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Dokumentenidentifikation DE69223938T2 30.04.1998
EP-Veröffentlichungsnummer 0553550
Titel Durchflussmesser mit akustischer Verschiebung
Anmelder J & W Scientific Inc., Folsom, Calif., US
Erfinder Woodward, W. Stephen, Chapel Hill, North Carolina 27514, US
Vertreter Bardehle, Pagenberg, Dost, Altenburg, Frohwitter, Geissler & Partner Patent- und Rechtsanwälte, 81679 München
DE-Aktenzeichen 69223938
Vertragsstaaten BE, DE, FR, GB, IT, LU, NL
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 20.11.1992
EP-Aktenzeichen 923106231
EP-Offenlegungsdatum 04.08.1993
EP date of grant 07.01.1998
Veröffentlichungstag im Patentblatt 30.04.1998
IPC-Hauptklasse G01F 3/02
IPC-Nebenklasse G01F 3/20   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Fluiddurchflußmeßvorrichtungen. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf Fluiddurchflußmeßvorrichtungen zum Liefern elektrischer Signale, die für die Fluidströmung kennzeichnend sind.

Im Bereich des Standes der Technik für die elektronische Messung von Fluidströmungen gibt es viele Techniken. Typischerweise erfordern solche Techniken Vorkenntnisse der physikalischen Eigenschaften des zu messenden Fluids, damit das Meßinstrument geeicht werden kann. Typische Beispiele solcher physikalischen Parameter sind die spezifische Wärmekapazität, die Kompressibilität, die Dichte, die Viskosität und die thermische Leitfähigkeit des Fluids. Viele dieser physikalischen Parameter hängen ihrerseits von der Zusammensetzung des Fluids ab. Bei Anwendungen, bei denen die Fluidzusammensetzung unbekannt oder in einer nicht voraussagbaren Weise variabel ist, sind solche Techniken sowohl ungenau, als auch ungeeignet.

Zusätzliche Nachteile, die vielen bekannten Techniken eigen sind, umfassen Begrenzungen in dem Bereich der Durchflußraten, in welchem genaue Messungen zuverlässig durchgeführt werden können, manchmal als "Turn- Down Ratio" (Mindestdurchsatzmenge) bezeichnet, sowie die Erzeugung eines nicht akzeptablen Vorvakuumdruckes im Fluidweg, wenn der Durchflußmesser angeschlossen und betriebsbereit ist.

Bei dem Versuch, die vorgenannten Nachteile des Standes der Technik zu überwinden, sind Durchflußmesser entwickelt worden, die weniger empfindlich auf physikalische Parameter des Fluids ansprechen. Ein Durchflußmesser dieser Klasse wird allgemein als Durchflußmesser des Positivverschiebungstyps bezeichnet. Bei einem Positivverschiebungs-Durchflußmesser wird das Fluid, dessen Strömung gemessen werden soll, periodisch in einer getrennten Umschließungskammer, wie etwa einem Zylinder mit einem dicht ansitzenden Kolben, dessen Volumen mit einer Rate entsprechend der Strömung des Fluids (beispielsweise durch Verschiebung des Kolbens) akkumuliert. Durch Messen der Zuwachsrate des eingeschlossenen Volumens (beispielsweise durch Erzeugen eines Signals, das für die Größe der Verschiebung des Kolbens kennzeichnend ist), kann die Fluiddurchflußrate berechnet werden. Wenngleich sich spezifische Einzelheiten der Durchflußmesser (wie etwa die Art des Definierens des eingeschlossenen Volumens und die Technik der Umwandlung der Rate der Volumenänderung) in Abhängigkeit vom Stil und von der Anwendung eines gegebenen Positivverschiebungs-Durchflußmessers unterscheiden, besitzen alle diese Durchflußmesser die wünschenswerte Eigenschaft einer annehmbaren Genauigkeit bei der Fluidströmungsmessung, unabhängig von den physikalischen Parametern des gemessenen Fluids. Ein schwerwiegender Nachteil bei bekannten Positivverschiebungs-Durchflußmessern ist jedoch die Störung der Fluidströmung, die durch die Notwendigkeit der Verschiebung der beweglichen Oberfläche der Einschließungskammer verursacht wird, um das Meßsignal zu erzeugen. Dies ruft eine Vorvakuumdruck-Charakteristik hervor, die solche Durchflußmesser für die Verwendung bei jeder Anwendung ungeeignet machen, die auf die periodische Eingabe eines Fluidströmungs-Vorvakuumdruckes ansprechen.

