DE2723809A1 - Fluid flow velocity meter using thermal injection - has heating coil for heat pulses and thermoelectric sensor with digital timer - Google Patents
Fluid flow velocity meter using thermal injection - has heating coil for heat pulses and thermoelectric sensor with digital timerInfo
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Abstract
Description
Verfahren zur Messung von Strömungsgeschwindigkeiten Method for measuring flow velocities
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.The invention relates to a method for measuring the flow velocity a continuously or discontinuously flowing liquid in a pipeline, in which a heat pulse is injected into the flow and the transit time of the resulting Heat plug is measured digitally. The measured transit time is then stored temporarily and through code converter into an electrical one proportional to the flow velocity Voltage converted. This measuring process is used in the metering process of multicomponent liquid systems based on DT-OS 2 527 378. As the mixing ratios of multi-component systems are often critical, an improvement in the measurement accuracy is desirable. the high measurement accuracy should also be achieved with intermittent operation, i.e. also in the case of a discontinuous flow are maintained. For short-term operation, e.g. for volume flow measurements in automatic spray systems, stands for the measuring process only the relatively short flow duration is available. For this reason it is necessary to shorten the measurement time without reducing the measurement accuracy.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die eingangs beschriebene Meßvorrichtung hinsichtlich Meßgenauigkeit und Meßzeit unter Berücksichtigung der oben erwähnten Anforderungen zu verbessern.The invention is based on the object described above Measuring device with regard to measuring accuracy and measuring time, taking into account the to improve the requirements mentioned above.
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.This object is achieved according to the invention in that for the transit time measurement the rising edge of the heat plug is discriminated at the location of the evidence. To detect the heat plug, the edge of the heat plug is used, at which the temperature increases as a function of time.
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.Will the duration of the heat plug between the place of generation and measured at the location of the evidence, the increasing or falling edge of the electrical pulse generating the heat pulse for the beginning of the time measurement can be used.
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.A further development of the invention provides that the digital time measurement after the application of the electrical impulse begins at a point in time which is around the heating-up time of the pulse-generating heating coil is delayed. In this way instabilities are suppressed during the heating-up time.
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.Another improvement is that in the case of a discontinuous Flow of the heat pulse required for the measurement within a preselectable Delay time after switching on the flow is triggered. The delay time is chosen so that the heat pulse is only injected when the Flow has calmed down again after switching on.
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.Because of this improvement, it was also possible to operate intermittently an improvement of the measurement accuracy of up to 1% can be achieved It is important that this improvement is not at the expense of the measurement time. the required measuring time is in the order of one second. The advantages of Invention are therefore to be seen in the fact that the measurement accuracy with simultaneous shortening the measuring time is increased.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert.In the following an embodiment of the invention is based on a Drawing explained in more detail.
Die Figur zeigt ein Blockschaltbild der Meßanordnung.The figure shows a block diagram of the measuring arrangement.
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.The measuring section 1 is built into a paint-carrying line 2, which e.g. leads to a spray head 3. In order to measure the mass flow, the the line 2 a heating wire 4 of approx.
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.1 ohm resistor built in, made up of five turns of platinum wire 0.25 mm PI and 2 mm winding diameter. This heating wire is due to the discharge a capacitor is heated up in a few milliseconds, so that it receives its heat can deliver the liquid flowing in line 2. The periodic or also aperiodic discharge of the capacitor is controlled by a power amplifier 6, which in turn is controlled by the clock generator 5. The one in the center of the pouring Part of the amount heated by the liquid is carried along with the flow as a plug of heat. The heat plug reaches the thermoelectric heat sensor after a running time T. 7. The running time T is the distance between the heating wire and the heat sensor directly proportional and inversely proportional to the flow velocity. The distance between the heating wire 4 and the heat sensor 7 is approx. 50 mm here. To achieve higher The distance can achieve measuring accuracies or shorter measuring times over a wide range can be varied.
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.The heat sensor 7 is here a differential thermocouple with very little Response time, which ensures that there are slow changes in the base temperature the liquid have no influence on the measurement. On the other hand, the temperature rise detected without delay when the heat plug flows past. Instead of a thermocouple In principle, other thermoelectric sensors, e.g. NTC resistors or Resistance thermometers can be used. The maximum temperature at the differential thermocouple is reached here in approx. 20 to 100 m / s, depending on the flow velocity.
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.A chopper amplifier 8 with a gain> 104 becomes the voltage of the differential thermocouple 7 is amplified to such an extent that there is already a temperature rise of 10 C is sufficient to excite the downstream voltage comparator 9. The threshold of the comparator 9 is controlled by a potentiometer 10 set so low that the steep temperature rise of the flank of the incoming heat plug to switch leads. In contrast, the rear flank of the heat plug has a flatter one Temperature gradient. It is therefore, like the temperature maximum, less good suitable for detecting the heat plug. The differential thermocouple 7 is on the unipolar amplifier 8 switched that only on the rising edge Signal occurs that is used for measured value processing.
