DE19814709A1 - Flow detection device in closed or open conductor - Google Patents

Abstract

The device detects a flow of any kind of medium in a closed or open conductor by means of a vibration sensor mounted at the conductor, from the condition of the vibrations of the conductor which are called forth through the flow of the medium. The vibration sensor consists preferably of a piezo-crystal fastened mechanically at the conductor, vibrating with vibrations of the conductor, and whose signal is evaluated in an electronic circuit.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a device according to the preamble of claim 1.

Insbesondere zu Erfassungs- und Steuerungszwecken sind Sensoren nötig, die feststellen, ob in einer Leitung ein Medium fließt oder nicht. Das Medium kann fester (z. B. Granulat), flüssiger (z. B. Wasser) oder gasförmiger (z. B. Erdgas) Gestalt sein. Die Leitung kann je nach Medium geschlossen (z. B. Rohr, Schlauch) oder offen (Rinne) sein. Der Durchflußsensor detektiert, ob in einer Leitung ein Fluß dieses Mediums vorhanden ist oder nicht.Sensors are required in particular for detection and control purposes determine whether a medium is flowing in a line or not. The medium can be firmer (e.g. granules), liquid (e.g. water) or gaseous (e.g. natural gas) form. Depending on the medium, the line can be closed (e.g. pipe, hose) or open (Gutter). The flow sensor detects whether there is a flow in a line Medium is present or not.

Es ist bekannt, zur Erkennung des Flusses eines Mediums innerhalb einer Leitung folgendes Konzept heranzuziehen: In den Leitungsweg wird ein Element eingebaut, das folgende Teile enthält:
Das Element beinhaltet ein Leitungsstück, durch das das Medium fließt. Ein flächiges Teil z. B. aus Metall oder Kunststoff, das im folgenden Paddel genannt wird, befindet sich innerhalb dieses Leitungsstücks im Flußweg des Mediums. Das Paddel ist mechanisch, z. B. mittels eines Stabes mit einem Schaltelement (z. B. Mikroschalter) verbunden. Fließt nun das Medium in der Leitung, so wird das Paddel durch den Druck, den der Fluß des Mediums ausübt, in die Richtung des Flusses des Mediums ausgelenkt. Aufgrund der o.g. mechanischen Verbindung des Paddels mit dem Schaltelement wird bei genügender Auslenkung selbiges Schaltelement betätigt. Die Betätigung des Schaltelementes zeigt so einen Fluß des Mediums in der Leitung an. It is known to use the following concept to detect the flow of a medium within a line: An element is built into the line path, which contains the following parts:
The element contains a pipe section through which the medium flows. A flat part z. B. made of metal or plastic, which is called paddle in the following, is located within this line piece in the flow path of the medium. The paddle is mechanical, e.g. B. connected by means of a rod with a switching element (z. B. microswitch). If the medium now flows in the line, the paddle is deflected in the direction of the flow of the medium by the pressure which the flow of the medium exerts. Due to the above-mentioned mechanical connection of the paddle to the switching element, the same switching element is actuated with sufficient deflection. The actuation of the switching element thus indicates a flow of the medium in the line.

Dieses Konzept bringt aber mehrere, z. T. gravierende Nachteile mit sich:
Erstens ist die Stabilität des Paddels und der mechan. Verbindung zwischen Paddel und Schaltelement bei starker mechanischer Beanspruchung fraglich. Beispielsweise kann durch eine zu schnelle Fließgeschwindigkeit des Mediums das Paddel oder die mechan. Verbindung brechen.However, this concept brings several, e.g. T. serious disadvantages:
First, the stability of the paddle and the mechan. Connection between paddle and switching element questionable in the event of heavy mechanical stress. For example, the paddle or the mechan. Break connection.