Ein Gasdurchflußmesser des Positivverschiebungstyps, der entwickelt worden ist, um die Wirkung des nachteiligen Vorvakuumdrucks zu verringern, ist der Positivverschiebungs-Durchflußmesser des Seifenfilmtyps. Bei diesem Durchflußmessertyp ist das eingeschlossene Volumen durch ein glattwandiges zylindrisches Rohr begrenzt, das typischerweise aus transparentem Glas hergestellt wird. Das Rohr besitzt ein Einlaßende, das an das Gas angeschlossen ist, dessen Strömung gemessen werden soll, sowie ein Auslaßende, das zur äußeren Umgebung hin offen ist. In der Nähe des Einlaßendes befindet sich eine Anordnung zum Einführen eines Seifenfilms, der durch die vorrückende Gasströmung entlang des inneren Volumens des Rohres getrieben werden soll. Optische Sensoren, die an vorbestimmten Stellen entlang des Rohres angeordnet sind, messen die Durchgangs- bzw. Transitzeit des entlang des Inneren des Rohres verschobenen Seifenfilms, und dieser Zeitwert wird unter Benutzung eines bekannten Algorithmus in eine Fluiddurchflußrate umgewandelt. Aufgrund der Tatsache, daß sich nur relativ schwache Viskositätskräfte und Oberflächenspannungswirkungen der Bewegung des Seifenfilms und somit dem Fluße des Gasstromes widersetzen, sind die bei diesem Durchflußmessertyp erzeugten Vorvakuumdrücke im allgemeinen genügend niedrig, um akzeptiert zu werden. Darüber hinaus besitzt der Seifenfilm-Durchflußmesser einen dynamischen Meßbereich, der wesentlich größer als derjenige anderer Positivverschiebungs-Durchflußmesser ist (typischerweise im Bereich von etwa 0,5 bis etwa 500 MI/min). Außerdem ist dieser Durchflußmesserstyp relativ billig herzustellen und zu warten. Der Hauptnachteil des Seifenfilm-Durchflußmessers besteht in der Bedingung, daß der Seifenfilm periodisch erzeugt, in den Fluidstrom eingegeben und irgendwie abgesaugt werden muß. Die Erzeugung des Seifenfilms erfolgt typischerweise mit Hilfe einer manuell betätigten Blasenerzeugungsvorrichtung, die die Gegenwart eines menschlichen Bedieners erfordert und einen automatischen oder unbeaufsichtigten Betrieb verhindert. Weiter ist die Strömung aufgrund der Tatsache, daß der nasse Film in den Gasstrom eingeleitet wird, mit Wasserdampf kontaminiert, was bei vielen Durchlauf- bzw. Fließanwendungen, die Gase umfassen, ungeeignet ist. Darüber hinaus ist der Durchflußmesser des Seifenfilmtyps für jegliche Anwendungen von Durchflußmessern, an denen Flüssigkeiten beteiligt sind, völlig ungeeignet.

Das Dokument "Research Disclosure", Band 64, Nr. 183, Juli 1979, S. 398 "Liquid Displacement Gas Meter" beschreibt eine Anordnung, bei der Fluid aus einem Durchflußweg zu einem Wandler in Form eines U-Rohres sowie Detektoren gelenkt wird, die Signale in Abhängigkeit vom Flüssigkeitsniveau im Rohr erzeugen.

Die Druckschrift WO-A-81/02629 offenbart einen Durchflußmesser mit Wandlern, die zum Empfangen eines aus einem Durchflußweg abgeleiteten Fluids und zum Erzeugen von Signalen angeordnet sind, aus denen die Durchflußrate bestimmt wird.

Die Druckschrift DE-A-2 747 738 offenbart einen Durchflußmesser, bei dem durch Schließen eines Ventils der Fluidstrom zu einem Wandler gelenkt wird, der ein die Durchflußrate darstellendes Signal erzeugt.

Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren zum Bestimmen der Durchflußrate eines Fluids, das entlang eines Durchflußweges fließt, geschaffen, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:

(a) Herbeiführen einer Fluidströmung entlang des Durchflußweges;

(b) Richten der Strömung des Fluids auf einen Wandler, der ein Verschiebungselement für eine variable Zeitperiode aufweist;

(c) Erzeugen eines Signals vom Wandler, das für die Verschiebung des Verschiebungselementes aufgrund der Fluidströmung kennzeichnend ist; und

(d) Benutzen des Wandlersignals, um die Fluiddurchflußrate zu bestimmen;

dadurch gekennzeichnet,

daß der Durchflußweg einen Zweig aufweist und der Wandler in dem Zweig plaziert ist;

daß die Strömung des Fluids durch Einengen des Durchflußweges stromabwärts des Zweiges zum Wandler hin gerichtet ist;

daß das vom Wandler gelieferte Signal erzeugt wird, während der Durchflußweg eingeengt ist; und

gekennzeichnet durch den Schritt der Wiederherstellung der Fluidströmung entlang des Durchflußweges durch Beseitigen der Einengung nach Ablauf der variablen Zeitperiode.

Weiter wird gemäß der Erfindung eine Durchflußmeßvorrichtung zum Bestimmen der Durchflußrate eines Fluids in einem Weg geschaffen, wobei die Vorrichtung aufweist:

ein steuerbares Ventil zum Steuern der Durchflußrate des Fluids in dem Wege;

ein Verschiebungswandler, mit einem Fluideinlaß, der an den Fluidweg angeschlossen ist, einem Verschiebungselement, und einem Signalausgang zum Liefern eines Signals, das für die Bewegung des Verschiebungselementes aufgrund des Eintritts von Fluid durch den genannten Einlaß kennzeichnend ist; und

Recheneinrichtungen mit einem an den Signalausgang des Verschiebungswandlers angeschlossenen Eingang, und

dadurch gekennzeichnet, daß

der Fluideinlaß des Verschiebungswandlers an einen Zweig des Fluidweges angeschlossen ist, wobei dieser Zweig stromaufwärts des steuerbaren Ventils plaziert ist; und daß

die Berechnungseinrichtungen ausgelegt sind, um ein erstes Steuersignal zum Steuern des steuerbaren Ventils mit dem Ziel zu erzeugen, den Durchhflußweg einzuengen, um: Fluid in den genannten Zweig und den Fluideinlaß für eine variable Zeitperiode abzulenken; das Signal vom Signalausgang des Verschiebungswandlers zu empfangen, welches für die Verschiebung des Verschiebungswandlers aufgrund der Fluidrate während der Einengung des Durchflußweges kennzeichnend ist; die Fluiddurchflußrate unter Benutzung des vom Signalausgang gelieferten Signals zu berechnen; und ein zweites Steuersignal zu erzeugen, um das steuerbare Ventil zum Wiederherstellen der Fluidströmung entlang des Weges nach der variablen Zeitperiode zu steuern.

Weiter sind bevorzugte Merkmale der Erfindung in den abhängigen Ansprüchen definiert.

