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Dokumentenidentifikation DE3815518C2 28.10.1993
Titel Verfahren und eine von einem Gas, insbesondere Luft, durchströmte Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens
Anmelder Pierburg Luftfahrtgeräte Union GmbH, 4040 Neuss, DE
Erfinder Kehrmann, Helmut, 4044 Kaarst, DE
Vertreter König, R., Dipl.-Ing. Dr.-Ing.; Bergen, K., Dipl.-Ing., Pat.-Anwälte, 40219 Düsseldorf
DE-Anmeldedatum 06.05.1988
DE-Aktenzeichen 3815518
Offenlegungstag 16.11.1989
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 28.10.1993
Veröffentlichungstag im Patentblatt 28.10.1993
IPC-Hauptklasse G01F 15/04
IPC-Nebenklasse G01L 13/00   G05D 16/00   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer von einem Gas, insbesondere Luft, durchströmten Vorrichtung, mit einem volumetrischen Gaszähler, der von einem Servomotor angetrieben und dessen Drehzahl entsprechend dem gewünschten Durchfluß eingestellt wird, wobei die mittels zweier überlastsicherer Druckdifferenzgeber unterschiedlicher Empfindlichkeit, deren Meßbereiche sich überlappend ergänzen, gemessene Druckdifferenz so geregelt wird, daß die Druckdifferenz gegen Null geht, sowie eine Vorrichtung zum Durchführen dieses Verfahrens.

Aus der DE-PS 28 19 238 ist eine Meßanordnung mit einem solchen servogetriebenen, volumetrischen Verdrängungszähler bekannt, bei der die Druckdifferenz über dem Verdrängungs- bzw. Gaszähler durch Verändern der Drehzahl des Verdrängungszählers mittels einer speziellen, zwei Druckdifferenzgeber unterschiedlicher Empfindlichkeit aufweisenden Regeleinrichtung auf Null geregelt wird. Dieses bekannte Gerät bzw. die Meßanordnung erlaubt zwar hochgenaue Gasdurchflußmessungen mit einer Genauigkeit von 0,25% vom Meßwert im Meßbereich von 1 : 50, jedoch ist das Zeitverhalten insbesondere für dynamische Einsatzzwecke nicht ausreichend. Bei einem Gerät mit einem Maximaldurchsatz von 1000 m³/h liegen beispielsweise bei einer Durchflußänderung von 20% Einschwingzeiten von ca. 18 sec. und bei einer 100%igen Durchflußänderung von ca. 30 sec. vor. Ein an die Dynamik angepaßtes Regelverhalten der Meßanordnung erfordert zum Beispiel die serienmäßige Kalibrierung von Luftmengenmessern für Kraftfahrzeug-Gemischbildner. Es muß der gesamte Durchflußbereich des Prüflings durchfahren werden, wobei entweder einzelne Durchflußpunkte angefahren und die Kalibrierwerte des Prüflings an diesen Punkten durch statische Messung ermittelt werden, oder es wird der Durchfluß kontinuierlich verstellt und dabei gleichzeitig die Kalibrierkurve des Prüflings aufgenommen. Hierbei ist neben der Genauigkeit der die Prüfkosten wesentlich beeinflussende Zeitaufwand für die Aufnahme einer Kalibrierkurve von ausschlaggebender Bedeutung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, die es erlauben, die bekannte, mit hoher Meßgenauigkeit arbeitende Meßanordnung auch dann einzusetzen, wenn sprunghafte Durchflußänderungen auftreten, wie insbesondere im dynamischen Betrieb, die ein entsprechendes, d. h. schnellstmögliches Einregeln der Druckdifferenz gegen Null erfordern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein der Druckdifferenz proportionales elektrisches Ausgangssignal eines Druckdifferenzreglers sowie ein dem Zeitintegral der Druckdifferenz proportionales Ausgangssignal den Sollwert für eine unterlagerte Positionsregelung eines den Durchfluß des Gases dosierenden Stellgliedes liefern, wobei die Position des Stellgliedes so eingeregelt wird, daß die Druckdifferenz über dem Gaszähler zu Null wird. Auf diese Weise lassen sich der Durchfluß eines Gases mit der Genauigkeit des bekannten Durchflußmeßgerätes dosieren und gleichzeitig eine insbesondere für Serienprüfungen geringe Verstellgeschwindigkeit erreichen.

