Drosselgerät fiir die Mengenmessung strömender Mittel.
Von den bei der Mengenmessung oder Dichtebestimmung strömender Mittel massgebenden EinfluBgröBen sind die linearen Abmessungen d der Me¯stelle, die Durchflussgeschwindigkeit v und die kinematische Zähigkeit v ( = (/@ = ZÏhigkeit/Dichte) des Messmittels in der sogenannten Reynoldssehen Zahl Re = d . v/? zusammengefa¯t, durch welche zum Ausdruck gebracht wird, in welchem VerhÏltnis die in einer Strömutig auftretenden dynamischen Kräfte zu den im Messmittel vorhandenen Zähigkeitskräften stehen und neben der ebenfalls eine Rolle spielenden geometrischen Form der f r die Messung benutzten Drosselöffnung die Strahlverformungsgr¯¯e u (Ausflusskoeffi- zient) des a. us dieser Öffnung austretenden Messmittels beeinflussen.
Führt man n für den Einfluss der dynamischen Kräfte auf die Strahlform den Faktor a, für den Einfluss der ZÏhigkeitskrÏfte den Faktor p ein, so erhält man f r den Ausflusskoeffizienten u die bekannte einfache Beziehung : u = α (.
Im Bereich sehr grosser Reynoldsscher Zahlen, also unter Verhältnissen, bei denen die dynamischen KrÏfte die Strömung so gut wie allein beherrschen, üben Änderungen der Reynoldssehen Zahl-sei es durch Ande- rung der Durchflussgeschwindigkeit, sei es durch Änderung des Druckes oder Temperatur, also der Dichte und damit der kinematischen Zähigkeit des Messmittels, oder sei es durch gleichzeitige Änderung dieser in der Reynoldssehen Zahl enthaltenen Veränder- lichen-praktisch keinen Einfluss auf das s Stromungsbild an der für die Messung benutzten Drosselöffnung und damit auf das Verhalten des Ausflusskoeffizienten Á aus.
Dieser ist bei allen gebräuchlichen Drossel öffnungen bis herab zu einer Grenzzone, die bei gro¯em Offnungsverhältnis nt ( = â/F = Querschnitt der Messöffnung/Querschnitt der Messleitung) im wesentlichen oberhalb, bei kleinem Offnungsverhältnis im wesentlichen unterhalb Re = 10 5 liegt, konstant.
Aber schon im Grenzgebiet beginnend und bei den kleineren Reynoldssehen Zahlen, d. h. in Bereichen, in denen der Einflu¯ der Zähigkeits- krÏfte denjenigen der dynamischen über- wiegt, bedeutet jede auch nur kleine mande- rung der Reynoldsschen Zahl eine ¯nderung des Strömungsbildes an der Drosselöffnung und damit des Koeffizienten, rt, wobei die Grösse dieser Änderung mit sinkender Rey- noldsscher Zahl ansteigt, und zwar je nach der geometrischen Form der für die Messung benutzten Durchflussoffnung in verschiede- nem Sinne.
Bei Drosselöffnungen mit abgeschrÏgter oder abgerundeter Einlauf kante (Düsen) nämlich überwiegt der Einfluss der Wandrei bung. Es bildet sich eine Grenzsehieht aus. welche auf die Bewegung der innern Schich- ten des Strahls eine bremsende Wirkung aus übt. und zwar in um so stÏrkerem Ma¯e. je grösser die Zähigkeit (innere Reibung) des Messmittels ist. Eine Strahlkontraktion tritt hier nur in untergeordnetem Ausmass ein. : u dass die Strahlverformung bei Düsen im Cesamtergebnis eine Expansion ist, wobei der Ausflusskoeffizient, tt im Gebiet kleiner Reynoldsscher Zahlen mit sinkender Reynoldsscher Zahl kleiner wird.
Bei Durehflussöffnungen mit scharfkantigem Einlauf (Blenden) dagegen, bei denen sich eine die innern Strahl sebichten abbremsende Grenzschicht nicht bilden kann und die Zähigkeit des Messmittels demzufolge eine untergeordnete Rolle spielt. herrseht hauptsäehlich der Einfluss der Strahlkontraktion. Diese wird im Gebiet klei- ner Reynoldsscher Zahlen mit sinkender rets noldsseher Zahl immer geringer, so dass sich der Strahlquerschnitt immer mehr vergrössert und dem Offnungsquersehnitt der Blende nÏhert.
