DE3031740A1

DE3031740A1 - Uebertragungssystem fuer einen wirbelabloesenden stroemungsmesser und/oder einen stroemungsmesser vom wirbelungstyp

Info

Publication number: DE3031740A1
Application number: DE19803031740
Authority: DE
Inventors: Peter J. Morrisville Pa. Herzl
Original assignee: Fischer and Porter Co
Current assignee: Fischer and Porter Co
Priority date: 1979-08-24
Filing date: 1980-08-22
Publication date: 1981-04-09
Also published as: US4270391A; GB2059699A; GB2059699B; FR2463936A1; FR2463936B3; JPS5664615A

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft allgemein ein Übertragungssysten für wirbelablösende Strömungsmesser, und zwar insbesondere ein System, das für die Messung der Strömungsrate sowohl von Flüssigkeiten als auch von Gasen brauchbar istund ein zitterfreies Ausgangssignal hat.

Es ist bekannt, daß das'Vorhandensein eines Hindernisses oder eines Wirbelablösers in einem Strömungskanal unter gewissen Umständen zur Ausbildung von periodischen Wirbeln führt. Bei kleinen Reynoldszahlen hat die stromabwärtige Strömung eine laminare Natur, jedoch werden bei ansteigenden Reynoldszahlen regelmäßige Wirbelmuster ausgebildet. Diese Muster sind als Karman-Wirbelstraßen bekannt. Die Frequenz, mit der in einer Karman-Wirbelstraße Wirbel abgelöst werden, ist eine Funktion der Strömungsrate.

Dieses Phänomen wird in einem Strömungsmesser dazu benutzt, den volumetrischen Fluß von Strömungsmitteln, die behandelt oder zugeführt werden, zu messen, um verschiedene Steuer- bzw. Regelfunktionen auszuführen. Strömungsmesser dieser Art sind in der US-Patentschrift 3 116 639 von Bird und in der US-Patentschrift 3 65o 152 von White beschrieben. Vorhandene Strömungsmesser des wirbelablösenden Typs, wie sie beispielsweise in der US-Patentschrift 3 888 12o von Burgess und in der US-Patentschrift 4 162 von Herzl beschrieben sind, können zum Durchführen von volumetrischer Strömungsmessung oder von Massenströmungsmessung dienen.

Obwohl einige wirbelablösende Strömungsmesser die Strömungsrate mit hohen Genauigkeiten messen können, die besser als o,5 % und in einigen Fällen sogar o,25 % der Strö-

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mungsrate sind, haben diese Genauigkeiten in vielen Situationen wegen der niedrigen Auflösung des Ausgangssignals wie auch wegen Zittereffekten wenig praktischen Wert. Unter "Zittern" sind kleine, schnelle Variationen des Ausgangssignals zu verstehen, die infolge von Störungen des Strömungsmittelflusses oder infolge von anderen Faktoren entstehen. -

Beispielsweise kann ein wirbelablösender Strömungsmesser für die Messung von Flussigkeitsströmungen, der einen Durchmesser von 15,24 cm hat, ein Ausgangssignal haben, dessen Frequenz in einem sich zwischen 2 Hz und 3o Hz erstreckenden Bereich liegt, was von der Strömungsrate abhängt. Bei einem Ausgangssignal von 2 Hz und bei normalen Zähltechniken sind 5oo Sekunden erforderlich, um "looo Zählungen oder o,1 % Auflösung zu erzielen. Wenn dieses Instrument an einem Volumen oder einem Gewichtsstandard geeicht werden soll, dann wäre ein Standard von adäquater Bemessung "(ungefähr 3785 1) erforderlich, um das Strömungsmittel aufzunehmen, das während dieser Zeitdauer durch den Strömungsmesser hindurchgeht.

Wenn Perioden- oder Strichmessungen angewandt werden, dann beinhalten diese eine Zeitvariation von zwischen 2 % bis 2o % pro Zyklus. Diese hängt von der Ausbildung des Wirbelablösers, von den Rohrleituhgs- und Installationsparametern und anderen Faktoren ab. Sie erfordert daher noch eine relativ ausgedehnte Periode, um ein o,1 % der Ratenmessung zu erzielen.

Es ist bekannt, daß die Wirkungen von Rauschen und Zittern in einem Wirbelablösenden Strömungsmesser minimalisiert werden können und die Signalqualität verbessert werden kann, indem man Frequenzkomponenten, die nicht Teile der Ablösefrequenz sind, ausfiltert. So ist in der

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US-Patentschrift 3 7o9 o34 von Herzl ein System beschrieben, das eine mit dem Ausgang des wirbelablösenden Strömungsmesser s verbundene Einrichtung zur Verbesserung der Signalbeschaffenheit aufweist. Diese Einrichtung zur Verbesserung der Signalbeschaffenheit kann die die Strömungsrate repräsentierende dominante Frequenz von der zusammengesetzten Ausgangssignalfrequenz herausziehen und Rauschkomponenten hoher und niedriger Frequenz ausschließen, wodurch man dadurch, daß nur die dominante Frequenz gemessen wird, eine genaue Ablesung bzw. Messung der Strömungsflußmenge erhält. Aber in dieser bekannten Anordnung liegt die Ausgangsfrequenz innerhalb eines Niedrigfrequenzbereichs, und die Auflösung des Ausgangssignals ist niedrig.