Ausgehend davon, daß der Volumendurchfluß durch den Verdrängerzähler exakt proportional seiner Drehzahl ist, solange die Druckdifferenz Δp zwischen der Einlaß- und der Auslaßseite des Zählers gegen Null geht, läßt sich die Drehzahl über den Servoantrieb entsprechend dem gewünschten Durchfluß einstellen und aufgrund der Regelung der Position des Stellgliedes die Druckdifferenz Δp über dem Zähler auf Null bringen. Der Meßanordnung wird somit durch Verstellen der Drehzahl des Verdrängerzählers ein entsprechender Durchfluß aufgeprägt, und die Druckdifferenzregelung auf Δp = Null sorgt dafür, daß der volumetrische Durchlfuß exakt proportional der Zählerdrehzahl ist. Während das Verstellen der Verdrängerdrehzahl wegen des relativ großen Trägheitsmomentes und der zur Verfügung stehenden Leistung des Servoantriebes mehrere Sekunden erfordert, läßt sich die Position des Stellgliedes demgegenüber sehr schnell (innerhalb ca. 100 Millisekunden) verstellen und damit sicherstellen, daß das Stellglied auch bei Durchflußänderungen genügend schnell nachgeregelt wird, um Δp auf Null zu bringen.

Aus der EP 0 188 763 A2 ist ein Verfahren zur Steuerung bzw. Regelung von Gasen von Autogen- und/oder Schutzgasanlagen bekannt, bei dem das Dosieren mit Hilfe einer kalibrierten Düse und der Regelung des Düsenvordrucks erfolgt. Dabei wird der Vordruck elektronisch gemessen und durch einen elektronischen Regler (PID-Regler) über ein spezielles elektroproneumatisches Stellglied auf den dem gewünschten Gasdurchfluß entsprechenden Vordruck eingeregelt. Dieses Verfahren benutzt den Vordruck als indirektes Maß für den Durchfluß und ist damit auf die Kalibrierkonstanz der Düse angewiesen, während das erfindungsgemäße Verfahren einen direktmessenden, volumetrischen Verdrängerzähler benutzt, so daß die beiden Vorschläge nicht vergleichbar sind, ganz davon abgesehen, daß mit der Erfindung sich die dargelegten Vorteile bezüglich Meßgenauigkeit und Meßbereich erreichen lassen.

Vorzugsweise werden die beiden Druckdifferenzgeber derartig gleichzeitig betrieben, daß bei großer Druckdifferenz ein unempfindlicher Druckdifferenzgeber über einen Proportional-Integral-Regler das relevante, unterlagerte Regelkreissignal erzeugt, während bei kleinerer Druckdifferenz im quasi stationären Zustand ein empfindlicher Druckdifferenzgeber (Feingeber) über einen Integrator mit langer Integrationszeit ein relevantes unterlagertes Regelkreissignal liefert. Beim Dosieren des Gas-Durchflusses werden die gleichen hohen Anforderungen an Auflösevermögen, Nullpunktstabilität, Linearitätsabweichung, Meßbereich und Überlastbarkeit beim Erfassen und Einregeln der Druckdifferenz Δp über dem Verdrängerzähler gestellt wie bei der bekannten Anordnung zum Messen des Durchflusses des Gases. Es wird somit auch bei dem Dosierverfahren ein periodischer Nullabgleich mit zwei sich in den Meßbereichen ergänzenden Druckdifferenzgebern angewendet, wobei das elektrische Ausgangssignal des empfindlichen Druckdifferenzgebers (Feingeber) über einen langsamen Integrator integriert und dem elektrischen Ausgangssignal des unempfindlicheren Druckdifferenzgebers (Grobgeber) hinzuaddiert wird.

