DE3621529A1

DE3621529A1 - Vorrichtung zur messung der drehzahl des fluegelrades eines fluegelraddurchflussmessers fuer elektrolytische fluessigkeiten

Info

Publication number: DE3621529A1
Application number: DE19863621529
Authority: DE
Inventors: Dominique Judenherc
Original assignee: Aquametro AG
Current assignee: Aquametro AG
Priority date: 1986-04-15
Filing date: 1986-06-27
Publication date: 1987-10-22
Also published as: CH669664A5

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung der Dreh zahl des Flügelrades eines Flügelraddurchflussmessers für elektro lytische Flüssigkeiten, d. h. die Flügelradabtastung eines Flügelrad durchflussmessers nach dem Leitfähigkeitsprinzip.

Bei einem solchen Durchflussmesser sind im Gehäuse des Durch flussmessers drei Elektroden eingesetzt, die derart hintereinander angeordnet sind, dass der gegenseitige Winkelabstand benachbarter Flügel mindestens dem Abstand der beiden äusseren Elektroden, die je den gleichen Abstand zur mittleren Elektrode aufweisen, entspricht, und dass alle drei Elektroden so tief in den Flüssigkeitsraum eintau chen, dass durch die Flügel des sich drehenden Flügelrades der elek trische Widerstand zwischen zwei benachbarten Elektroden so geändert wird, dass bei einer an den beiden äusseren Elektroden angelegten Spannungsdifferenz die Spannung an der mittleren Elektrode zu- und abnimmt. Des weiteren ist eine Steuerelektronik vorhanden, die dazu dient, periodisch kurzzeitig eine Spannungsdifferenz an die beiden äusseren Elektroden anzulegen.

Eine derartige Vorrichtung ist aus der DE-PS 32 41 222 bekannt. Bei dieser bilden die Elektroden Teile einer Brückenschaltung, in der zwei gleichwertige Widerstände ein Bezugspotential (1/2 Versorgungs spannung) für den Operationsverstärker eines Synchrondemodulators und für einen Komparator erzeugen.

Das Bezugspotential wird mittels eines zwischen dem Verbindungs punkt von zwei Widerständen und dem Massenpunkt geschalteten Kon densators stabilisiert und gespeichert. Die an der mittleren Elektrode erzeugte Mittelspannung wird gleichzeitig mit dem Bezugspotential einem Synchrondemodulator zugeführt. Die Spannungsdifferenz ist nun ver stärkt, wobei die Ausgangsspannung des Verstärkers in einem Kon densator bis zum nächsten Impuls des Generators gespeichert wird.

Diese Kondensator-Spannung wird in einem Impedanzwandler weiter verstärkt. Ein Komparator bildet aus dem Ausgangssignal des Impedanzwandlers und aus dem Bezugspotential (1/2 Speisung) Impulse zur Drehzahlmessung. Der Nachteil dieser Auswerteschaltung liegt darin, dass ein in einem Kondensator gespeichertes Bezugspoten tial für den Synchrondemodulator und für den Ausgangskondensator dauernd hochstabil bleiben muss. Dieses Bezugspotential ist gegen Störungen durch externe Einflüsse sowie gegen Versorgungsspannungs- Schwankungen deswegen sehr empfindlich, weil das Spannungspoten tial nur während einer kurzen Zeit (beispielsweise alle 500 µs einmal während ca. 1 µs) über zwei gleichwertige Widerstände von der ange legten Versorgungsspannungen auf einem Kondensator erzeugt wird.

Falls zerstört, muss das Spannungspotential rekonstruiert werden; dies kann aufgrund der langen Zeitkonstante mehrere Sekunden dauern, was zur Verfälschung der Messung führt.

Im weiteren kann auch zu Schwierigkeiten führen, dass die Aus gangsspannung des Sychrondemodulators in einem Kondensator ge speichert ist. Dieser ist mit dem Ausgangs-Kondensator über einen Impedanzwandler / -Verstärker verbunden. Störungen auf dem Kon densator (sogenannte "Analog-Speicher") werden weiter verstärkt und können den Komparator schalten, was zur Verfälschung der Dreh zahlmessung führt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs ge nannten Art zu schaffen, die die vorstehend beschriebenen Nachteile nicht aufweist, die also insbesondere keinen als Analogspeicher dienen den Kondensator aufweist, die einen breiten Betriebsspannungsbereich aufweist und dazu nur einen geringen Energieverbrauch, der die Ver wendung einer handelsüblichen Batterie ermöglicht, aufweist, und die sich im übrigen so ausgestalten lässt, dass zu ihrer Realisierung nur wenige Bauelemente erforderlich sind, und die es auch ermöglicht, zur Stromversorung und zur Weiterleitung des Messsignals ein und das selbe Leiterpaar zu verwenden, also mit der Zweidrahtmethode zu arbeiten.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die erfindungsgemässe Vor richtung einen Verstärker für die an der mittleren Elektrode sich einstellende Spannung aufweist, wobei dieser Verstärker von der Steuerelektronik im Rhythmus, der dem Anlegen der Spannungsdifferenz an die äusseren Elektroden entspricht, so gesteuert wird, dass er höchstens während einer halben Periode der Steuerelektronik betriebs bereit ist und des weiteren dadurch, dass ein Digitalspeicher vorhanden ist, der das Vorzeichen der vom Verstärker gelieferten Spannungsimpulse so lange speichert bis ein Spannungsimpuls mit anderem Vorzeichen ein trifft.