Wie in der US-Patentschrift 4 123 94o von Herzl dargelegt ist, ist die Vervielfachung der Ausgangsfrequenz eines Vortex- bzw. Wirbelmessers insbesondere für große Meßinstrumente wichtig, in denen die dominanten oder natürlichen Frequenzen sehr niedrig sind und in denen es daher schwierig ist, eine adäquate Auflösung und annehmbare Zeitkonstanten ohne Frequenzvervielfachung zu erzielen. Obwohl die in dieser früheren Patentschrift beschriebene Anordnung dazu dient, die Auflösung des Ausgangssignals zu verbessern, vermindert sie jedoch nicht das Zittern. Tatsächlich kann ein heftiges Zittern zu aktuellen Vervielfachungs- bzw. Meßfehlern führen.

Eine andere Schwierigkeit, die bei wirbelablösenden Meßinstrumenten und auch bei Wirbelungsmessern, die ein Niedrigfrequenz-Meßsignal abgeben, dessen Frequenz eine Funktion der Strömungsrate ist, auftritt, ist die Erzeugung von falschen Signalkomponenten selbst bei einer Nullströmungsrate. Diese Signalkomponenten, die von hydraulischem, elektrischem oder mechanischem Rauschen herrühren, führen zu ungenauen Ablesungen bzw. Meßwerten der Strömungsrate.

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Kurz zusammengefaßt wird im Hinblick auf die vorstehenden Ausführungen mit der vorliegenden Erfindung insbesondere ein System zum Übertragen bzw. überführen des Ausgangssignals eines Wirbel- und/oder Wirbelungsströmung'smessers zur Verfugung gestellt, mit dem es möglich ist, ein Ausgangssignal zu erzeugen, das stabil ist und eine hohe Auflösung hat und das daher für die übertragung auf einer Zweidrahtleitung oder für irgendeinen anderen Zweck geeignet" ist, bei dem man ein Signal braucht, dessen Frequenz eine Funktion der. Strömungsrate eines gemessenen Strömungsmittels ist.

Insbesondere wird mit der vorliegenden Erfindung ein übertragungssystem der obigen"Art geschaffen, in dem die niedrige Frequenz des Meßsignals vervielfacht wird, um ein Ausgangssignal hoher Auflösung zu erzeugen, das frei von Zitterrauschen ist.

Außerdem wird mit der Erfindung ein System der obigen Art vorgeschlagen, das ein verbessertes Signal-zu-Rauschen-Verhältnis hat, wobei der Ausgang des Systems abgeschaltet wird, wenn die Meßfrequenz unter ein vorbestimmtes Minimumniveau im Betriebsbereich abfällt, so daß dadurch das System .gegen falsche Signalkomponenten unempfindlich gemacht wird.

Darüber hinaus wird mit der Erfindung ein System zur Verfügung gestellt, das zuverlässig, betriebssicher, leistungsfähig und zweckdienlich arbeitet und das unter Aufwendung von relativ niedrigen Kosten hergestellt werden kann.

Kurz zusammengefaßt wird das in einem Übertragungssystem für einen wirbelablösenden Strömungsmesser und/oder einen Strömungsmesser vom Wirbelungstyp erreicht, dessen Meß-

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signal im Niedrigfrequenzbereich ist und daher eine niedrige Auflösung hat, und dessen Meßsignal Zittern ausgesetzt ist. Zur Erzielung eines zitterfreien Ausgangssignals hoher Auflösung umfaßt das System einen Eingangsverstärker, der auf das Meßsignal anspricht und dessen Ausgangssignal über ein Gleichlauffilter in einen Schmitt-Trigger eingegeben wird. ~