Auf diese Weise erfordert der Durchflußmesser des Positivverschiebungstyps keine Vorkenntnis der physikalischen Parameter des Fluids; er führt keinen wesentlichen Vorvakuumdruck in den Fluiddurchflußweg ein; er bringt keine Kontamination in den Fluidweg; er besitzt einen weiten Dynamikbereich meßbarer Durchflußraten, der mit einer großen Vielfalt von Gas- und Flüssigkeits-Fluiddurchflußanwendungen kompatibel ist und der einen vollautomatischen Betrieb durchführen kann.

Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nunmehr unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.

Fig. 1 ist ein schematisches Blockdiagramm, das die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht;

Fig. 2 ist ein Zeitdiagramm, das den Betrieb der Ausführungsform der Fig. 1 veranschaulicht; und

Fig. 3 ist ein detailliertes Schaltschema der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.

Bezug nehmend auf die Zeichnungen ist Fig. 1 ein schematisches Blockdiagramm, das die Haupteinheiten veranschaulicht, welche die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung umfassen. Wie in der Figur zu sehen ist, umfaßt ein Abschnitt eines Fluiddurchflußweges einen Einlaß 11, in den ein Fluid, entweder ein Gas oder eine Flüssigkeit, eingeleitet wird, sowie einen Strömungsauslaß 12, der mit dem stromabwärts gelegenen Abschnitt des Fluidströmungsweges verbunden ist. Ein elektrisch betätigbares Strömungseinengungsventil 14 ist stromaufwärts des Auslasses 12 und stromabwärts des Einlasses 11 positioniert. Der Abschnitt des Fluiddurchflußweges zwischen dem Einlaß 11 und dem Ventil 14 ist bei 15 abgezweigt, und der untere Abschnitt 16 ist mit der Einlaßöffnung 11 eines Verschiebungswandlers 20 verbunden. Demgemäß ist das Ventil 14 stromabwärts des Wandlers 20 plaziert.

Das Strömungseinengungsventil 14 ist vorzugsweise ein normalerweise geöffnetes Ventil, wie etwa ein Ventil des Typs C 42533, das von der Edmund Scientific Co., 101 Gloucester Pike, Barrington, NJ 08007 erhältlich ist. Dieses Ventil wird durch eine Ventilsteuereinheit 18 gesteuert, die ein mit VENTIL EIN benanntes Steuersignal von einer Mikrocomputereinheit 30 empfängt. Das Ventil 14 wird durch die Ventilsteuereinheit 18 in den geschlossenen Zustand versetzt, wann immer das VENTIL-EIN-Signal, dargestellt in Fig. 2, sich im dargestellten aktiven Zustand befindet.

Der Verschiebungswandler 20, der vorzugsweise aus einem hochgradig nachgiebigen, akustischen Verschiebungswandler besteht, wie etwa ein von der Mouser Electronics Co., 12 Emery Ave., Randolf, NJ 07869 erhältlichen Wandler vom Typ 255P223, erzeugt ein elektrisches Signal, das in Fig. 2 mit S bezeichnet ist, auf einer Signalausgabeleitung 21. Das Verschiebungswandler-Ausgangssignal auf dem Ausgangsleiter 21 ist über einen Kondensator 23 an den Signaleingang einer angesteuerten Integratoreinheit 25 angeschlossen. Die angesteuerte Integratoreinheit 25 wird durch ein vom Mikrocomputer 30 geliefertes Integrator-Freigabesignal gesteuert, was im allgemeinen nach Ablauf einer festgesetzten Zeitperiode nach dem Beginn des VENTIL EIN-Freigabesignals erfolgt. Der Zweck dieser Verzögerung zwischen den beiden Signalen besteht darin, eine Einschwingzeit zum Maskieren der auf der Ausgangssignalleitung 21 des Verschiebungswandlers vorhandenen anfänglichen Transientsignale zu schaffen. Der Ausgang des angesteuerten Integrators 25 ist an den Signaleingang eines A/D-Umsetzers 27 angeschlossen, der ebenfalls im einzelnen in Fig. 3 dargestellt ist.

Der A/D-Umsetzer 27 besitzt einen Abtast-Steuersignaleingang, der die Abtastrate steuert, wobei das Abtastsignal durch den Mikrocomputer 30 geliefert wird. Die vom Umsetzer 27 periodisch ausgegebenen digitalen Abtastproben werden an einen dedizierten Eingangsanschluß des Mikrocomputers 30 geliefert.

Die dem A/D-Umsetzer 27 zugeführte Leistung wird durch eine Leistungssteuereinheit 29 gesteuert, welche ein LEISTUNG-EIN-Steuersignal vom Mikrocomputer 30 empfängt, und der einen manuell betätigbaren Schalter 32 umfaßt, welcher die manuelle Steuerung des Anfangs der Meßoperation freigibt.

Der Mikrocomputer 30 besitzt einen Ausgangsanschluß, der über Verbindungen 36 an eine Anzeigeeinheit 35 angeschlossen ist, um die sichtbare Darstellung der Rechenergebnisse und des Status des Systems zu ermöglichen. Bei der bevorzugten Ausführungsform ist der Mikrocomputer 30 ein bei der Zilog Inc., 1315 Dell Ave., Campbell, CA 95008 erhältlicher Mikrocomputer des Typs Z84C004 mit der in Fig. 3 veranschaulichten Konfiguration.