Nachfolgend wird anhand der Zeichnung ein Aus führungsbeispiel beschrieben. In der Zeichnung zeigt

die Fig. 1 einen Schnitt durch einen erfindungsgemässen Flügelraddurchflussmesser,

die Fig. 2 eine Draufsicht auf diesen Durchflussmesser,

die Fig. 3 das elektrische Ersatzschaltbild der Elektroden und der sie umgebenden Flüssigkeit,

die Fig. 4 ein Blochdiagramm derjenigen Teile der elektrischen Schaltung zur Messung der Drehzahl des Flügelrades, die zweckmässigerweise in unmittelbarer Nähe des Durchflussmessers angeordnet sind,

die Fig. 5 bis 10 die zeitliche Änderung der Spannung der in der Fig. 4 mit V-X angegebenen Leitungspunkte und

die Fig. 11 ein Blochschaltbild für die Teile der elektrischen Schaltung, die sich für die Stromversorgung und die Abnahme des Signals verwenden lassen.

Der in den Fig. 1 und 2 dargestellte Flügelradzähler weist ein Gehäuse 1 auf, in welchem das Flügelrad 2 frei drehbar gelagert ist. Dieses weist im gezeichneten Ausführungsbeispiel neun Flügel 2 a aus nicht-leitendem Material auf. Drei Elektroden 3, 4 und 5 sind im Gehäuse derart hintereinander angeordnet, dass der gegenseitige Winkelabstand benachbarter Flügel 2 a mindestens dem Abstand der beiden äusseren Elektroden 3 und 5, die je einen gleichen Abstand zur Mittelelektrode 4 aufweisen, entspricht. Alle drei Elektroden 3, 4 und 5 tauchen so tief in den Flüssigkeitsraum ein, dass durch die Flügel 2 a des sich drehenden Flügelrades der elektrische Widerstand Z ₁ zwischen den Elektroden 3 und 4 sowie Z ₂ zwischen den Elektroden 4 und 5 geändert wird, wenn sich ein Flügel im Gebiet zwischen den Elektroden 3 und 4, bzw. 4 und 5 befindet.

Die symmetrische Zuordnung der äusseren Elektroden 3, 5 auf beiden Seiten der mittleren Elektrode 4 hat zur Folge, dass auch starke zeitliche Schwankungen der absoluten Leitfähigkeit der Flüssig keit praktisch ohne Auswirkung auf die Messergebnisse sind.

Die Elektrode 3 ist über einen Kondensator 8 und einen Schalter 9 mit der Speiseleitung 16 verbunden, wobei die Verbindungsstelle zwischen dem Kondensator 8 und dem Schalter 9 über einen Wider stand 6 an Masse gelegt ist. Analog dazu ist die Elektrode 5 über einen Kondensator 18 und einen Schalter 10 mit der Masse verbunden, wobei die Verbindungsstelle zwischen dem Kondensator 18 und dem Schalter 10 über einen Widerstand 7 mit der Speiseleitung 16 verbunden ist. Die beiden Schalter 9 und 10 werden je über eine Leitung 20 durch die Steuerelektronik 15 geschlossen und geöffnet. Die Elektrode 4 ist mit dem Verstärker 12 verbunden, bei welchem es sich um ein durch die Speiseleitung 16 gespiesenes C-MOS-Gatter handelt. Der Ausgang dieses Verstärkers 12 wird einem ebenfalls von der Speiseleitung 16 gespiesenen Schmitt-Trigger 13 zugeleitet, dessen Ausgang zum Eingang des durch die Steuerlogik 15 gesteuerten, von der Speiseleitung 16 gespiesenen Digitalspeicher 14 geführt ist. Es ist dabei ohne weiteres möglich, die Steuerlogik 15, den Schmitt-Trigger 13 und den Digital speicher 14 als ein einziges IC-Element 26 auszugestalten.