Um hier eine Stabilität zu gewährleisten müssen o.g. Teile ggf. stark überdimensioniert werden, was evtl. die Empfindlichkeit herabsetzten kann. Zweitens ist es schwierig, die Funktion des Sensors bei aggressiven Medien sicherzustellen. Beispielsweise kann bei einer Säure als Medium für die mechanischen Teile des Sensors, die in Kontakt mit der Säure kommen, kein säureempfindliches Metall verwendet werden. Organische Lösungsmittel als Medium verbieten den Einsatz der meisten Kunststoffe für gerade genannte Teile. Stark unterschiedliche Medientemperaturen schränken wiederum die Wahl ein auf Materialien, die einem breiten Temperaturspektrum standhalten können. Drittens muß für jede Leitungsart (Durchmesser, Verbindungssystem) ein eigenes Sensormodell bereitgestellt werden; Einfache Adapter lassen sich nur selten anwenden, da dies mitunter den Fluß des Mediums zu stark stört.In order to ensure stability here, the above Parts may be oversized what may reduce the sensitivity. Second, it is difficult to function the sensor with aggressive media ensure. For example, with an acid as a medium for the mechanical Parts of the sensor that come into contact with the acid are not sensitive to acid Metal are used. Organic solvents as a medium prohibit the use most plastics for parts just mentioned. Very different Media temperatures in turn restrict the choice to materials that suit you can withstand a wide range of temperatures. Third, there must be a separate one for each line type (diameter, connection system) Sensor model are provided; Simple adapters are rare use, as this sometimes disturbs the flow of the medium too much.

Das unter "Erstens" bis "Drittens" Genannte macht für viele unterschiedliche Einsatzbedingungen fast ebenso viele verschiedene Sensormodelle erforderlich. Viertens bringt das mechanische Prinzip des Sensors grundsätzlich eine hohe Störanfälligkeit mit sich. Bei einem Sensor für Trinkwasser kann sich z. B. Kalk an den mechanischen Teilen ablagern und den Sensor in einem absehbaren Zeitraum funktionsuntüchtig machen. Diese Teile sowie das Schaltelement unterliegen außerdem einem allgemeinen mechanischen Verschleiß.What is mentioned under "first" to "third" makes for many different Operating conditions require almost as many different sensor models. Fourth, the mechanical principle of the sensor basically brings a high one Susceptibility to malfunction. With a sensor for drinking water z. B. lime to the mechanical parts and deposit the sensor in the foreseeable future make it inoperable. These parts and the switching element are subject also general mechanical wear.

Fünftens muß bei geschlossenen Leitungen (z. B. Rohre) die Dichtigkeit der Anschlüsse des Leitungsstückes im Sensor gegenüber dem Rest der Leitung gewährleistet sein. Bei den meisten Medien, vor allem Wasser, muß zusätzlich das Schaltelement gegenüber dem Medium isoliert werden, um eine ungewollte Betätigung des Schaltelementes (Kurzschluß!) zu verhindern.Fifthly, with closed lines (e.g. pipes) the tightness of the Connections of the line section in the sensor to the rest of the line to be guaranteed. With most media, especially water, this must also be done Switching element to be isolated from the medium to prevent unwanted actuation to prevent the switching element (short circuit!).

Sechstens ist zur Anwendung dieses Sensors ein Eingriff in die Leitung des Mediums nötig. Vor allem bei einem nachträglichen Einbau in eine bereits vorhandene Leitung kann dies sehr aufwendig sein. Sixth, to use this sensor is an intervention in the line of the medium necessary. Especially when retrofitted to an existing line this can be very expensive.  

Siebtens können durch den Sensor die Eigenschaften des Mediums verändert werden sowohl chemisch (z. B. durch Materialabtrag vom Sensor) als auch in seinen Fließeigenschaften (Störung durch Paddel). Alle oben genannten Punkte machen die Anwendung dieses Konzeptes sehr kos­ ten- und arbeitsaufwenig. In Einzelfällen machen sie dessen Anwendung gar unmöglich.Seventh, the properties of the medium can be changed by the sensor both chemically (e.g. by removing material from the sensor) and in its Flow properties (interference from paddles). All of the above points make the application of this concept very free ten- and labor-intensive. In individual cases, they make it impossible to use it.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine einfach, preiswert und möglichst universell anzuwendende Vorrichtung zu schaffen, die detektiert, ob in einer Leitung ein Fluß eines Mediums vorhanden ist oder nicht.The object of the invention is a simple, inexpensive and as universal as possible To create device to be used, which detects whether there is a flow in a line of a medium is present or not.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.This object is achieved by a device with the features of claim 1.

Die Erfindung weist gegenüber dem Stand der Technik eine Reihe von Vorteilen auf:
Die Gefahr der mechanischen Überbeanspruchung des Sensors ist wesentlich geringer, da der Sensor keinen direkten Kontakt zu dem Medium hat.The invention has a number of advantages over the prior art:
The risk of mechanical overloading of the sensor is significantly lower since the sensor has no direct contact with the medium.

Eine evtl. Aggressivität des Mediums spielt keine Rolle, solange die Leitung dem Medium standhält, da der Sensor keinen direkten Kontakt zu dem Medium hat.A possible aggressiveness of the medium does not matter as long as the management Medium withstands because the sensor has no direct contact with the medium.