Zum Dosieren des Durchflusses bildet das resultierende Signal aber nicht wie beim Messen des Durchflusses über einen weiteren Integrator den Sollwert für eine unterlagerte Drehzahlregelung des Verdrängerzählers, sondern liefert über den Proportional-Integral-Regler den Sollwert für die unterlagerte Positionsregelung des Stellgliedes. Damit ergibt sich ein völlig geändertes Regelverfahren, bei dem die Druckdifferenzregelung nicht mehr auf die nur langsam veränderbare Drehzahl des Verdrängerzählers, sondern auf die schnell änderbare Position des Stellgliedes wirkt. Damit läßt sich eine erhebliche Steigerung der Dynamik erreichen, so daß sich das erfindungsgemäße Verfahren mit großer Wirtschaftlichkeit insbesondere bei der Serienprüfung von Luftmengenmessern in Kraftfahrzeug-Gemischbildnern anwenden läßt, wobei sich die großen Vorteile bezüglich Meßgenauigkeit und Meßbereich des bekannten Gasdurchflußmeßgerätes nun auch beim schnellen Dosieren des Gasdurchflusses ausschöpfen lassen.

Vorzugsweise wird der Feingeber durch eine automatische Korrekturschaltung in definierten Zeitabständen, vorzugsweise periodisch, abgeglichen. Damit läßt sich eine Nullpunktstabilität der Druckdifferenzmessung sicherstellen. Aufgrund der zusätzlichen Verknüpfung zweier bereits verknüpfter Regelkreise wird das Entstehen einer Leckmenge und damit eines Meßfehlers verhindert. Der Feingeber ist über Magnetventile pneumatisch mit der Ein- und Auslaßseite des Verdrängerzählers verbunden. Durch periodisches, kurzzeitiges Sperren der Ventile ergibt sich der pneumatische Nullpunkt, wenn zugleich über eine Verbindung zwischen beiden Seiten des Gebers der Druckausgleich stattfindet, was sich über eine permanent gedrosselte Verbindung der Gasvolumina beiderseits des Drucksensors im Feingeber erreichen läßt. Die gedrosselte Verbindung bewirkt eine periodisch abklingende Schwingung des Gebers zu seinem mechanischen Nullpunkt, und nach einer gewissen Beruhigungszeit läßt sich das dann anstehende elektronische Meßsignal als Referenzsignal für den Druck Null abspeichern.

Vorzugsweise lassen sich der Druck und die Temperatur des Gases am Gas- bzw. Verdrängerzähler messen und zusammen mit seiner Dichte - die für das jeweilige Gas bekannt ist - bei Normdruck und-temperatur in den Drehzahlsollwert des Gaszählers einrechnen. Damit ist es möglich, einen Massestromgenerator zu verwirklichen. Wenn nämlich der Verdrängerzähler direkt aus der Atmosphäre ansaugt, sind die für die Umrechnung eines Volumenstroms ≙ in einen Massestrom ≙ relevanten Meßgrößen Temperatur und Druck zumindest kurzfristig konstant. Es läßt sich dann entsprechend den Formeln



f = Ausgangssignalfrequenz des Verdrängerzählers

KD = Kalibrierfaktor Impulse pro Liter

T&sub0; = Bezugstemperatur

P&sub0; = Bezugsdruck

T = Mittelwert der Temperaturen am Ein- und Auslaß des Verdrängerzählers

P = Druck am Einlaß des Verdrängerzählers

ρ&sub0; = Gasdichte bei Bezugsdruck und Temperatur (Absolutwerte für Druck und Temperatur)

eine Sollfrequenz fsoll und damit die Solldrehzahl Nsoll entsprechend dem gewünschten Massedurchfluß ≙soll berechnen und einstellen:



Dieser Massedurchfluß ist dann für die Meßstrecke der Meßanordnung fest eingeprägt. Störungen in der Strecke werden durch das Stellglied ausgeregelt.

