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Die
Erfindung bezieht sich auf einen Schwingstrahlzähler zur Messung der Durchflussmenge
von Flüssigkeiten,
mit einem Strömungsführungskanal,
der sich von einem Einströmkanal
in Richtung auf einen mittig in der Kanalachse angeordneten Prallkörper erweitert
und sich nach diesem in Richtung auf den Ausströmkanal wieder verengt, sowie
mit Sensorelementen zur Erfassung der Schwingungsfrequenz eines
durch eine Einströmdüse erzeugten,
den Strömungsführungskanal
frei durchsetzenden Freistrahls, wobei die Sensorelemente Elektroden
umfassen, die nach dem Prinzip der magnetisch induktiven Durchflussmessung
elektrische Spannungen in der bewegten Flüssigkeit, die durch ein Magnetfeld
induziert werden, erfassen.
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Schwingstrahldurchflussmesser
bzw. Fluidistoren, benötigen
zur Detektion, das heißt
zur Wandlung der Mediumsoszillation in ein elektrisches Signal,
mindestens einen sogenannten Sekundärsensor. Meist werden hierzu
elektrische Differenzdrucksensoren (
EP 0391954 B1 ) vorgeschlagen oder eingesetzt,
die sowohl für
Gas- als auch für
Flüssigkeitsströmungen nutzbar
sind.
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Andere
Prinzipien nutzen die Tatsache, dass durch die Mediumsoszillation
induktiv detektierbare Festkörper
zu erzwungenen Schwingungen angeregt werden können, wie dies beispielsweise
in der
US 4827777 vorgeschlagen
wird.
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Darüber hinaus
ist auch bereits ein Schwingstrahlzähler der eingangs beschriebenen
Art vorgeschlagen worden, bei der der Sekundärsensor auf der Idee beruht,
die Strömung
leitfähiger
Flüssikeiten
in Teilbereichen des Messraums unter Nutzung des Faradayschen Prinzips
zu messen (WO97/22854 und
EP
0 381 344 A2 ). Im Vergleich zu den bekannten Drucksensoren
hat dieses Sekundärsensorenprinzip
unter Ausnutzung der magnetisch induktiven Durchflussmessung den
Vorteil, dass die im Wasserleitungsnetz immer vorhandenen Druckschwankungen
nicht das Nutzsignal überlagern,
was gegebenenfalls zu Fehlinterpretationen führen kann. Der Nachteil dieses
sogenannten magnetisch induktiven Sekundärsensors beruht auf der räumlichen Größe des zur
Erzeugung der Induktionsspannung nöti gen Magnetfeldes. Hierzu
werden große
hochwertige und dementsprechend teuere Selten-Erde-Magnete verwendet,
die in dem großen
Messraum ein starkes Magnetfeld bereitstellen müssen, welches die Erzeugung
der induzierten Spannung voraussetzt.
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Dabei
gilt diese Beschränkung
im Hinblick auf die Größe des Messfeldes
auch dann, wenn, wie bei den beiden vorstehend angesprochenen Schwingstrahlzählern der
eingangs genannten Art, außer
dem Messraum mit dem schwingenden Freistrahl noch Rückkopplungsleitungen
vorhanden sind, die vom Ende des Strömungsführungskanals im Bereich des
Ausströmkanals
wieder zum Beginn des Strömungsführungskanals
mit der Einströmdüse für den Freistrahl
zurückführen. Auch
in diesem Bereich sind die Abmessungen der Kanäle so groß, dass erhebliche Schwierigkeiten
bestehen, ein genügend großes Magnetfeld
mithilfe von Permanentmagneten zu erzeugen, um nennenswert große induzierte Spannungen
auskoppeln zu können.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Schwingstrahlzähler der
eingangs genannten Art so auszugestalten, dass bei sehr einfachem
Aufbau höhere
Magnetfelder im Messbereich erzeugt und damit bessere Messergebnisse
erzielt werden können.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen,
dass aus dem Strömungsführungskanal
ein Teilstrahl des Freistrahls in eine mit ihrem Einlass im Schwingungsbereich
des Freistrahls liegende, dünne
Bypass-Leitung ausgekoppelt wird, in der eine magnetisch induktive
Durchflussmessung des darin geführten
pulsierenden Teilstrahls stattfindet.