Der Trigger wandelt das Meßsignal in Impulse der gleichen Frequenz um, die in einen Frequenzvervielfacher eingespeist werden, um ein Ausgangssignal· rel·ativ hoher Frequenz zu erzeugen, das eine gute Auflösung hat. Das Gleichlauffilter dient dazu, die Verstärker-Empfindlichkeitskurve so auszubilden, daß deren Verstärkungsfaktor unterhalb eines ausgewählten Frequenzniveaus effektiv vermindert wird. Das Gleichlauffilter arbeitet in Verbindung mit einer Komparatoranordnung, die eine Analogspannung, deren Größe von der Meßsignalfrequenz abhängt, mit einer Reihe von stufenweise zunehmenden Bezugsspannungen vergleicht, von denen jede ein vorbestimmtes Frequenzniveau repräsentiert. Die Anordnung bzw. die Komparatoranordnung arbeitet in der Weise, daß sie das Filter schrittweise wirksam macht, wodurch das Filter dann, wenn die Meßfrequenz irgend eines der vorbestimmten Frequenzniveaus erreicht, effektiv dahingehend wirkt, daß es den Verstärkungsfaktor des Eingangsverstärkers vermindert', so daß Frequenzen unterhalb dieses Niveaus abgeschwächt bzw. gedämpft werden und dadurch die Übertragung von Rauschkomponenten im Meßsignal minimalisiert wird.

Zum besseren Verständnis der Erfindung wie auch anderer Vorteile und Merkmale derselben sei nachstehend anhand der Fig. 1 bis 6 der Zeichnung eine besonders bevorzugte Ausführungsform in näheren Einzelheiten beschrieben; es zeigen:

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Fig. 1 ein schematisches Schaltbild einer bevorzugten Ausfuhrungsform eines Systems gemäß der Erfindung zum übertragen bzw. Umwandeln des Ausgangssignals eines wirbelablösenden Strömungsmessers und/oder eines Strömungsmessers vom Wirbelungstyp;

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer phasenstarren Schleifeneinheit, die in dem System vorgesehen ist;

Fig. 3 Kurven, die die Wirkung des in dem System vorgesehenen Gleichlauffilters auf den Verstärkungsfaktor des Eingangsverstärkers darstellen;

Fig. 4 Kurven, die den Systemverstärkungsfaktor veranschaulichen, wenn ein Druck- oder Kraftsensor in Verbindung mit einem Eingangsverstärker angewandt wird, dessen charakteristische Kurve in Fig. 3 gezeigt ist;

Fig. 5 die Wirkung des ümschaltens des Differentials des im System vorgesehenen Schmitt-Triggers bei Minimumströmung; und

Fig. 6 das Rauschsignal bei Nullströmung.

In der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sei zunächst auf Fig. 1 Bezug genommen, in der ein System gemäß der Erfindung zum Übertragen des AusgangssignaIs eines wirbelablösenden Strömungsmessers 1o gezeigt ist, und zwar erfolgt die Überführung dieses Ausgangssignals so, daß das abgegebene Ausgangssignal ein stabiles, zitterfreies Signal hoher Auflösung ist, das zur Übermittlung auf einer Zweidrahtleitung geeignet ist, oder zur Verwendung in einer Zeit-

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multiplexanordnung oder für jeden anderen Zweck, der ein Signal erfordert, dessen Frequenz eine Funktion der Strömungsrate bzw. -geschwindigkeit einer gemessenen Flüssigkeit oder eines gemessenen Gases ist. Der Strömungsmesser 1o kann jeder kommerziell erhältliche Typ sein, oder er kann von einem der Typen sein, wie sie in den oben genannten Patentschriften beschrieben sind. ~

Anstelle eines wirbelablösenden Strömungsmessers kann das Strömungsmittel mit einem Strömungsmesser vom Wirbelungstyp oder einem "Wirbelmesser" der Art gemessen werden, wie in den US-Patentschriften 3 279 251 und 3 314 289 sowie in dem US-Reissue-Patent 26 41 ο unter anderem beschrieben. In einem Wirbelmesser bzw. in einem Strömungsmesser vom Wirbelungstyp wird das Strömungsmittel, dessen Rate gemessen werden soll, durch Wirbelflügel zwangsweise dazu gebracht, eine Wirbelkomponente anzunehmen, wobei die Anordnung so ist, daß die Wirbelbewegung in eine präzedierende bzw. vorrückende Bewegung transformiert wird, so daß Strömungsmittelimpulse erzeugt werden, die zum Hervorbringen eines Signals, dessen Frequenz der Strömungsrate proportional ist, von einem Sensor aufgenommen werden. Die Erfindung ist sowohl auf Strömungsmesser vom Vortex-Typ bzw. vom wirbelablösenden Typ als auch auf Wirbelmesser bzw. Strömungsmesser vom Wirbelungstyp, in denen die Wirbel durch eine Drehbewegung erzeugt werden, anwendbar.

Vorzugsweise ist das vom Strömungsmesser 1 ο abgegebene Signal ein solches, das mittels eines Kraft- oder Drucksensors, wie beispielsweise mittels eines piezoelektrischen Elements, erzeugt worden ist, obwohl auch andere Formen von Sensoren angewandt werden können. Dieses Signal wird auf einen Eingangsverstärker 11 gegeben, der ein Rückkopplungsnetzwerk 12 hat, das zwischen den Ausgang und den Eingang des Verstärkers geschaltet ist, da-

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mit dadurch die normale Betriebskurve des Verstärkers so ausgebildet wird, daß Nichtlinearitäten in dem Sensor des Strömungsmessers kompensiert werden.

