DE3519215A1 - Fuehler, insbesondere zur verwendung an einem fluegelraddurchflussmesser - Google Patents
Fuehler, insbesondere zur verwendung an einem fluegelraddurchflussmesserInfo
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Description
PATENTANWÄLTE DR. ULRICH OSTERTAG DR. REINHARD OSTERTAG
.5·
Fühler, insbesondere zur Verwendung an einem Flügelrad-Durchflußmesser
Anmelder: Prof. Dr. Horst Ziegler Steinhauser Weg 13
4790 Paderborn
Anwaltsakte: 1736.7
17-36.7 - <- 09.05.1985
Die Erfindung betrifft einen Fühler zum Umsetzen einer mechanischen
Eingangsgröße in eine elektrische Ausgangsgröße gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Ein derartiger Fühler ist in der FR-OS 121 734 in Verbindung mit einem Flügelrad-Durchflußmesser beschrieben. Dort
trägt das Flügelrad einen zur Drehachse konzentrischen teilzylindrischen
Modulationskörper, und innerhalb der vom letzteren durchlaufenden Bahn ist eine Sendespule angeordnet.
Letztere wird vom Speisekreis her mit kurzen Impulsen beaufschlagt. Das von ihr erzeugte Magnetfeld kann zwei außerhalb
der Bahn des Blendenkörpers angeordnete Empfängerspulen erreichen, die mit einer Auswerteschaltung verbunden sind.
Jedesmal dann, wenn der Magnetfluß durch die Empfängerspulen unterbrochen wird, wird ein mit der Auswerteschaltung verbundener
Zähler um eins hochgezählt.
In der DE-OS 32 41 222 ist ferner ein ähnlicher Fühler beschrieben,
bei welchem der Modulationskörper durch ein elektrisch leitendes Materialstück gebildet ist, welches an
einer Spule vorbeiläuft, die Teil eines Schwingkreises ist. Steht das Metallstück der Spule gegenüber, so hat der Schwingkreis
eine andere Eigenfrequenz als bei nicht der Spule gegenüberstehendem Materialstück. Diese Verstimmung des die
Spule enthaltenden Schwingkreises kann mit einer geeigneten Auswerteschaltung wieder in Impulse umgesetzt werden, durch
welche ein Zähler hochgezählt wird.
In der DE-OS 33 10 239 ist ferner ein berührungsfrei arbeitender Fühler zur Verwendung an einem Flügelrad-Durchflußmesser
beschrieben, welcher einen Ultraschallwandler aufweist und vom Flügelrad zurückgeworfene Echos des Ultraschalls
auswertet.
1736.7 - <er- 09.05.1985
Den vorgenannten Fühlern ist gemeinsam, daß sie einen verhältnismäßig
hohen Stromverbrauch aufweisen, da die Empfängerspulen bzw. der die Echos aufnehmende Schwingquarz mit
einem Verstärker verbunden sein müssen, um aus den sehr kleine Amplitude aufweisenden Signalen Signale mit so hohen
Pegeln zu erzeugen, wie dies für die Signalverarbeitung in handelsüblichen digitalen Schaltkreisen notwendig ist.
Durch die vorliegende Erfindung soll ein Fühler gemäß dem "Ό Oberbegriff des Anspruches 1 so weitergebildet werden, daß
ein gesonderter empfangsseitiger Verstärker, entbehrlich ist.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch einen Fühler
gemäß Anspruch 1.
15
15
Der erfindungsgemäße Fühler hat zwei LC-Schwingkreise, welche
auf dieselbe Frequenz abgestimmt sind, wobei die Sendespule und die Empfängerspule in einer Stellung des Mcdulationskörpers
möglichst weitgehend magnetisch entkoppelt sind. Diese magnetische Entkopplung kann entweder für den Fall eingestellt
sein, daß der Modulationskörper der Spulenanordnung gegenübersteht, oder auch für den Fall, daß der Modulationskörper
von der Spulenanordnung entfernt ist. In jedem Falle wird dann, wenn der Modulationskörper aus der vorgenannten
Lage herausbewegt wird, die Geometrie des Magnetflusses so geändert, daß nunmehr eine magnetische Kopplung zwischen
Sendespule und Empfängerspule gegeben ist. Diese magnetische Kopplung ist zwar absolut gesehen klein, die relative Änderung
der Kopplung der Spulen ist aber groß, weil in der oben angesprochenen ersten Lage des Modulationskörpers keine oder
nur eine sehr kleine Kopplung zwischen den Spulen bestand.