Die Versorgungs- bzw. Leistungsregulierung wird durch eine Leistungseinstelleinheit 38 durchgeführt, die im einzelnen in Fig. 3 dargestellt ist. Im Betrieb wird der zu messende Fluidstrom dem Einlaß 11 zugeführt und durchquert normalerweise das normalerweise offene Ventil 14 bis zum Auslaß 12. Solange also das Ventil 14 spannungslos bleibt, ist der Weg hindernisfrei, und der einfließende Strom kann frei durch den Auslaß 12 austreten. Wenn aber das Ventil 14 als Reaktion auf den Empfang eines VENTIL-EIN-Aktivsignals seitens der Ventilsteuereinheit 18 unter Spannung gesetzt wird, leitet das Ventil 14 den Fluidstrom durch die Öffnung 16 in den Verschiebungswandler 20. Bei der bevorzugten Ausführungsform umfaßt der Verschiebungswandler zwei akustische Mylar-Diaphragmen (wie etwa Audio-Kopfhörerelemente), die frontal montiert sind, so daß das Fluid in eine durch die beiden Diaphragmen umgrenzte Kammer eingeleitet werden kann. Die elektromagnetischen Ausgangsspulen der Wandler (in Fig. 3 dargestellt) sind elektrisch in Reihe geschaltet, so daß die durch die strömungsinduzierte Bewegung der Diaphragmen erzeugten elektrischen Signale phasengleich sind und sich positiv summieren. Allerdings erzeugen Bewegungen der Diaphragmen aufgrund mechanischer Vibrationen und Umweltgeräusche Signale gleicher Amplitude, aber entgegengesetzter Polarität, die sich, zusätzlich zur Herstellungstoleranz der Elemente, überlagern und löschen. Dies führt zu einer substantiellen Verbesserung der Meßstabilität. Als Ergebnis des in die Wandlerkammer abgeleiteten Fluids werden die Diaphragmen in entgegengesetzte Richtungen verschoben und erzeugen dadurch ein elektrisches Signal proportional zur Akkumulationsrate des Fluids und somit des Durchflusses. Da die Periode des Geschlossenseins des Ventils mit der sich daras ergebenden Fluiddurchflußableitung und Diaphragmaverschiebung so kurz ist, daß sie im Bereich akustischer Frequenzen liegt, und wegen der positiven Art der Verschiebung des Durchflußmessers, ist für diese Erfindung der Ausdruck akustische Verschiebung kreiert worden.

Nachdem das Ventil 14 durch die Ventilsteuereinheit 18 als Antwort auf das VENTIL-EIN-Signal freigegeben worden ist, erfährt das Ventil 14 einen Übergang vom voll geöffneten Zustand zum voll geschlossenen Zustand. Die Zeitperiode, während der dies geschieht, ist in Fig. 2 mit T1 bezeichnet. Wenn das Ventil 14 schließt, beginnt der Verschiebungswandler 20, das Ausgangssignal S zu erzeugen. Der Anfangsabschnitt ist ein Einschwing- bzw. Transientabschnitt, und die Erfindung ist so gestaltet, daß dieser Transientabschnitt des Signals nicht berücksichtigt wird. Zu diesem Zweck ist eine weitere Zeitperiode T2 vorgesehen, während der das vom Wandler 20 gelieferte Ausgangssignal S unbeachtet bleibt. Die Art, in der die Zeitperiode T2 gewählt wird, wird unten beschrieben. Nach Ablauf des Anfangsabschnittes wird die Integratoreinheit 25 zu Beginn der Periode T3 freigegeben, so daß der Integrator Anstiege mit einer Rate ausgibt, die durch die Größe des Verschiebungswandlersignals S bestimmt wird. Das Integratorausgangssignal I wird periodisch als Antwort auf den Empfang des AD-Umsetzer-Abtastsignals durch den A/D-Umsetzer 27 abgetastet. Die sich ergebenden Abtastwerte werden an die Mikrocomputereinheit 30 für die Berechnung in der weiter unten beschriebenen Weise geliefert. Die Anzahl der Abtastproben n, die bei der bevorzugten Ausführungsform mit einer Rate von 1,09 Millisekunden erzeugt werden, ist nicht fixiert, sondern wird in der unten beschriebenen Weise bestimmt. Nachdem die letzte Probe erhalten worden ist, wird das Ventil 14 durch den Mikrocomputer 30 abgeschaltet und kehrt in die normal offene Position zurück. Während dieser inaktiven Periode T0 führt der Mikrocomputer 30 andere Steuerfunktionen durch, wie etwa das Abtasten des Zustandes des Steuerschalters 32 durch die Leistungssteuereinheit 29, um zu bestimmen, ob der Schalter 32 erneut aktiviert worden ist. Außerdem kann der Mikrocomputer 30 den Zustand der Batterie 40 für die Leistungsversorgung des Systems abtasten um zu bestimmen, ob ein niedriger Batterieladezustand besteht. Falls dies der Fall ist, kann der niedrige Batterieladezustand auf der Anzeigeeinheit 35 dargestellt werden.

Bei der bevorzugten Ausführungsform erfordert eine einzelne Durchflußprobe die Anwendung des in Fig. 2 dargestellten Vierphasen-Meßzyklus. Dieser Zyklus wird durch den Mikrocomputer 30 zeitlich wie folgt abgestimmt. Die erste Phase T0 hat bei der bevorzugten Ausführungsform eine festgesetzte Dauer von annähernd 450 Millisekunden. In dieser Phase ist das Ventil 14 abgeschaltet, der A/D-Umsetzer 27 ist freigegeben, und der Integrator 25 bleibt im rückgesetzten Zustand. Wegen dieses anhaltenden Rücksetzzustandes des Integrators 25 und der durch den Kondensator 23 für das Wandlerausgangssignal geschaffenen Wechselstromkopplung wird während dieser Phase jeder Gleichspannungsoffsetfehler, der am Integratoreingang auftritt, auf Null gebracht. Wegen des geöffneten Zustandes des Ventils 14 wird es jedem vorherigen Fluid, das sich während früherer Meßzyklen angesammelt hat, ermöglicht, durch den Auslaß 12 auszutreten; und den Diaphragmen im Verschiebungswandler 20 wird es ermöglicht, sich in die nicht verschobenen Positionen hinein zu entspannen.