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Der
entscheidende Unterschied der erfindungsgemäßen Ausbildung eines Schwingstrahlzählers zum
Stand der Technik, wie er beispielsweise in der WO 97/22854 oder
der
EP 0 381 344 A2 beschrieben
wird, liegt in der deutlich kleineren Baugröße mit den daraus resultierenden
Vorteilen für
den Einsatz in einem Wasser- bzw. Wärmezähler nach dem Fluidistor-Prinzip.
Durch die Auskopplung eines pulsierenden Teilstroms aus der eigentlichen
Messkammer in einen sepa raten, sehr klein dimensionierten Strömungskanal
kommt man im Idealfall mit einem aus nur einem Magneten bestehenden
Magnetsystem aus, bei gleichzeitig sehr hohen Feldstärken im
durchströmten
Kanalstück.
Vorteilhafterweise wird man aber beidseits der Bypass-Leitung Magnete
anordnen, die bevorzugt noch dazu durch ein Joch miteinander verbunden
sein können.
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Entsprechend
der gleiche Unterschied besteht auch zwischen der vorliegenden Erfindung
und dem Schwingstrahlzähler
nach der
US 5,363,704 . Dort
ist der Prallkörper
so groß und
mit einem V-förmigen
der Einströmdüse gegenüber liegenden
Ausschnitt ausgestaltet, dass der Freistrahl sich nur in diesem
V-förmigen
Abschnitt bewegt, wobei er in erster Linie durch Verbindungsleitungen
zur Außenseite hin
geführt
ist. Diese Verbindungsleitungen entsprechen aber nicht den dünnen Bypass-Leitungen
der vorliegenden Erfindung, da ja durch diese bei der
US 5,363,704 praktisch der gesamte
Freistrahl geführt wird
und nicht nur ein geringfügiger
Teilstrahl.
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Die
Bypass-Leitung kann dabei vom sich wieder verjüngenden Teil des Strömungsführungskanals
zum Ausströmkanal
außerhalb
des Strömungsführungsgehäuses geführt sein,
wodurch sich eine sehr einfache Möglichkeit ergibt, die außen freiliegende
Bypass-Leitung mit den notwendigen Magneten und Elektroden für die magnetisch
induktive Durchflussmessung zu bestücken.
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Mit
ganz besonderem Vorteil kann aber auch vorgesehen sein, dass die
Bypass-Leitung den
Prallkörper
schräg
durchsetzt, vorzugsweise ausgehend von einem Punkt in der Nähe der Ecke
der Schwingstrahlauftreffseite, wobei die Magnetanordnung der Bypass-Leitung
unmittelbar benachbart in den Prallkörper eingebettet ist. Bei dieser
Ausführungsform
zeigt es sich wieder besonders deutlich, wie durch die erfindungsgemäße Auskopplung
eines pulsierenden Teilstroms mithilfe einer sehr dünnen Bypass-Leitung
auch bei dieser Ausbildungsvariante der Magnet sehr nahe an die
dünne Bypass-Leitung herangeführt werden
kann, sodass mit relativ kleinen Magneten große Magnetfelder im Messfeld
erzeugt werden können,
was bei den vorbekannten Anordnungen mit derartigen magnetisch induktiven
Durchflussmess-Sensoren gerade nicht der Fall war.
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Die
erfindungsgemäße Ausbildung
eines Schwingstrahlzählers
lässt sich
auch dann anwenden, wenn der Strömungsführungskanal
einschließlich
des Einströmkanals
und des Ausströmkanals
zur Quermittelebene durch den Prallkörper, ebenso wie dieser symmetrisch
ausgestaltet ist, sodass mithilfe eines solchen Schwingstrahlzählers Strömungen in beiden
Richtungen gemessen werden können.