Bei einer im Rahmen der Erfindung bevorzugten Vorrichtung läßt sich ein zu kalibrierender Prüfling, wie ein Luftmengenmesser, vorzugsweise in einer Rohrleitung in Reihe mit dem volumetrischen Verdrängerzähler und einer Stellklappe anordnen. Die das Stellglied darstellende Stellklappe läßt sich mit großer Geschwindigkeit positionieren und damit läßt sich die erforderliche Regelstabilität beim Dosieren des Durchflusses des Gases sicherstellen. Zum Luft- bzw. Gasdurchsatz läßt sich eine Vakuumpumpe oder ein Gebläse in der Meßanordnung bzw. der Rohrleitung verwenden.

Zur Druckdifferenzmessung beim Dosieren des Durchflusses eines Gases lassen sich vorzugsweise die bei dem bekannten Durchflußmeßgerät eingesetzten Druckdifferenzmeßgeber verwenden, die eine einseitig eingespeiste Blattfeder aufweisen, deren drei freie Seiten sich mit gleichbleibendem Spiel zwischen angrenzenden Gehäusewandungen erstrecken, wobei gemäß der Biegelinie der Blattfeder geformte, mit den Gehäusewandungen abdichtend verbundene und durchgehende, beim Anliegen der Blattfeder völlig abgedeckte Bohrungen besitzende Anschläge zum Begrenzen der maximalen Federdurchbiegung angebracht sind. Die Blattfeder lenkt sich bei einer Druckdifferenz aus ihrer Mittelstellung aus, wobei sich die Durchbiegung mit einer elektronischen Wegabtastung erfassen läßt. Die unterschiedlichen Empfindlichkeiten für den Grob- und den Feingeber werden durch unterschiedlich dicke Blattfedern erreicht. Die Blattfederdicken können dabei entsprechend den bekannten Berechnungsgrundlagen für eine einseitig eingespannte Feder ausgelegt und für den jeweiligen Belastungsfall die Biegelinie und Durchbiegung berechnet werden. Wenn beim Nullabgleich die Druckfühlerleitungen über die Magnetventile geschlossen werden, kann sich der Druck über den Spalt zwischen der Blattfeder und der Gehäusewand ausgleichen und die Blattfeder wieder in ihre Mittelstellung zurückkehren. Ein weiteres Durchbiegen der Blattfeder bei Überlast wird durch die gemäß der Biegelinie geformten, Bohrungen aufweisenden Flächenanschläge begrenzt, die mit den Gehäusewandungen abdichtend verbunden sind und deren Bohrungen beim Anliegen der Blattfeder völlig abgedeckt werden.

Vorzugsweise wird die Durchbiegung des freien Endes der Blattfeder mit einer elektrischen Wegabtastung gemessen, die eine mit einem der Anschläge bündig abschließende aktive Stirnfläche besitzt.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 ein Schema-Blockschaltbild einer Meßanordnung für ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Dosieren des Gasdurchflusses mit Hilfe eines servogetriebenen Verdrängerzählers, dessen Druckdifferenz Δp durch ein Stellglied auf Null gergelt wird;

Fig. 2 ein ergänztes Blockschaltbild der Meßanordnung nach Fig. 1;

Fig. 3 ein Impulsdiagramm zur Erläuterung des Verfahrens beim automatischen Nullabgleich;

Fig. 4 eine bevorzugte Ausführung eines erfindungsgemäßen Druckdifferenzgebers, in der Draufsicht; und

Fig. 5 den Geber gemäß Fig. 4 entlang der Linie IV-IV geschnitten.

Ein volumetrischer Verdränger- bzw. Gaszähler 1, eine Stellklappe 2 als Stellglied zur Drosselung des Gasstroms, ein zu prüfender Gasmengenmesser 3 (Prüfling) und eine Saugpumpe 4 sind hintereinander in eine Rohrleitung eingebaut. Der über einen Tacho 6 an eine Drehzahlregelung 7 angeschlossene Verdrängerzähler 1 wird von einem Servomotor 5 angetrieben. Die Drehzahlregelung 7 stellt die Drehzahl des Verdrängerzählers 1 entsprechend dem Sollwert Nsoll ein. Dabei wird Nsoll entsprechend dem gewünschten Durchfluß vorgewählt. Aus der Ausgangssignalfrequenz f einer mit dem Servoantrieb 5 verbundenen Impulsabtastung (Scheibe) 8 und dem festliegenden Kalibrierwert KD (Impulse pro Liter) des Verdrängerzählers 1 berechnet sich der aktuelle Durchflußwert.