Die zweite Phase des Meßzyklus T1 hat bei der bevorzugten Ausführungsform eine festgesetzte Dauer von 10 Millisekunden. Während dieser Phase wird das Solenoidventil 14 durch die Ventilsteuereinheit 18 mit Energie versorgt. Aufgrund der mechanischen Verzögerung, die dem angewandten spezifischen Ventil eigen ist, führt die Zufuhr von Energie an das Ventil zum Schließen des Ventils und zur Ablenkung der Strömung in die zwischen den Diaphragmen befindliche Kammer der Wandler. Für das bei der bevorzugten Ausführungsform verwendete Ventil sind zur Durchführung dieser Operation annähernd 7 Millisekunden erforderlich. Die erlaubten zusätzlichen 3 Millisekunden sind dazu bestimmt, Unsicherheiten im Rahmen der Ventilbetätigungsverzögerung aufzufangen, die aus Fluktuationen der Energieversorgung und durch mechanische Veränderungen entstehen. Das Schließen des Ventils 40 verursacht eine spürbare schwingungsspezifische Störung des Verschiebungswandler-Ausgangssignals S. Bei kleineren Durchsatzraten (bei der bevorzugten Ausführungsform bis zu 128 ml pro Minute), kann diese Störung sehr groß sein im Vergleich zum Ausmaß der Wandlerverschiebung durch die gemessene Strömung. Würde diese Anfangsamplitude in die Strömungssignalakquisition einbezogen, könnte die Meßgenauigkeit erheblich beeinträchtigt werden. Um diese potentielle Fehlerquelle auszuschalten, wird durch den Mikrocomputer 30 eine dritte Phase T2 des Meßzyklus hinzugefügt. Die Dauer der Phase T2 wird durch den Mikrocomputer 30 gemäß dem nachfolgenden Algorithmus berechnet:

1. Lasse f=gemessener Durchfluß in ml/min vom vorhergehenden Meßzyklus fließen (setze f=0, falls kein solcher Durchflußwert verfügbar ist, wie es kurz nach dem Einschalten der Fall ist).

2. Falls f≥ 128 ml/min ist, dann ist T2=0.

3. Falls f< 128 ml/min ist, dann ist T2=[(128-f)/12,8] Millisekunden.

Die Dauer von T2 verringert sich also von 10 Millisekunden auf 0, wenn der Durchfluß von 0 auf 128 ml/min ansteigt. Die zum Abdämpfen der Ventilbetätigungsstörung bei niedrigen Durchflüssen gewährte Zugabezeit bewirkt eine wichtige Verbesserung der Meßstabilität. Bei hohen Durchflüssen (> 128 ml/min) wird das durchflußbezogene Signal jedoch so groß, daß mögliche störungsbezogene Fehler relativ folgenlos sind und eine Dauer T2 über Null unnötig ist.

Darüber hinaus wäre eine T2 über Null für die Meßgenauigkeit bei hohen Durchflußraten tatsächlich schädlich. Diese Erscheinung ergibt sich aus dem Bewegungsbereich, der den Wandlerdiaphragmen zur Verfügung steht. Die bei der bevorzugten Ausführungsform verwendeten Wandler weisen für lineare Messungen eine Verschiebungsgrenze von annähernd 0,1 ml auf. Wenn es zugelassen würde, daß sich im Laufe eines Meßzyklus ein größeres Volumen als dieses ansammelte, werden die Mylar-Diaphragmen so weit von ihrer Ruheposition weg verschoben, daß die konstante Beziehung zwischen der Diaphragmabewegung und der Wandler-Ausgangssignalamplitude nicht mehr bestünde, so daß die Durchflußmessung verfälscht würde. Weil angestrebt wurde, daß bei dem Durchflußmesser der bevorzugten Ausführungsform der Bereich der akkuraten Durchflußmessung sich über 1000 ml/min. = 16,7 ml/sek. = 0,0167 ml/msec. erstrecken sollte, und die Kapazität des Wandlers 0,1 ml beträgt, ist die Größe des maximalen Gesamtdurchfluß-Verschiebungsintervalls 0,1/0,0167 = 6 msec bei 1000 ml/min. Weil die Größe des Gesamtdurchfluß-Verschiebungsintervalls die Summe:

(T1-Ventilbetätigungsverzögerung) +T2+T3

ist, kann kein feststehender Wert für T2 mit allen Durchflußmeßbereichen kompatibel sein. Beispielsweise würde ein feststehender Wert von 10 msec für T2 bei einem Durchfluß von 462 ml/min. die verfügbare Wandlerverschiebungskapazität "verbrauchen", selbst wenn für T3 eine Dauer von Null angenommen wird.

Die vierte und letzte Phase T3 des Meßzyklus ist diejenige Phase, während der die durchflußbezogene Signalakquisition konkret stattfindet. Die Dauer von T3 kann bei der bevorzugten Ausführungsform von einem Minimum von 2,8 Millisekunden bis zu einem Maximum von 43,6 Millisekunden als Funktion der Durchflußrate variieren. Dies ist durch das Verfahren bedingt, das benutzt wird, um die analoge Ausgabe des Verschiebungswandlers 20 in eine digitale Lesart umzuwandeln, die mit dem Mikrocomputer 30 kompatibel ist. Zu Beginn von T3 wird das am Integrator 25 liegende Rücksetzsignal beseitigt, was es der Ausgabe I des Integrators 25 ermöglicht, mit einer Rate proportional zum Ausgangssignal S des Verschiebungswandlers 20 anzusteigen. Dies kann wie folgt ausgedrückt werden:

I = aFt;

darin ist I das Integratorausgangssignal, a eine Wandlereichkonstante, F die Durchflußrate und t die seit der Freigabe des Integrators 25 abgelaufene Zeit. Bei der bevorzugten Ausführungsform wird der A/D-Umsetzer 27 so gesteuert, daß er periodisch (mit einer Abtastrate von 1,09 Millisekunden zwischen den Abtastproben) das Ausgangssignal I des Integrators 25 während der Phase T3 abtastet. Das n-te Abtastergebnis kann ausgedrückt werden als

A = bFn;

darin ist A der Analog/Digital-Abtastwert, b die Eichkonstante für den A/D- Umsetzer 27, F die Fluiddurchflußrate, und n die auf den Anfang der Phase T3 bezogene Abtastprobenzahl.