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Bei
einer Ausbildung des Schwingstrahlzählers mit im Prallkörper angeordneter
Bypass-Leitung und symmetrischer Ausbildung für eine Vorwärts- und Rückwärtsmessung sollen die beiden
Bypass-Leitungen im Prallkörper
bevorzugt parallel zueinander verlaufen.
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Die
Elektroden zur Erfassung der Magnet-induzierten Spannung in der
bewegten Flüssigkeit
in der Bypass-Leitung können
durch quer zu den Bypass-Leitungen angeordnete, jeweils die Wand
der Leitungen anschneidende Drähte
gebildet sein, wobei bei der symmetrischen Anordnung für beide Durchflussrichtungen
bevorzugt drei Drähte
vorgesehen sind, wobei der mittlere beide Bypass-Leitungen anschneidet
und somit als Masse- oder Erdungsdraht für die Spannungsmessungen in
beiden Bypass-Leitungen dient.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels sowie anhand
der Zeichnung, wobei jede Figur zwei Bilder ein und desgleichen
Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Schwingstrahlzählers in
unterschiedlichen Phasen des bewegten Schwingstrahls zeigt. Im Einzelnen
zeigen:
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1 einen Schwingstrahlzähler mit
einer außerhalb
des Strömungsführungsgehäuses geführten Bypass-Leitung,
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2 ein Ausführungsbeispiel
eines Schwingstrahlzählers,
bei dem die Bypass-Leitung den Prallkörper schräg durchsetzt,
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3a einen Schwingstrahlzähler mit
zwei zueinander parallelen Bypass-Leitungen, wobei die Strömungsführung von
oben nach unten erfolgt,
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3b den in 3a gezeigten Schwingstrahlzähler bei
Strömungsführung von
unten nach oben und
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4 eine aufgebrochene perspektivische Darstellung
des Prallkörpers
des Schwingkörpers, wie
er in den 3a und 3b verwendet wird, wobei im
Einzelnen eine verbesserte Anordnung und Ausbildung der Elektroden
gezeigt ist.
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Die
Funktion und der Aufbau der in den Figuren gezeigten Varianten eines
erfindungsgemäß Schwingstrahlzählers ist
grundsätzlich
gleich. Durch den Einströmkanal 1 fließt Wasser
unter Ausbildung eines Freistrahls in den Strömungsführungskanal 3 und
verlässt über den
Ausströmkanal 4 bzw. 1' den Messeinsatz
des Schwingstrahlmessers. Der Prallkörper 2 bildet zusammen
mit dem Messraum 3 eine Geometrie, die den Freistrahl zu
einer dem Durchfluss proportionalen Schwingung anregt, sodass die Hauptströmung im
Wechsel beidseitig den Fluidistor durchströmt. Die gestrichelten Linien
zeigen die Hauptströmungslinien
jeweils bei maximaler Strahlauslenkung getrennt für beide
Seiten.
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Die
vorliegende Erfindung befasst sich ausschließlich mit der Messung der Frequenz
der Freistrahlschwingung durch einen magnetisch induktiven Sensor,
der aus der Pulsation einer Wassersäule eine elektrische Spannung
generiert.
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Zu
diesem Zweck wird an einer geeigneten Stelle im Gehäuse des
Fluidistors ( 1) oder
im jeweiligen Prallkörper 2 (2-4) ein Strömungskanal 5, oder 5a, 5b,
so integriert, dass durch die Druck- bzw. Strömungsverhältnisse im Messraum eine im Rhythmus
der Freistrahlschwingung pulsierende Strömung erzeugt wird. Im Idealfall
wechselt die Strömungsgeschwindigkeit
im Mikrokanal zwischen einer maximalen Strömungsgeschwindigkeit, die der
des Freistrahls entspricht und der Strömungsgeschwindigkeit Null,
bzw. sogar einer Rückströmung, wenn der
Freistrahl auf der entgegengesetzten Seite den Messraum durchströmt. Da nur
ein sehr geringer Anteil der Hauptströmung ausgekoppelt wird, bleibt
die Funktion ebenso wie die Kennlinie des Fluidistors weitgehend
unbeeinflusst.