Ein Druckdifferenzsensor 9 mißt die Druckdifferenz Δp über den Ein- und Auslaß des Verdrängerzählers 1. Ein Regler 10 verändert die Position der Stellklappe 2 derart, daß sich die Druckdifferenz Δp=Null über dem Verdrängerzähler 1 einstellt und damit die Proportionalität zwischen dem Durchfluß und der Drehzahl des Verdrängerzählers 1 sichergestellt ist.

Die Saugpumpe 4 erzeugt einen Unterdruck und zieht damit einen Gasstrom durch den Verdrängerzähler 1, die Stellklappe 2 und den Prüfling 3. Am Prüfling 3 entsteht ein bauartbedingter, durchflußabhängiger Druckabfall. Der Druckabfall an der Stellklappe 2 wird so eingeregelt, daß die Summe der Druckabfälle in der Rohrleitung, an der Stellklappe 2 und am Prüfling 3 gerade dem Förderdruck der Pumpe 4 entspricht. Die Stellklappe 2 regelt somit Änderungen am Prüfling 3 oder an der Pumpe 4 sofort aus.

Anhand des ergänzten, ausführlichen Blockschaltbildes gemäß Fig. 2 wird das erfindungsgemäße Verfahren näher beschrieben. Die Einlaßseite des Verdrängerzählers 1 weist eine Entnahmestelle 11 für den Einlaßdruck auf. Der Einlaßdruck pflanzt sich über eine Druckfühlerleitung 12 zu einem Grobgeber 13 und über ein Magnetventil 14 zu einem Feingeber 15 fort; die Geber 13, 15 stellen den Druckdifferenzsensor 9 gemäß Fig. 1 dar, wobei der Grob- und der Feingeber 13, 15 als Differenzdruckgeber unterschiedlicher Empfindlichkeit wirken.

An der Auslaßseite des Zählers 1 pflanzt sich der Auslaßdruck von einer Entnahmestelle 16 über eine Druckfühlerleitung 17 zum Grobgeber 13 und über ein Ventil 18 zum Feingeber 15 fort. Eine gedrosselte Verbindung 15a im Feingeber 15 bewirkt beim Nullabgleich des Feingebers 15 einen selbsttätigen Druckausgleich auf Null. Aus der Differenz Δ p zwischen dem ein- und auslaßseitigen Druck am Verdrängerzähler 1 wird vom Grobgeber 13 ein Signal Δpg und vom Feingeber ein Signal Δpf erzeugt und einer Schaltung zugeführt, in der vier Regelkreise zur Regelung der Druckdifferenz auf Null vermascht bzw. verknüpft sind.

Der erste, zur Positionsregelung der Stellklappe 2 entsprechend dem Drehwinkel-Sollwert αsoll dienende Regelkreis besteht aus einem Stellmotor 19 und einem Positionsgeber 20 der Stellklappe 2, einem Positionsregler 21 und einem Leistungsverstärker 22. Die Klappe 2 läßt sich in ca. 100 Millisekunden auf den Sollwert einregeln. Der zweite Regelkreis dient zur Druckdifferenzregelung und bildet über einen proportional-integralen Druckdifferenzregler 23 den Drehwinkel- Sollwert αsoll. Als Istwert wird das Signal Δ pg des Grobgebers 13 und als Sollwert ein Signal ΔpTRIMbenutzt. Mittels des dritten Regelkreises wird die Druckdifferenz auf Null getrimmt und das Signal ΔpTRIM über einen langsam integrierenden Trimmregler 24 geliefert, der als Istwert das Signal Δpf des Feingebers 15 und als Sollwert ein Korrektursignal UKorr benutzt. Die Soll-/Istwert-Differenz ΔpKorr geht über einen Schalter S1 in einen Trimmintegrator 24 ein. Durch Öffnen des Schalters S1 wird der Trimmintegrator 24 beim Nullabgleich - dessen Funktion noch ausführlich erläutert wird - gestoppt. Den automatischen Nullabgleich 25 ermöglicht der vierte Regelkreis. Dieser Regelkreis liefert das Korrektursignal UKorr, das exakt dem Feingebersignal Δpf bei definierter Druckdifferenz Δp gleich Null entspricht. Hiermit läßt sich in periodischen Abständen die Nullpunktstabilität des Druckdifferenzgebers 13, 15 sicherstellen.