Bei der bevorzugten Ausführungsform geht die Akquisition der Durchflußraten-Signalabtastproben vom Beginn der Phase T3 gemäß dem folgenden Algorithmus aus:

1. Setze Summe S = 0, Abtastprobenzählung n = 0.

2. Warte 1,09 Millisekunden ab der letzten Abtastprobe.

3. Taste die Ausgabe I des Integrators 25 bis auf eine 8-Bitauflösung ab (Skalenendwert/256). Setze A = ADC-Ergebnis.

4. Falls A > 255 ist (das Integrator-Ausgangssignal I hat den AD-Umsetzer-Skalenendwert überschritten), scheide die Abtastprobe aus und gehe nach Schritt 6.

5. Setze S = S + A, n = n+1. Falls n < 40 ist, gehe nach Schritt 2 über. Weil A = bFn ist, kann bewiesen werden, daß S = bFn (n+1)/2 ist.

6. Falls n = 0 ist, überschreitet die Durchflußrate das Maximum dessen, was der Durchflußmesser zu messen in der Lage ist (bei der bevorzugten Ausführungsform 1024 ml/min.). Melde den Überlauf in der Ausleseanzeige und beende den Meßzyklus.

7. Setze E = Durchflußschätzung für diesen Meßzyklus = 2S/[bn(n+1)].

Die so durchgeführte Signalakquisition weist eine Anzahl von wünschenswerten Merkmalen auf. Erstens kann ein sehr weiter Bereich von Durchflüssen mit angemessener Auflösung digitalisiert werden. Bei der bevorzugten Ausführungsform war ein Durchflußmeßbereich von 1 bis 1024 ml/min. mit einer minimalen Auflösung von 1% für das Lesen gewünscht. Dies ist einem Dynamikbereich von 100.000:1 äquivalent. Allein verwendet hat der A/D-Umsetzer 27 mit 8-Bitauflösung nur einen Dynamikbereich von 256:1. Sicher würde ein herkömmlicher A/D-Umsetzer mit einem Dynamikbereich von 100.000:1 sehr wahrscheinlich prohibitiv teuer für den Einbau in ein billiges Instrument wie dem der bevorzugten Ausführungsform, sein. Die Kombination von angesteuertem Integrator 25, A/D-Umsetzer 27 geringer Auflösung, und dem obigen Algorithmus entspricht jedoch leicht der bevorzugten Anforderung. Die Analyse der Beziehung zwischen der Durchflußrate und n, also der Anzahl der A/D-Umsetzerabtastproben, welche der dargestellte Algorithmus während der Zeit T3 summiert, zeigt an, daß die Meßauflösung zwischen einem Maximum von 1/128 der Ablesung für einen Durchfluß von 512 ml/min. (n=1) und einem Minimum von 1/8166 der Ablesung von 25,6 ml/min. (n=40, n(n+1)/2=920) variiert. Die Auflösung bleibt besser als 1% der Ablesung bis herunter zu 0,125 ml/min., entsprechend einem Dynamikbereich von 800000:1.

Weiter wird eine relativ hohe Geräuschunempfindlichkeit in bezug auf geräuschinduzierte Fehler erzielt, und zwar aufgrund der relativ langen Integrationszeiten (bis zu 43,6 msec), die niedrigen Durchflußraten zugewiesen werden. Auch wird, weil die T3-Phase des Meßzyklus sowie die Abschaltung des Ventils 14 unmittelbar nach der Abwicklung des Signalakquisitionsalgorithmus beendet wird, das Durchfluß-Akkumulationsintervall kurz gehalten (nämlich 2,18 msec bei F> 512 ml/min.), bei hohen Durchflüssen. Dies verhindert das Überschreiten der Wandlerverschiebungsgrenzen selbst bei höchsten Durchflüssen.

Die Beendigung der T3-Phase markiert das Ende eines Meßzyklus. Der Durchflußmesserbetrieb geht mit T0 des nächsten Zyklus weiter. Während der T0-Phase wird, zusätzlich zu den Funktionen dieser oben umrissenen Phase, der vom zuletzt beendeten Zyklus erhaltene E-Wert zu den von den drei vorhergehenden Zyklen erhaltenen E-Werten addiert, um einen über zwei Sekunden laufenden Durchschnitt des Durchflusses zu bilden. Diese Summe wird dann in der Anzeigeeinheit 35 dargestellt. Darüber hinaus wird während der Zeit T0 der für den Durchflußmesserbetätiger zugängliche Steuerschalter 32 abgetastet, um die Eingabe einer Anzahl von Befehlen zu ermöglichen (beispielsweise Versorgung abschalten); und eine Prüfung des Batteriezustandes wird durchgeführt, so daß in der Anzeigeeinheit 35 ein Warnmeldung angezeigt werden kann, weil der Zustand der völligen Entladung kurz bevorsteht.

