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Titel: Anordnung zur Messung von Strömungsmittelmengen
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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Messung von durch eine Leitung
transportierten Strömungsmittelmengen mit einem in die Leitung einsetzbaren und
durch das Strömungsmittel drehbaren Rotor, der mindestens einen Magneten trägt,
der bei jeder Umdrehung des Rotors eine Magnetfeldsonde zur Erzeugung von Ausgangsimpulsen
erregt.
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Solche Durchflußmesser werden beispielsweise bei Wärmemengen messern
in einem Strömungsmittelkreislauf verwendet.
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Dabei hängt die Drehung des Rotors und damit die Zahl der Ausgangsimpulse
der Sonde von der transportierten Strömungsmittel menge ab, so daß eine direkte
Beziehung zwischen den Ausgangsimpulsen und der transportierten Strömungsmittelmenge
besteht.
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Es sind verschiedene Anordnungen bekannt, die Drehung des Rotors in
elektrische Ausgangssignale umzusetzen.
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So wird der Rotor beispielsweise mit optischen Sensoren abgetastet,
bei denen jedoch die Gefahr von Verschmu;tzungen und damit Fehlmessungen groß ist.
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Bei einer weiteren bekannten Anordnung betätigt der Magnet einen Reedkontakt
(DU-OS 2 362 803). Eine andere bekannte Möglichkeit sieht die Betätigung eines Springkontaktes
durch eine Nockenscheibe vor. In beiden Fällen ist die Lebensdauer reiativ gering,
oder es muß ein Untersetzungsgetriebe vnrwenaet werden.
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Auch wenn der Magnet eine Feldplatte steuert, reicht die Zuverlässigkeit
für den Dauerbetrieb nicht aus. Wird darüber hinaus eine induktive Abfrage verwendet,
bei der ein Oszillator durch Annäherung eines Spulenkerns verstimmt wird, so erhöht
sich der Preis des Gerätes wegen des meßtechnischen Aufwandes so stark, daß dieses
Verfahren nicht konkurrenzfähig ist.
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Die besten Ergebnisse lassen sich dann erhalten, wenn zur Ubertragung
der Drehbewegung eine Magnetfeldsonde, wie beispielsweise ein Hall-Generator verwendet
wird, die beim Vorbeidrehen des Magneten durch den Rotor erzeugt wird und Ausgangsimpulse
erzeugt, die in einer Beziehung zu der Rotordrehung und damit zu der transportierten
Strömungsmittelmenge stehen.
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Bei der letzten bekannten Anordnung hat sich jedoch folgender Nachteil
herausgestellt: Treten in dem Strömungsmittel Druckstöße und folglich kurze Wechsel
der Strömungsrichtung auf, wie sie beispielsweise beim Ventilflattern entstehen,
so ist die Drehung des Rotors nicht mehr einseitig gerichtet, sondern der durch
die Beaufschlagung mit dem Strömungsmittel hervorgerufenen Drehung werden Vibrationen
bzw. Schwingungen überlagert, die auf diesen Druckstößen beruhen.
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Es wird bei jedem Vorbeidrehen des Magneten an der Magnetfeldsonde
eine bestimmte, vorgegebene Zahl von elektrischen Impulsen erzeugt. Eine solche
Impulsfolge bzw. auch ein einzelner Impuls endet bzw. beginnt jeweils dann> wenn
ein während der Drehung des Rotors von der Magnetfeldsonder festgestelltes Magnetfeld
in seiner Stärke einen bestimmten Schwellwert über-bzw. unterschreitet.
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Der Rotor muß sich möglichst trägheitslos vorwärts- und rüchçärtsdrehen
können für eine möglichst genaue Messung der in einer Richtung tatsächlich transportierten
Strömungsmittelmenge. Die während des Vorwärtslaufs am Impulsbeginn und während
des Rückwärtslaufs am Impulsende erreichte Lage des Rotors sind identisch.