Die Erfindung macht davon Gebrauch, daß die Absolutgröße der magnetischen Kopplung zweier LC-Schwingkreise nur einen Einfluß
auf die Zeitspanne hat, welche benötigt wird, Schwin-
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1736.7 - 3"- 09.05.1985
gungsenergie vom einen Schwingkreis auf den anderen Schwingkreis zu übertragen, während die Amplitude der im angeregten
Schwingkreis aufgebauten Spannung von der Größe der magnetischen Kopplung unabhängig 1st. Beaufschlagt somit der
Speisekreis den Sende-Schwingungskreis mit Impulsen, deren Amplitude der Amplitude digitaler Signal entspricht, so erhält
man am Ausgang des Empfänger-Schwingkreises eine Schwingung vergleichbarer Amplitude, welche nach Gleichrichtung
direkt in üblichen digitalen Schaltkreisen verwendet werden kann. Da derartige digitale Schaltkreise eingangsseitig
von Hause aus ein gleichrichtendes Element enthalten, kann der Empfänger-Schwingkreis direkt an einen solchen
digitalen Schaltkreis angeschlossen werden; ein gesonderter Verstärker ist nicht notwendig. Sowohl hierdurch,
als durch die Tatsache, daß zum Anstoßen des Sende-Schwingkreises Impulse sehr kurzer Dauer ausreichen, läßt sich der
Energieverbrauch eines erfindungsgemäßen Fühlers sehr klein halten: In der Praxis läßt sich ein mittlerer Stromverbrauch
von 100 nA bis 1000 nA erreichen, wenn die Schaltung mit CMOS-Schaltkreisen realisiert wird. Dies bedeutet, daß man
einen erfindungsgemäßen Fühler mit handelsüblichen Langzeitbatterien mehr als 6 Jahre betreiben kann, also langer als
dem gesetzlichen Nacheichintervall für Durchflußmesser von Wärmeabrechnungsanlagen entspricht.
Bekannte Fühler, bei welchen die Bedämpfung eines induktiven
Oszillators durch eine an der Oszillatorspule vorbeibewegte leitende Metallfläche gemessen wird, haben einen
demgegenüber hohen Stromverbrauch von mindestens 100 uA.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Fühlers ist der, daß er praktisch temperaturunabhängig arbeitet, da etwaige
temperaturbedingte Einflüsse auf die Kopplung von Sendespule und Empfängerspule sehr viel kleiner sind als die Kopplungsänderung
durch den Modulationskörper.
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-J·
An dem erfindungsgemäßen Fühler ist ferner vorteilhaft, daß
keine abzugleichenden analogen Schaltkreise enthalten sind; die Signalverarbeitung erfolgt unter direktem Anschluß eines
digitalen Bausteines an den empfängerseitigen Schwingkreis* 5
Anders als bei Fühlern, bei welchen die Änderung der Indukti1-vität
einer Spule durch eine vorbeilaufende elektrisch leitende Fahne gemessen wird, ist der erfindungsgemäße Fühler
gegen externe magnetische Streufelder unempfindlich.
Da der Modulationskörper nur die magnetische Kopplung moduliert, nicht jedoch aus Permanentmagnet-Material besteht,, und da im
Fühler keine starken Magnetfelder verwendet werden, kann dieser auch bei Heizwasser-Durchflußmessern verwendet werden,
ohne daß im Durchflußmesser im Heizwasser enthaltene magnetische Verunreinigungen abgeschieden werden.
Da durch den ■ Kopplungs - Modulationskörper zusätzlich eine Verstimmung der Schwingkreise erfolgt, erhält man
so eine zusätzliche Diskriminatorwirkung, welche zur Modulation der magnetischen Kopplung zwischen Sendespule und Empfängerspule
hinzukommt.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteran-Sprüchen
angegeben.
Die Weiterbildungen der Erfindung gemäß den Ansprüchen 2 und 3 sind im Hinblick auf ein möglichst großes Maximum der magnetischen
Kopplung zwischen Sendespule und Empfängerspule von Vorteil.
Mit der Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 7 wird erreicht,
daß der Modulationskörper in Bewegungsrichtung gesehen eine homogene Masseverteilung aufweist.
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5 —
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- /ίθ·
Die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 8 ermöglicht es, die elektrisch leitende Schicht sehr dünn auszubilden,
trotzdem aber auch über lange Zeiten hinweg ihre elektrischen Eigenschaften konstant zu halten, da keine Korrosion stattfinden
kann.
Die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 9 ist im Hinblick auf eine möglichst große Änderung der magnetischen
Kopplung zwischen Sendespule und Empfängerspule beim Vorbeibewegen
des Modulationskörpers von Vorteil.