Das Ausgangssignal des Verstärkers 11 wird an ein Gleichlauf filter angelegt, das von einem Kondensator C₁ und Widerständen R₁ und R„ gebildet ist. Der Widerstand R₁ ist durch einen normalerweise offenen elektronischen Schalter S₁ mitMasse verbunden, und der Widerstand R~ ist durch einen normalerweise offenen elektronischen Schalter S„ mit Masse verbunden. Wenn diese Schalter offen sind, dann ist bzw. bleibt das Ausgangssignal des Verstärkers ungefiltert.

Das Ausgangssignal des Verstärkers 11 wird an einen Schmitt-Trigger angelegt, der von einem Operationsverstärker 14 gebildet wird, welcher einen positiven Rückkopplungswiderstand 15 hat, der zwischen den Ausgangsanschluß und den nichtinvertierenden Eingangsanschluß (+) desselben geschaltet ist. Das Meßsignal vom Ausgang des Verstärkers wird auf den invertierenden Eingangsanschluß (-) des Operationsverstärkers 14 gegeben, und durch den Schmitt-Trigger in Rechteckwellenimpulse umgewandelt. Die positive Rückkopplung hat zur Folge, daß sich zwischen der vom Schmitt-Trigger im "Ein"-Zustand des Schalters abgegebenen Spannung und der vom Schmitt-Trigger im "Aus"-Zustand des Schalters abgegebenen Spannung ein Differential bzw. eine Differenz ergibt. Dieses Differential bzw. diese Differenz wird durch Kurzschließen oder Nichtkurzschließen eines Widerstandes 16 verändert, der zwischen den nichtinvertierenden Eingang des Verstärkers 14 und einen festen Widerstand 17 geschaltet ist, dessen anderes Ende an Masse liegt. Das Kurzschließen und Nichtkurzschließen des Widerstandes 16 wurd durch einen normalerweise offenen elektronischen Schalter S. bewirkt.

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Die Rechteckwellenimpulse vom Schmitt-Trigger werden dem Eingangsanschluß P.. einer als integrierte Schaltung ausgeführten phasenstarren Schleife 18 eingegeben, die als das Steuerzentrum der überführungs- bzw. Umsetzungseinrichtung funktioniert. Diese digitale Integratorschaltung wird vorzugsweise von einer RCA CD 4o46 Einheit gebildet, deren Blockschaltbild in Fig. 2 gezeigt istT Eine genauere Beschreibung dieser monolithischen Siliciumeinheit ist in dem von der Firma RCA veröffentlichten Datenblatt 637 (RCA Solid State Division) enthalten.

Diese Einheit umfaßt einen durch eine lineare Spannung gesteuerten Oszillator VCO niedriger Leistung und zwei Phasenvergleicher I und II. Die Eingangsimpulse vom Schmitt-Trigger werden auf den Anschluß P₁₄ gegeben, der mit einem Signaleingangsverstärker verbunden ist. Der Anschluß P_ ist der gemeinsame Eingang für die Phasenvergleicher I und II. Ein externer Kondensator C„ ist zwischen die Anschlüsse P,. und P- des Oszillators VCO ge-

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schaltet, und dieser Kondensator bestimmt in Verbindung mit einem externen Widerstand R-, der mit dem Anschluß verbunden ist, den Frequenzbereich des Oszillators VCO.

Der Oszillator VCO hat einen Demodulator-Ausgangsanschluß P. , der mittels eines Quellenfolgers entkoppelt ist; die an diesem Anschluß erhaltene Spannung ist eine Analoggröße der Frequenz des Oszillators VCO. Der Phasenvergleicher I hat eine ausgezeichnete Stör- bzw. Rauschunterdrückung; jedoch kann er nur einen relativ schmalen Frequenzbereich einfangen bzw. umfassen, und zwar üblicherweise weniger als 2o : 1, und er kann Harmonische der Grundfrequenz einschließen bzw. sperren. Da der Phasenvergleicher II über einen großen Frequenzbereich hinweg arbeiten und einfangen kann, wird in dem System nach der Erfindung nur von

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diesem Phasenvergleicher Gebrauch gemacht. Das Ausgangssignal des Phasenvergleichers II am Anschluß P₁^ wird über ein Tiefpaßfilter, das vom Widerstand R. und vom Kondensator C_ gebildet ist, am Anschluß P_ auf den Eingang des Oszillators VCO gegeben.