Der Trimmregler bzw. -integrator 24 verarbeitet die Signale des Feingebers 15, der bereits kleinste Druckdifferenzen (ca. 1 µbar) meldet und zu einem entsprechenden Anstieg oder Abfall des Sollwerts ΔpTrim für den Druckdifferenzregelkreis führt. Wenn die Druckdifferenz so klein ist, daß der Grobgeber 13 sie nicht mehr auflösen kann, gewährleistet der integrierende Trimmregelkreis dennoch die Genauigkeit der Druckdifferenzregelung. Bei großen Durchflußänderungen übersteuert der Feingeber 15 sofort, wohingegen sich ΔpTrim wegen der großen Integrierzeitkonstanten des Trimmreglers 24 nur sehr langsam ändert. Das Signal Δpg des Grobfühlers 13 beaufschlagt den Differenzdruckregler 23 allerdings unmittelbar, d. h. verzögerungsfrei und sorgt so für eine schnelle Verstellung von αsoll. Der Feingeber 15 ist damit für die statische Genauigkeit, der Grobgeber 13 für das dynamische Verhalten zuständig.

Für die in Fig. 2 gestrichelt eingerahmte, bevorzugte Ausführung für einen automatischen Nullabgleich 25 gilt das Ablaufdiagramm gemäß Fig. 3. Zum Nullabgleich stößt ein Impulsgenerator 26 mit der Periodendauer TA (~ 5 Minuten) ein Monoflop 27 mit der Impulsdauer TB (~ 1 s) an. Das Monoflop 27 setzt mit einem Signal (Rücksetzsignal) 271 ein Flipflop 28 und gleichzeitig einen Digitalzähler 29 zurück, in dem der Abgleichwert für das Korrektursignal UKorr binär gespeichert ist. Ein Ausgangssignal 281 vom Flipflop 28 bewirkt folgendes:

  • a) Mittels der zwei Magnetventile 14, 18 wird der Feingeber 15 von den Druckfühlerleitungen 12, 17 abgetrennt, wobei sich über der eingebauten Spalte des Gebers 15 (vgl. 15a) ein Druckausgleich bildet, so daß nach einer Beruhigungszeit TB mechanisch der Differenzdruck Δp=Null anliegt.
  • b) Der Schalter S1 wird geöffnet. Damit bleibt der Trimmintegrator 24 stehen und speichert für die Dauer des Abgleichs den Sollwert ΔpTrim für den unterlagerten Δpg-Regelkreis, der während dieser Zeit ungestört weiterarbeitet.
  • c) Ein Schalter S2 wird geschlossen. Damit werden Impulse mit einer Periodendauer TC (~ 1 ms) von einem Taktgenerator 30 zum Digitalzähler 29 geleitet, so daß nach Ablauf der Beruhigungszeit TB, d. h. nach Wegfall des Rücksetzsignals 271, der Zähler 29 die Impulse vom Taktgenerator 30 von Null an hochzählt.


