DE2520063A1 - Digitaler elektronischer zustandsmengenumwerter - Google Patents

Description

• Digitaler elektronischer Zustandsmengenumwerter gegenstand dieser Patentanmeldung ist ein elektronisches Gerät, welches Volumenmessungen an Realgasen, insbesondere an Brdasen und Erdgasmischungen, über eine modifizierte Realgasgleichung auf den durch Normdruck pO und Normtemperatur T0 gekennzeichneten hormzustand umrechnet und die Ergebnisse akkumuliert. Die MeSwertverarbeitung von Betriebsdruck p und Betriebstemperatur 2 erfolgt in wesentlichen Abschnitten digital.
• Verbrauchsmessungen werden nach der Nasse des gelieferten Gases oder nach dem auf den Normzustand bezogenen Volumen abgerechnet. Die Gasmasse läßt sich über Betriebsdichtegeber, das ornvolumen über Zustandsmengenumwerter ermitteln.
• Betriebsdichtegeber eignen sich wegen des zu kleinen Signals nicht für messungen in Niederdrucknetzen. Solche Netze bilden den Einsatzbereich der Zustandsmengenumwerter, die jeweils für eine bestimmte Gaszusammensetzung ausgelegt sind und das Volumenverhältnis des Normzustandes zum Betriebszustand, die sogenannte Zustands zahl z VO liefern. Zusammen mit einem Volumenzähler zur Messung des Betriebsvolumens kann damit das Normvolumen bestimmt und von einem Zählwerk fortlaufend registriert werden. Im Bereich niedriger Betriebsdrucke darf die Änderung, die die Parameter der Realgasgleichung infolge schwankender Gaszusammensetzungen erleiden, vernachlässigt werden.
• Heßtechnisch läßt sich die Zustandszahl mit Hilfe eines Vergleichsgases oder über die Realgasgleichung aus Betriebsdruck und Betriebstemperatur bestimmen.
• Bei der Vergleichsgasmethode wird das Volumen einer definierten abgeschlossenen Vergleichsgasmenge, welche im Druck-und fl'el,peratur^leichgewicht mit dem umzuwertenden Gas gleicher Zusammensetzung steht, von einer geeigneten Meßanordnung erfaßt. Lie Zustandszahl ist dem Kehrwert dieses Volumen proportional. Sie wird in Vergleichsgasgeräten mit einem mechanischen Rechengetriebe aus dem Vergleichsgasvolumen ermittelt.
• Die Ortung über die Realgasgleichung erfolgt nach der 3eziehur.g 2 p0.T.k(p,T) wobei die analytische Darstellung der Zustandszahl an die Form der idealen Gasgesetze anknüpft. Zur meßtechnischen Nachbildung wird die kompressibilitätszahl k(p,T), die Abweichungen vom Verhalten idealer Gase beschreibt, im allgemeinen näherungsweise durch definierte Nichtlinearitäten bei der Meßwertverarbeitung der Zustandvariablen Betriebsdruck und -temperatur berücksichtigt. Setzt man Druck und Temperatur mit entsprechenden Meßsçandlern in mechanische Auslenkungen um, dann ergibt sich die Zustandszahl über ein mechanisches Rechengetriebe als deren Quotient.
• In beiden Umwertungsverfahren steuert Z im allgemeinen ein stetig verstellbares Getriebe, welches das Normvolumen-Zählwerk illit dem Volumenzähler koppelt. Damit läßt sich erreichen, daß die Beeun des Volumenzählers proportional zur jeweiligen Zustandszahl auf das Normvolumen-Zählwerk übertragen wird.
• Zustandsmengenumwerter mit Vergleichs gasen wie auch Geräte zur Nachbildung der Realgasgleichung erfordern einen hohen feinwerktechnischen Aufwand, der mit entsprechenden Herstellungskosten verknüpft ist. Die Vielzahl mechanisch bewegter Teile unterliegt Verschleißerscheinungen, welche langfristig Änderungen der Neßeigenschaften zur Folge haben können.
• Im digitalen elektronischen Zustandsmengenumwerter wird die Zustands zahl gleichfalls näherungsweise als Quotient einer Funktion des Betriebsdrucks und einer Funktion der Betriebstemperatur bestimmt. weder Meßfühler noch Rechner enthalten jedoch deni Verschleiß ausgesetzte mechanisch bewegte Teile. Die abschrittsweise digitale Verarbeitung der Meßwerte gewährleistet eie hohe Langzeitstabilität.
• Dem Stand der Technik entsprechen Betriebsdruck-Meßwandler, die als Ausgangsgröße eine Gleichspannung liefern, Als Transmitter finden vorwiegend DMS Brückenßchaltungen Anwendung. Die in rozeßsteuerung und meßtechnik zunehmend erwünschte Digitalanzeie macht geeignete elektronische Analog-3igital-aJandler erforderlich. UIZ Eiystereseeffekte zu verneiden, muß die Speisespannung der Brücke auf wenige Volt beschränkt werden. Damit liegt das Ausgangssignal im Bereich weniger Millivolt. Die belastungslose und präzise Messung dieses Signals macht entsprechende Verstärkeranordnungen erforderlich. Trotz einer Beschaltung der Brücke mit Kompensationswiderständen ist die Restabhänbiskeit der Diagonalspannung und des Nullpunktes von der Umgebungstemperatur in zahlreichen Anwendungsfällen zu groß.
• Im digitalen elektronischen Zustandsmengenumwerter erfaßt erfindungsgemäß ein Druck-Transmitter mit Frequenzausgang den Detriebsdruck. Frequenzbestimmend ist ein Schwingdraht mit dem festen Knotenabstand L, der einer Zugbelastung proportional p ausgesetzt ist. Besteht der Schwingdraht aus einem Werkstoff der Dichte 9 und weist den Querschnitt q auf, dann beträgt die Schwingungsdauer transversaler mechanischer Grundschwingungen F ist hierbei der wirksame Querschnitt des den Schwingdraht belastenden Diaphragmas. Uber eine geeignete Oszillatorschaltung werden die Schwingungen in elektrische Signale umgesetzt und entdämpft.
