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Verfahren und Anordnung zum Messen des Durchflusses von
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strömenden Medien Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung
zum Messen des Durchflusses, bei dem ein strömendes Ncdium impulsweise markiert
wird und bei dem aus der Zeitdauer, in welcher die Markierung eine Meßstrecke durchläuft,
der Durchfluß ermittelt wird.
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Aus den VDI-Berichten Nr. 86, 1964, Seiten 59 bis 63 sind verschiedene
Durchfluß-Meßverfahren bekannt, bei denen das Medium, dessen Durchfluß gemessen
werden soll, mit verschiedenen Fremdstoffen, wie Isotopen, Chemikalien, Wasserdampf,
oder auch mittels Stoßionisation geimit wird und die Laufzeit der geimpften Stelle
durch eine Meßstrecke gemessen wird, an deren Ende ein Detektor angebracht ist.
Aus der Laufzeit kann der Durchfluß ermittelt werden. Die bekannten Verfahren können
in der Weise ausgefUhrt werden, daß Jeder Ausgangsimpuls des Detelstors
eine
neue Impfung auslöst, so daß die Impulsfrequenz ein Man für den Durchfluß ist. Die
bekannten Verfahren haben den Nachteil, daß sie jeweils nur für ganz bestimmte Anwendungsfälle
anwendbar sind. Keines ist z. B. für die Messung des momentanen Treibstoffverbrauchs
von Benzin-oder Dieselmotoren geeignet.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
und eine Anordnung zum Messen des Durchflusses zu finden, die auch für die üblichen
Treibstoffe geeignet sind und die insbesondere keine Zusatzstoffe erfordern.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist von dem Gedanken ausgegangen, das Medium
selbst physikalisch reversibel zu verändern. Eine erste Lösung der genannten Aufgabe
besteht darin, daß zur Markierung das strömende Medium polarisiert wird. Voraussetzung
zur Anwendung dieses Verfahrens ist selbstverständlich, daß das Medium, dessen Durchfluß
gemessen werden soll, polarisierbar ist. Ferner darf es nicht elektrisch leitend
sein. Der Markierungsgeber und der Markierungsdetektor sind in diesem Falle zweckmäßig
Kondensatoren, zwischen deren Belegungen das Medium durch strömt. Insbesondere zum
Messen kleiner Durchflußmengen verwendet man vorzugsweise als Meßstrecke ein Rohr
mit rechteckförmigem Innenquerschnitt, in dessen Breitseiten die Kondensatorbelegungen
eingebettet sind. Das Seitenverhältnis des rechteckigen Querschnitts ist vorteilhaft
wesentlich größer als Eins. Es kann aber auch ein Rohr mit kreisförmigem Innenquerschnitt
verwendet werden; in diesem Falle können Kondensatoren eingesetzt werden, die aus
Je zwei in Strömungsrichtung hintereinanderliegenden Ringen bestehen.
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Eine zweite Lösung der oben geschilderten Aufgabe zeichnet sich dadurch
aus, daß das Medium, dessen Durchfluß
gemessen werden soll, impulsweise
erwärmt wird. Als Markierungsgeber dient in diesem Falle zweckmäßig ein Heizelement,
als Markierungsdetektor ein temperaturabhängiger Widerstand; der in eine Meßbrücke
geschaltet ist, oder ein Thermoelement.
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Zur Durchführung beider Verfahren kann die Länge der Meßstrecke durch
den Markierungsgeber am Eingang und den Markierungsdetektor am Ausgang bestimmt
sein. Ein Zeitmesser mißt die Zeitdauer von der Zufuhr eines Impulses zum Markierungsgeber
bis zum Auftreten der Markierung am Markierungsdetektor. Bin etwaiger Nullpunktsfehler
und eine Nichtlinearität können dadurch verbessert werden, daß sich der Markierungsgeber
vor der Meßstrecke befindet und Anfang und Ende der Meßstrecke durch zwei Markierungsdetektoren
gegeben sind. Ein Zeitmesser mißt dann die Zeit vom Auftreten der Markierung am
ersten Detektor bis zum Auftreten am zweiten Detektor. Die beiden Detektoren sollten
von gleIcher Art sein und in gleicher Weise angebracht sein.