Mit der Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 15 ist es möglich, auch die Bewegungsrichtung des Modulationskörpers
zu bestimmen und unter Verwendung speziell ausgebildeter digitaler Filterkreise den Einfluß von Oszillationen des Modulationskörpers
auf das Meßergebnis auszuräumen.
Mit der Weiterbildung der Erfindung gemäß den Ansprüchen
17 und 18 ist es möglich, die Sendespule und die Empfängerspule normalerweise zu entkoppeln, z. B. durch verhältnismäßig
große räumliche Trennung. Durch den flächig ausgedehnten Modulationskörper kann in diesem Falle eine "Brücke"
zwischen Empfängerspule und Sendespule hergestellt werden. Hierbei ist bei einem Fühler gemäß Anspruch 18 vorteilhaft,
daß keine Aufmagnetisierung magnetischen Materiales notwendig
ist, somit der Energiebedarf klein ist.
Nachstehend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
In dieser zeigen:
Figur 1: einen axialen Schnitt durch einen Flügelrad-Durchflußmessef;
- 5a -
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-Μ-
Figur 2: eine Aufsicht auf den Durchflußmesser nach Figur
1, wobei einige Teile weggebrochen sind;
Figur 3: ein Blockschaltbild des auf die Bewegung des FlU-gelrades
ansprechenden Fühlers des Durchflußmes
sers nach Figur 1;
Figur 4: eine grafische Darstellung/ in welcher die Induktivität der Empfängerspule und die magnetische
IQ Kopplung zwischen Sendespule und Empfängerspule
des Durchflußmessers nach den Figuren 1 bis 3 in Abhängigkeit vom Drehwinkel des Flügelrades gezeigt
ist; und
Figur 5: eine schematische Aufsicht auf einen abgewandelten Durchflußmesser, in welcher nur die Sendespule, die
Empfängerspule und eine Koppelspule schematisch wiedergegeben sind.
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Der in den Figuren 1 und 2 wiedergegebene Durchflußmesser hat ein Gehäuse 10 mit einem Einlaßstutzen 12 und einem Auslaßstutzen
14. Diese münden beide außermittig in eine Meßkammer 16 ein, in welcher ein Flügelrad 18 läuft. Letzteres
ist im Boden des Gehäuses 10 und einem Meßkammerdeckel 20 gelagert. Letzterer ist strömungsmitteldicht in das Gehäuse
10 eingesetzt, z.B. eingeklebt oder eingeschweißt.
Der Meßkammerdeckel 20 trägt auf seiner Oberseite eine Sendespule 22, welche der Drehachse des Flügelrades 18 benachbart
auf der in Figur 2 obenliegenden Hälfte des Meßkammerdeckels 20 so ausgerichtet angebracht ist, daß ihre Symmetrieebene
die Flügelrad-Drehachse schneidet.
zu beiden Seiten der Sendespule 22 sind eine erste Empfängerspule
24 bzw. eine zweite Empfängerspule 26 angeordnet, wobei
deren Mittelebene parallel zum Meßkammerdeckel 20 verläuft
und deren Spulenachsen mit der Spulenachse der Sendespule
eine gemeinsame Ebene aufspannen.
Die Sendespule 22 und die Empfängerspulen 24 und 26 haben gleichen geometrischen und elektrischen Aufbau. Auf einen
Wickelkern sind Wicklungen aus Kupferdraht rechteckig aufgewickelt. Die Spulen haben eine verglichen mit den Querschnittsabmessungen
kleine axiale Abmessung.
Wie aus der Zeichnung ersichtlich, sind die Spulen dicht nebeneinander angeordnet, wobei zusätzlich darauf geachtet
ist, daß die Radiusstrahlen von der Flügelrad-Drehachse zu den Mittelpunkten der Empfängerspulen 24, 26 einen Winkel
von 90° einschließen.
Da die Achsen der Empfängerspulen 24, 26 senkrecht auf der Achse der Sendespule 22 stehen, ist die magnetische Kopplung
zwischen der Sendespule und den Empfängerspulen im Nahfeld groß.
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Das Flügelrad 18 hat ein scheibenförmiges Stirnteil 28, welches
auf der Oberseite zur Hälfte mit einer dünnen Kupferschicht bedeckt ist, deren Dicke in der Zeichnung übertrieben
wiedergegeben ist. In der Praxis kann die Kupferschicht 30 durch Ätzen eines ursprünglich die ganze Oberseite des
Stirnteiles 28 bedeckenden Kupferfilmes hergestellt werden, wie bei der Herstellung von Leiterplatten an sich üblich.