• Aus dieser Funktionsweise ergibt sich für den jeweiligen Transmitter eine untere Druckgrenze. Bei den im Umwerterbau üblichen Geräteklassen ist jedoch eine sichere und stabile Entdämpfung im gesamten Druckbereich möglich.
• Die elastischen Eigenschaften des Diaphragmas bzw. anderer Bauelemente wirken sich nicht auf den Zusammenhang zwischen t(p) und p aus.
• meßwandler auf der Basis mechanischer Oszillatoren, deren Frequenz durch die Meßgröße bestimmt ist, zeichnen sich durch hohe Genauigkeit und Langzeitstabilität aus. Sie ermöglichen überdies eine digitale Meßwertverarbeitung ohne den Umweg über analoge Größen.
• bie :;Signale des Druck-Transmitters werden über die OszillatorsclAaltung einem nicht linearen Frequen z-Digital-Konverter zur elektronischen Meßwertverarbeitung nach Patentanmeldung P 24 21 816.4 zugeführt. Er setzt sie auf ein Abfragesignal in das parallel ab greifbare binär dargestellte Komplement der ganzen Zahl D(p) um. Diese Zahl approximiert nach Multiplikation mit einem geeigneten Proportionalitätsfaktor die von der näherungsweisen Darstellung der Zustandszahl geforderte funktionale Abhängigkeit vom Betriebsdruck hinreichend feinstufig.
• Die Kombination des Druck-Transmitters mit einem Frequenz-Digital-onverter ermöglicht, eine Vielzahl nichtlinearer Druckabhängigkeiten ohne technischen Mehraufwand durch eine geeignete Konvert erpro grammierung nachzubilden.
• Zur linearen Umformung in eine Zeitspanne lädt man das Komplement von D(p) in einen elektronischen Zähler und speist die Signale eines mit der Frequenz f0 arbeitenden Oszillators additiv ein; nach der Zeitspanne 1 D(p) #p = ## D(p) durchläuft der Zählerinhalt Null und vermag hierbei bestimmte Schaltvorgänge auszulösen.
• Die Betriebstemperatur, deren relative Schwankungen im allgemeinen kleiner als die des Betriebsdrucks sind, erfaßt der temperaturabhängige Widerstand R(T) weitgehend linear.
• Erfindungsgemäß wird im digitalen elektronischen Zustandsmengenumwerter der geeignet normierte Quotient aus Tp und R(T) über einen zweistufigen zeitlichen Integrationsprozeß als Integrationsdauer rq des zweiten Integrationsabschnitts gewonnen, wobei der Integrator im ersten Abschnitt während der Zeitspanne über R(T) mit der Referenzspannung +Uo und in dem vom Nulldurchgang des Integrator-Ausgangssignals beendeten zweiten Abschnitt während der Zeitspanne Xq über den Festwiderstand Ro mit der entgegengesetzt gleichen Spannung -UO beaufschlagt wird.
• Die Anzahl Zd der während rq in dem elektronischen Zähler aiAkumulierten Signale des mit der Frequenz fO arbeitenden Oszillators ist ein digitales Maß für diese Zeitspanne. Bei geeigneter Parameterwahl gibt Zd die durch Multiplikation mit einer ganzzahl gen Potenz von 10 geeignet normierte Zustands zahl hinreichend genau wieder.
• Liefert der mit einem elektronischen Abgriff ausgerüstete Volumenzänler zur integralen Erfassung des Betriebsvolumens jeweils nach einem Kubikmeter oder einem dekadischen Bruchteil bzw. Vielfachen dieser Einheit ein Abfragesignal, welches den U ertungsvorgang startet, dann ergibt sich der integrale Normvolumen-3urchsatz durch sukzessive Addition der jeweiligen Inhalte des elektronischen Zählers und geeignete Wahl des Dezimalkommas.
• Fig. 1 zeigt ein Beispiel für die Prinzipanordnung. Im Druck-Transmitter mit Frequenzausgang (10) erfaßt der als Diaphragna wirksame evakuierte Netallbalg (11) den an der Gasleitung abgegriffenen Betriebsdruck und spannt den Schwingdraht (12) mit einer Kraft proportional zu p. Der Schwingdraht verläuft zwischen den beiden die Knotenlage von (12) definierenden Lochsteinen (13) und (14) im Feld des Permanentmagneten (15) und endet in der druckfesten isolierenden elektrischen Durchführung (16). Transversale mechanische Schwingungen von (12) im Feld von (15) induzieren eine Wechselspannung im Schwingdraht.
• In an sich bekannter Weise kann durch Rückkopplung über die an (16) angeschlossene zweipolige Oszillatorschaltung (17) phasenrichtig zu den Induktionssignalen ein Strom aufgeprägt werden, der diese Schwingungen entdämpft.
• Da sich der Schwingdraht in dem Medium befindet, dessen Druck gemessen wird, ergibt sich über die Mitführung des den Draht umgebenden Gases eine geringfügige Gasdichteabhängigkeit der Eigenfrequenz von (12). Diese Abhängigkeit läßt sich weitgehend eliminieren, wenn zur Eichung des Transmitters das umzuwertende Gas verwendet wird. Der nicht eliminierbare Einfluß einer variablen Gastemperatur bewirkt bei Temperaturschwankungen um + 1500 und Betriebsdrucken bis zu 11 ata Frequenzänderungen um weniger als + 0.1 i0.