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Die dem Markierungsgeber zugefUhrten Impulse können konstante Frequenz
haben. Es ist jedoch auch möglich, dem Markierungsgeber immer dann einen Impuls
zuzuführen, wenn der Markierungsdetektor am Ausgang der Meßstrecke eine Markierung
feststellt. In diesem Falle ist die Impulsfrequenz proportional zum Durchfluß.
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Sieht man etne Kopplung zwischen Markierungsdetektor und Markierungsgeber
vor, welche bewirkt, daß ein Markierungsimpuls gegeben wird, wenn der Markierungsdetektor
keine Markierung festrtellt, und daß kein Markierungsimpuls gegeben Vltrd wenn der
Markierungsdetektor eine Markierung feststellt, so werden Impulse erhalten, deren
Puls-Pausenverhältnis 1 : 1 ist und deren Frequenz ein Maß fUr die Größe des Durchflusses
ist. Dieses Verfahren
kann noch dadurch verbessert werden, daß das
Medium in unterschiedlicher Weise markiert wird, z. B. in den beiden entgegengesetzten
Richtungen polarisiert wird, und der Markierungsgeber derart angesteuert ist, daß
das Medium eine Polarisierung erhält, die der vom Detektor festgestellten entgegengesetzt
ist. Entgegengesetzte Wärmemarkierungen können mittels eines Peltier-Elementes erzeugt
werden.
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Anhand der Zeichnungen, in denen Ausführungsbeispiele dargestellt
sind, werden im folgenden die Erfindung sowie weitere Ausgestaltungen näher beschrieben
und erläutert.
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Es zeigen Figur 1 und 2 zwei schematische Schaltbilder von Anordnungen
zur Durchführung der erfindungsgemäßen Verfahren, die Figuren 3 bis 6 Durchflußmeßaufnehmer
für ein Verfahren, bei dem das Medium, dessen Durchfluß gemessen werden soll, polarisiert
wird und die Figuren 7 bis 10 Anordnungen zur DurchfUhrung der neuen Verfahren.
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In Figur 1 ist mit TG ein Taktgeber, z. B. ein Quarzoszillator, bezeichnet,
dessen Impulse einem Frequenzteiler FT zugeführt sind, an dem der eine Eingang einer
Torschaltung T1 angeschlossen ist. Deren Ausgangsimpulse werden in einem Impulsformer
IF zu Impulsen geformt, die zur Ansteuerung eines in einem Rohr RH1 angeordneten
Markierungsgebers MG1 geeignet sind. Der dem Markierungsge ber MG1 zugefUhrte Impuls
bewirkt, daß ein in einer Rohrleitung RH1 strömendes Medium an der Stelle des Gebers
MG1 polarisiert oder daß dessen Temperatur geändert wird.
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Diese Polarisations- oder Wärmemarkierung wandert mit dem Medium zu
einem Markierungsdetektor MD1, der bei Auftre-
ten der Markierung
ein Signal an einen Verstärker V1 gibt.
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Der zwischen dem Geber MG1 und dem Detektor MDI befindliche Teil des
Rohres RHI bildet die Meßstrecke MS. Der dem Markierungsgeber MG1 zugeführte Impuls
bewirkt nicht nur eine Markierung des Mediums, sondern setzt auch eine bistabile
Kippstufe BK1, die vom Ausgangssignal des Verstärkers V1 zurückgesetzt wird. Diese
Kippstufe ist damit so lange gesetzt, wie die Markierung braucht, um die Meßstrecke
zu durchlaufen. Diese Zeit wird dadurch gemessen, daß die Kippstufe BK1 im gesetzten
Zustand fUr die Taktimpulse des Taktgebers TG eine Torschaltung T2 freigibt, so
daß diese auf eine Rechenschaltung RE gelangen, welche die von der Torschaltung
T2 durchgelassene Impulszahl, die umgekehrt proportional zum Durchfluß ist, in den
Durchfluß, z. B. Liter pro Stunde, umrechnet. Der errechnete Wert wird von einer
Anzeigeeinheit AZ wiedergegeben.
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Das Ausgangssignal der bistabilen Kippstufe BK1 wird auf die Torschaltung
T1 rückgeführt, damit während der Zeit, in der eine Markierung vom Geber MGI zum
Detektor MDI unterwegs ist, keine zweite Markierung erfolgt. Der Markierungsgeber
MG1 und der Detektor MD1 sind im Falle, daß die Markierung eine Polarisation bzw.