Die Kupferschicht 30 ist durch einen dünnen, in der Zeichnung nicht näher wiedergegebenen Schutzfilm vollständig abgedeckt.
Eine becherförmige Abschirmung 32 ist in Figur 1 von oben über die durch die Sendespule 22 und die Empfängerspulen 24,
26 gebildete Spulenanordnung gestülpt und sitzt mit ihrem freien unteren Rand in einer Nut, welche durch eine Schulter
des Meßkammerdeckels 20 und eine zylindrische Umfangswand
des Gehäuses 10 begrenzt ist. Ein durchsichtiger Deckel 36 schließt die Umfangswand 34 ab.
Der Meßkammerdeckel 20 trägt ferner eine Elektronikeinheit 38, mit welcher die Sendespule 22 über ein Kabel 40, die
Empfängerspulen 24, 26 über weitere Kabel 42 und 44 verbunden sind. Die Elektronikeinheit 38 enthält neben einer Langzeitbatterie
und später unter Bezugnahme auf Figur 3 noch näher zu erläuternden Schaltkreisen eine LCD-Segmentanzeige
46, welche durch ein Fenster 48 in der Abschirmung 32 und durch den Deckel 36 abgelesen werden kann.
Strömt bei eingebautem Durchflußmesser Wasser vom Einlaßstutzen 12 zum Auslaßstutzen 14, so wird durch dieses Wasser
das Flügelrad 18 mitgenommen, üblicherweise erhält man
für einen Durchsatz von 1 Liter 30 Umdrehungen des Flügelrades 18.
1736.7 - J5 - 09.05.1985
'4k·
Bei den Drehungen des Flügelrades 18 wird die halbkreisförmige Kupferschicht 30 entsprechend mitgenommen. Bezeichnet
man den Drehwinkel der Kupferschicht 30 mit w, wobei dieser Winkel dann 0 sein soll, wenn der die Kupferschicht begrenzende
Durchmesser mit der Achse der Stutzen 12, 14 zusammenfällt und die Kupferschicht 30 in Figur 2 unterhalb dieser
zusammenfallenden Achsen liegt, so erreicht die Kupferschicht 30 nach einer Drehung von 90° die in Figur 2 wiedergegebene
Stellung, in welcher sie die Unterseite der ersten Empfängerspule 24 überdeckt. Nach Drehung um weitere 90° überdeckt
die Kupferschicht 30 sowohl die Unterseite der Empfängerspule 24 als auch die Unterseite der Empfängerspule 26.
Nach einer Gesamtdrehung von 270° liegt die Kupferschicht 30 nur noch unter der zweiten Empfängerspule 26, und nach
weiterer Drehung um 90° liegt unter keiner der Empfängerspulen 24, 26 mehr elektrisch leitendes Material.
Die Gegenwart elektrisch leitenden Materiales in unmittelbarer
Nähe einer Spule hat bei Beaufschlagung derselben mit einem Wechselspannungssignal die Folge, daß zur Induktivität
der betrachteten Spule zusätzlich eine Kurzschlußwindung parallel
geschaltet ist. Durch die Drehung des Flügelrades 18 erhält man somit eine Modulation der Induktivität der beiden
Empfängerspulen 24, 26, welche für die Empfängerspule 24 in Figur 4 schematisch durch die Kurve 50 veranschaulicht ist.
Man erkennt, daß die prozentuale Änderung der Induktivität L bzw. der Modulationsgrad verhältnismäßig klein ist.
In Figur 4 ist ferner die Änderung der magnetischen Kopplung K zwischen der Sendespule 22 und der Empfängerspule 24 in
Abhängigkeit vom Drehwinkel des Flügelrades 18 aufgetragen. Man erkennt, daß die magnetische Kopplung K aufgrund der gewählten
Ausrichtung der Spulenachsen ein .·. · großes Maximum hat. Beim Vorbeilaufen der Kupferschicht 30 an der Spulenanordnung
wird das von der Sendespule 30 bei Beaufschlagung
1736.7 - ψ - 09.05.1985
mit einem Wechselsignal erzeugte Wechserfeld kurzgeschlossen,
und damit erreicht kein Magnetfluß die Empfängerspule
24 mehr. Anders gesagt :. Die· magnetische Kopplung zwischen Sendespule 22 und Empfängerspule 24 verschwindet.