Im Betrieb werden die Rechteckwellenimpulse^vom Schmitt-Trigger 14, deren Frequenz proportional der Strömungsrate ist, auf den Anschluß P₁. der phasenstarren Schleife 18 gegeben und mittels des Phasenvergleichers II mit der Aus gangsrechteckwelle eines Impulszählers 19 verglichen, dessen Eingang über den Anschluß P. mit dem Ausgang des Oszillators VCO verbunden ist und dessen Ausgang über den Anschluß P₃ mit dem Eingang des Phasenvergleichers II ver bunden ist.

Das Ausgangssignal des Phasenvergleichers II, das man am Anschluß P₁- erhält, wird nach einer Filterung dazu benutzt, den Eingang des Oszillators VCO nach aufwärts oder abwärts zu treiben, bis die Frequenz am Anschluß P_, dem Ausgang des Zählers, gleich der Frequenz am Anschluß P₁,, dem Impulssignaleingang zu der Einheit, ist. Das Multiplikationsverhältnis des Ausgangs des Oszillators VCO kann durch- Änderung der Teilungsrate des Zählers verändert werden.

Der insoweit beschriebene Betrieb stellt die Standardanwendung der phasenstarren Schleife als Frequenzvervielfacher dar. Jedoch erzeugt die Einheit zusätzlich zu ihrer Funktion als phasenstarre Schleife das Steuersignal für das Gleichlauffilter, das die Widerstände R₁ und R„ umfaßt, und für die Nullströmungs-Schutzschaltungen.

Außerdem ist ein normalerweise offener elektronischer Schalter S vorgesehen, der, wenn er betätigt und geschlos-

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sen ist, das vervielfachte Frequenzausgangssignal der Einheit 18, das über den Anschluß P. entnommen wird, mit dem EingangstransistorQ. eines Zweidraht-Leitungs-Frequenzübertragers verbindet, welcher weiter einen zweiten Transistor Q- und einen Spannungsregler aufweist. Derartige Zweidraht-Frequenzübertrager sind an sich bekannt und brauchen daher hier nicht weiter beschrieben zu werden. Alternativ kann die Übertragung auf einem Zweidraht-Leitungs-Stromübertrager stattfinden, in welchem Falle die vom Anschluß P. entnommene vervielfachte Frequenz zunächst mittels eines Frequenz-zu-Spannungs-Wandlers in eine entsprechende Spannung umgewandelt wird, die ihrerseits mittels eines Spannungszu-Strom-Wandlers in einen ihr proportionalen Strom umgewandelt wird. Da das System durch einen extrem niedrigen Leistungsverbrauch charakterisiert ist, eignet es sich für eine übertragung auf einer Zweidraht-Stromleitung (4 bis 2o mA) oder einer Zweidraht-Frequenzleitung.

Die Eingangsspannung des Oszillators VCO am Anschluß P_q ist im wesentlichen proportional der Eingangsfrequenz, und die gepufferte bzw. entkoppelte Ausgangsspannung am Anschluß P₁ ist daher ebenfalls im wesentlichen proportional der Eingangsfrequenz sowie ein Analogsignal derselben. Die Analogspannung vom Anschluß P₁ wird auf eine Komparatoranordnung 2o gegeben, die von Komparatoren X, Y und Z gebildet wird und in der diese Spannung mit festen Bezugsgleichspannungen verglichen wird, die mittels eines Spannungsteilers erzeugt werden, der aus einer Reihe von Widerständen besteht, an die eine Spannung (+ 5 V) angelegt ist. An jeder der Verbindungen x, y und ζ der Reihe von Widerständen sind progressiv höhere Spannungen vorgesehen.

Der Komparator Z ist in einem "Ein"-Zustand und erzeugt eine gleichzeitig die elektronischen Schalter S und S

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betätigende Ausgangsspannung, wenn die Frequenz der an den Anschluß P₁₄ der Einheit 18 angelegten Eingangsimpulse irgendwo zwischen dem Minimal- und Maximalwert im vollen Betriebsbereich liegt. Als Beispiel sei angenommen, daß sich der Betriebsbereich von 3,5 Hz bis 52 Hz erstreckt. Wenn der Schalter S, geschlossen ist, dann wird das Ausgangssignal des Systems auf die Zweidraht-übertragungsleitung oder irgendeine andere Anwendungseinrichtung gegeben; und wenn der Schalter S. geschlossen ist, dann wird der Widerstand 16 kurzgeschlossen, so daß das Differential bzw. die Differenz des Schmitt-Triggers verändert wird.

Wenn jedoch die Eingangsimpulsfrequenz am Anschluß P₁₄ unterhalb von 3,5 Hz liegt, was die Minimum-Betriebsfrequenz ist, dann ist der Unterschied zwischen der Bezugsspannung an der Verbindungsstelle ζ und der Analogspannung vom Anschluß P₁ , der am Komparator Z anliegt, derart, daß der Komparator in einen "Aus"-Zustand gebracht wird, was zur Folge hat, daß die Schalter S_ und S. geöffnet werden und dann kein Signal übertragen wird.