Polarisationsänderung ist, zweckmäßig Kondensatoren, im Falle, daß die Markierung
in einer Temperaturänderung besteht, ist der Markierungsgeber MC1 ein Heizdraht
und der Detektor MD1 ein temperaturabhängiger Widerstand oder ein Thermoelement.
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Die Anordnung nach Figur 1 kann u. U. den Nachteil haben, daß Nullpunkts-
und Linearitätsfehler auftreten, da der Beginn der Meßzeit von dem Impuls an den
Markierungsgeber MG1 und das Ende der Meßzeit durch den Impuls vom Detektor MD1
bestimmt ist. In der Anordnung nach Figur 2 wird demgegenüber die Länge. der Meßstrecke
MS von zwei Detektoren MD2, MD3 bestimmt. Mit TG ist wieder der Takt-
geber
und mit FT der Frequenzteiler bezeichnet. Die in Figur 1 eingezeichnete Torschaltung
T1 und der Impulsformer IF sind der Einfachheit halber nicht dargestellt.
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Der Frequenzteiler FT speist daher unmittelbar einen Markierungsgeber
MG2, der in einem Rohr RH2 angeordnet ist.
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Die von diesem erzeugte und von der Strömung mitgenommene Markierung
wird von dem ersten Markierungsdetektor MD2 festgestellt, an den ein Verstärker
V2 angeschlossen ist, der wieder im Falle, daß der Detektor MD2 ein Kondensator
ist, einen hochohmigen Eingangswiderstand besitzt. Der von ihm abgegebene Ausgangsimpuls
setzt die bistabile Kippstufe BK1, die daraufhin die Torschaltung T2 fUr die Impulse
des Taktgebers TG freigibt. Erreicht die Markierung den Detektor MD3, d. h. hat
sie die Meßstrecke MS durchlaufen, setzt der Verstärker V3 die Kipp-Stufe BK1 zurück,
und die Torschaltung T2 ist gesperrt, so daß in die Rechenschaltung RE eine Impulszahl
eingegeben wurde, die der Laufzeit der Markierung durch die Meßstrecke MS proportional
ist. Diese Impulszahl wird vom Rechner RE in eine Durchflußmenge umgerechnet und
in der Anzeigeeinheit AZ wiedergegeben. Die Markierungsdetektoren MD2, MD3 können
wieder Kondensatoren oder temperaturabhängige Widerstände bzw. Thermoelemente sein.
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Die Figuren 3 und 4 zeigen einen Längs- und einen Querschnitt eines
Durchflußmeßaufnehmers. Der Meßaufnehmer verbindet zwei Leitungen L1 und L2. Er
besteht im wesentlichen aus einem Rohr mit rechteckförmigem Innenquerschnitt, an
dessen Breitseiten jeweils zwei einander gegenüberliegende Belegungen von Kondensatoren
C1, C2 angebracht sind, von denen der eine, C1, der Markierungsgeber-Kondensator
ist, der bei angelegter Spannung das den Meßaufnehmer durchströmende Medium polarisiert.
Der Markierungsdetektor-Kondensator C2 dient zum Nachweis der Polarisation. Das
Rohr RH3 besteht aus einem Stoff mit möglichst niedriger Dielektrizitätskonstante.
Der in den
Figuren 3 und 4 gezeigte Durchflußmeßaufnehmer ist besonders
zum Messen kleiner Durchflüsse geeignet.
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Für größere Durchflüsse kann ein Meßaufnehmer verwendet werden, der
in den Figuren 5 und 6 im Längs- und Qucrschnitt dargestellt ist. Dieser besteht
im wesentlichen aus einem Rohr RH4 mit kreisförmigem Innenquerschnitt.
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Markierungsgeber und Detektor werden von ringförmigen Kondensatoren
C3, C4 gebildet, die Jeweils aus zwei, in Strömungsrichtung hintereinander angeordneten
Ringen bestehen. Der Markierungsgeber-Kondensator C3 polarisiert einen Ring des
ihn durchströmenden Mediums, der, wenn er den Markierungsdetektor-Kondensator C4
durchwandert, in diesem eine Spannung influenziert, die mittels eines Verstärkers
mit hohem Eingangswiderstand verstärkt werden kann.
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In der Anordnung nech Figur 7 ist mit RH5 ein Rohr bezeichnet, in
dem ein Markierungsgeber-Kondensator C) und ein Markie~ungsdeteX+er-Kondensator
C6 angeordnct ind.