• Das Ausgangssignal der Oszillatorschaltung (17) wird dem nichtlinearen Frequenz-Digital-Konverter (18) zugeführt. Dieser setzt auf das vom Volumenzähler (19) ausgehende Abfragesignal (1) die Schwingungsdauer t(p) des Ausgangssignals in die digitale Größe D(p) um. Den Abschluß dieses Konversionsprozesses signalisiert die Fertigmeldung (2) des Konverters (18), die als Spannungspegel den Univibrator (20) und die Baugruppe "Übernahme D(p)tg (21) aktiviert. Diese Baugruppe vermittelt die Uberführung der am Ausgang von (18) parallel als Bitfolge anstehenden Zahl D(p) in den Zähler (22). Der Univibrator gibt verzögert einen Rechteckimpuls ab, bringt damit die Baugruppe "Ubernahme D(p)" wieder in den Ruhezustand und setzt das Flipflop (23), welches Gatter (24) öffnet. Durch die Verzögerung ist sichergestellt, daß die über (24) mit der Frequenz f0 einlauf enden Signale des Oszillators (25) erst nach abgeschlossener Übernahme von D(p) zum Zähler gelangen. Parallel hierzu setzt das von (20) erzeugte Rechtecksignal die Flipflops (26) und (27) und bringt über das Gatter bScr (.)d) das Flipflop (29) in don Ituhezus-tan(i. I)io J"lipflops (.'6) und (27) steuern die elektronischen Schalter (50) und (31).
• Durch den Schließer (30) gelangt die Referenzspannung +U0 über den Meßwiderstand R(T) (32) auf den Eingang des Integrators (33); durch den Offner (31) wird die Überbrückung des Integrators und des in der Gegenkopplung liegenden Kondensators C (34) auf gehoben. Dadurch baut sich eine zeitproportional ansteigende negative Spannung am Integratorausgang auf; sie beträgt nach der Zeit U = Zu diesem Zeitpunkt durchläuft der Zählerinhalt Null, und die werthöchste Zählstufe schaltet von Eins auf Null. Dieser Schaltvorgang aktiviert die Baugruppe "Integratorumschaltung' (35), die die Flipflops (36) und (37) setzt und das Flipflop (26) über ein im Gatter (38) erzeugtes Resetsignal wieder in den Ruhezustand überführt.
• Durch diese Schritte im Funktionsablauf wird Schalter (30) geöffnet und Schalter (39) geschlossen, so daß jetzt die entgegengesetzt gleiche Referenzspannung -UO über den Festwiderstand Ro(40) auf den Integratoreingang gelangt. Nach der mit dieser Umschaltung verbundenen Umkehrung der Eingangspolarität sinkt die Ausgangsspannung des Integrators wieder ab und erreicht nach der Zeit cq = null. Pis zu diesen Zeitpunkt registrierte der weiter mit der Frequert f0 gespeiste Zähler nach seinem Nulldurchgang Zd = Zd(Pu2) = I[fo.trq] = I[RoR ] Oszillatorsignale. Die Treppenfunktion I trägt dem in diskreten Schritten ablaufenden Zählvorgang Rechnung. Sie unterdrückt den Binärbruch des Klammerausdrucks und macht Zd ganzzahlig. Der Zählerinhalt hängt also nur von dem digital vorgegebenen D(p) sowie den präzise und langzeitstabil herstellbaren Widerständen R(T) und Ro ab.
• Der Nulldetektor (41), den das anläßlich der Integratorumschaltung gesetzte Flipflop (37) aktiviertes gibt beim Verschwinden der Integrator-Ausgangsspannung einen Rechteckimpuls ab, welcher das Flipflop (29) setzt. Über das Gatter (42) erzeugt dieser Impuls ferner das Resetsignal (3), welches die Flipflops (23), (27) sowie (36) und (37) wieder in den Ruhezustand überführt. Dem Flipflop (37) wird (3) über die Verzögerungsstufe (43) zugeleitet; damit ist sichergestellt, daß der Nulldetektor erst nach Abgabe des Rechteckimpulses desaktiviert wird.
• Das Resetsignal (3) unterbricht so die Einspeisung der Oszillatorsignale in den Zähler, schaltet das Integrator-Eingangssignal ab und schließt den Integrator nebst Kondensator kurz. Die Schaltung befindet sich damit in einen stabilen Zustand. Das vom Flipflop (29) als Spannungspegel abgegebene Signal "Abschluß Umwertung" (4) meldet, daß der Inhalt Zd des Zählers von nachgeschalteten Baugruppen als Umwertungsergebnis übernommen werden kann.
• Die gleichen Resetvorgänge löst die Einschalt-Normierungseinheit (44) über den zweiten Eingang des Gatters (42) nach dem Einschalten des Umwerters bzw. bei Spannungswiederkehr nach einer iNetzstörung aus und stellt damit einen definierten Schaltungszustand nach einer Versorgungsdiskontinuität her.
• Ausschließlich nach dem Einschalten bzw. bei Spannungswiederkehr gelangt das von der Einschalt-Normierungseinheit abgegebene zusatzliche Resetsignal (5) über die Gatter (38) und (28) zu den flipflops (26) und (29). Bei normalem Betriebsablauf erhält (26) sein Resetsignal während des Umwertungsprozesses von der Baugruppe "Integratorumschaltung"(35). Das dem Flipflop (29) zugeführte Resetsignal (5) verhindert die Abgabe des Spannungspegels "Abschluß Umwertung"(4) nach einer Versorgungsdiskontinuität und damit den Abruf eines undefinierten Zählerinhalts.
• Durch schaltungstechnische Maßnahmen ist dafür gesorgt, daß sich das Signal der Einschalt-Normierungseinheit nach einer Spannungsabsenkung schneller als die Versorgungsspannungen der übrigen Baugruppen aufbaut und damit auch in der Übergangsphase die Einstellung definierter Schaltzustände in den Flipflops gewährleistet.
• Bei normalem Betriebsablauf bewirkt der von (29) abgegebene Spannungspegel "Abschluß Umwertung" die Übernahme des Zählerinhalts Zd in den Display (45) und in das Addierwerk (46).
• Der Display zeigt, beispielsweise mit Hilfe geeigneter Lumineszenzdioden, den jeweils zuletzt bestimmten Zählerinhalt digital an. Da Zd die durch Multiplikation mit einer ganzzahligen Potenz von 10 geeignet normierte Zustandszahl approximiert, kann diese im Rahmen der hier verwendeten Näherung durch ein entsprechendes Festkomma auf (45) mit der richtigen Zehnerpotenz dargestellt werden. Zwei zusätzliche Signalfelder des Display informieren über mögliche Betriebsstörungen des Druck-Transmitters mit Frequenzausgang (s. Patentanmeldung P 24 21 816.4).