Der Ausflu¯koeffizient @ wird also bei Blenden im Gebiet kleiner Reynoldsscher Zahlen mit sinkender Reynoldsscher Zahl immer grösser. Von den meisten in der Str¯ mungsmengenmessung verwendeten Durch- flussöffnungen sind die Ausflusscharakteristiken bei den gebräuchlichen Öffnungsverhält- nissen bekannt und die diesbezügliehen I) ia- gramme in Fachschriften veröffentlicht. Wo sie nicht bekannt sind, k¯nnen sie experimentell leicht bestimmt werden.
Von welch grosser Bedeutung der Einfluss dieser Veränderlichkeit des Ausflusskoeffi- zienten @ auf die Messung ist. geht aus der bekannten Volumeiigleiehung
Q = @@f@r hervor, welclie die rechnerische Grundtage der Str¯mungsmengenmessung bildet und in welcher Q die Durchflu¯stÏrke (= sekundliche Durchflu¯menge) des Me¯mittels, f den Durchflu¯-Querschnitt und @ die Str¯mungs- geschwindigkeit des Me¯mittels in der Me¯ öffnung @ bedeutet.
Da nÏmlich die f r die Er- mittlullg der Durchflu¯menge Q zu bestim mendeGrössesowohlbeiderDifferenzdruck- messung wie auch bei der Messung mit Woltman- und sonstigen Fl gelradmessern, sowie mit Schwimm@@essern ausschlie¯lich die Str¯mungsgeschwindigkeit r des Me¯mittels ist. welche vom Ausflusskoeffizienten nicht beeinflusst wird. so lehrt diese Glei- chung, da¯ in den Bereichen der Reynoldsschen Zahl. in denen der Koeffizient @ ver Ïnderlich ist - also gerade unter VerhÏlt nissen. wie sie bei der Mehrzahl der prakti schen Messungen vorliegen - eine fehlerhafte Anzeige entstehen mu¯.
wobei der Fch ler mit kleiner werdender Reynoldsscher Zahl immer gr¯¯er wird.
Es wurde bereits auf verschiedenen Wegen versucht. das im Grenzbereich und bei niederen Reynoldsschen Zahlen unerw nschte Verhalten des Ausflu¯koeffizienten @ aus der Messung fernzuhalten und die heute bez glieh der Genauigkeit der Messung gestellten Anforderungen zu erf@llen.
So wurde beispielsweise vorgeschlagen. die Messung durch Anwendung von Multi- plikationsd sen (Aufsatz: @Ein neuer Druck- multiplikator@ v. Gmelin und Riedmiller.
Zeitschrift f. Techn. Physik. 1937. S. 375) einfacli vollkommen aus dem Bereich der kleineren Reynoldsschen Zahlen herauszunehmen und sie in das Gebiet grosser Reynoldsscher
Zahlen zu verlegen. Eine praktische Beden- tung kommt diesem Vorschlag aber sowohl aus technischen wie auch aus wirtschaftlichen
Gründen nicht, zu. Denn man kann zwar mit Hilfe einer Multiplikationsd se auch kleine Strömungsgeschwindigkeiten des Messmittels bei groben Reynoldsschen Zahlen messen.
Aber die ebenfalls durch die Multiplikator- wirkung bedingte starke, hohen Fehlerprozenten entsprechende und dadurch die Eich- fähigkeit in Frage stellende Streuung der cl-verte sowie die schon bei normalen Strö mungsgeschwindigkeiten untragbar hohen Druckverluste, denen zufolge diesen Einrich- tungen die f r die Mengenmessung so wich- tige Eigenschaft der Überlastbarkeit vollkommen fehlt, engen ihre Anwendungsmöglichkeit sehr ein.