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Orthogonal
zur Strömungsrichtung
des Wassers im Mikrokanal befinden sich zwei Elektroden 7 aus
einem leitfähigen,
korrosionsbeständigen
Material (VA, Platin, Gold usw.), die das in der Strömung induzierte
elektrische Feld an eine äußere elektronische
Verstärkerschaltung
ankoppeln. Voraussetzung für
diese Art der Detektion ist, dass ein zur Strömungsrichtung des Wassers und
der Elektrodenstrecke senkrecht stehendes möglichst homogenes Magnetfeld
den Strömungskanal
durchsetzt. Gebildet wird dieses Magnetfeld durch die Integration
mindestens eines Permanentmagneten 6 neben dem Strömungskanal.
Durch die Verwendung zweier hochwertiger Seiten-Erde-Magnete 6,
die falls möglich noch
durch ein Eisenjoch 8 miteinander verbunden werden, erzielt
man im Strömungskanal
Feldstärken bis
zu 1 Tesla, wodurch je nach Durchfluss eine modulierte Gleichspannung
induziert wird, deren maximaler Signalhub bis zu 10 mV erreicht.
Bei sehr kleinen Durchflüssen,
das heißt
in einem Frequenzbereich kleiner 1 Hz und den dann auch minimalen Spannungsamplituden
im 2-stelligen Mikrovoltbereich muss ein hochohmiger, rauscharmer
Differenzverstärker
mit einer sehr niedrigen unteren Grenzfrequenz bzw. ein Gleichspannungsverstärker das
Signal so weit verstärken,
dass die eigentliche kontinuierliche Frequenzmessung mit einem Mikroprozessor möglich wird.
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Die 1 zeigt einen asymmetrischen
Fluidistor, das heißt
ein nur in eine Flussrichtung messendes Gerät, mit einem Strömungskanal 5 im
rückwärtigen Gehäuse neben
dem Ausströmkanal 4.
Der Eingang des Strömungskanals
befindet sich an einer Position in der Rückwand des Messraums 3,
auf die der Freistrahl einmal pro Periode senkrecht auftrifft, wodurch
eine maximale Strömungsgeschwindigkeit im
Kanal erzielt wird, während
zum Zeitpunkt der nächsten
halben Periode die Strömung
auf annähernd
0 zurückgeht,
da die Hauptströmung
in diesem Zeitraum den Messraum auf der gegenüberliegenden Seite passiert.
Zwei z. B. Rundmagnete 6 bilden das Magnetsystem, evtl.
ergänzt
um ein Eisenjoch 8 aus einem ferromagnetischen Material
(Eisen, NiFe), das einerseits das äußere magnetische Streufeld
minimiert und andererseits zur Vergrößerung der Magnetfeldstärke im Strömungskanal
beiträgt.
Zwei im Strömungskanal
gegenüberliegende
Drahtelektroden 7 ermöglichen
die Ankoppelung der im Medium induzierten Spannung an eine äußere elektrische Eingangsverstärkerstufe.
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Die 2 zeigt ebenfalls einen
asymmetrischen Fluidistor mit einem in den Prallkörper 2 integrierten
Strömungskanal 5,
den beiden Elektroden 7 und einem Permanentmagneten 6 dessen
Feld aufgrund des geringen Kanaldurchmessers (>1 mm) genügend stark und homogen den
Raum zwischen den Elektroden durchdringt. Der diagonal in den Prallkörper eingepasste
Strömungskanal
sorgt besser als ein entlang der Längsachse integrierter Kanal
für eine kräftige Ausbildung
der Pulsation im Strömungskanal,
da ja nach Durchfluss auch eine Strömungsumkehr stattfinden kann
(rechtes Bild).