Man hat somit eine große prozentuale Änderung der magnetischen Kopplung zwischen Sendespule 22 und Empfängerspule
Die grafischen Darstellungen von Figur 4 gelten sinngemäß für die Empfängerspule 26, wobei die Winkelwerte w jeweils
um 90° zu erhöhen sind.
Wie aus Figur 3 ersichtlich, sind die Sendespule 22 und die
Empfänger spulen 24 und 26 mit ihrer einen Anschlußklemme je**
weils an eine Masseleitung 54 angeschlossen. Die zweite Klemme der Sendespule 22 ist über einen Kondensator 56 an
die Ausgangsklemme eines schaltbaren Versorgungskreises 58 angeschlossen, dessen Steuerklemme mit der Ausgangsklemme
eines Taktgebers 60 in Verbindung steht.
Der Taktgeber 60 erzeugt einzelne Impulse, deren Länge gleich einem Viertel der Periode desjenigen Schwingungskreises ist,
welcher durch die Sendespule 22 und den Kondensator 56 ge~ bildet ist.
Die Impulsfolgefrequenz des Taktgebers 60 ist so eingestellt,
daß sie größer oder gleich dem Vierfachen aer/Drenzahl des
Flügelrades 18 ist. In der Praxis beträgt die Arbeitsfrequenz des Taktgebers 60 300 Hz, so daß der Durchflußmesser
einen Durchsatz von 2 1/sek haben kann.
Durch jeden vom Taktgeber 60 abgegebenen Impuls werden im durch die Sendespule 22 und den Kondensator 56 gebildeten
LC-Kreis Schwingungen angestoßen, welche zu einem entsprechenden magnetischen Wechselfeld führen. Die Induktivität
der Sendespule 22 und die Kapazität des Kondensators 56
- 10 -
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sind typischerweise so gewählt, daß man eine Eigenfrequenz des Schwingkreises von 1 bis 2 MHz erhält. Die Breite
der vom Taktgeber 60 abgegebenen Impulse kann dann größenordnungsmäßig 200 ns betragen, wobei die Stromstärke auf
20 bis 50 mA eingestellt wird.
Ist die Kopplung zwischen der Sendespule 22 und den Empfängerspulen
24 und 26 "klein" so klingt das durch einen Impuls des Taktgebers 60 herbeigeführte magnetische Wechselfeld ab,
ohne daß in den Empfängerspulen eine nennenswerte Spannung aufgebaut wird. Ist dagegen die magnetische Kopplung zwischen
Sendespule und Empfängerspule "groß" (Winkelbereich zwischen
270° und 30° von Figur 4), so wird die Schwingungsenergie vom sendeseitigen Schwingkreis 22, 56 auf einen auf gleiche
Frequenz eingestellten empfängerseitigen Schwingkreis übertragen, welcher jeweils durch eine Empfängerspule und einen
hierzu parallel geschalteten Kondensator gebildet ist. Die entsprechenden Kondensatoren für die erste bzw. zweite Empfängerspule
sind in der Zeichnung mit 62 bzw. 64 bezeichnet.
Diese übertragung der Schwingungsenergie findet auch bei
kleinem Absolutwert der magnetischen Kopplung zwischen Sendespule und Empfängerspule statt. Typischerweise wird eine
vollständige übertragung der Schwingungsenergie innerhalb einer Zeitspanne von ca. 100 Periodendauern (etwa 100 Mikrosekunden)
erhalten, wenn man von einer typischen Güte von 100 für den empfängerseiten Schwingkreis und den sendeseitigen
Schwingkreis ausgeht.
Dank der oben beschriebenen speziellen Geberausbildung erhält man bei Vorliegen einer "großen" Kopplung zwischen Sendespule
und Empfängerspule im empfängerseitigen Schwingkreis unmittelbar Signale, deren Pegel den Pegeln logischer Signale zum
Ansteuern digitaler Schaltelemente vergleichbar ist. Eine zusätzliche Verstärkung dieser Signale ist somit nicht notwendig
.
11 -
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• Al·-
Der Ausgang des durch die erste Empfängerspule 24 und des
Kondensators 62 gebildeten ersten empf anger se itigen Schwingkreises
ist mit dem Setz-Eingang eines Flip-Flops 66 verbunden. Da handelsübliche Flip-Flops 66 eingangsseitig
ein gleichrichtenden Kreis enthalten, wird die Wechselspannung am Ausgang des Schwingungskreises automatisch in
ein Gleichspannungssignal entsprechender Amplitude umgesetzt/ so daß man am Ausgang des Flip-Flops 66 dann ein Signal er**
hält, wenn sich das Flügelrad 18 um zwischen 270°und 360° ge-
dreht hat. Ähnlich erhält man am Ausgang eines Flip-Flops
68, welches an den Ausgang des durch die zweite Empfängerspule 26 und des Kondensators 64 gebildeten zweiten empfangerseitigen
Schwingkreises angeschlossen ist, dann ein Signal, wenn sich das Flügelrad 18 um 0° bis 90° gedreht hat. Die Rück- ·
stellung der Flip-Flops erfolgt durch den Taktgeber 60.
