Meßrohres (12), die größer als die des Schwebekörpers (19) ist, linienartig beleuchtet wird, und daß an der äußeren Wandung des Meßrohres (12) der linienartigen Lichtquelle (10) diametral gegenüberliegend mehrere Lichtfühler (11) angebracht sind, deren Emp-

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finciungsrichtung rechtwinkelig zur Achse des Rotationsströmungsmessers gerichtet ist und voneinander in einer bestimmten achsialen Teilung entsprechenden Abständen angeordnet sind, wobei diese Teilungslänge kleiner als die achsiale Länge des Schwebekörpers (19) ist, und daß die Lichtfühler (11) an eine logische Schaltung (5) angeschlossen sind, die anhand der von den Lichtfühlern (11) erhaltenen diskreten Signalkombinationen eine die Lage des Schwebekörpers (19) im Meßrohr darstellende Signalkombination erzeugt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Halterungen (13, 14) der Lichtquelle (10) und der Lichtfühler (11) mittels eines elastischen Bügels (15) miteinander verbunden sind, der die Halterungen (13, 14) an die äußere Fläche des Meßrohres (12) preßt.
3· Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die linienartige Lichtquelle (10) aus mehreren diskreten Lichtquellen und einer vor diesen untergebrachten, mit ihrer Achse parallel zur Achse des Meßrohres (12) gerichteten Zylinderoptik (17) zusammengesetzt ist, und die Lichtfühler (11) aus mit optischen Linsen versehenen Lichttransistoren verwirklicht sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß in der Höhe des Schwebekörpers (19) mindestens fünf Lichtfühler (11) angeordnet sind.

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5· Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß mit einem jeden Lichtfühler (11) ein Verstärker (3) und ein Inverter (4) in Verbindung stehen, welche zwei Ausgänge aufweisen, die das Maß der Beleuchtung des Lichtfühlers (11) mit L-Pegel "O" und "1" anzeigen.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die logische Schaltung (5) die diskrete Stellung des Schwebekörpers (19) mit kodierten digitalen Signalkombinationen anzeigende Ausgänge aufweist.
7« Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die kodierten Ausgänge der logischen Schaltung (5) mit einer Anzeigeeinheit (6) in Verbindung stehen, die einen Dekodierer (6a) und eine Digitalanzeige (6 b) aufweist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch g e k e η η zeichnet , daß die Ausgänge der logischen Schaltung (5) mit einem Digital/Analog-Wandler (7) verbunden sind, der mit der Stellung des Schwebekörpers (19) proportionale analoge Spannungssignale erzeugt, die dem Meßsignaleingang einer Strömungsregeleinheit (8) zugeführt werden, wobei der Ausgang der Strömungsregeleinheit (8) ein die Strömungsverhältnisse des gemessenen strömenden Fluids beeinflussendes Eingrifforgan (9) steuert.

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