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Die 3 zeigt einen symmetrischen
Fluidistor bei vier verschiedenen Strömungszuständen. In 3a fließt das Medium vom Einströmkanal 1 zum
Ausgang 1',
wobei im Strömungskanal 5a der
zu detektierende pulsierende Fluss entsteht, während in 3b das Medium in entgegengesetzte Richtungen,
das heißt
von 1' nach 1 strömt und im
Kanal 5b die Pulsation hervorruft. Jeder der beiden Strömungskanäle besitzt
zwei voneinander unabhängige Elektrodenpaare 7a und 7b,
an welchen je nach Flussrichtung, entweder an dem einen oder anderen, die
frequenzmodulierte Ausgangsspannung abgegriffen werden kann. Ein
axial magnetisierter Rundmagnet 6, der so dimensioniert
sein muss, dass sein Magnetfeld beide Strömungskanäle gleichmäßig durchsetzt, ist hier dicht
unterhalb der Strömungskanäle platziert.
Zur Verbesserung der Homogenität und
der Feldstärke
könnte
auch in diesem Ausführungsbeispiel
ein Magnetsystem, bestehend aus zwei Magneten, evtl. mit einem Eisenjoch,
im Prallkörper
untergebracht werden.
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Die 4 zeigt wiederum einen symmetrischen
Prallkörper
mit zwei nebeneinander in einer Ebene platzierte Mikrokanälen 5a und 5b.
Die drei Elektrodendrähte 7a, 7' und 7b bilden
zwei Elektrodenpaare, wobei 7' beiden als gemeinsame Bezugselektrode
zur Verfügung
steht. Bei kleinem Prallkörper
kann es nötig
sein, die Mikrokanäle
in verschiedenen Ebenen anzuordnen. Die Elektrodendrähte müssen nicht
speziell bearbeitet oder gebogen werden, sondern werden so in die
Gehäu sewand
eingespritzt, dass innerhalb der Kanäle runde, leicht gewölbte Elektrodenflächen (7a', 7'', 7b') definierter Größe gebildet
werden, wodurch die Fertigungskosten sehr niedrig gehalten werden
können.
Der Durchmesser des Magneten 6 muss so groß gewählt werden,
dass sein Magnetfeld beide Sensorzonen gleichmäßig füllt. In der Praxis werden die
drei Sensordrähte
parallel durch das Messraumgehäuse
nach außen
geführt,
wo sie leicht mit der Verstärkerplatine kontaktiert
werden können.
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Ein
erfindungsgemäß aufgebauter Schwingstrahlzähler hat
folgende vorteilhafte Eigenschaften:
- • Sehr einfacher
Sensoraufbau, besteht aus minimal drei Teilen (zwei Drahtelektroden,
ein Magnet)
- • Drahtelektroden
und Magneten werden einfach ins Gehäuse mit eingespritzt, dadurch
extrem niedrige Fertigungskosten
- • Kein
Energieverbrauch des Sensors
- • Invariant
gegen magnetische Beeinflussung durch äußere statische Permanentmagneten
aufgrund der extrem hohen Magnetfeldstärke im Strömungskanal
- • Invariant
gegenüber
den in Wasserleitungsnetzen auftretenden Druckschwankungen
- • mediumstemperaturunabhängig
- • Leitfähigkeit
von Trinkwasser ausreichend für Funktion
- • Selbstreinigungseffekt
des Kanals durch pulsierende Strömung
- • sehr
gute Signalqualität
(sinus- bis sägezahnförmig je
nach Frequenz)
- • hochohmige
Mess-Strecke => große Messdynamik
- • dauerlaufbeständig => kein Verschleiß
- • druckfest