Betrachtet man die Ausgangssignale der beiden Flip-Flops
66, 68 als zweistellige binäre Zahl, so erhält man die nachstehende Stellungskodierung für das Flügelrad 18:
20
| Drehwinkel | S | tel |
| 90° | Il | 01" |
| 180° | π | 00" |
| 270° | II. | 10" |
| 360° | Il | 11" |
Die Ausgänge der beiden Flip-Flops 66, 68 sind mit den bej>
den Eingängen eines digitalen Rechenkreises 70 verbunden, welcher dazu dient, Signalkomponenten zu eliminieren, die
auf Oszillationen des Flügelrades 18 zurückzuführen sind, die an den Ausgängen der Flip-Flops 66, 6 8 erhaltenen Impulsfolgen
zur Anpassung des Meßbereiches des Durchflußmessers herunterzuteilen oder andere Signalverarbeitungen
durchzuführen, für welche bei herkömmlichen Durchflußzählern
12 -
1736.7 - /2- - 09.05.1985
mechanische Abgleicharbeiten durchgeführt werden müssen.
Der Rechenkreis 70 arbeitet getaktet durch das Ausgangssignal des Taktgebers 60 und gibt - grob gesprochen für
jede Änderung des oben angesprochenen Stellungs-Codes oder für eine vorgegebene Anzahl solcher Änderungen am
Ausgang einen Zählimpuls ab, soweit nicht festgestellt wird, daß diese Änderungen Oszillationen entsprechen.
Zur letzgenannten Überprüfung enthält der Rechenkreis 70 Speicher für eine vorgegebene Anzahl zuvor erhaltener
Stellungs-Codes.
Der Ausgang des Rechenkreises 70 ist mit der Zählklemme Z eines digitalen Zählers 72 verbunden, dessen Stand somit
der insgesamt durch den Durchflußmesser hindurchgeflossenen Wassermenge entspricht. Durch den Zähler 72 wird die Segmentanzeige
46 angesteuert.
in Figur 3 sind die winkelabhängigen Kopplungsfaktoren zwischen
der Sendespule 22 und den Empfängerspulen 24 und durch Pfeile angedeutet.
Bei einem praktischen Ausführungsbeispiel ist das Gehäuse aus faserverstärktem Kunststoff gespritzt. Das Gehäuse
kann stattdessen auch in üblicher Weise aus Messing hergestellt sein. Nur der Meßkammerdeckel 20 muß in jedem Falle
aus elektrisch nicht leitendem Material bestehen.
Die Sendespule 22 und die Empfängerspulen 24 und 26 haben
bei einem Durchmesser der Meßkammer 16 von etwa 90mm in Aufsicht gesehen einen Querschnitt von 10 χ 15 mm und eine
axiale Bauhöhe von 3 mm. Jede der Spulen enthält 85 Windungen eines Kupferdrahtes von 0,1 mm Durchmesser.
35
- 13 -
1736.7 - i/- 09.05.1985
Wichtig ist, daß die Spulen gleiche Geometrie und Windungszahl haben und auch die zugeordneten Kondensatoren (im Rahmen
der Güte) gleich sind. Temperaturbedingte Änderungen von Induktivität und Kapazität sind bei dem oben beschriebenen
Durchflußmesser ohne Bedeutung, da es nicht auf die Absolutwerte der Eigenfrequenzen der Schwingkreise sondern nur auf
deren Gleichheit ankommt.
Figur 5 zeigt schematisch die wichtigsten elektromechanischen Teile eines abgewandelten Durchflußmessers. Die Sendespule
22 und zwei symetrisch zu ihr angeordnete Empfängerspulen 24 und 26 sind wieder von einem nicht näher gezeigtem fest*
stehenden Gehäuseteil getragen, während auf dem Stirnteil 28 eine im esentlichen halbkreisförmige, flächig ausgedehnte
Koppelspule 74 angebracht ist. Die Enden des die Koppelspule 74 bildenden elektrischen Leiters sind mit den
Klemmen eines Speicher Kondensators 76 verbunden, so daß die Koppelspule 74 und der Speichetkondensator 76 zusammen
einen Schwingkreis bilden.
