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Verfahren zur Messung von Strömungsgeschwindigkeiten
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit
einer kontinuierlich oder diskontinuierlich strömenden Flüssigkeit in einer Rohrleitung,
bei dem ein Wärmeimpuls in die Strömung injiziert wird und die Laufzeit des resultierenden
Wärmepfropfens digital gemessen wird. Die gemessene Laufzeit wird sodann zwischengespeichert
und durch Code-Wandler in eine der Strömungsgeschwindigkeit proportionale elektrische
Spannung umgewandelt. Dieses Meßverrahrenwird bei dem Dosierverfahren von Mehrkomponentenflüssigsystemen
gemäß DT-OS 2 527 378 zugrunde gelegt. Da die Mischungsverhältnisse von Mehrkomponentensystemen
häufig kritisch sind, ist eine Verbesserung der Meßgenauigkeit wünschenswert. Die
hohe Meßgenauigkeit soll auch bei intermittierendem Betrieb, d.h. auch im Falle
einer diskontinuierlichen Strömung erhalten bleiben. Bei kurzzeitigem Betrieb, z.B.
bei Mengenstrommessungen in automatischen Spritzanlagen, steht für den Meßvorgang
nur die relativ kurze Strömungsdauer zur Verfügung. Aus die sem Grunde ist es erforderlich,
die Meßzeit zu verkürzen, ohne daß dabei die Meßgenauigkeit verringert wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die eingangs beschriebene
Meßvorrichtung hinsichtlich Meßgenauigkeit und Meßzeit unter Berücksichtigung der
oben erwähnten Anforderungen zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zur Laufzeitmessung
am Ort des Nachweises die ansteigende Flanke des Wärmepfropfens diskriminiert wird.
Zur Erkennung des Wärmepfropfens wird also die Flanke des Wärmepfropfens ausgenutzt,
bei der die Temperatur als Funktion der Zeit ansteigt.
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Wird die Laufzeit des Wärmepfropfens zwischen dem Ort der Erzeugung
und dem Ort des Nachweises gemessen, so kann am Ort der Erzeugung die ansteigende
oder abfallende Flanke des den Wärmeimpuls erzeugenden elektrischen Impulses für
den Beginn der Zeitmessung herangezogen werden.
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Eine Weiterentwicklung der Erfindung sieht vor, daß die digitale Zeitmessung
nach dem Aufprägen des elektrischen Impulses zu einem Zeitpunkt einsetzt, der um
die Aufheizzeit der impulserzeugenden Heizspirale verzögert ist. Auf diese Weise
werden Instabilitäten während der Aufheizzeit unterdrückt.
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Eine weitere Verbesserung besteht darin, daß im Falle einer diskontinuierlichen
Strömung der für die Messung benötigte Wärme impuls innerhalb einer vorwählbaren
Verzögerungszeit nach dem Einschalten der Strömung getriggert wird. Die Verzögerungszeit
wird dabei so gewählt, daß der Wärmeimpuls erst dann injiziert wird, wenn sich die
Strömung nach dem Einschalten wieder beruhigt hat.
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Aufgrund dieser Verbesserung konnte auch bei intermittierendem Betrieb
eine Verbesserung der Meßgenauigkeit bis auf 1 % erreicht werden.Von wesentlicher
Bedeutung ist dabei, daß diese Verbesserung nicht auf Kosten der Meßzeit geht. Die
erforderliche Meßzeit liegt in der Größenordnung einer Sekunde. Die Vorteile der
Erfindung sind also darin zu sehen, daß die Meßgenauigkeit bei gleichzeitiger Verkürzung
der Meßzeit erhöht wird.
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Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer
Zeichnung näher erläutert.
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Die Figur zeigt ein Blockschaltbild der Meßanordnung.
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Die Meßstrecke 1 ist in eine lackführende Leitung 2 eingebaut, die
z.B. zu einem Spritzkopf 3 führt. Zur Messung des Mengenstromes wird zentral in
die Leitung 2 ein Heizdraht 4 von ca.
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1 Ohm Widerstand eingebaut, der aus fünf Windungen Platindraht von
0,25 mm PI und 2 mm Wickeldurchmesser besteht. Dieser Heizdraht wird durch die Entladung
eines Kondensators in wenigen Millisekunden aufgeheizt, so daß er seine Wärme an
die in der Leitung 2 strömende Flüssigkeit abgeben kann. Die periodische oder auch
aperiodische Entladung des Kondensators wird gesteuert durch einen Leistungsverstärker
6, der seinerseits vom Taktgenerator 5 gesteuert wird. Die im Zentrum der strömenden
Flüssigkeit erwärmte Teilmenge wird als Wärmepfropfen mit der Strömung fortgeführt.