Für scharfkantige Drosselöffnungen (also Blenden) hat man, ausgehend von dem ein gangs erwähnten Umstand, dass bei Blenden hauptsächlieh die Strahlkontraktion als Auswirkung der dynamischen Kräfte und damit der Faktor a eine Rolle spielt, wÏhrend der Zähigkeitseinfluss (Faktorf) hier von geringer Bedeutung ist, auch schon vorgeschlagen, die Entnahmestelle für den niederen Druck möglichst nahe an die Ebene des engsten Blendenquerschnittes heranzuverlegen, in welcher die Strahlkontraktion gleich Null, der Faktor a also gleich 1 ist (Deutsche Patentschrift Nr. 590790).
Einen bei allen Reynoldsschen Zahlen gleichbleibenden Ausflusskoeffizienten, u = 9 besitzen diese Einrichtungen, welche der Aufgabe dienen, bei Vernachlässigung des Faktors S7 eine Konstanz des Faktors a bei Reynoldsschen Zahlen herbeizuführen, nicht.
Denn einerseits muss bei ihrer praktisehen Verwirklichung stets ein gewisser Abstand von jener Ebene, in welcher der Faktor a konstant wÏre, bestehen bleiben, und anderseits ist auch bei Blenden der veränderliche Zähigkeitseinfluss bei aller Kleinheit nicht so minimal, dass er und damit der Fa. ktor qp einfach vollkommen vernachlässigt werden könnte.
Es ist auch schon vorgeschlagen worden, die Einlaufkurvenform gewöhnlicher Düsen in verschiedener Weise abzuwandeln oder solche Düsen durch zylindrische AnsÏtze zu verlängern. (Aufsatz von Koennecke :"Neue Düsenformen für die Durchflussmessung bei kleinen und mittleren Reynoldsschen Zahlen", ATM (Arch. f. Techn.
Messen), V 1242, 3. Januar 1939.) Auch bei diesen bekannten Einrichtungen bleibt immer noch eine starke Veränderlichkeit des Ausflusskoeffizienten, u bestehen, da a. uch sie ausschliesslich der weni- ger weit. ges. tee. kten Aufgabe dienen, den Faktor a. konstant, d. h. nur die durch die dynamischen Kräfte (Zähler in der Formel für die Reynoldssehe Zahl) verursachte Strahlverformung bezw.
Geschwindigkeitsverteilung unschädlich zu machen und auch das nur innerhalb eines eng abgesteckten Bereiches der Reynoldsschen Zahl, wahrend die zur Beriieksichtigung des veränderlichen Zä- higkeitseinflusses (Nenner in der Formel f r die Reynoldssche Zahl) notwendige Korrek turgrosse p bei ihnen ganz unbeeinflusst bleibt. Gerade bei Düsen ist aber, wie eingangs dargetan, der Zähigkeitseinfluss von ausschlaggebender Bedeutung.
Auch mit diesen bekannten Einrichtungen ist daher eine einwandfreie Messung nicht möglich. Um dieses Ziel zu erreichen, bedarf es nach der Gleichung = a. g der Berück- sichtigung des Einflusses aller veränderlichen Einflussgrossen der Reynoldssehen Zahl-sowohl derjenigen im ZÏhler wie auch derjenigen im Nenner - auf das Strömungsbild an der für die Messung benutzten Dureh- flussöffnung. d. h. nicht jede der Grössen a und cp f r sich sollte konstant gehalten werden.
sondern das Produkt, u = a.@, und das nicht nur in einem eng abgesteekten Bereich der Reynoldsschen Zahl, sondern bei möglichst allen Reynoldsschen Zahlen bis zur untern Messbereichsgrenze des Gerätes.
Es ist auch schon vorgeschlagen worden. den Einfluss der wechselnden Zähigkeit von Brennöl auf die Zuführung desselben zum Brenner dadurch zu kompensieren, da. man in die Zuführungsleitung zwischen einer unter konstantem Druck gehaltenen Ölquelle und dem Brenner eine scharfkantig begrenzte Drosselöffnung bekannter Bauart eingeschal- tet hat, die mit der Zuführungsleitung derart in Wechselwirkung tritt, dal3 die in dieser Leitung bei sich Ïndernder ZÏhigkeit des Brennöls auftretenden verschiedenen DruckabfÏlle den Druckunterschied an der Drosselöffnung bei steigender Zähigkeit, verringern, bei fallender vergrössern (Brit. Patentschrift Nr. 468985).