Wenn die Frequenz der Eingangsimpulse oberhalb von 19 Hz ist, dann ist die sich ergebende Analogspannung im Vergleich mit der Bezugsspannung an der Verbindungsstelle y des Spannungsteilers 21 derart, daß der Komparator Y operativ gemacht wird, der dann seinerseits bewirkt, daß der betriebsmäßig daran angekoppelte Schalter S₁ geschlossen und der Widerstand R₁ im Gleichlauffilter wirksam gemacht wird. Und wenn die Frequenz der Eingangsimpulse über 31 Hz ansteigt, dann bewirkt die sich ergebende Analogspannung im Vergleich mit der Bezugsspannung an der Verbindungsstelle x, daß der Komparator X eingeschaltet wird und den Schalter S_ schließt, wordurch der Widerstand R in das Gleichlauffilter eingefügt wird.

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Betriebsweise

Es sei nun auf Fig. 3 Bezug genommen, in der die in Hz angegebene Betriebsfrequenz eines kommerziellen Vortex- bzw. Wirbel-Strömungsmessers, der von der Firma Fischer & Porter Company aus Warminster, Pa., USA als Modell LV3 vertrieben wird, in Abhängigkeit von dem Verstärkungsfaktor des Verstärkers aufgetragen ist; die Kurve S repräsentiert das Sensorsignal vom Kraftsensor in diesem Meßgerät. Die Kurve (1) ist die Frequenzempfindlichkeitskurve des Eingangsverstärkers 11, der durch das Netzwerk 12 charakterisiert ist. Diese Kurve gibt nicht die Wirkung des Gleichlauffilters auf den Verstärkungsfaktor wieder, weil die Schalter S₁ und S dann offen und die Widerstände R und R₂ aus der Schaltung herausgenommen sind.

Die Kurve (2) repräsentiert die Empfindlichkeitskurve des Verstärkers, nämlich die Abhängigkeit des Verstärkungsfaktors von der Frequenz, für den Fall, wenn der Schalter S. geschlossen und der Widerstand R- wirksam ist; dieser Fall tritt auf, wenn die Meßfrequenz über 19 Hz beträgt, in welchem Zustand der Verstärkungsfaktor unter 19 Hz ausläuft. Die Kurve (3) repräsentiert die Empfindlichkeitskurve dieses Verstärkers, nämlich in der Abhängigkeit des Verstärkungsfaktors von der Frequenz, für den Fall, in dem die Schalter S₁ und S beide geschlossen und die Widerstände R₁ und R in das Gleichlauffilter eingeschaltet sind, welcher Fall auftritt, wenn die Meßfrequenz über 31 Hz ansteigt. In diesem Zustand läuft der Verstärkungsfaktor unter 31 Hz aus.

Da der Systemverstärkungsfaktor bei einer anderen als der Betriebsfrequenz beträchtlich vermindert ist, ist das Signal-zu-Rauschen-Verhältnis wesentlich verbessert, und die Wirkung eines Zitterns ist minimalisiert. Obwohl die

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Erfindung in Verbindung mit einem Gleichlauffilter erläutert worden ist, das in zwei Schalterschritten eingeschaltet wird, können in der Praxis eine große Anzahl von Schalterschritten angewandt werden, so daß die Schalter- bzw. Umschaltstellen in einem Betriebsbereich von beispielsweise 4 bis 7o Hz bei 15 Hz, 3o Hz, 45 Hz und 6o Hz liegen können. *"*

Die Fig. 4 zeigt den Systemverstärkungsfaktor (Sensor und Verstärker) in Verbindung mit einem Druck- oder Kraftsensor der Art, wie er in dem wirbelablösenden Flüssigkeitsströmungsmesser Modell LV-3 der Firma Fischer & Porter vorhanden ist, wobei das Instrument einen Durchmesser von 1o,16 cm hat. Die Kurve (Ϊ) dieser Figur gibt den Verstärkungsfaktor wieder, wenn das Meßgerät im Bereich von 3,5 Hz bis etwa 19 Hz arbeitet, wobei die Schalter S. und S₂ offen und die Schalter S_ und S. geschlossen sind. Die Kurve (2) gibt den Verstärkungsfaktor im Bereich von 19 Hz bis etwa 31 Hz wieder, wobei die Schalter S₁, S- und S. geschlossen sind und der Schalter S« offen ist, während die Kurve (3) den Verstärkungsfaktor für den Fall wiedergibt, in dem alle Schalter geschlossen sind.