• Das Addierwerk akkumuliert die Größen Zd und stellt das Ergebnis auf einem Rollenzählwerk dar; eine zusätzliche elektronische bzw. mechanische Untersetzung berücksichtigt die Betriebsvolumeneinheit je Abfragesignal und die Normierung der Zustandszahl.
• Dünn eingerahmt ist in Fig. 1 der eigentliche Elektronikteil des Umwerters; seine Bauelemente werden zweckmäßig auf einer gemeinsamen teiterplatte angeordnet.
• Fig. 2 gibt ein Beispiel für den mechanischen Aufbau des Druck-Transmitters mit Frequenzausgang (10) wieder.
• Der in seinen Abmessungen dem zu erfassenden Druckbereich angepaßte Netallbalg (11) ist mit seinem unteren Bord in eine Ausdrehung des Sockels (47) gelötet und mit seinem oberen Bord in gleicher Weise in einer Ausdrehung des Konuskörpers (45) beeestifflt. In der Zentralbohrung von (48) endet der leicht außerritti gasdicht eingelötete Schwingdraht (12). Vermöge dieser Befestigung liegt er definiert in dem die Lage des einen Schwingungsknotens bestimmenden Lochstein (14) auf. Der Lochstein ist in den Boden des Distanzstückes (49) eingelassen und verbördelt.
• Das Distanzstück trägt beiderseits Nocken, die in Ausnehmungen des Sockels (47) und des Permanentmagneten (50) passen. Damit ist ein definierter Abstand zwischen (47) und (50) sowie eine Sicherung gegen Verdrehung gegeben. Der Permanentmagnet besteht aus zwei entgegengesetzt magnetisierten spiegelbildlich zusammengesetzten Berritteilen.
• ueber den Rohransatz (51) wird der Innenraum des Netallbalgs evakuiert. Nach Beendigung des Pumpvorgangs gewährleistet das Zuquetschen und Verlöten bzw. Verschweißen von (51) einen hermetisch dichten Verschluß. Ein mit einer konischen Ausdrehung versehener Rohrstutzen des Sockels stützt den Konuskörper während des Pumpvorgangs ab. Ein Schlitz im Rohrstutzen ermöglicht die ungehinderte Evakuierung.
• Die Lage des zweiten Schwingungsknotens von (12) ist durch den lochstein (13) definiert, der in den Ring (52) eingelassen und verbördelt ist. Dieser Ring, der Permanentmagnet (5C), das Distanzstück (49) sowie der Sockel (47) mit Metallbalg (11), Konuskörper (48) und Rohransatz (51) sind in einer Ausdrehung des Transmittergehäuses (53) geführt. Durch Umbördeln eines Kragens dieser Ausdrehung werden die genannten Teile axial fixiert.
• Hinreichend tiefe Ausnehmungen im Sockel (47) sowie je eine exzentrische Bohrung in (49) und (52) vermeiden die Ausbildung von Druckunterschieden im Transmitterinnenraum. Ein Ansatz des Transmittergehäuses nimmt die druckfeste isolierende elektrische Durchführung (54) auf. Ein Außengewinde auf dem Ansatz erleichtert den Anschluß eines Verbindungskabels zur Oszillatorschaltung. In (54) ist das indere Ende des Schwingdrahtes (12) gleichfalls leicht außernittig gasdicht eingelötet, derart, daß (12) ctefiniert im Lockstein (14) aufliegt und der Konuskörper (48) bei vorspannungsfreiem Metallbalg (11) weder (49) noch (47) berührt.
• Eine Kantenverrundung der Bohrungen in (13) und (14) verhütet Kerbwirkungen am Schwingdraht.
• Der Betriebsdruck wird dem Transmitter über das Zwischenstück (55) zugeführt, welches mit dem Gehäuse (53) verschraubt unu zur. Anschluß der Druckleitung mit einer Gewindebohrung versehen ist. Anflachungen des Zwischenstücks erleichtern die Befestigung der Leitung. Der Dichtungsring (56) in einer Ringnut von (55) gewährleistet eine druckdichte Verbindung zwischen (53) und (55). Eine Ausdrehung von (55) nimmt den porösen Sinterkörper (57) auf, der über den Zwischenring (58) von dem umgebördelten Kragen der Ausdrehung in (55) gehalten wird. Der Sinterkörper verhindert eine die Meßeigenschaften beeinträchtigende Schmutzabscheidung auf dem Schwingdraht und ist bei brennbaren Gasen als Sicherheitsbarriere wirksam.
• Bleibende Änderungen des Produktes Qq und damit auch der Schwingungsdauer von (12) sind ferner durch korrosive chemische Vorgänge auf der Oberfläche des Schwingdrahtes möglich. Es ist daher erforderlich, diese Oberfläche durch eine galvanisch aufgetragene Edelmetallschicht gegen chemische Angriffe zu schützen.
• Eine mechanische Justierung des Transmitters ist nicht vorgesehen, da durch eine entsprechende Programmierung des Festwertspeichers in dem nachgeschalteten nichtlinearen Frequenz-Digital-Konverter individuelle Transmittereigenschaften berücksichtigt werden können.
• In folgenden Auslegungsbeispiel werden für das relativ methanreiche Löningen-Menslage-Erdgas die systematischen Meßfehler des digitalen elektronischen Zustandsmengenumwerters als Funktion der Zustandsvariablen bestimmt.
• Betriebsdruck und -temperatur sollen innerhalb der Bereiche p = 3 - 11 ata 2 = 275.15 - 303.15 °K entspr. o = 0 + 30 0G liegen. Mit den für dieses Erdgas tabellierten Koapressibilitätszahlen k(p,2) ergeben sich die in Tab. n aufgeführten Zustandszahlen Z(p,T) = #HmTkp0,il