Ein Digital-Analog-Wandler 31 setzt den steigenden Zählerinhalt in ein Analogsignal für den Abgleichwert UKorr um, von dem das Signal Δpf subtrahiert wird; die Differenz Δ pKorr geht auf einen Komparator 32. Da der Digitalzähler 29 zu Beginn des Abgleichs auf Null zurückgesetzt wurde, schaltet der Komparator 32 zunächst sicher nach logisch Null. Sobald der Zähler 29 soweit hochgelaufen ist, daß ΔpKorr gleich oder wenig größer als Null wird, springt ein Signal 321 auf logisch Eins und setzt das Flipflop 28 zurück, wodurch sich der Schalter S2 öffnet und der Zähler 29 stehenbleibt. Der Abgleichwert für das Korrektursignal UKorr wird bis zum nächsten Abgleichvorgang gespeichert. Der Nullabgleich bezieht sich somit auf den Feingeber 15 und betrifft nicht den Trimmregler 24, der jedoch durch eine Offsetspannung wegdriften kann. Durch Wahl beispielsweise eines chopperstabilisierten Verstärkers zum Aufbau des Integrators bzw. Trimmreglers 24 läßt sich die maximale Offsetspannung am Integrator-Eingang allerdings weit unterhalb des kleinsten Nutzsignals des Feingebers 15 halten.

In Fig. 2 ist außerdem der Drehzahlregelkreis zur Einstellung der gewünschten Drehzahl des Verdrängers 1 dargestellt. Aus dem Solldurchfluß Qsoll wird in einer Recheneinheit 33 die Solldrehzahl Nsoll berechnet. Durch Einbeziehen der Temperaturen T1 und T2 am Ein- und Auslaß des Verdrängers 1 sowie des Druckes P am Einlaß läßt sich die Drehzahl auch entsprechend einem Soll-Massendurchfluß bestimmen. Die vorgewählte Solldrehzahl Nsoll wird dazu mit der vom Tacho 6 zurückgemeldeten Drehzahl verglichen. Entsprechend der Drehzahldifferenz wird über einen proportional-integralen Drehzahlregler 34 und einen Leistungsverstärker 35 der Servomotor 5 des Verdrängerzählers 1 angesteuert.

Bei statischen Messungen wird normalerweise das Frequenzsignal der Impulsscheibe 8 zur Anzeige des Durchflusses benutzt. Um die gewünschte Genauigkeit zu erreichen, werden zahlreiche Impulse aufsummiert, wodurch sich speziell bei kleinen Durchflüssen größere Meßzeiten ergeben. Dynamischen Messungen liegt daher, insbesondere wenn beispielsweise zur Aufnahme der Kalibrierkurve des Prüflings 3 ein Sollwert Qsoll als Rampe vorgesehen wird, vorzugsweise ein über einen Frequenz-Spannungswandler 36 erzeugtes Analogsignal QN zugrunde, das zusammen mit einem Ausgangssignal QP des Prüflings zur Dokumentation der Kalibrierkurve des Prüflings QP=f (QN) benutzt wird (vgl. Fig. 2).

Die Fig. 4 und 5 stellen eine Ausführung der Druckdifferenzgebers 13 oder 15 dar. Eine im unbelasteten Zustand (Δ p=Null) nicht durchgebogene Blattfeder 37 ist zwischen zwei Anschlägen 38 fest eingespannt (vgl. das linke Ende in Fig. 5). Die Anschläge 38 sind mit einer Anzahl Bohrungen 39 versehen, so daß die durch Anschlüsse 40 als Folge einer Druckdifferenz Δp ein- bzw. ausströmende Gasmenge ohne nennenswerten Druckverlust an der Blattfeder 37 praktisch wieder Δp aufbaut.

Während eines Druckstoßes, der den Meßbereich des Gebers 15 überschreitet, legt sich die Blattfeder 37 an einem der Anschläge 38 an. Dadurch wird deren mechanische Überlastung vermieden. Ebene Wandungen 41 verlaufen zumindest in dem Bereich zwischen den beiden Anschlägen 38 zueinander parallel. Sie bilden zusammen mit einer konkav gekrümmten Wandung 42 einen Schacht, in welchem die Blattfeder 37 mit geringem Spiel von etwa 0,05 mm ihre Bewegungen ausführen kann, ohne die Wandungen zu berühren. Durch das geringe Spiel wird innhalb des Druckdifferenzmeßbereichs die Leckmenge durch den Spalt vernachlässigbar klein gehalten gegenüber der noch am Verdrängerzähler 1 verbleibenden Leckmenge. Bei auch nur kurzzeitigem Überschreiten des Δp-Meßbereichs werden die Bohrungen 39 durch die Blattfeder 37 völlig abgedeckt, so daß die Leckmenge nicht mehr ansteigt.