Die ganze Vorrichtung arbeitet wie folgt

Solange die Steuerlogik im Stillstand ist, d. h. kein Signal aus sendet, befinden wir uns im Zeitintervall t ₀ bis t₁ in den Fig. 5 bis 10. Die Elektroden 3, 4 und 5 weisen wegen der Leitfähigkeit der elektrolytischen Flüssigkeit Massenpotential auf, wobei zu beachten ist, dass das Gehäuse 1 des Flügelradzählers an Masse liegt. Jeder der beiden je mit einer der Elektroden 3 bzw. 5 verbundenen Konden satoren 8 und 18 hat wegen des mit ihm verbundenen Widerstandes 6, bzw. 7 eine definierte Spannung. Im Zeitpunkt t _1, der sich beispiels weise alle 1/2 ms wiederholt, schaltet, wie man aus der Fig. 5 ersehen kann, die Steuerleitung 21 den Verstärker 12 ein. Dieser Zustand bleibt bis zum Zeitpunkt t ₃ erhalten und dauert beispielsweise 50 us, wobei zu bemerken ist, dass die Steuerlogik 15 so bemessen sein muss, dass die Zeitdauer t ₁ bis t ₄ kleiner ist, als die halbe Zeitdauer, die ein Flügel 2 a benötigt, um von der Elektrode 3 zur Elektrode 4 zu gelangen. Da bei einem Durchflussmesser mit einem Anschlussrohr durchmesser von 15 mm ein Flügel 2 a ca. 6-8 ms benötigt, um von einer Elektrode zur benachbarten Elektrode zu gelangen, ist eine Periodendauer von 500 µs für die Steuerlogik kurz genug.

Vom Zeitpunkt t ₁ bis zum Zeitpunkt t ₂ beträgt die Spannung im Verstärkerausgang, wie aus der Fig. 8 zu ersehen ist, ca. 1/2 U _B, während der Ausgang des Schmitt- Triggers 13 in einem undefinierten Zu- stand sein darf, was in der Fig. 9 dargestellt ist.

Im Zeitpunkt t ₂ werden nun durch die Steuerlogik die Schalter 9 und 10 geschlossen und somit die Elektroden 3 und 5 über die Kon densatoren 8 bzw. 18 mit der Spannung +U _B bzw. -U _B versorgt, wie das in den Fig. 6 und 7 dargestellt ist. Dadurch wird an der Elek trode 4 ein Signal erzeugt, dessen Polarität und Amplitude von der Stellung der Flügel 2 a des Flügelrades 2 abhängig ist. Dieses Signal wird im Verstärker 12 verstärkt, sodass dessen Ausgang auf ungefähr U _B oder ungefähr 0 schaltet (wie das die Fig. 9 einerseits zwischen den Zeitpunkten t ₂ und t ₃ und andererseits zwischen den Zeitpunkten t ₅ und t ₆ zeigt) je nachdem, ob sich ein Flügel 2 a des Flügelrades 2 zwischen den Elektroden 3 und 4 bzw - 4 und 5 befindet.

Wenn nun im Zeitpunkt t ₃ die Schalter 9 und 10 wieder geöffnet werden, wird gleichzeitig der Ausgangszustand der Schmitt-Trigger 13 im D-Kippglied (14) ab gespeichert, wie das in der Fig. 10 dargestellt ist, und es wird, wie die Fig. 5 zeigt, der Verstärker 12 ausge schaltet. Auch werden, wie aus den Fig. 6 und 7 ersichtlich ist, die Elektroden 3 und 5 durch das genannte Öffnen der Schalter 9 und 10 von der Versorgungsspannung getrennt, was in den Fig. 6 und 7 dargestellt ist.

Wie sich aus dem Vorstehenden ergibt, betrifft das Zeitintervall t ₂ bis t ₃ einen Zustand, in welchem sich ein Flügel 2 a des Flügel rades 2 zwischen den Elektroden 3 und 4 befindet, während das Zeitintervall t ₅ bis t ₆ einen Zustand zeigt, in welchem sich ein Flü gel 2 a zwischen den Elektroden 4 und 5 befindet.

Weil die Arbeitszeitabschnitte t ₁ bis t ₃ und t ₄ bis t₆ so kurz zeitig sind, lässt sich ein Verstärker 12 mit niederohmigen Schalt kreisen verwenden, was zur Verringerung der Störanfälligkeit dient. Dabei ist es ohne weiteres möglich, die Schaltung so zu dimensionieren, dass die Speisespannung +U _B zwischen 3V und 12V liegen kann. Es lässt sich also eine Spannungsquelle verwenden, deren positiver Pol mit der Leitung 16 und deren negativer Pol mit der Massse ver bunden wird.

Es ist aber auch möglich, die Vorrichtung mit Fremdspannung über ein langes zwei-adriges Kabel zu versorgen.