Der Wärmepfropfen erreicht nach einer Laufzeit T den thermoelektrischen Wärmefühler
7. Die Laufzeit T ist dem Abstand zwischen dem Heizdraht und dem Wärmefühler direkt
proportional und umgekehrt proportional zur Strömungsgeschwindigkeit. Der Abstand
zwischen Heizdraht 4 und Wärmefühler 7 beträgt hier ca. 50 mm. Zur Erzielung höherer
Meßgenauigkeiten oder kürzerer Meßzeiten kann der Abstand in einem weiten Bereich
variiert werden.
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Der Wärmefühler 7 ist hier ein Differenzthermoelement mit sehr geringer
Ansprechzeit, wodurch sichergestellt wird, daß langsame Anderungen der Grund temperatur
der Flüssigkeit keinen Einfluß auf die Messung haben. Andererseits wird der Temperaturanstieg
beim Vorbeiströmen des Wärmepfropfens unverzögert erfaßt. Anstelle eines Thermoelementes
können im Prinzip auch andere thermoelektrische Ftlhler, z.B. NTC-Widerstände oder
Widerstandsthermometer verwendet werden. Die maximale Temperatur am Differenzthermoelement
wird hier je nach Strömungsgeschwindigkeit in ca. 20 bis 100 m/s erreicht.
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Durch einen Zerhackerverstärker 8 mit einer Verstärkung >104 wird
die Spannung des Differenzthermoelementes 7 so hoch verstärkt, daß schon ein Temperaturanstieg
von 10 C genügt, um den nachgeschalteten Spannungskomparator 9 zu erregen. Der Schwellwert
des Komparators 9 wird mit einem Potentiometer 10
so tief eingestellt,
daß der steile Temperaturanstieg der Flanke des ankommenden Wärmepfropfens zum Umschalten
führt. Demgegenüber besitzt die rückwärtige Flanke des Wärmepfropfens einen flacheren
Temperaturgradienten. Sie ist daher, ebenso wie das Temperaturmaximum, weniger gut
zur Erkennung des Wärmepfropfens geeignet. Das Differenzthermoelement 7 ist so an
den unipolaren Verstärker 8 geschaltet, daß nur bei der ansteigenden Flanke ein
Signal auftritt, das zur Meßwertverarbeitung benutzt wird.
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Die Laufzeit des Wärmepfropfens wird nun derart bestimmt, daß bei
der Aufheizung des Heizdrahtes 4 ein bistabiler Multivibrator 11 gesetzt und beim
Empfang der ansteigenden Flanke des Wärmepfropfens durch das Differenzthermoelement
7 über den Verstärker 8 und den Komparator 9 wieder rückgesetzt wird. Wegen der
Symmetrie und der kurzen Dauer des eingeprägten Wärme impulses spielt es keine Rolle,
welche Flanke des Wärme impulses am Ort der Erzeugung für die Laurzeitmessung benutzt
wird. Die Setzzeit des bistabilen Multivibrators 11 ist der Laufzeit des Wärmepfropfens
proportional. Die Messung der Laufzeit erfolgt digital: Während der Setzzeit des
Multivibrators 11 werden über eine Torschaltung 12 Zeittaktimpulse aus einem Impulsgenerator
13 in einen Impulszähler 14 eingezählt. Der Impulszähler 14 wird bei jedem neuen
Heizimpuls vom Taktgeber 5 her genullt.
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Bei der Messung sehr kurzer Laufzeiten (hohe Strömungsgeschwindigkeit
und/oder sehr kurze Meßstrecke) ist die Zeitkonstante für die Aufheizung des Heizdrahtes
4 nicht mehr klein gegenüber der Laufzeit. Der hierdurch auftretende Meßfehler kann
durch folgende schaltungstechnische Maßnahme beseitigt werden: Die Nullung des Impulszählers
14 erfolgt vom Taktgeber 5 zu einem Zeitpunkt, der um den Betrag der Aufheizzeit
der Heizspirale 4 verzögert gegenüber dem Setzimpuls des Multivibrators 11 ist.
Dadurch werden diejenigen, in den Impulszähler eingelaufenen Zählimpulse unterdrückt,
die während der Aufheizzeit des Heizdrahtes das Gatter 12 durchlaufen.
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Die während der Setzzeit des Multivibrators 11 in den Impulszähler
14 eingezählten Impulse werden in einem digitalen
Zwischenspeicher
15 bis zum nächsten Meßtakt gespeichert. Der Speichertakt wird durch den Taktgeber
5 gesteuert. Die Zwischenspeicherung ist notwendig, um ein kontinuierliches Meßsignal
zu liefern.
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Die Umsetzung der gemessenen Laufzeiten in Mengenströme erfolgt im
Code-Wandler 16. Als Code-Wandler wird hier ein an sich bekanntes, sogenanntes ROM-Element
(read only memory) benutzt.Die Zählsumme des Impulszählers 14 gibt bei jeder Messung
die Adresse an, aus der der Mengenwert aus dem ROM-Baustein gelesen wird.