Die entsprechend der Dimensionierung der Blattfeder 37 schon bei kleinsten Druckdifferenzen genügend große Durchbiegung kann mit recht geringem Aufwand mit einem einfachen handelsüblichen Wegmeßsystem noch genau genug gemessen werden. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, einen sogenannten analogen Näherungsinitiator 44 mit den elektrischen Anschlüssen 45 zu verwenden, dessen aktive Fläche 43 bündig zur Kontur eines der Anschläge 38 verläuft.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zum Betreiben einer von einem Gas, insbesondere Luft, durchströmten Vorrichtung, mit einem volumetrischen Gaszähler, der von einem Servomotor angetrieben und dessen Drehzahl entsprechend dem gewünschten Durchfluß eingestellt wird, wobei die mittels zweier überlastsicherer Druckdifferenzgeber unterschiedlicher Empfindlichkeit, deren Meßbereiche sich überlappend ergänzen, gemessene Druckdifferenz so geregelt wird, daß die Druckdifferenz gegen Null geht, dadurch gekennzeichnet, daß ein der Druckdifferenz (Δ p) proportionales elektrisches Ausgangssignal eines Druckdifferenzgebers (13, 15) sowie ein dem Zeitintegral der Druckdifferenz proportionales Ausgangssignal den Sollwert für eine unterlagerte Positionsregelung eines den Durchfluß des Gases dosierenden Stellgliedes liefern, wobei die Position des Stellgliedes so eingeregelt wird, daß die Druckdifferenz (Δp) über dem Gaszähler zu Null wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Druckdifferenzgeber derartig gleichzeitig betrieben werden, daß bei großer Druckdifferenz ein unempfindlicher Druckdifferenzgeber über einen Proportional-Integral-Regler (23) das relevante, unterlagerte Regelkreissignal erzeugt, während bei kleiner Druckdifferenz im quasi stationären Zustand ein empfindlicherer Druckdifferenzgeber (Feingeber) über einen Integrator mit langer Integrationszeit ein relevantes unterlagertes Regelkreissignal liefert.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Feingeber durch eine automatische Korrekturschaltung in definierten Zeitabständen auf Null abgeglichen wird.
  4. 4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß beim Nullabgleich des Feingebers der Druckausgleich auf Null selbsttätig durch eine permanent gedrosselte Verbindung der Gasvolumina beiderseits des Drucksensors im Geber bewirkt wird.
  5. 5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck und die Temperatur des Gases am Gaszähler gemessen und zusammen mit seiner Dichte bei Normdruck und -temperatur in den Drehzahlsollwert des Gaszählers eingerechnet werden.
  6. 6. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Rohrleitung ein Prüfling (3) in Reihe mit dem volumetrischen Gaszähler (1) und einer Stellklappe (2) angeordnet ist.
  7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine einseitig eingespannte Blattfeder (37) für einen Druckdifferenzgeber (13; 15) deren drei freie Seiten sich mit gleichbleibendem Spiel (δ) zwischen angrenzenden Gehäusewandungen (41, 42) erstrecken, und durch gemäß der Biegelinie der Blattfeder (37) geformte, mit den Gehäusewandungen abdichtend verbundene und durchgehende, beim Anliegen der Blattfeder (37) völlig abgedeckte Bohrungen (39) besitzende Anschläge (38) zum Begrenzen der maximalen Federdurchbiegung.
  8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, gekennzeichnet durch eine elektrische Wegabtastung (44) zum Messen der Durchbiegung der Blattfeder (37) mit zu einem der Anschläge bündig abschließender aktiver Stirnfläche (43).






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