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Schwingt also der Rotor bei einer mechanischen Vibration, wie sie
durch Druckstöße im Strömungsmittel hervorgerufen werden können, so werden fortlaufend
Impulse mit der Periodendauer dieser Vibrationen erzeugt. Das gleiche gilt für den
Fall, wenn der Rotor gerade dann schwingt, wenn der Schwellwert über- oder unterschritten
wird. Dies bedeutet jedoch, daß die tatsächlich in einer Richtung transportierten
Strömungsmittelmenge nicht mehr durch die Zahl der abgegebenen Impulse dargestellt
werden kann, sondern daß zu diesen Impulsen noch die Impulse hinzukommen, die auf
den Druckstößen im Strömungsmittelkreislauf beruhen.
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Dieser Sachverhalt ist in Fig. 1 der beiliegenden Zeichnungen dargestellt.
In der oberen Kurve ist das durch die Drehung des Rotors beeinflußte, von der Magnetfeldsonde
registrierte Magnetfeld über dem Drehwinkel des Rotors aufgetragen. Bei den angegebenen
Schaltschwellen für das Ein- und Ausschalten erzeugt die Magnetfeldsonde Ausgangsimpulse,
die in einer Beziehung zu der Umdrehung des Rotors und damit zu der transportierten
Strömungsmittelmenge stehen.
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In der unteren Kurve der Fig. 1 sind die abgegebenen elektrischen
Impulse bei Vor- bzw. Rückwärtsdrehung des Rotors gegen
die Zeit
bzw. den Drehwinkel des Rotors aufgetragen. Schon bei kleinen Schwingungen im Bereich
der Impulsübergänge um diese werden zusätzliche Impulssignale erzeugt, so daß die
Beziehung zwischen der Drehung des Rotors in einer Richtung und der Impulszahl nicht
mehr eindeutig ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung der eingangs genannten
Gattung zu schaffen, mit der sich die tatsächlich in einer Richtung transportierte
Strömungsmittelmenge auf einfache Weise mit hoher Genauigkeit messen läßt.
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Erfindungsgemäß wird diese Auf gabe dadurch gelöst, daß sie eine geradzahlige
Anzahl von zur Erregung der Sonde vorgesehenen Magnetpolen aufweist, daß in Drehrichtung
auf einander folgende, die Sonde erregende Magnetpole unterschiedliche Polaritäten
aufweisen, und daß die Sonde nach der Erregung durch einen Magnetpol einer Polarität
und Abgabe eines zugeordneten Ausgangsimpulses in Form einer bistabilen Einrichtung
erst wieder bei dem Vorbeidrehen eines Magnetpoles mit entgegengesetzter Polarität
einen Ausgangsimpuls abgibt. Dabei sind die Magnetfelder der Magnetpole örtlich
begrenzt derart, daß sie in ihrer Stellung gegenüber der Sonde zu dieser, gegebenenfalls
durch Abschirmelemente, gebündelt ausgerichtetX Bei einer Ausführungsform kann vorgesehen
sein, daß der Rotor eine Scheibe aus magnetischem Material ist, die entlang einer
quert durch die Drehachse des Rotors verlaufenden Linie magnetisiert worden ist,
während bei einer anderen Ausführungsform vorgesehen sein kann, daß der Rotor einen
durchgehenden Stabmagneten umfaßt, der in der Nitte zwischen seinen beiden Polen
über der Drehachse des Rotors liegt oder von ihr durchstoßen wird.
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Eine bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich jedoch dadurch aus daß
zwei Stabmagnete geringer Länge auf einer quer durch die
Drehachse
des Rotors verlaufenden Linie angeordnet und in ihrer Stellung gegenüber der Sonde
zu dieser mit dem Pol der jeweils anderen Polarität gerichtet sind.
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Vorteilhafterweise umfaßt die Sonde ein Sondenelement, dem eine bistabile
Speicherschaltung nachgeschaltet ist, welche bei dem tbergang von der einen in die
andere stabile Schaltstellung ein Signal abgibt.