  # = 0°C # = 10°C # = 20°C # = 30°C

  p = 3 ata; 2.9208112 2.8149677 2.7166225 2.6251646

  5 ata 4.8965817 4.7157779 4.5487103 4.3931239

  7 ata; 6.8953241 6.6366074 6.3975524 6.1755667

  9 ata 8.9175925 8.5776289 8.2635213 7.9726731

  11 ata10.9643702 10.5386203 10.1468544 9.7846232

  Tab. 1 Bei der Approximation von Z(p,2) durch den Quctienten einer Funktion des Betriebsdrucks und einer Funktion der Betriebstemperatur wird die Funktion des Betriebsdrucks proportional zu p/k(pm) gewählt. Um ist hierbei eine konstante mittlere Betriebstemperatur; sie ergibt sich aus einer Optimierungsrechnung zu Tm = 273.15 + 13.36 °K.
• Die Betriebstemperatur erfaßt ein 500#-Pt-Meßwiderstand Rpt(T); der geforderte R(T)-Verlauf wird durch Serienschaltung eines Festwiderstandes von 0.563fl zum Meßwiderstand bestmöglich angepaßt: R(T) = Rpt(T) + 0.563 S1 Die maximalen Abweichungen der so approximierten Zustands zahlen von den exakten Werten liegen für das angegebene Intervall der Zustandsvariablen innerhalb der Grenzen + 1.78 #. Vorausgesetzt ist hierbei, daß die Funktion des Betriebsdrucks beliebig genau und stetig den von der Zustandsgleichung geforderten p/k(p,Tm)-Verlauf nachbildet.
• Tab. 2 zeigt ein Beispiel für die Programmierung des nichtlinearen Frequenz-Digital-Konverters zur digitalen Darstellung der Größe D(p) aus der Schwingungsdauer t(p) des Druck-Transmitter-Ausgangssignals (s. Patentanmeldung P 24 21 816.4).
• Der Transmitter wird so ausgelegt, daß der Schwingungsdauerbereich nahezu eine Oktave umfaßt. Bei maximaler Schwingungsdauer durchläuft der Summationsvorgang im nichtlinearen Frequenz-Digital-Konverter 32 Linearabschnitte zu jeweils 256 Schritten. Die Konversionsergebnisse wie auch die Inhalte der 32 Festwert-Speicherplatzgruppen sind binär codiert. Die Inhalte sind Elemente der Folge ##, ##, ##, 1 2 ### Nach jeweils 256 Approximations-32 32 32 32