Nit diesem bekannten Verfahren kann man nur sehr geringe ZÏhigkeitsabweichungen kompensieren. Seine Anwendbarkeit bleibt beschränkt auf das Gebiet der Zufluss- regelung von tropfbaren Flüssigkeiten in relativ kurzen Rohrleitungen, wie z. B. der Speisung von Ílbrennern, Vergasern oder dergleichen mit Brennölen deren Handels- marken bezüglich ihrer Zähigkeit oft Ab- weichungen zeigen. Der Einfluss grösserer Zähigkeitsuntersehiede, z.
B. bei Übergang von 01 auf eine andere Fl ssigkeit, kann auf diese Weise nieht kompensiert werden. So ist dieses bekannte Verfahren denn auch in der Strömungsmengenmessung, insbesondere fiir Gase, nicht anwendbar, weil die kompensie- rende Wirkung der MeBleitung infolge der hier in Frage kommenden Grössenordnung der Zähigkeitsuntersehiede zu gering ist.
In diesem Zusammenhang ist auch die be kannte Einrichtung der sogenannten"Doppel- blende" (Aufsatz :"Die Doppelblende"von WÏlzholz, Zeitschr. @Forschung auf d. Geb, des Ingenieurwesens"1936, Seiten 191-201) zu nennen, welche aus einem Paar hintereinandergesehalteter Blenden besteht, bei denen die öffnungsverhältnisse und der Abstand beider zueinander so gewählt sind, da? das bei der Durehströmung beider wirksam werdende Kräftespiel eine Strömung ergibt, die hinsichtlich ihrer Form im wesentlichen derjenigen in einer Düse entspricht, sich von dieser jedoch dadurch unterseheidet dass si.
l von so gut wie keiner Wandreibung mehr beeinflusst ist, so dass die Ursache der Düsen- charakteristik und damit diese selbst inWeg- fall ko-mmt und die Gesc. hwindigkeitsmpssung durch Druckentnahme vor der ersten und hinter der zweiten Blende bereits bis wu ziemlich niederen Reynoldsschen Zahlen-- bei den meist gebräuchlichen Offnungsver- hältnissen noch etwa bis zu Re = 104, bei sehr kleinem Offnungsverhältnis sogar bis zu Re = 2. 10"-. mit annähernd konstantem
Ausflu?koeffizienten u erfolgen kann.
Aber auch diese bekannten Einrichtungen sind mit Eigenschaften behaftet, die ihre Verwendbarkeit für die Messpraxis sehr ein engen. So hängt bei ihnen das Eintreten der vorgenannten Wirkung von der genauesten Einhaltung bestimmter, experimentell ermittelter, geometrischer VerhÏltnisse ab. Bereits geringe Abweichungen nach der einen oder der ändern Seite, wie sie oft schon bei he ginnender Verschmutzung der Me?stelle auf treten. haben das Entstehen einer ausgespro chenen D sen- oder ausgesprochenen Blen den-Charakteristik zur Folge, und die ange strebte Messgenauigkeit ist dann nicht mehr vorhanden.
Au?erdem kann man diese Dop pelblenden nicht dazu benutzen. die Ge schwindigkeit des Messmittels durch ein da hintergeschaltetes Fingelrad oder dergleichen genau zu messen, denn die Strömungsverhält- nisse. denen das Fliigelrad ausgesetzt ist. sind ausschliesslich durch die zweite der beiden Blenden bedingt.
Man hat sich ferner bereits den Umstand zunutze gemacht, da? der Koeffizient Á mit kleiner werdender Reynoldsscher Zahl bei Dü- sen fÏllt, bei Blenden dagegen steigt, und hat Me?¯ffnungen vorgesehlagen, welche mit Bezug auf das Verhalten des Koeffizienten Á in ihrem znerst durchflossenen Teil als Düse und in ihlem alsdann durehflossenen Teil als Blende wirken. Eine bekannte Ausf hrung dieser. Art stellt eine doppelt abgeschrägte Blende dar. (clin 1952. @Regeln f r die Durchflussmessung mit genormten Düsen und Blenden". IV. Anfl. 1937 [VDI-Verlag].