Dieser spezielle Systemverstärkungsfaktor bevorzugt das hohe Ende des Bereichs und hat ein relativ gleichmäßiges Signal-zu-Rauschen-Verhältnis für wirbelablösenden Strömungsmesser mit Druck- oder Kraftsensoren zur iOlge. Thermisch Sensoren oder Ultraschallsensoren würden eine flachere Systemverstärkungsfaktorkurve gebieten.

Die Fig. 5 und 6 veranschaulichen die Wirkung des Schaltens des Schmitt-Differentials bei "Null"-Strömung. Bei minimaler Strömung, wenn das Signal am kleinsten ist, ist das Betriebs-Schmitt-Differential so gewählt, daß der Trigger die Umwandlung des Signals in eine Rechteckwelle niemals

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ausläßt. Wenn aber die Meßfrequenz 1o bis 2o % unter die Betriebsfrequenz fällt, dann schaltet der Komparator Z und weitet das Differential bis zu einem Punkt, an dem ein sehr kleiner Prozentsatz an Auslassungen (A und B) auftritt. Und wenn die Meßfrequenz selbst mit wenigen Auslassungen zur Minimumströmung klettert, ist die Frequenz wieder hoch genug, den Schmitt-Trigger in eine Betriebsweise zu schalten, und es findet ein normaler Betrieb statt."

Die Fig. 6 veranschaulicht die Tatsache, daß "O"-Strömungsrauschen, welches den Schmitt-Trigger mit Betriebsdifferential triggern könnte, diesen Schmitt-Trigger nicht mit "0"-Strömungsdifferential anstößt. Da der das Signal abschaltende Schalter S kein Ausgangssignal zuläßt, wenn nicht der Komparator Z eingeschaltet ist, bewirkt selbst ein gelegentliches Anstoßen kein Ausgangssignal, sofern nicht die Frequenz die Minimum-Abschaltfrequenz übersteigt.

Nachdem vorstehend eine bevorzugte Ausführungsform eines Übertragungssystem für wirbelablösende und für wirbelnde bzw. durch Drehbewegung Wirbel erzeugende Strömungsmesser gemäß der Erfindung beschrieben und dargestellt worden ist, sei darauf hingewiesen, daß innerhalb des Gegenstandes der Erfindung und des allgemeinen Erfindungsgedankens viele Änderungen und Abwandlungen ausgeführt werden können.

Kurz zusammengefaßt wird mit der Erfindung ein Übertragungssystem für wirbelablösende oder wirbelnde Strömungsmesser zur Verfügung gestellt, deren Meßsignal im Niedrigfrequenzbereich liegt und daher eine geringe Auflösung hat und bei denen das Meßsignal einem Zittern ausgesetzt ist. Um ein zitterfreies Ausgangssignal hoher Auflösung zu erzielen, umfaßt das System einen Eingangsverstärker, der auf das Meßsignal anspricht und dessen Ausgang einem Schmitt-

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Trigger über ein Gleichlauffilter zugeführt wird. Der Trigger wandelt das Meßsignal· in Impuise der gl·eichen Frequenz um, die einem Frequenzvervielfacher eingegeben werden, um ein Ausgangssignal relativ hoher Frequenz von guter Auflösung zu erzeugen. Das Gleichlauffilter dient dazu, der Verstärkerempfindlichkeitskurve einen solchen Verlauf zu geben, daß deren Verstärkungsfaktor unterhalb eines vorgewählten Frequenzniveaus vermindert wird. Das Gleichlauffilter arbeitet in"Verbindung mit einer Komparatoranordnung, welche eine Analogspannung, deren Größe von der Meßsignalfrequenz abhängt, mit einer Reihe von progressiv zunehmenden Bezugsspannungen vergleicht, von denen jede ein vorbestimmtes Frequenzniveau repräsentiert. Die Anordnung arbeitet so, daß sie das Filter stufenweise wirksam macht, so daß das Filter dann, wenn die Meßfrequenz irgend eines von vorbestimmten Frequenzniveaus erreicht, effektiv dahingehend wirkt, daß es den Verstärkungsfaktor des Eingangsverstärkers vermindert, um Frequenzen unterhalb dieses Niveaus abzuschwächen, so daß auf diese Weise die übertragung von Rausch- bzw. Störkomponenten im Meßsignal minimalisiert wird.