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An letzteren ist die Gate-Elektrode eines Sperrschicht-Feldeffekttransistors
FET angeschlossen, dessen Eingang widerstand z. B. 109 bis 10¹² Ohm beträgt. Mit
MOS-Feldeffekttransistoren können noch höhere Eingangswiderstände erreicht werden
Die an dessen Arbeitswiderstand R5 abfallende Spannung wird gegebenenfalls über
einen Störimpulseunterdrückenden Tiefpaß TP dem invertierenden Eingang eines als
Romparator dienenden Verstärkers V3 zugefUhrt. Dessen nicht invertierenden Eingang
ist von einem Spannungstcir R3, R4 eine konstante Spannung zugeführt. Bei fehlender
Polarisierung des durch den Kondensator C6 strömei:f2 Mediums erhält der Feldeffekttransistor
FET die ?anrung Null, und die dem invertierenden Eingang des Verstärkers V3 zugeführte
Spannung ist kleiner als die Spannung am nicht invertierenden Eingang. Damit tritt
am Ausgang Al eine positive Span-
nung auf, die über eine Zenerdiode
D und einen Widerstand R1 auf den Kondensator C5 gelangt und doxt eine Polarisierung
des Mediums bewirkt. Erreicht die Polarisation den Kondensator C6, erhält der Transistor
FET eine negative Spannung, die ihn sperrt, die Spannung am invertierenden Eingang
des Verstärkers V3 steigt, und seine Ausgangsspannung wird etwa Null, so daß nunmehr
keine Polarisation erfolgt. Dieser Schaltzustand bleibt so lange bestehen, bis der
nicht polarisierte Teil des Mediums den Kondensator C6 erreicht. Danach wiederholt
sich das Spiel von neuem, wobei am Ausgang Al Impulse entstehen, deren Puls-Pausenverhältnis
bei konstantem Durchfluß durch das Rohr RH5 1 : 1 beträgt und deren Frequenz dem
Durchfluß proportional ist. Die Zenerdiode D hat die Aufgabe, die am Ausgang A7
auftretende Restspannung von ca. 2 V zu sperren, damit am Kondensator C5 die Spannung
Null wird.
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Die Empfindlichkeit der Anordnung nach Figur 7 kann dadurch verbessert
werden, daß der Kondensator C5 in keiner Phase spannungslos ist, sondern daß er
in den beiden Arbeitsphasen entgegengesetzte Spannungen erhält, wodurch das Medium
entgegengesetzt polarisiert wird und sich das Vorzeichen der Spannung am Kondensator
C6 ändert. Die Amplitude der Spannung am Kondensator C6, an den ein Differenzverstärker
mit hohem Eingangswiderstand anzuschließen wäre, könnte dadurch verdoppelt werden.
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Eine weitere Verbesserung der Anordnung nach Figur 7 wird mit der
in Figur 8 schematisch dargestellten Anordnung erreicht, bei der in einem Rohr RH6
vier Kondensatoren C7, C8, C9, C10 untergebracht sind, von denen die Kondensatoren
C7, C9 als Markierungsgeber und die Kondensatoren C8, ClO als Markierungsdetektoren
denen. Die Abstände MS1, MS2 zwischen den Kondensatoren C7 und C8 bzw.
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C9 und C1O bilden die Meßstrecken und sollten gleich lang
sein.
Die eine Belegung der Kondensatoren C8, C10 liegt an Masse, die anderen an den Eingängen
eines Differenzverstärkers V4. An dessen Ausgang liegt eine Reihenschaltung aus
den Kondensatoren C7 und C9. Selbstverständlich können diese beiden Kondensatoren
auch parallel geschaltet sein. Es muß lediglich darauf geachtet werden, daß sie
das Medium so polarisieren, daß an den Kondensatoren C8 und C9 zur gleichen Zeit
immer entgegengesetzte Spannungen auftreten.
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Figur 9 zeigt schließlich eine Anordnung zur DurchfUhrung eines Verfahrens,
bei dem die Markierung des Mediums, dessen Durchfluß gemessen werden soll, Wärmeimpulse
sind.