Wie aus Figur 5 ersichtlich, sind die Empfängerspulen 24,
26 auf Radius strahlen angeordnet, welche mit dem zur Sende·" spule 22 führenden Radiusstrahl einen Winkel von 90° einschließen.
Aufgrund dieser Spulengeometrie ist die magnetisehe Kopplung zwischen der Sendespule und den Empfängerspulen
klein. Bei einer Stellung der Koppelspule 74 , welche zusammen mit dem Flügelrad des Durchflußmessers umläuft, wie öie
in Figur 5 wiedergegeben ist, besteht dagegen sowohl eine gute magnetische Kopplung zwischen Sendespule 22. und Koppelspule
74 einerseits als auch zwischen der Koppelspule 74 und der Empfängerspule 26 andererseits. Der Wert des
Speicherkondensators 76 ist so gewählt, daß der durch Kop^
pelspule 74 und Speicherkondensator 76 gebildete Schwing*
kreis die selbe Eigenfrequenz hat wie der durch die Sendespule 22 und den Kondensator 56 gebildete Schwingkreis
- 14 -
1736.7' - V*" - 09.05.1985
und die durch die Empfängerspulen 24, 26 und die Kondensatoren 62, 64 gebildeten Schwingkreise. Damit wird die
vom Versorgungskreis 58 in den Sende-Schwingkreis eingespeiste Energie zunächst auf den durch die Koppelspule
74 und den Speicherkondensator 76 Koppel-Schwingkreis übertragen und gelangt von dort auf die gleich abgestimmten
Empfänger-Schwingkreise, wenn man eine geometrische Überlappung zwischen Sendespule, Koppelspule und Empfängerspule
hat, wie sie in Figur 5 wiedergegeben ist. Liegen derartige geometrische Bedingungen bei einer anderen Winkelstellung
des Flügelrades des Durchflußmessers nicht vor, so wird am Ausgang der Empfänger-Schwingkreise kein Signal erhalten.
In Abwandlung des Ausführungsbeispieles nach Figur 5 kann man anstelle des Koppel-Schwingkreises auch eine geschlossene
Koppelspule verwenden, also den Kondensator 76 durch eine Kurzschlußstrecke ersetzen.
Claims (18)
1736.7 09.05.1985
Patentansprüche
n.JFühler zum Umsetzen einer mechanischen Eingangsgröße in
eine elektrische Ausgangsgröße, insbesondere zur Verwendung an einem Flügelrad-Durchflußmesser, mit einer stationären
Sendespule und einer stationären Empfängerspule, mit einem Speisekreis zum Beaufschlagen der Sendespule
mit kurzen Impulsen, mit einem den Magnetfluß von der Sendespule zur Empfängerspule modifizierenden Modulationskörper,
welcher mit dem mechanischen Fühlereingangsglied gekoppelt ist, und mit einer mit dem Ausgangssignal der
Empfängerspule beaufschlagten Auswerteschaltung, dadurch
gekennzeichnet, daß die Sendespule (22) zusammen mit einem zu ihr in Reihe geschalteten Kondensator (56) über die
Klemmen des Impulse mit digitalen Signalen entsprechendem Pegel bereitstellenden Speisekreiseö (58) geschaltet ist;
daß über die Klemmen der Empfängerspule (24) ein zweiter Kondensator (62) geschaltet ist, wobei die Induktivitäten Sf
und Kapazitäten insgesamt so gewählt sind, daß der die ^ Sendespule (22) enthaltende Schwingkreis (22, 56) und der
die Empfängerspule (24) enthaltende Schwingkreis (24, 62) gleiche Eigenfrequenz haben; und daß die Sendespule (22),
die Empfängerspule (24) und der Modulationskörper (30) räumlich so ausgerichtet sind, daß entweder dann, wenn
der Modulationskörper (30) beiden Spulen (22, 24) gegenübersteht, oder dann, wenn der Modulationskörper (30) von
beiden Spulen (22, 24) entfernt ist, die magnetische Kopplung zwischen den beiden Spulen (22, 24) im wesentlichen
Null ist.
2. Fühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Achsen von Sendespule (22) und Empfängerspule (24) einen rechten Winkel einschließen.
3. Fühler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die
ORIGINAL INSPSCTfÖ 2
. 1736.7 " 2 - 09.05.1985
Achse der Sendespule (22) vom Mittelpunkt der Empfängerspule
(24)beabstandet ist.
4. Fühler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die durch die Spulen (22, 24) und zugeordnete· Kondensatoren (56, 62) gebildeten Schwingkreise
eine Güte von größenordnungsmäßig 100 aufweisen.