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Die Zuordnung von Adresse und Mengenwert erfolgt bei der Programmierung
des ROM. Im Normalfall ist die Mengenangabe der Adresse umgekehrt proportional.
Jedoch können mit diesem Baustein eventuell erforderliche Eichkorrekturen durch
entsprechende Programmierung des ROM und dessen Umschaltung oder Austausch vorgenommen
werden. Solche Korrekturen sind z.B. angebracht bei nicht-newtonischen Flüssigkeiten
oder bei Anderungen des Strömungsprofiles in der Leitung 2.
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Zur direkten digitalen Anzeige der Flüssigkeitsmenge pro Zeiteinheit
(Mengenstrom) in der Leitung 2 wird der Ausgang des Code-Wandlers 16 (Umsetzer)
auf eine Ziffernanzeigeeinheit 17 geschaltet. Zur Analoganzeige und zur Gewinnung
eines Signales für Regelzwecke wird das digitale Ausgangssignal des Code-Wandlers
16 durch einen Digitalanalogwandler 18 in eine Analogspannung umgesetzt.
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Wenn die Laufzeitmeßstrecke 1 mit periodischerTaktfolge des Impulsgebers
5 betrieben wird, wird durch einen retriggerbaren Monovibrator 24 die ordnungsgemäße
Funktion der Meßelektronik überwacht. Solange die Flüssigkeit strömt, müssen im
Takt der Heizimpulse auch Spannungsimpulse am Komparator 9 ankommen.
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Durch diese Impulse wird der retriggerbare Monovibrator 24 kontinuierlich
gesetzt. Beim Ausfall der Impulsfolge (z.B. durch Störungen im Taktgeber 5, dem
Leistungstreiber 6, dem Heizdraht 4, dem Differenzthermoelement 7, dem Verstärker
8 oder dem Komparator 9) wird die Alarmeinrichtung 25 betätigt. Die Überwachung
meldet auch den Stillstand der Strömung, da in diesem Falle keine
Wärmepfropfen
vom Heizdraht 4 zum Thermofühler 7 transportiert werden. Bei gewolltem Strömungsstillstand,
z.B. bei intermittierendem Betrieb, wird die Überwachungseinheit 24, 25 während
der Stillstandszeit blockiert. Eine weitere Variante der Signalverarbeitung besteht
darin, daß statt eines Wärme fühlers mehrere Fühler in Strömungsrichtung hintereinander
angeordnet werden.
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Der vom Heizdraht erzeugte Wärmepfropfen erzeugt dann nacheinander
an jedem Wärmefühler einen Meßimpuls. Jeder Wärmefühler spricht auf die ansteigende
Flanke des Wärmepfropfens an. Auf diese Weise werden die Laufzeiten zwischen den
einzelnen Wärmefühlern gemessen. Da nur der Durchgang der steilen Front des Wärme
impulses zur Messung benutzt wird, können die Abstände der Wärmefühler sehr klein
gehalten werden. Auf diese Weise läßt sich die Meßzeit auf Werte unter 1 sec herabdrücken.
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Bei diskontinuierlich strömenden Flüssigkeiten ist die Messung der
Strömungsgeschwindigkeit etwas schwieriger. Dieses Problem stellt sich z.B. bei
der Spritzlackierung. Von wesentlicher Bedeutung ist dabei, daß der Meßwert möglichst
schnell, d.h. unmittelbar nach dem Öffnen des Ventiles am Spritzkopf 3 gebildet
wird. Zu diesem Zweck ist der Verschluß 27 an der Spritzkopfdüse 26 mit einem Schalter
28 gekoppelt, der beim Öffnen des Ventiles 27 einen Impuls erzeugt. Es hat sich
nun herausgestellt, daß in der Regel unmittelbar nach dem Offnen des Ventiles 27
instabile Strömungsverhältnisse in der Rohrleitung 2 vorherrschen.
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Hierdurch wird der für die Laufzeitmessung benutzte Wärmepfropfen
"verschmiert", was sich ungünstig auf die Meßgenauigkeit auswirkt.
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Erfahrungsgemäß klingt die Instabilität der Strömung innerhalb weniger
Millisekunden nach dem Einschalten wieder ab. Aus diesem Grunde wird der Einschaltimpuls
vom Schalter 28 einem einstellbaren Verzögerungsglied 29 zugeleitet. Das Verzögerungsglied
29 ist mit dem Taktgenerator 5 verbunden. Der erste Thermoimpuls wird also erst
dann getriggert und in die Strömung injiziert, wenn sich die Strömung in der Leitung
2 wieder beruhigt hat.
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Auf diese Weise ist auch bei intermittierendem Betrieb, d.h. bei dikontinuierlich
strömenden Flüssigkeiten, eine schnelle und genaue Messung möglich. Das neue Meßverfahren
hat sich bei Flüssigkeiten
mit einer Viskosität von 50 - 2000 Cp
in einem Meßbereich von 20 - 1000 cm3/min sehr gut bewährt.