Seite 14. Fig. XXII.) Bei einer andern be kannten Ausf hrung wird die D se durch einen Kegelstumpfmantel von etwa. 100¯ Íff nungswinkel und die Blende durch die der Kegelspitze zugekehrte Endfläche des Zll die sem Zweck scharf abgeschnittenen Kegel- stumpfes dargestellt. (Deutsche Patentschrift Nr. 508345.)
Aber pnaktische Versuche haben gezeigt. dass man mit den vorgenannten, im Schrifttum (G. Wünsch u. H. RüMe : Messgeräte im Industriebetrieb" [Verlag J.
Springer, Berlin 1936], S. 204-231) fälsehlich als"Mittel- ding"zwischen Düse und Blende bezeichneten Einrichtungen im äussersten Falle den Grenzwert der Reynoldssehen Zahl, bei welehem der Ausflusskoeffizient, u beginnt, konstant zu werden, um ein Geringes herab- drücken, nicht aber die gegenläufigen Einflüsse von Düsen-und Blendenprofil gegeneinander aufheben und dadurch den Koeffi- zienten a bei allen Reynoldssehen Zahlen konstant, d. h. die Messung von ihm unabhängig machen kann.
Die Ursache für das Ausblei- ben dieser Wirkung ist darin zu suchen, da? diese Einrichtungen in Wirklichkeit gar kein Mittelding zwischen Düse und Blende darstellen, d. h. darin, dass bei ihnen die beiden Íffnungsprofile mit entgegengesetzt verschiedener u-Charakteristik nicht gleichzei- tig, sondern nacheinander vom zu messenden Mittel durchflossen werden, also gewisserma?en hintereinander geschaltet sind, so dass der zweite Offnungsteil ganz andern Strö- mungsverhältnissen ausgesetzt ist als der erste und eine Kompensation der erwähnten gegenläufigen Einflüsse und damit auch des ÁWertes nicht eintreten kann.
Ausserdem haben solche Einrichtungen noch den gro?en Mangel, dass bei der geringsten Verschmutzung nicht nur eine starke Veränderung ihres Koeffizienten an sich, sondern dar ber hinaus eine überhaupt nicht mehr berechenbare Abhängigkeit zwischen dem Koeffizienten, ce und der Reynoldssehen Zahl eintritt, so dass die Messung nicht nur im einen oder andern Sinne falsch, sondern einfach unkontrollierbar wird.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, diese Mängel zu vermeiden. Sie bezieht sich auf ein Drosselgerät zur Mengenmessung in einer Leitung strömender Mittel, da. s einen Drosselquerschnitt mit zweierlei Randprofilen aufweist, das eine derart, dass eine Durchflussoffnung mit diesem Randprofil im untern Bereich der Reynoldsselien Zahl bei kleiner werdender Reynoldsscher Zahl einen kleiner werdenden Ausflusskoeffizienten aufweist, und das andere derart, dass eine Durch flussöffnung mit diesem andern Randprofil im untern Bereich der Reynoldsschen Zahl bei kleiner werdender Reynoldsscher Zahl einen grösser werdenden Ausflusskoeffizienten aufweist.
Infolge dieser Ausbildung werden die zwei Randprofile nicht wie bei bekannten Einrichtungen nacheinander, sondern nebeneinander vom zu messenden Mittel durchflos@ sen. Die Strömungsverhältnisse eines Randprofils sind demnach nicht den Einflüssen des andern Randprofils ausgesetzt, und die gegenläufigen Einflüsse der verschiedenartigen Randprofile auf den Ausflusskoeffi zienten, können bei entsprechender Wahl einander aufheben.
Der untere genannte Bereich der Reynoldsschen Zahl reicht dabei herauf bis zu derjenigen Reynoldsschen Zahl, von welcher ab der Ausflusskoeffizient praktisch bei sich ändernder Reynoldsscher Zahl konstant ist.
Beispielsweise liegt diese Grenze für die deutsche Norm-D se bei etwa Re = 105, für die Norm-Blende bei etwa Re = 2 X 105. Im übrigen sind diese Grenzwerte durch die in den Normen als Toleranzgrenzen bezeichneten Werte angegeben.