  7¼1 2 3 4 5 6

  1 1.0286 10.6379616 33222.406 33225 111.10111 +0.31

  2 1 1.0572 10.056G982 31 31405.242 31401 111 111.00100 -0.36

  3 5 1.0858 9.5210452 29734.269 29737 110.10000 +0.31

  1 4 1.1144 9.02?8?94 28194.110 28193 110.00001 -0.25

  , 5 j 1.1490 8.5723119 26771.371 26769 101.10010 -0.30

  6 G 1 1.1?16 8.1505926 25454.339 25457 101.00100 +0.31

  j 7 1.2002 7.7594297 24232.736 24233 100.11001 +0.21

  t 8 1 1.2288 7.3959248 23097.508 23097 100.01110 -0.21

  9 | 1.2574 7.0575166 22040.658 22041 100.00100 +0.20

  10 i 1.2860 6.7419351 21055.095 21057 11.11011- +0.27

  11 1.3146 6.4471624 20134.519 20137 11.10011 +0.30

  12 1.3432 6.1713999 19273.311 19273 11.01100 -0.19

  13 1.3718 5.9130717 18466.551 18465 11.00101 -0.25

  14 1.4004 5.6707190 17709.682 17713 10.11110 +0.35

  15 1.4290 5.4430284 16998.603 17001 10.11001 +0.30

  16 1.4576 5.2288359 16329.679 16329 10.10100 -0.20

  17 1.4862 5.0270912 15699.629 15697 10.01111 -0.32

  18 1.5148 4.8368447 15105.489 15105 10.01010 -0.19

  19 1.5434 4.6572357 14544.569 14545 10.00110 +0.18

  20 1.5720 4.4874829 14014.430 14017 10.00010 +0.33

  21 1.6006 4.3268758 13512.853 13513 1.11111 +0.16

  22 1.6292 4.1747670 13037.817 13041 1.11011 +0,39

  23 1.6578 4.0305654 12587.475 zu475 12585 1.11001 -0.34

  24 1.6864 3.8937132 12160.085 12161 1.10101 +0.21

  25 1.7150 3.7637346 11754.161 11753 1.10011 -0.23

  26 1.7436 3.6401761 11368.287 11369 1.10000 +0.19

  27 1.7722 3.5226205 11001.160 11001 1.01110 -0.15

  28 1.8008 3.4106840 10651.582 10649 1.01100 -0.37

  29 1.8294 3.3040134 10318.449 10321 1.01001 +0.37

  30 1.8580 3.2022826 10000.743 10001 1.01000 +0.15

  31 1.8866 3.1051903 9697.524 9697 1.00110 -0.18

  32 1.9152 3.0124584 9407.922 9409 1.00100 +0.23

  Tab. 2 schritten schaltet die Adressierung auf die folgende Platzgruppe icitcr, und die Steigung der Linearapproximation kann sich ändern. Pro Linearabschnitt erhöht sich so der Inhalt des Addieres jeweils um 0, 8, 16,...,2032, 2040. Der fünfstellige Binaroruch der Speicherplatzinhalte ist für den internen Summationsvorgang im nichtlinearen Frequenz-Digital-Konverter verfügbar. Zur Weiterverarbeitung wird hingegen lediglich der 16 Bidarstellen umfassende ganzzahlige Teil des Konversionsergebnisses ausgegeben.
• Spalte 1 enthalt die Punkte t9/to einer relativen Zeitskala, wo die Adressierung des Festwertspeichers weiterschaltet.
• In Spalte 2 sind die Werte * = p# m> k(p#, Tm) aufgeführt; hierbei ist p, = 11 und t0 = t(pmax). Die Multiplikation mit 3123.0048 normiert auf den vorgesehenen Maßzahlbereich; die Produkte K(py) sind in Spalte 3 verzeichnet. Der Proportionalitätsfaktor trägt der Kapazität des Festwertspeichers im nichtlinearen Frequenz-Digital-Konverter Rechnung. Spalte 4 enthält die Größen D(pp) in Abhängigkeit von t9/to. Sie bildet Spalte 3 durch einen Summationsvorgang mit abscnnittsweise konstanten aus dem Bestwertspeicher des Konverters gelieferten Summanden nach. Der Basiswert B des Summationsvorgangs ist in unserem speziellen Beispiel B = 3520110 = 10001001100000012 Die Beträge der negativen Summanden ASv= ### [D(p#) DCp1)] sind in Spalte 5 in Binärdarstellung wiedergegeben. Die achtstellige Binärzahl entspricht dem jeweiligen Stufenraster und belegt die im Festwertspeicher adressierte Platzgruppe.
• Spalte 6 enthält die relativen Fehler D(p,) - 3123.0048 p# 3123.0048 p# dieser Darstellung für die Stützstellen 9 = 1, 2,..., 32 in #.
• Sie bestehen aus den Approximationsabweichungen selbst sowie dem Stufenraster der Wäherungsdarstellung. Das Vorzeichen von #S# wurde jeweils so gewählt, daß sich für ## der größere Absolutert ergab; er bleibt in unserem Beispiel unter 0.4 #.