5. Fühler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß die Sendespule (22) und die Empfängerspule
(24) Wicklungen mit verglichen mit dem Spulenquerschnitt kleiner axialer Abmessung sind.
6. Fühler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die Achse der Empfängerspule (24) senkrecht auf der Bewegungsebene des Modulationskörpers (30) steht.
7. Fühler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
daß der Modulationskörper (30) eine Schicht aus elektrisch leitendem Material ist, welche auf einem elektrisch
isolierendem Grundkörper (28) angeordnet ist.
8. Fühler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitende Schicht (30) dünn ist und durch einen
nicht leitenden Schutzschicht abgedeckt ist.
9. Fühler nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet,
daß die Sendespule (22) und die Empfängerspule (24) einander nahe benachbart sind und der Modulationskörper
(30) beide Spulen gleichzeitig überdecken kann.
10. Fühler nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet,
daß die Sendespule (22) und die Empfängerspule (24) rechteckige Wicklungen sind.
35
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3 -
1736.7 - 3 - 09.05.1985
11. Fühler nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet,
daß das Ausgangssignal des empfangerseitigen
Schwingkreises (24, 62) direkt auf den Eingang eines digitalen Schaltelementes (66) gegeben wird, dessen Ausgangssignal
bei der Herstellung von Zählimpulsen für einen digitalen Zähler (72) verwendet wird.
12. Fühler nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet,
daß der Speisekreis (58) Stromimpulse abgibt, deren Länge einem Bruchteil, vorzugsweise einem Viertel
der Periode des die Sendespule (22) enthaltenden sendeseitigen Schwingkreises (22, 56) entspricht.
13. Fühler nach einem der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet
durch eine Abschirmung (32), welche die von der Bewegungsebene des Modulationskörpers (30) abliegende Seite der
Spulenanordnung (22 - 26) umschließt.
14. Fühler nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekenrt4- \
zeichnet, daß der Modulationskörper (30) um eine raumfeste Achse umläuft und die Form eines zur Drehachse
konzentrischen Kreissektors hat, und daß die Sendespule (22) in einer die Drehachse enthaltenden Ebene von der
Drehachse entfernt angeordnet ist und die Empfängerspule
(24) entsprechend auf einer Sekanten der durch die Bahn des Modulationskörpers (30) vorgegebenen Kreisfläche
liegt.
15. Fühler nach einem der Ansprüche 1 bis 14, gekennzeichnet durch eine zur Empfängerspule (24) bezüglich der Mittelebene
der Sendespule (22) symmetrisch angeordnete HilfsEmpfänger
spule (26) und einen über diese geschalteten Kondensator (64) und durch eine mit den AusgangsSignalen
beider Empfänger-Schwingkreise (24, 62; 26, 64) beaufschlagte Rechenschaltung (70) zur Ermittlung der Bewe-
1736.7 '. - 4 - 09.05.1985
gungsrichtung des Modulationskörpers (30) und/oder zur Ausmittelung von Oszillationen des Modulationskörpers
(30) und/oder zur Skalierung des Fühler-Ausgangssignales.
16. Fühler nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die
Hilfs-Empfängerspule (26) gleich ausgebildet ist wie die
Empfängerspule (24) und der über sie geschaltete Kondensator (64) dem über die Empfängerspule (24) geschalteten
Kondensator (62) entspricht.
10
10
17. Fühler nach einem der Ansprüche 1 bis 6 oder 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendespule (22) und die
Empfängerspule (24) normalerweise magnetisch entkoppelt sind und der Modulationskörper durch eine flächig ausgedehnte
Schicht aus magnetisierbarem Material gebildet ist,
welche einen magnetischen Pfad zwischen Sendespule (22) und Empfängerspule (24) schließen kann.
18. Fühler nach einem der Ansprüche 1 bis 6 oder 9 bis 16,
dadurch gekennzeichnet, daß die Sendespule (22) und die Empfängerspule (24) normalerweise magnetisch entkoppelt
sind und der Modulationskörper eine flächenhafte Koppelspule ( 74 ) aufweist, deren Querschnittsfläche so bemessen
ist, daß sie eine indirekte Kopplung zwischen Sendespule (22) und Empfängerspule (24) herbeiführen kann, und
daß die Klemmen der Koppelspule ( 74 ) mit einem Speicher-Kondensator ( 76 ) verbunden sind.
30
35
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| DE3519215C2 DE3519215C2 (de) | 1989-06-15 |
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ID=25831305
Family Applications (1)
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