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.The running time of the heat plug is now determined in such a way that at the heating of the heating wire 4, a bistable multivibrator 11 is set and when Receipt of the rising edge of the heat plug by the differential thermocouple 7 is reset again via the amplifier 8 and the comparator 9. Because of the Symmetry and the short duration of the applied heat pulse does not matter which edge of the heat pulse is used for the Laurzeit measurement at the point of generation will. The setting time of the bistable multivibrator 11 is the running time of the heat plug proportional. The running time is measured digitally: During the setting time of the Multivibrators 11 are clock pulses from a pulse generator via a gate circuit 12 13 counted into a pulse counter 14. The pulse counter 14 is with each new Heating pulse from clock generator 5 is zeroed.
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.When measuring very short transit times (high flow velocity and / or very short measuring distance) is the time constant for heating up the heating wire 4 no longer small compared to the running time. The resulting measurement error can can be eliminated by the following circuit-technical measure: Zeroing the pulse counter 14 takes place from the clock generator 5 at a point in time that corresponds to the amount of the heating time the heating coil 4 is delayed compared to the setting pulse of the multivibrator 11. This suppresses those counting pulses that have entered the pulse counter, which pass through the gate 12 during the heating time of the heating wire.
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.The during the setting time of the multivibrator 11 in the pulse counter 14 counted pulses are in a digital Cache 15 saved until the next measuring cycle. The memory clock is determined by the clock 5 controlled. The intermediate storage is necessary for a continuous measurement signal to deliver.
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.The measured transit times are converted into volume flows in the Code converter 16. A so-called ROM element, known per se, is used here as the code converter (read only memory). The counting sum of the pulse counter 14 gives with each measurement the address from which the quantity value is read from the ROM module.
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.The address and quantity value are assigned during programming of the ROM. Normally the quantity of the address is inversely proportional. However, this module can be used to carry out any necessary calibration corrections appropriate programming of the ROM and its switching or replacement made will. Such corrections are appropriate for non-Newtonian fluids, for example or if the flow profile changes in line 2.
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.For direct digital display of the amount of liquid per unit of time (Volume flow) in line 2 is the output of the code converter 16 (converter) switched to a numeric display unit 17. For analog display and extraction of a signal for control purposes becomes the digital output signal of the code converter 16 converted into an analog voltage by a digital to analog converter 18.
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.If the transit time measuring section 1 with periodic pulse sequence of the pulse generator 5 is operated, a retriggerable monovibrator 24 is the proper Function of the measuring electronics monitored. As long as the liquid flows, im Clock of the heating pulses also voltage pulses arrive at the comparator 9.
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.These pulses make the retriggerable monovibrator 24 continuous set. If the pulse train fails (e.g. due to malfunctions in the clock generator 5, the Power driver 6, the heating wire 4, the differential thermocouple 7, the amplifier 8 or the comparator 9) the alarm device 25 is actuated. The supervision also reports the standstill of the flow, since in this case none Heat plug be transported from the heating wire 4 to the thermocouple 7. In the event of a desired flow standstill, e.g. in intermittent operation, the monitoring unit 24, 25 is during the downtime blocked. Another variant of the signal processing exists in that instead of a heat sensor, several sensors one behind the other in the direction of flow to be ordered.
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.The heat plug generated by the heating wire then generates one after the other a measuring pulse at each heat sensor. Every heat sensor responds to the rising one Edge of the heat plug. In this way, the transit times between the measured with individual heat sensors. As only the passage of the steep front of the heat impulses is used for measurement, the distances between the heat sensors can be very small being held. In this way, the measuring time can be reduced to values below 1 sec.
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.In the case of discontinuously flowing liquids, the measurement is Flow speed a little more difficult. This problem arises e.g. with the spray painting. It is of essential importance that the measured value as possible formed quickly, i.e. immediately after opening the valve on the spray head 3 will. For this purpose, the closure 27 on the spray head nozzle 26 is provided with a switch 28 coupled, which generates a pulse when the valve 27 is opened. It has It has now been found that, as a rule, immediately after opening the valve 27 unstable flow conditions prevail in pipeline 2.
Hierdurch wird der für die Laufzeitmessung benutzte Wärmepfropfen "verschmiert", was sich ungünstig auf die Meßgenauigkeit auswirkt.This creates the heat plug used for the transit time measurement "smeared", which has an unfavorable effect on the measurement accuracy.
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.Experience has shown that the instability of the flow sounds within a few Milliseconds after switching on again. For this reason, the switch-on pulse fed from switch 28 to an adjustable delay element 29. The delay element 29 is connected to the clock generator 5. So the first thermal impulse is only then triggered and injected into the flow when the flow is in the conduit 2 has calmed down again.
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.This is also the case with intermittent operation, i.e. with discontinuous operation flowing liquids, a quick and accurate measurement is possible. The new measuring method has become with liquids with a viscosity of 50-2000 cp Proven very well in a measuring range of 20 - 1000 cm3 / min.
Claims (5)
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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OD | Request for examination | ||
OHN | Withdrawal |