• Da keine mechanische Feinjustierung des Druck-Transmitters vorgesehen ist, trägt das Stufenraster voll zum Fehler bei (s. Patentanmeldung P 24 26 817.5). Die fehlende Justierbarkeit hat, bedingt durch unvermeidbare Qualitätsschwankungen bei der Fertigung, individuelle B- und #S#-Werte des jeweiligen Transmitters zur Folge. Die Auswirkungen dieser Schwankungen auf den Gesamtfehler des Umwerters sollen hier unberücksichtigt bleiben.
• Abweichend von dieser Darstellung erwartet die Umwerterschaltung als Eingangsgröße nicht D(p) sondern w . Will man einen zusätzlichen Pegelumsetzer vermeiden, dann ist der Basiswert 3 bei der Konverterprogrammierung durch sein Komplement zu ersetzen, und die in Spalte 5 verzeichneten Inhalte der 32 Festwert-Speicherplatzgruppen sind additiv zu verarbeiten.
• Tab. 3 enthält für die durch Tab. 1 vorgegebenen ganzzahligen Druckwerte die diskreten D(p) sowie zum Vergleich die kontinuierlichen Größen K(p) = 3123.0048p/k(p, Tm)

  p[ata] 3 3 5 7 9 11

  D(p) 9413 15763 22185 28675 35201

  K(p) K(p) 9411.345 15763.130 22178.038 28658.009 35203.481

  Tab. 3 Die Abweichungen zwischen D(p) und K(p) liegen innerhalb des Intervalls -0.07e+0.59 . Die Verschiebung zu positiven Werten rührt vom krümmungsbedingten Durchhang der p*(t) - Kurve zwischen den Stützstellen ty/to her.
• Mit den D(p)-Werten der Tab. 3 und dem Referenzwiderstand R0 = 1556.183 # wurden die in Tab. 4 aufgelisteten Größen Zd(P,2) errechnet. Sie approximieren Z(p,T).104 gemäß Tab. 1 innerhalb der Fehlerschranken i1.9 ,Co!o.

  1 # = 0°C 4= 10°G # = 20°C # = 20°C # = 30°C

  p = 3 ata 29263 28165 27150 26208

  5 ata 49005 47166 45466 43888

  7 ata 68970 66382 63989 61768

  9 9 ata 89146 85802 82708 79838

  11 ata * 109435 105329 101532 98008

  Tab. 4 Für den Druck-Transmitter unseres Auslegungsbeispiels nehmen wir die folgenden mechanischen Daten an Knotenabstand : L = 8.86 cm Schwingdraht: : Federstahldraht, 0.5 mm Edelmetallauflage : Gold, Schichtdicke 20 Wirks . Querschnitt des Netallbalgs : F - 0.5 cm3 Damit ergibt sich für p = 3 ata die Schwingungsdauer t(3) - 2.142 msec und iir p # 11 ntn t(11) = 1.119 msec Zeugt man als Zeitbasis im nichtlinearen Frequenz-Digital-Konverter k = 8 zugrunde und nimmt als Oszillatorfrequenz 1 MHz an, dann werden die Daten der Spalte 4 in Tab. 2 am Ausgang dieser Baugruppe reproduziert.
• Wird auch im Umwerter fo = -1 MHz gewählt, dann ergeben sich neben Konversionszeiten im Bereich 8.952 # 17.136 msec Umwertungszeiten zwischen 35.621 und 144.636 msec.
• Wählt man für das die Temperaturabhängigkeit der Knotenlänge L bestimmende Transmittergehäuse Messing als Werkstoff und verwendet einen V2A-Netallbalg, dann gilt für den Temperaturgang der Schwingungsdauer 2 = 4.10-6/°C Bei Schwankungen der Umgebungstemperatur um i15 oG ändert sich t(p) somit um + 0.06 %0. Unter Berücksichtigung der Gasdichteabhängigkeit von t(p) bleibt der Gesamtfehler des Umwerters im angegebenen Meßbereich unter 2.1 96o In einer Reihe von Anwendungsfällen kann eine Druckmessung unterbleiben. Der Umwerter berücksichtigt zur Korrektur der Durchflußmeßdaten dann lediglich die variable Temperatur des betreffenden iYlediums. Neben dem Druck-Transmitter (10) entfallen die zweipolige Oszillatorschaltung (17), der nichtlineare Frequenz-Digital-Konverter (18) sowie die Anzeige eventueller Störungen von (10) auf dem Display (45). Wird das Durchflußzählersignal als Fertigmeldung (2) eingespeist, dann übernimmt der Zähler (22) die vorgegebene konstante Komplementärzahl D; über D ist damit eine rein elektronische digitale Eichung möglich.
• Ein Umwerter dieser Art kommt für die temperaturkompensierte Durchflußmessung von Flüssigkeiten in Frage. Legt man als Temperaturbereich 0 + 300C zugrunde, dann läßt sich beispielsweise bei Athylalkohol der systematische Meßfehler von 3.2 i4ó auf 0.02 GÄ reduzieren.