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Einem Eingang T werden in zeitlich konstanten Abständen Taktimpulse
zugefUhrt, die Uber einen Inverter IV1 und einen Spannungsteiler mit den Widerständen
R6, R6' auf den Eingang einer aus zwei Transistoren TS1, TSX gebildeten Darlington-Schaltung
gelangen, an die ein Hoizelement H, z. B. ein Nickel-Chrom-Draht, angeschlossen
ist, der vom Medium umströmt ist. Die erwärmte Zone des Mediums gelangt nach einer
der Durchflußgeschwindigkeit entsprechenden Zeit auf einen temperaturabhängigen
Widerstand T, der im einen Zweig einer MeßbrUcke liegt. Die Brücke wird über Widerstände
R9, R10 aus einer Konstantspannungsquelle US gespeist. Im zweiten BrUckenzweig liegt
ein zweiter temperaturabhängiger Widerstand K, der zur Kompensation von Temperaturänderungen
des einströmenden Mediums dient. Er ist in den anderen Zweig der Brücke geschaltet,
die von weiteren Widerständen R7, Rn und einem Abgleichpotentiometer P ergänzt ist.
Den Fußpunkt der Brückenschaltung bildet der Abgriff eines Potentiometers P, so
daß im Falle von Änderungen der Umgebungstemperatur sich durch das Potentiometer
bedingte Temperaturfehler in etwa kompensieren. Die Spannung über der BrUckendiagonale,
die der Temperaturdifferenz des Mediums vor und nach dem Heizelement H entspricht,
ist
einem Differenzverstärker V4 zugeführt, dessen Ausgangssignal
auf einen Inverter IV2 gelangt, der den einen Eingang einer bistabilen Kippstufe
BK2 ansteuert, deren anderer Eingang die Taktimpulse T enthält.
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Erhält das Heizelement H keinen Strom, herrscht an den temperaturabhängigen
Widerständen K, T gleiche Temperatur, die Diagonalspannung der Brücke ist Null und
die bistabile Kippstufe BK2 ist so geschaltet, daß am Ausgang A2 "1"-Signal auftritt.
Mit der Zufuhr eines Taktimpulses wird das Heizelement H kurzzeitig erhitzt und
die Kippstufe BK2 umgeschaltet. Das Signal am Ausgang A2 wird daher 0". Erreicht
die erwärmte Zone den tempera--turabhEingigen Widerstand T, gibt der Inverter IV2
einen Umschaltimpuls auf die Kippstufe BK2, so daß deren Aus-,rangssignal wieder
"1" wird. Je größer der Durchfluß durch das Rohr 7 ist, um so kürzer ist die Zeit,
wolche die erwärmte Zone zum Durchlaufen der zwischen dem Ifeizelement H und dem
temperaturabhängigen Widerstand T befindlichen Meßstrecke braucht und damit auch
die Zeit, während der die Kippstufe BK2 "O"-Signal abgibt. Mit zunehmendem Durchfluß
wird daher auch das Puls-Pausenverhältnis am Ausgang A2 größer, so daß der Mittelwert
des Ausgangssignals unmittelbar ein Maß für den Durchfluß ist. Selbstverständlich
können auch Impulsdauern digital mit Hilfe von Taktimpulsen ermittelt werden, wie
es anhand der Figuren 1 und 2 beschrieben wurde.
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Anstelle der temperaturabhängigen Widerstände K, T kann auch ein oder
mehrere in Reihe geschaltete Thermoelemente verwendet werden, deren Lötstellen vor
und hinter dem Heizelement H liegen, so daß sie eine der Temperaturdifferenz entsprechende
Spannung abgeben, die mittels eines Differenzverstärkers auf das Überschreiten mit
einem vorgegebenen Wert verglichen werden kann.
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Die Anordnung nach Figur 9 kann dahin abgeändert wcid<n, daß auf
die Zufuhr von Taktimpulsen verzichtet wird und infolge Rückkopplung des Ausgangssignals
des Verstärkers V4 auf den Transistor TS1 eine selbstschwingendc Betriebsweise entsprechend
der der Anordnung nach figur 7 erreicht wird. Das Schaltbild einer solchen Anordnung
ist in Figur 10 dargestellt. Die Basis des Transis-tors TS1 liegt am Abgriff eines
Spannungsteilers fl11/R12, der vom Verstärker V4 gespeist ist. Die übrigen Bauelementc
der Anordnung nach Figur 10 sind nicht bezeichnet, da sie Bauelementen entsprechen,
die in der schon beschricbenen Anordnung nach Figur 9 verwendet sind.