Der dieser Beschreibung beigefügte Anhang ist ein Zielsprachenprogramm in Dezimalcodierung (Basis 10), ausgebildet gemäß dem bei der bevorzugten Ausführungsform benutzten Programm. Batteriegespeiste Instrumente, wie etwa das der bevorzugten Ausführungsform, sind allgemein mit einer automatischen LEISTUNG-AUS-Funktion versehen, um Nachlässigkeiten der Bedienungsperson zu verhindern, die zu einer unannehmbaren kurzen Batterielebensdauer führen. Diese Funktion wird bei der bevorzugten Ausführungsform durch die Leistungssteuereinheit 29 durchgeführt. Der LEISTUNG-EIN- Zustand wird durch die Betätigung des Tastschalters 32 seitens der Bedienerperson eingeleitet. Nach einem Durchflußmesserbetrieb von 10 Minuten sendet der Mikrocomputer 30, falls der Schalter zur Änderung des Zeitablaufs nicht betätigt wird, ein Signal an die Leistungssteuereinheit 29, um die Battteriespannung abzutrennen und den Durchflußmesser zu sperren.

Die richtige Betriebsweise der verschiedenartigen Durchflußmesserelemente hängt von der Regulierung bzw. Einstellung der konstanten Batteriespannung ab, um eine konstante Spannungsquelle zu schaffen. Diese Funktion wird bei der bevorzugten Ausführungsform durch den Leistungseinsteller 38 durchgeführt.

Wie oben gesagt, weist der Verschiebungswandler 20 ein Paar von hochnachgiebigen, akustischen Wandlern des Verschiebungstyps auf. Eine hohe Nachgiebigkeit ist für die Meßgenauigkeit außerordentlich wichtig, wenn kompressible Fluids, wie etwa Gase, gemessen werden, da nur ein niedriger Druck erforderlich ist, um einen hochgradig nachgiebigen Wandler zu verschieben. Die genaue Beziehung zwischen der Nachgiebigkeit eines Diaphragmas und dem Meßfehler hängt vom toten Volumen der Quelle des Durchflußstroms ab. Falls ein Beitrag von 1% dieser Fehlerquelle zum Gesamtmeßfehler als annehmbar betrachtet wird, und falls ein maximales totes Volumen der Flußquelle von 10 ml angenommen wird, beläuft sich die gesamte Nachgiebigkeit bzw. Compliance auf 10 ml/0,01 = 1 l pro Atmosphäre.

Wenngleich die obigen Ausführungen eine umfassende und vollständige Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liefern, können natürlich verschiedenartige Modifikationen, alternative Konstruktionen und Äquivalente angewandt werden. So können beispielsweise auch andere spezifische Elemente verwendet werden als die oben angegebenen spezifischen Schaltungselemente, je nach den Anforderungen einer besonderen Anwendung. Daher sollen die vorliegende Beschreibung und die Darstellungen nicht als Begrenzung des Umfangs der Erfindung betrachtet werden, die durch die beigefügten Ansprüche definiert ist.

Anhang 1


Anspruch[de]

1. Verfahren zum Bestimmen der Durchflußrate eines Fluids, das entlang eines Durchflußweges fließt, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:

(a) Herbeiführen einer Fluidströmung entlang des Durchflußweges;

(b) Richten der Strömung des Fluids auf einen Wandler (20), der ein Verschiebungselement für eine variable Zeitperiode aufweist;

(c) Erzeugen eines Signals vom Wandler (20), das für die Verschiebung des Verschiebungselementes aufgrund der Fluidströmung kennzeichnend ist; und

(d) Benutzen des Wandlersignals (S), um die Fluiddurchflußrate zu bestimmen;

dadurch gekennzeichnet,

daß der Durchflußweg einen Zweig (16) aufweist und der Wandler (20) in dem Zweig plaziert ist;

daß die Strömung des Fluids durch Einengen des Durchflußweges stromabwärts des Zweiges (16) zum Wandler (20) hin gerichtet ist;

daß das vom Wandler (20) gelieferte Signal erzeugt wird, während der Durchflußweg eingeengt ist; und gekennzeichnet durch den Schritt der Wiederherstellung der Fluidströmung entlang des Durchflußweges durch Beseitigen der Einengung nach Ablauf der variablen Zeitperiode.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Fluidströmung durch ein steuerbares Ventil (14) gesteuert wird, das im Weg stromabwärts des Wandlers (20) angeordnet ist, wobei das Ventil (14) einstellbar ist, um die zeitweilige Durchflußwegeinengung herbeizuführen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Schritt (c) zum Erzeugen eines Signals einen Schritt einschließt, der es dem abgelenkten Fluid gestattet, das Verschiebungselement für eine Zeitperiode zu verschieben, die von der Größe des Signals (S) abhängt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt (e) zur Wiederherstellung der Fluidströmung folgende Schritte einschließt: (i) Beginnen einer Meßperiode als Reaktion auf den Schritt (b) zum Richten der Strömung; (ii) Überwachen der Größe des Integrals des Fluid-Durchflußratensignals (S); und (iii) Beginnen der Beseitigung der Einengung, wenn eine der folgenden Bedingungen auftritt:

(a) die Größe des Integrals erreicht einen vorbestimmten maximalen Wert;

(b) die Meßperiode erreicht einen vorbestimmten maximalen Wert.

5. Verfahren nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, bei dem der Schritt (d) zur Verwendung des Wandlersignals (S) den Schritt des Außerachtlassens eines Anfangsabschnittes des Wandlersignals einschließt, der für eine Übergangsperiode kennzeichnend ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem der Anfangsabschnitt aus einer vorher bestimmten Fluiddurchflußrate bestimmt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, bei dem der Anfangsabschnitt gemäß dem folgenden Algorithmus bestimmt wird:

falls f den Wert ≥ K besitzt, ist T = 0

falls f den Wert < K aufweist, ist T = A[(K-f)/K],

wobei: f die Fluidströmungsrate ist, die gemäß dem Schritt (d) aus einer vorherigen Messung bestimmt worden ist; K ein vorgewählter konstanter Durchflußratenwert ist, der innerhalb des gewünschten, zu messenden Wertebereichs liegt; T der Zeitwert des Anfangsabschnittes und A eine vorgewählte Zeitdauer ist.