Claims (9)

Patentansprüche

1.i£KitaIr elektronischer Zustandsmengenumwerter zur näherungsweisen Bestimmung der durch Nultiplikation mit einer ganzzahlaien Potenz von 10 in geeigneter Weise normierten Zustandszahl realer Gase als Inhalt eines mit der festen Frequenz fO während der Zeitspanne rUq gespeisten Zählwerks (22), dadurch gekennzeichnet, daß Tq über einen zweistufigen zeitlichen Integrationsprozeß als Dauer des vom Nulldurchgang des Integrator-Ausgangssignals begrenzten zweiten Integrationsabschnittes erhalten wird, wobei der Integrator (33) im ersten Abschnitt während der betriebsdruckabhängigen Zeitspanne Tp über den elektronischen Schalter (30) und den betriebstemperaturabhängigen Meßwiderstand R(T) (32) mit der konstanten Referenzspannung +U, und im zweiten Abschnitt über den elektronischen Schalter (39) und den Festwiderstand Ro(40) mit der entgegengesetzt gleichen Spannung -UO beaufschlagt wird.

2. Digitaler elektronischer Zustandsmengenumwerter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die betriebsdruckabhängige Zeitspanne Zp aus der betriebsdruckabhängigen ganzen Zahl D(p) als Zählzeit bis zum Nulldurchgang des mit dem Komplement D(p) geladenen und mit der festen Frequenz f0 additiv gespeisten Zählwerks (22) gewonnen wird.

3. Digitaler elektronischer Zustandsmengenumwerter nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die betriebsdruckabhängige ganze Zahl D(p) als Konversionsergebnis eines mit der Ausgangsfrequenz des Druck-Transmitters (10) gespeisten nichtlinearen Frequenz-Digital-Konverters (18) zur elektronischen Mel3wer-t;verarb eitung nach Patentanmeldung P 24 21 816.4 erzeugt wird, wobei durch eine geeignete Programmierung der von der Realgasgleichung geforderten nichtlinearen Abhängigkeit der Zustands zahl vom Betriebsdruck Rechnung getragen wird.

4. Digitaler elektronischer Zustandsmengenumwerter nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Druck-Uransmitter (10) die Schwingungsdauer transversaler mechanischer Grundschwingingen des Schwingdrahtes (12), der über den als Diaphragma wirksamen evakuierten Metallbalg (11) durch das umzuwertende Gas proportional zum Betriebsdruck belastet wird, als Meßgröße des Betriebsdrucks verwendet wird.

5. Digitaler elektronischer Zustandsmengenumwerter nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Knotenlage der transversalen mechanischen Grundschwingungen von (12) durch die Lochsteine (13) und (14) bestimmt wird, wobei eine definierte Auflage des Schwingdrahtes in den Lochsteinen durch eine leicht außermittige Drahtbefestigung außerhalb des Schwingungsbereiches gewährleistet ist.

6. Digitaler elektronischer Zustandsmengenumwerter nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß korrosive chemische Vorgänge auf der Oberfläche von (12) durch eine galvanisch auf getragene Edelmetallschicht unterbunden werden.

7. Digitaler elektronischer Zustandsmengenumwerter nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Fremdstoffablagerungen auf der Oberfläche von (12) durch den als Filter wirksamen porösen Sinterkörper (57) verhindert werden.

8. Digitaler elektronischer Zustandsmengenumwerter nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit dem Umwerter gekoppelter Volumenzähler (19) an sich bekannter Bauweise den Umwertungsprozeß jeweils nach Registrierung einer bestimmten Betriebsvolumeneinheit über den nichtlinearen Frequenz-Digital-Konverter (18) durch das Abfragesignal (1) startet.

9. Digitaler elektronischer Zustandsmengenumwerter nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Signal "Abschluß Umwertung"(4), welches den störungsfreien Abschluß dieses Prozesses signalisiert, den Display (45) und das Addierwerk (46) zur uebernahme des Umwertungsergebnisses aus dem Zählwerk (22) aktiviert, wobei eine zusätzliche elektronische bzw. mechanische Untersetzung in (46) die Betriebsvolumeneinheit je Abfragesignal und die Normierung der Zustandszahl berücksichtigt. Leerseite