Weil zum Betrieb des vorstehend beschriebenen Ausführungs beispiel der Erfindung nur während verhältnismässig kurzer Zeiten ein nur kleiner Strom nötig wird und weil die Arbeitsweise dieser von Schwankungen der Speisespannung unabhängig ist, kann eine Spannungsquelle mit verhältnismässig grossem Innenwiderstand ver wendet werden. Dies ermöglicht es, die von einer ausserhalb der Vorrichtung angeordneten Spannungsquelle zu den einzelnen Elementen dieser Vorrichtung führende Leitung 16 gleichzeitige als Signalleitung zur Übertragung der Signale von dieser Vorrichtung zum Ort der Spannungsquelle zu verwenden, wie das nachfolgend anhand des in der Fig. 11 dargestellten Prinzipschemas beschrieben wird: Die durch die Spannungsquelle 24 zur Verfügung gestellte Spannung von beispielsweise 8V wird durch einen Spannungsteiler, gebildet aus dem Widerstand 23 und dem aus den beiden Widerständen 19 und dem Transistor 17 bestehenden schaltbaren Widerstand 25 unterteilt, wobei je nach dem Zustand des D-Kippgliedes 14 der schaltbare Widerstand 25 den einen oder anderen von zwei diskreten Widerstandswerten annimmt. Die Anzahl der zwischen den beiden Widerständen 23 und 25 auftre tenden Spannungsänderungen ist nun ein Mass für die Dreh zahl des Flügelrades 2, das sich mit einer an sich bekannten Vor richtung weiter erarbeiten lässt. Dabei ist die Leitung 16 über eine mit 28 bezeichnete Gleichrichter-Kondensator-Anordnung zum Glätten an den Verbindungspunkt 27 zwischen den beiden vorgenannten Widerständen 23 und 25 angeschlossen.

Claims

1. Vorrichtung zur Messung der Drehzahl des Flügelrades (2) eines Flügelraddurchflussmessers für elektrolytische Flüssigkeiten, bei welchem drei Elektroden (3, 4, 5) derart hintereinander angeordnet sind, dass der gegenseitige Winkelabstand benachbarter Flügel (2 a) mindestens dem Abstand der beiden äusseren Elektroden (3, 5), die je den gleichen Ab stand zur mittleren Elektrode (4) aufweisen, entspricht, und dass alle drei Elektroden (3, 4, 5) so tief in den Flüssigkeitsraum eintauchen, dass durch die Flügel (2 a) des sich drehenden Flügelrades (2) der elektrische Widerstand zwischen zwei benachbarten Elektroden (3/4, 4/5) so geändert wird, dass bei einer an den beiden äusseren Elektroden (3, 5) anglegten Spannungsdifferenz die Spannung an der mittleren Elektrode (4) zu- und abnimmt, sowie mit einer Steuerelektronik (15) zum periodischen kurzzeitigen Anlegen der Spannungsdifferenz an die beiden äusseren Elektroden (3, 5), gekennzeichnet durch einen Ver stärker (12) für die an der mittleren Elektrode (4) sich einstellende Spannung, wobei dieser Verstärker (12) von der Steuerelektronik (15) im Rhythmus, der dem Anlegen der Spannungsdifferenz an die äusseren Elektroden (3, 5) entspricht, so gesteuert wird, dass er höchstens während einer halben Periode der Steuerelektronik betriebsbereit ist, und des weiteren gekennzeichnet durch einen Digitalspeicher (14), der das Vorzeichen der vom Verstärker (12) gelieferten Spannungsim pulse so lange speichert, bis ein Spannungsimpuls mit anderem Vor zeichen eintrifft.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerlogik (15) so ausgebildet ist, dass das Intervall zwischen zwei Einschaltungen des Verstärkers höchstens 1 ms, vorzugsweise aber höchstens 500 µs beträgt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch ge kennzeichnet, dass die Steuerlogik (15) so dimensioniert ist, dass der Verstärker höchstens während 10% der Messzeit, vorzugsweise höchs tens während 1% der Messzeit in Betrieb steht.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärker (12) ein C-MOS-Gatter ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Verstärker (12) und dem Digital speicher (14) ein Schmitt-Trigger (13) angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass Steuerlogik (15), Schmitt-Trigger (13) und Digitalspeicher (14) als ein einziges IC-Element (26) ausgebildet sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei welcher jede der beiden äusseren Elektroden (3, 5) je über einen Konden sator (8, 18) und einen Schalter (9, 10), der durch die Steuer logik (15) kurzzeitig geschlossen gehalten wird, mit der Leitung (16, Masse) verbunden ist, die zum Anlegen der Spannungsdifferenz dient, dadurch gekennzeichnet, dass jeweilen der Verbindungspunkt (9/8, 10/18) zwischen Schalter und Kondensator über einen Wider stand (6, 7) mit der der anderen Elektrode zugeordneten Versorgungs leitung (Masse, 16) verbunden ist.