8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem K den Wert 128 ml pro Minute ist und A den Wert 10 Millisekunden hat.

9. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Schritt (d) zum Verwenden des Wandlersignals (S) folgende Schritte einschließt: Integrieren des Signals über eine Meßperiode; Abtasten des Wertes des integrierten Signals; Summieren der Abtastwerte; und Bestimmen der Durchflußrate aus der Gleichung F = 2S/[bn(n+1)]; darin ist F die ermittelte Durchflußrate; S der Wert der summierten Abtastproben; n die Anzahl der erhaltenen Proben; und b eine vorbestimmte Eichkonstante.

10. Durchflußmeßvorrichtung zum Bestimmen der Durchflußrate eines Fluids in einem Weg, wobei die Vorrichtung aufweist:

ein steuerbares Ventil (14) zum Steuern der Durchflußrate des Fluids in dem Wege;

einen Verschiebungswandler (20), mit einem Fluideinlaß (16), der an den Fluidweg angeschlossen ist, ein Verschiebungselement, und einen Signalausgang (21) zum Liefern eines Signals (S), das für die Bewegung des Verschiebungselementes aufgrund des Eintritts von Fluid durch den genannten Einlaß kennzeichnend ist; und

Recheneinrichtungen (25, 27, 30, 32), mit einem an den Signalausgang des Verschiebungswandlers angeschlossenen Eingang, und

dadurch gekennzeichnet, daß

der Fluideinlaß (16) des Verschiebungswandlers (20) an einen Zweig (16) des Fluidweges angeschlossen ist, wobei dieser Zweig stromaufwärts des steuerbaren Ventils (14) plaziert ist; und daß

die Berechnungseinrichtungen (25, 27, 30, 32) ausgelegt sind, um ein erstes Steuersignal zum Steuern des steuerbaren Ventils (14) mit dem Ziel zu erzeugen, den Durchflußweg einzuengen, um: Fluid in den genannten Zweig und den Fluideinlaß (16) für eine variable Zeitperiode abzulenken; das Signal (S) vom Signalausgang (21) des Verschiebungswandlers (20) zu empfangen, welches für die Verschiebung des Verschiebungswandlers aufgrund der Fluidrate während der Einengung des Durchflußweges kennzeichnend ist; die Fluiddurchflußrate unter Benutzung des vom Signalausgang (21) gelieferten Signals (S) zu berechnen; und ein zweites Steuersignal zu erzeugen, um das steuerbare Ventil (14) zum Wiederherstellen der Fluidströmung entlang des Weges nach der variablen Zeitperiode zu steuern.

11. Fluiddurchflußmeßvorrichtung nach Anspruch 10, bei dem die Recheneinrichtungen (25, 27, 30, 32) umfassen: eine Integriereinrichtung (25) zum Integrieren des vom Signalausgang (21) gelieferten Signals (S); eine Abtasteinrichtung (27) zum Abtasten der Werte der Integriereinrichtung (25); und eine Berechnungseinrichtung (30) zum Summieren der Abtastwerte und zum Erzeugen des zweiten Steuersignals, wenn eine der folgenden Bedingungen auftritt:

(a) die Größe des Integrals des Abtastprobenwertes erreicht einen vorbestimmten maximalen Wert;

(b) die Meßperiode erreicht einen vorbestimmten maximalen Wert.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, bei der die Recheneinrichtungen (25, 27, 30, 32) ausgelegt sind, um einen Anfangsabschnitt des vom Signalausgang (21) gelieferten Signals (S) außer acht zu lassen.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, bei der die Recheneinrichtungen (25, 27, 30, 32) ausgelegt sind, um den Anfangsabschnitt aus einer vorher bestimmten Fluidströmungsrate zu bestimmen.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, bei dem die Recheneinrichtungen (25, 27, 30, 32) ausgelegt sind, um eine Länge T des Anfangsabschnittes zu bestimmen, unter Verwendung des Algorithmus:

falls f den Wert ≥ K aufweist, ist T = 0

falls f den Wert < K aufweist, ist T = A[(K-f)/K],

wobei: f die aus einer vorherigen Messung bestimmte Fluiddurchflußrate ist; K ein vorgewählter konstanter Durchflußratenwert ist, der in einem gewünschten, zu messenden Wertebereich liegt; und A eine vorgewählte Zeitdauer ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei K den Wert 128 ml pro Minute besitzt und A den Wert 10 Millisekunden hat.

16. Vorrichtung nach Anspruch 10, bei dem die Recheneinrichtungen (25, 27, 30, 32) umfassen: eine Integriereinrichtung (25) zum Integrieren des vom Signalausgang (21) gelieferten Signals und eine Abtasteinrichtung (27) zum Abtasten der Werte der Integriereinrichtung (25), und eine Recheneinrichtung (30) zum Summieren der Abtastwerte und zum Bestimmen des Wertes der Fluidströmungsrate aus der Gleichung F = 2S/[bn(n+1)],

darin ist: F die ermittelte Durchflußrate; S der Gesamtwert der summierten Proben; n die Anzahl der erhaltenen Proben; und b eine vorbestimmte Eichkonstante.

17. Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 10 bis 16, bei dem die Recheneinrichtungen (25, 27, 30, 32) weiter eine von Hand betätigbare Schaltereinrichtung (32) zum Einleiten des Betriebs der Vorrichtung aufweisen.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, bei dem die Recheneinrichtungen (25, 27, 30, 32) ausgelegt sind, um periodisch den Zustand der Schalteinrichtungen (32) abzutasten, und um den Betrieb der Vorrichtung fortzusetzen, wenn bestimmt wird, daß die Schalteinrichtung (32) aktiviert ist.







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