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Bei einer weiteren Ausführungsform kann dem Sondenelement ein ärper
mit hoher Remanenz zugeordnet sein, der zwischen dem Sondenelement und vorbeidrehenden
Magnetpplen angeordnet ist.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind die bistabile
Speicherschaltung und der remanente Körper gemeinsam vorgesehen.
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Bei über dem Rotor angeordnetem Sondenelement sind bevorzugt die Stabmagnete
parallel zur Rotorachse ausgerichtet, während vorteilhafterweise bei an der Außenseite
des Rotors angeordnetem Sondenelement die Stabmagnete mit ihrer Längsachse auf einer
gemeinsamen, durch die Drehachse des Rotors verlaufenden Linie angeordnet sind.
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Das Sondenelement ist bevorzugt ein Hall-Element, während die nachgeschaltete
bistabile Speicherschaltung zusammen mit dem Sondenelement in Form eines zu einer
bistabilen Einrichtung modifizierten Hall-Generators ausgebildet ist.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile liegen insbesondere in folgender
Wirkungsweise: DieMagnetfeldsonde wird beim Vorbeidrehen eines ersten Magnetpols
bestimmter Polarität, beispielsweise des Nordpols, erregt und "gesetzt", so daß
die Magnetfeldsonde bei Schwankungen dieses Magnetpols in der Nahe der Nagnetfeldsonde
keinen weiteren Impuls erzeugt. Erst wenn die Magnetfeldsonde beim Vorbeidrehen
eines Magnetpol mit
umgekehrter Polarität, beispielsweise des Südpols,
umgeschaltet und erneut erregt wird, erzeugt sie einen weiteren Impuls und wird
wiederum gesetzt. Sind also zwei Magnetpole vorgesehen, so kann der Rotor Vibrationen
ausführen, die bis zu 1700 betragen können, ohne daß unerwünschte Ausgangsimpulse
erzeugt werden. Es ist deshalb sichergestellt, daß immer eine direkte Beziehung
zwischen der Zahl der erzeugten Impulse und der Umdrehungszahl des Rotors und damit
der tatsächlich in einer Richtung transportierten Strömungsmittelmenge besteht.
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min weiterer Vorteil liegt darin, daß bei Verwendung eines Hall-Elementes
die üblichen, mit Differenzverstärkern arbeitenden Schaltungen nur geringfügig modifiziert
werden müssen, um in der hier erforderlichen Weise als bistabile Schaltung eingesetzt
zu werden.
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Die erfindungsgemäße Anordnung läßt sich sowohl bei Flügelradals auch
bei Woltmänn-Zählern verwenden, wobei die agnetfeldsonde, beispielsweise ein Hall-Generator
oder eine Feldplatte, in dem bei Heißwasserzählern üblichen Trockenraum untergebracht
ist, der vom Naßraum, in dem sich der Rotor befindet, durch eine wasser- und druckdichte,
das Magnetfeld nicht oder nur wenig beeinflussende Zwischenwand getrennt ist.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung beispielsweise
beschrieben; in dieser zeigt schematisch: Fig. 1 Impulskurven, wie sie bei herkömmlichen
Durchflußmessern auftreten; Fig. 2 einen Querschnitt durch einen Durchflußmesser
gemäß der Erfindung, Fig. 3 ein Schaltbild eines Hall-Generators mit Differenzverstärker,
wie er bei dem Durchflußmesser nach der Erfindung verwendet wird,
Fig.
4 Impulskurven des Durchflußmessers nach der Erfindung und Fig. 5 in Blockdarstellung
die wesentlichen Funktionsgruppen des Hall-Generators und den Rotor.