Ein einziges Sensormodell gemäß der Erfindung deckt jeweils wesentlich mehr Leitungstypen ab als ein einziges Sensormodell gemäß dem Stand der Technik: Das Verbindungssystem der Leitung spielt keine Rolle; ein Modell kann für mehrere Leitungsdurchmesser verwendet werden.A single sensor model according to the invention covers much more in each case Line types from as a single sensor model according to the prior art: The Connection system of the line does not matter; one model can be used for several Cable diameter can be used.

Der Teil des Sensors gemäß der Erfindung, der an der Leitung selbst angebracht ist, ist kleiner und handlicher als der eines Sensors gemäß dem Stand der Technik; eine evtl. Auswertungselektronik kann an anderer Stelle untergebracht werden.The part of the sensor according to the invention which is attached to the line itself is smaller and handier than that of a sensor according to the prior art; a any evaluation electronics can be accommodated elsewhere.

Ein Sensor gemäß der Erfindung besitzt weniger mechanische Bauelemente gegenüber einem Sensor gemäß dem Stand der Technik. Dies bedeutet eine Verminderung der allg. Störanfälligkeit und Wartungsintensität. A sensor according to the invention has fewer mechanical components compared to a sensor according to the prior art. This means one Reduction of the general susceptibility to faults and maintenance intensity.  

Es gibt keinerlei Probleme mit der Dichtigkeit, da der Sensor außen an der Leitung angebracht ist.There are no problems with the tightness since the sensor is on the outside of the pipe is appropriate.

Es ist kein Eingriff in die Leitung selbst nötig. Die Leitung muß auch bei einem nachträglichen Einbau in ein bereits vorhandenes System nicht aufgetrennt werden.No intervention in the line itself is necessary. The line must also with one subsequent installation in an existing system cannot be separated.

Es findet keine Beeinflussung des Mediums durch den Sensor statt, weder chemisch noch mechanisch.The medium is not influenced by the sensor, neither chemically still mechanical.

Fazit: Die Anwendung eines Sensors gemäß der Erfindung ist insgesamt preiswerter, einfacher und universeller als eines Sensors gemäß dem Stand der Technik.Conclusion: The use of a sensor according to the invention is generally cheaper, simpler and more universal than a sensor according to the prior art.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden in den Abbildungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.Embodiments of the invention are shown in the figures and are described in more detail below.

Es zeigenShow it

Abb. 1a Eine geschlossene Leitung (Rohr), durchströmt von einem flüssigen Medium (z. B. heißes Wasser) mit daran angebrachtem Piezoelement. Fig. 1a A closed pipe (pipe), flowed through by a liquid medium (e.g. hot water) with attached piezo element.

Abb. 1b Querschnitt des Rohres aus Abb. 1a mit daran angebrachtem Piezoelement. Fig. 1b Cross section of the tube from Fig. 1a with a piezo element attached to it.

Abb. 2 Eine offene, schräg angebrachte Leitung (Rinne), in der festes Medium (Granulat) fließt, mit einem Vibrationssensor. Fig. 2 An open, diagonally attached line (gutter) in which solid medium (granulate) flows, with a vibration sensor.

Zu Abb. 1a und 1b:
An einem Rohr 4 ist an seiner Außenseite ein Piezoelement 3 in Streifenform derart angebracht, daß es mit einem Ende an einem Körper 1 befestigt ist. Je nach Anwendungsfall kann der Körper aus verschiedenen Materialien bestehen. Meist wird es Metall oder Kunststoff sein. Der Körper 1 wird wiederum an dem Rohr 4 befestigt. Es ist von Vorteil, den Körper 1 an der Seite, die mit dem Rohr 4 in Kontakt ist, mit einem keilförmigen Ausschnitt 7 zu versehen, um einen einwandfreien und verwackelungsfreien Sitz des Körpers 1 auf dem Rohr 4 zu gewährleisten. Siehe dazu Abb. 1b. Der Körper 1 wird auf dem Rohr 4 z. B. mittels Riemen 6 befestigt, jedoch so, daß dabei das Piezoelement 3 nicht berührt wird.For Figs. 1a and 1b:
A piezo element 3 in the form of a strip is attached to a tube 4 on its outside in such a way that it is attached to a body 1 at one end. Depending on the application, the body can consist of different materials. Mostly it will be metal or plastic. The body 1 is in turn attached to the tube 4 . It is advantageous to provide the body 1 on the side that is in contact with the tube 4 with a wedge-shaped cutout 7 , in order to ensure that the body 1 sits perfectly on the tube 4 and does not blur. See Fig. 1b. The body 1 is on the tube 4 z. B. attached by means of straps 6 , but so that the piezo element 3 is not touched.