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Claims

Patentanwälte Dipl.-Ing. RAVkckmanm, Dipl.-jPiiys. Dr. K. Fincke

Dipl.-Ing. F. A.Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber Dr. Ing. H. Liska

8000 MÜNCHEN 86, DEN λ η jj.,~ ~"^r'\ POSTFACH 860820 ^¹"""'

MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 98 39 21/22 SPBR

FP-38O

FISCHER & PORTER COMPANY Warminster, Pennsylvania/USA

Übertragungssystem für einen wirbelablösenden Strömungsmesser und/oder einen Strömungsmesser vom Wirbelung sty ρ

P atentansprüche

Γ 1J übertragungssystem für einen wirbelablösenden Strömungsmesser und/oder einen Strömungsmesser vom Wirbelungstyp, dessen -Meßfrequenz in einem Niedrigfrequenzbereich liegt und eine Funktion der Strömungsrate bzw. -geschwindigkeit des gemessenen Strömungsmittels ist, dadurch gekennzeichnet , daß das System folgendes umfaßt:

(A) einen Eingangsverstärker (11), der auf das Meßsignal anspricht und ein verstärktes Signal abgibt, das von

den Charakteristika des Eingangsverstärkers (11) der Abhängigkeit des Verstärkungsfaktors von der Frequenz abhängt;

(B) eine Schaltungseinrichtung (18), die einen Frequenzvervielfacher zum Umwandeln des verstärkten Signals in ein Ausgangssignal umfaßt, welches in einem Bereich hoher Frequenz liegt, wobei die Sehaltungseinrichtung außerdem eine Spannung abgibt, die eine Analoggröße der Meßfrequenz ist;

(C) ein Gleichlauffilter (C₁, R₁, EO , das zwischen dem Eingangsverstärker (11) und die Schaltungseinrichtung

(18) eingefügt ist, so daß es das Ansprechen des Verstärkers bzw. die Verstärkerempfindlichkeitskurve so beeinflußt, daß der Verstärkungsfaktor desselben unterhalb eines ausgewählten Frequenzniveaus vermindert ist; und

(D) eine Komparatoranordnung (2o), die an das Gleichlauffilter (C., R₁, R_) angekoppelt ist und die Analogspannung mit einer Reihe von progressiv zunehmenden Bezugsspannungen vergleicht, von denen jede ein vorbestimmtes Frequenzniveau repräsentiert, wobei die Komparatoranordnung (2o) dahingegehend wirkt, daß sie das Gleichlauffilter (C₁, R₁, R_) stufenweise wirksam macht, wodurch das Gleichlauffilter (C₁, R^, R„) dann, wenn die Meßfrequenz irgend eines der vorbestimmten Niveaus erreicht, den Verstärkungsfaktor zur Abschwächung von Frequenzen unterhalb dieses Niveaus effektiv vermindert.
2. Übertragungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß es weiter einen Schmitt-Trigger (14) umfaßt, der an den Ausgang des Filters (C₁, R.J, R_) angekoppelt ist, so daß er die gefilterte Meßfrequenz in entsprechende Impulse umwandelt, die dem Frequenzvervielfacher (18) zugeführt werden.

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3. Übertragungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Schmitt-Trigger (14) ein Differential hat, das geändert wird, wenn die Meßfrequenz unter ein vorbestimmtes Minimumniveau fällt.
4. übertragungssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß das Differential mittels eines Widerstandes (16) geändert wird, der in die Schaltung des Schmitt-Triggers (14) geschaltet ist und der durch einen elektronischen Schalter (S.) kurzgeschlossen wird, welcher betätigt wird, wenn die Analogspannung unter die niedrigste der Bezugsspannungen fällt.
5. Übertragungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Komparatoranordnung (2o) eine Gruppe von Komparatoren (X, Y,

Z) umfaßt, und zwar einen für jede aus der Reihe der Bezugsspannungen, wobei jeder Komparator (X, Y, Z) betätigt wird, wenn die daran angelegte Analogspannung ein Niveau erreicht, das wenigstens gleich demjenigen der zugehörigen Bezugsspannung ist.
6. Übertragungssystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß das Filter (C₁, R₁, R_) aus einem Kondensator (C₁) und zwei Widerständen (R₁, R₂), die durch jeweilige normalerweise offene elektronische Schalter (S₁, S„) mit dem Kondensator (C₁) verbunden sind, gebildet ist, wobei die Schalter (S-, S₃) an zwei der Komparatoren (X, Y) angekoppelt sind und durch diese betätigt werden.
7. übertragungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch einen dritten elektronischen Schalter (S_), der an einen dritten Komparator (Z) angekoppelt ist und das Filter (C., R., R₃) von

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der Schaltungseinrichtung (18) abtrennt, wenn er eine Analogspannung erhält, die einem Nullströmungsmittelfluß entspricht .
8. Übertragungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzvervielfacher von einer phasenstarren Schleife (18)
gebildet ist, die in Verbindung mit einem Zähler arbeitet.
9. übertragungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungseinrichtung (18) bzw. die Schleife einen spannungsgesteuerten Oszillator (VCD) umfaßt, der ein Signal erzeugt, das ein Vielfaches der Anälogspannung ist.

130015/0747