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In Fig. 2 ist ein Querschnitt durch einen Flüssigkeitsmengenzähler
10 dargestellt, durch den ein Strömungsmittela beispielsweise Wasser, fließt. Im
Inneren des Zählers- ist drehbar auf einer Drehachse 11 ein Rotor 12 angeordnet,
der als Flügelrad mit vier Flügeln dargestellt ist. An zwei einander gegenüberliegenden
Flügeln sind Stabmagnete 14 und 16 kurzer Länge so angebracht, daß an einem Flügel
der Nordpol N nach außen gerichtet ist, während an dem anderen Flügel der Südpol
S nach außen gerichtet ist. Der die Magnetpole tragende Rotor kann jedoch auch von
dem Flügelrad unabhängig ausgebildet und mit diesem über die Drehachse drehfest
verbunden sein.
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Die Magnetfelder zumindest der nach außen gerichteten Pole der Stabmagnete
14, 16 der in Fig. 2 dargestellten Äusführungs form sind in Umfangsrichtung des
Rotors eng begrenzt, wobei gegebenenfalls noch eine zusätzliche Abschirmung vorgesehen
sein kann, um die Richtwirkung des Magnetfeldes parallel zur Rotorachse, d. h. bei
der Stellung des jeweiligen Magnetpoles gegenüber der Magnetfeldsonde die Bündelung
zu dieser zu verstärken.
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An den Zähler 10 ist von außen ein Hall-Generator 18 angesetzt, wobei
die Trennwand 20 zwischen dem Hall-Generator und dem Inneren des Zählers 10 mit
dem Strömungsmittel das Magnetfeld nicht oder nur wenig beeinflußt.
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Anstelle der beiden Einzelmagnete kann auch ein durchgehender Stabmagnet
oder eine diagonal magnetisierte Scheibe Anwendung finden. Eine starke räumliche
Begrenzung des Magnetfeldes im Bereich der Poleistzuerreichen durch eine Lochung
oder ein gelochtes Leitblech.
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Wenn das Hall-Element nicht vom Außenumfang sondern von oberhalb des
Rotors an den Zähler angesetzt wird, sind geeigneterweise die beiden Stabmagnete
parallel zur Rotorachse ausgerichtet und mit einander entgegengesetzten rolen zum
Hall-Element gerichtet.
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Die Schaltungsanordnung des Hall-Generators ist in Fig. 3 dargestellt.
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Einem Hall-Elenent 22 des Hall-Generators 18 wird über die Klemmen
24 und 26, die mit den Anschlüssen 30 bzw. 32 des Hall-Elementes verbunden sind,
die Speisespannung zugeführt. Die Klemme 24 ist außerdem über einen Widerstand 28
mit dem Kollektor eines Transistors 34 verbunden, dessen Basis über Kollektor-Emitter
eines Transistors 36 mit seinem Kollektor gekoppelt ist.
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Der Emitter des Transistors 34 ist über einen Widerstand 38 an die
Klemme 26 angeschlossen.
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Die Basis des Transistors 36 ist mit dem Kollektor eines Transistors
39 verbunden, dessen Basis an dem Anschluß 40 des Hall-Elementes 22 liegt. Außerdem
ist die Basis des Transistors 39 über einen Widerstand 42 zu dem Kollektor des Transistors
34 rückgekoppelt.
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Der Kollektor des Transistors 39 ist über einen Widerstand 44 mit
der Klemme 24 verbunden, während der Anschluß 32 des Hall-Elementes 22 über einen
Widerstand 46 mit dem Emitter des Transistors 39 verbunden ist.
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Der vierte Anschluß 48 des Hall-Elementes 22 ist mit der Basis eines
Transistors 50 gekoppelt, dessen Emitter mit dem Emitter des Transistors 39 verbunden
ist. Der Kollektor des ransistors 50 ist über einen Widerstand 52 mit dem Anschluß
30 des Hall-Elementes 22 verbunden. Die Basis des Trsnsistors-50 ist schließlich
über einen Widerstand 54 und einen Widerstand 70 mit der Basis eines Transistors
56 verbunden, an dessen Emitter, d.h.
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an der Ausgangsklemme 58, die Impulse auftreten.