Der Körper kann aber auch auf dem Rohr 4 festgeklebt werden, z. B. mittels eines Doppelklebebands 8 (Abb. 1b), das im Ausschnitt 7 aufgebracht wird und mit dem Rohr 4 verklebt. Bei dieser Verbindungsmethode ist es von Vorteil, wenn das Doppelklebeband 8 in seiner Dicke etwas flexibel ist, weil so die Kontaktfläche zwischen Körper 1 und Rohr 4 vergrößert und damit der Halt des Körpers 1 auf dem Rohr 4 fester wird. Ist der Körper 1 aus einem elektrisch leitenden Material gefertigt, so muß er gegenüber dem Piezoelement 3 elektrisch isoliert werden. Ist der Körper 1 aus einem thermisch gut leitenden Material gefertigt und wird das Rohr 4 so heiß, daß dadurch die Haltbarkeit des Piezoelements 3 gefährdet werden könnte, 50 muß das Piezoelement 3 gegenüber dem Körper 1 thermisch isoliert werden.The body can also be glued to the tube 4 , for. B. by means of a double-sided adhesive tape 8 ( Fig. 1b), which is applied in the cutout 7 and glued to the tube 4 . With this connection method, it is advantageous if the double-sided adhesive tape 8 is somewhat flexible in its thickness, because this increases the contact area between the body 1 and the tube 4 , and thus the hold of the body 1 on the tube 4 becomes firmer. If the body 1 is made of an electrically conductive material, it must be electrically insulated from the piezo element 3 . If the body 1 is made of a thermally highly conductive material and the tube 4 becomes so hot that the durability of the piezo element 3 could be jeopardized, the piezo element 3 must be thermally insulated from the body 1 .

Beides kann durch einen Isolator 2 bewerkstelligt werden, der z. B. aus einer Teflonscheibe bestehen kann, die zwischen Piezoelement 3 und Körper 1 geklebt wird. Fließt nun das Medium (Wasser) durch das Rohr 4, so wird dadurch das Rohr 4 und damit auch das Piezoelement 3 in Vibrationen versetzt. Über die Anschlußkabel 5 wird die vom Piezoelement. 3 erzeugte Spannung einer (in den Abbildung nicht dargestellten) Elektronik zugeführt. Diese Elektronik verstärkt die vom Piezoelement 3 bei Vibrationen abgegebene Wechselspannung und filtert aus ihr einen bestimmten, eng umgrenzten Frequenzbereich heraus. Mittels des Filters wird die Empfindlichkeit des Sensors gegenüber akustischen Lärmquellen vermindert. Ein nachgeschalteter Schwellwertschalter mit einstellbarem Schwellenwert gibt ein digitales Signal aus, das aussagt, ob die vom Filter abgegebene Wechselspannung eine bestimmte Amplitude erreicht. Dieses digitale Signal wird einer Einschaltverzögerung zugeführt, die erst ein Signal ausgibt, wenn das vom Schwellwertschalter ausgegebene Signal "Amplitude erreicht" eine bestimmte, einstellbare Zeitspanne lang ununterbrochen anliegt. Durch die Einschaltverzögerung kann sichergestellt werden, daß laute, kurze Geräusche (Türknallen) kein Ausgangssignal verursachen. Die Verzögerung ist einstellbar; je kürzer die Verzögerung, desto wahrscheinlicher ist eine Fehlauslösung des Sensors durch akustische Störungen. Je länger die Verzögerung, desto länger dürfen evtl. Störsignale sein, ohne eine Fehlauslösung zu erzeugen. Damit wird der Sensor jedoch träger. Die Trägheit kann den Erfordernissen angepaßt werden.Both can be accomplished by an insulator 2 , the z. B. can consist of a Teflon disc which is glued between the piezo element 3 and body 1 . If the medium (water) now flows through the tube 4 , the tube 4 and thus also the piezo element 3 are set in vibration. Via the connection cable 5 is that of the piezo element. 3 generated voltage supplied to electronics (not shown in the figure). This electronics amplifies the alternating voltage emitted by the piezo element 3 in the event of vibrations and filters out a specific, narrowly defined frequency range from it. The filter reduces the sensitivity of the sensor to acoustic noise sources. A downstream threshold switch with an adjustable threshold outputs a digital signal that indicates whether the AC voltage emitted by the filter reaches a certain amplitude. This digital signal is fed to a switch-on delay, which only emits a signal when the "amplitude reached" signal, which is output by the threshold value switch, is applied continuously for a certain, adjustable period of time. The switch-on delay can ensure that loud, short noises (door bangs) do not cause an output signal. The delay is adjustable; the shorter the delay, the more likely that the sensor will trigger incorrectly due to acoustic interference. The longer the delay, the longer interference signals may be without generating a false trigger. However, this makes the sensor sluggish. The inertia can be adapted to the requirements.

Das Ausgangssignal der Einschaltverzögerung sagt jetzt aus, ob in dem Rohr 4 das Medium fließt oder nicht.The output signal of the switch-on delay now says whether the medium flows in the tube 4 or not.

Zu Abb. 2:
In einer schräg angebrachten Rinne 1 kann festes Granulat 2 nach unten fließen. An der Rinne ist ein Vibrationssensor 3 befestigt, bestehend aus einem handelsüblichen Vibrationssensor oder aus einem Vibrationssensor auf Piezobasis (wie vorher dargestellt). Fließt nun das Granulat 2 nach unten, so vibriert die Rinne 1 und mit ihr der Vibrationssensor 3. Aus dem Ausgangssignal des Vibrationssensors 3 kann auf einen Fluß des Granulats 2 in der Rinne 1 geschlossen werden.To Fig. 2:
Solid granulate 2 can flow downward in a slanted groove 1 . A vibration sensor 3 is attached to the gutter, consisting of a commercially available vibration sensor or a piezo-based vibration sensor (as previously shown). If the granulate 2 flows downwards, the channel 1 vibrates and with it the vibration sensor 3 . A flow of the granules 2 in the channel 1 can be concluded from the output signal of the vibration sensor 3 .

Für beide Ausführungen gilt:
Der Vibrationssensor muß eine einstellbare Empfindlichkeit besitzen, weil die Vibrationen je nach Leitung, und Art, Menge und Fließverhalten des Mediums unterschiedlich starke Vibrationen hervorgerufen werden.The following applies to both versions:
The vibration sensor must have an adjustable sensitivity, because the vibrations cause vibrations of different strengths depending on the line, type, quantity and flow behavior of the medium.

Claims (5)

1. Vorrichtung zur Detektion eines Flusses eines Mediums jeglicher Art in einer geschlossenen oder offenen Leitung, dadurch gekennzeichnet, daß mittels eines an der Leitung angebrachten Vibrationssensors aus der Beschaffenheit der Vibrationen der Leitung, die durch den Fluß des Mediums hervorgerufen werden, auf den Fluß des Mediums in der Leitung geschlossen wird.1. Device for detecting a flow of a medium of any kind in a closed or open line, characterized in that by means of a vibration sensor attached to the line from the nature of the vibrations of the line, which are caused by the flow of the medium on the flow of the Medium in the line is closed. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Vibrationssensor aus einem mechanisch an die Leitung angekoppelten Piezokristall besteht, der bei Vibrationen der Leitung ebenfalls vibriert und dessen bei Vibrationen abgegebene Signale durch eine Elektronik ausgewertet werden, so daß aus dem Signal des Piezokristalls auf einen Fluß des Mediums in der Leitung geschlossen wird.2. Device according to claim 1, characterized in that the vibration sensor from a mechanical to the Line coupled piezocrystal is there when the line vibrates also vibrates and its signals emitted by a vibration Electronics are evaluated, so that from the signal of the piezo crystal to one Flow of the medium in the line is closed. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Vibrationssensor auf einem anderen Sensorkonzept beruht.3. Device according to claim 1 or 2, characterized in that the vibration sensor on another Sensor concept is based. 4. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Vibrationssensor auf einem Körper montiert ist, der an der mit der Leitung in Berührung kommenden Fläche einen konkaven keilförmigen Einschnitt aufweist, dessen Längsachse parallel zur Längsachse der Leitung ist, auf der der Vibrationssensor angebracht wird. Siehe Abb. 2.4. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the vibration sensor is mounted on a body which has a concave wedge-shaped incision on the surface coming into contact with the line, the longitudinal axis of which is parallel to the longitudinal axis of the line on which the vibration sensor is attached. See fig. 2. 5. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Vibrationssensor und Leitung ein thermisch und/oder elektrisch isolierendes Material angebracht ist.5. Device according to one of the preceding claims, characterized in that between the vibration sensor and line thermally and / or electrically insulating material is attached.