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Der Kollektor des Transistors 50 ist mit der Basis eines Transistors
60 verbunden, dessen Emitter an die Basis eines Transistors 62 gekoppelt ist; der
Kollektor des Transistors 60 ist über Kollektor-Basis des Transistors 62 rückgekoppelt.
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Der Kollektor des Transistors 62 ist über einen Widerstand 64 mit
dem Anschluß 30 bzw. über den Widerstand 70 mit dem Emitter des Transistors 56 verbunden,
während der Emitter des Transistors 62 über den Widerstand 38 an die Klemme 26 angeschaltet
ist.
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An den Klemmen o6 bzw. 68 können die Arbeitspunkte der Transistoren
eingestellt werden.
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Bei dem Hall-Generator 18 wird zur Erzeugung der Ausgangsimpulse eine
solche Schaltung verwendet. Bewegt sich nun der Magnet 14, bei dem sich der Südpol
S außen befindet, an dem Hall-Element 22 vorbei, so wird von diesem ein Signal erzeugt,
wie es beispielsweise in dem ersten Impuls der oberen Kurve von Fig. 4 dargestellt
ist. Bewegt sich nun der Rotor 12 weiter und läuft der Magnet 16 an dem Hall-Element
22 vorbei, an dem sich der Nordpol N außen befindet, so wird ein Signal erzeugt,
wie es durch den zweiten, negativen Impuls der oberen Kurve von Fig. 4 dargestellt
wird.
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Der modifizierte Hall-Generator wird bei dem Vorbeidrehen eines Iiagnetpoles
so gesetzt, daß er erst dann wieder ein Signal abgibt, wenn sich der Magnetpol mit
entgegengesetzter Polarität, also der Magnet 16, vorbeibewegt. Am Schaltungsauegang
tritt dabei die in der unteren Kurve von Fig. 4 dargestellte Impulsfolge auf.
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Der Hall-Generator 18 dient also als Speicher bzw Vorspannschaltung
im Anschluß an das eigentliche Hall-Element 22, um den Zustand bzw. die Polarität
des zuletzt erfaßten Magneten so lange festzuhalten, bis ein Magnet mit entgegengesetzter
Polarität festgestellt wird.
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Die Speicherung kann auch rein magnetisch erfolgen, indem ein Körper
mit hoher Remanenz an dem Hall-Element zwischen diesem und den vorbeidrehenden Magnetpolen
angeordnet wird. Das Ha'l-Element erzeugt dann sofort eine Signalspannung, wie sie
in der mittleren Kurve von Fig. 4 dargest'lt ist.
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Optimale Ergebnisse lassen sich erzielen, wenn der Körper mit hoher
Remanenz und die Speicherschaltung zusammen angewendet werden.
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Fig. 5 zeigt rein schematisch nochmals die wesentlichen-Funktionsteile
des Hall-Generators in Verbindung mit dem Rotor 12. Das in unmittelbarer Nähe des
Rotors 12 angeordnete Eall-Element 22 erzeugt bei dem Vorbeidrehen der Magnetpole
die über dem Hall-Element 22 angegebenen Impulse, wobei der nach oben gerichtete
Impuls dem Südpol und der nach unten gerichtete Impuls dem Nordpol zugeordnet ist.
Das Hall-Element 22 ist mit dem bipolaren Speicher 76 verbunden, der die vom Hall-Element
22 gelieferten Südpol- und Nordpolimpulse in Rechteckimpulse der über dem bipolaren
Speicher 76 angegebenen Form umwandelt. Der bipolare Speicher 76 ist mit einer Treiberstufe
78 verbunden, welche die vom bipolaren Speicher 76 gelieferten Impulse in Impulse
der Form umwandelt, wie sie über der Treiberstufe 80 angegeben sind. Diese Impulse
werden zum Ausgang 80 geführt. Das Hall-Element 22, der bipolare Speicher 76 und
die Treiberstufe 78 sind über eine elektrische Leitung 74 mit einer Spannungsversorgung
72 verbunden.
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- Patentansprüche -