Da nach dem Reynoldsschen Ahnlichkeitsgesetz das Strömungsbild und damit auch die Ausflusscharakteristik bei geometrisch ähnlichen Durchflussöffnungen ähnlich ist. kann man bei dem. Me?gerÏt nach der vorliegenden Erfindung z. B. statt einer Norm Düse auch jede andere Durchflussöffnung mit düsenähnlicher Ausflusscharakteristik, z. B. eine Venturi-Düse oder ein Woltmanmesser Gehäuse, als deren kinematisches Gegenstück usw., und einer Normblende jede andere Durchflussöffnung verwenden, sofern sie nur eine blendenähnliche Ausflusscharakteristik besitzt, z. B. ein Schieberventil.
In der Zeichnung sind einige Ausführungsbeispiele der Erfindung sebematisch dargestellt.
Das in Fig. 1 gezeigte Gerät weist eine Durchflussöffnung 1 auf, die ein solches Randprofil a. ufweist, dass im untern Bereich der Reynoldsschen Za. hl bei kleiner werdender Reynoldsscher Zahl der Ausflusskoeffizient dieser Íffnung u2 kleiner wird. Ferner weist es eine der Durchflussöffnung 1 in Parallel- schaltung zugeordnete Durchflussoffnung ? auf, welche ein solches Randprofil aufweist, daB im untern Bereich der Reynoldssehen Zahl bei kleiner werdender Reynoldsscher Zahl der Ausflu¯koeffizient @2 dieser Íffnung gr¯¯er wird.
Die genaue Parallelschaltung beider den Drosselquerschnitt bildenden Durchfluss öffnungen 1, 2, die von einer Düse und einer Blende gebildet wird, ist daran zu erkennen. da¯ die Ausflussquerschnitte beider Teilebei einer Blende ist der Ausflussquerschnitt zugleich der Einstr¯mquerschnitt - in einer und derselben Ebene A-B, der Trennebene zwischen der Vordruckseite und der Hinter druekseite der Messstelle, nebeneinanderliegen.
Je genauer die Parallelsehaltung, desto vollkommener ist die Kompensationswirkung. Bei diesem Beispiel ist der Einfachheit halber der theoretische Fall a. ngenommen, dass die fallende @1-Kurve der einen Durchflussöff- nung genau oder angenähert das Spiegelbild der steigenden @2-Kurve der andern Dureh- flussöffnung und damit das zu wählende Grössenverhältnis f1. @1 :
F2 @2 der beiden C) ffnungen etwa gleich 1 : 1 sei. 3 ist die Messleitung, in welche die Drosselstelle, die durch zwei gattungsversehiedene Durchfluss- öffnungen gebildet ist, untergebracht ist, 4 stellt eine Trennwand dar (Schirm, Rohr oder dergleichen), die auch weggelassen werden kann. Der Pfeil gibt die Durchflussrich- tung an.
Die Ermittlung der Durchflussgesehwin digkeit erfolgt in der üblichen Weise durch Messung der Druckdifferenz zu beiden Seiten des Drosselquerschnittes, mittels (hier nicht gezeichneter) Druekentnahmeleitungen, die an ein (ebenfalls nicht gezeichnetes) Diffe rentialmanometer angeschlossen sind. Man kann die Fig. 1 auch als Schnitt einer von zwei verschieden gearteten Randprofilen begrenzten Ringdrossel auffassen, deren oberer Teil Düsenprofil, deren unterer Teil Blenden- profil besitzt. Diese Ausführung wurde sieh auch zur Ermittlung der Durchflussgeschwindigkeit durch Impulsmessung mittels eines dahintergeschalteten Fliigel-oder Schrauben- rades eignen.
Die vorerwähnten Druckent- nahmeleitungen und das Differentialmano- meter kamen dann in Wegfall.
Bei dem. in der Fig. 2 gezeigten Beispiel ist der Drosselquerschnitt durch zwei ohne gegenseitige Abgrenzung ineinander über- gehende Durchflussoffnungen gebildet. Die eine () ffnlmg mit bei kleiner werdender Rey noldsscher Zahl absinkendern Ausflusskoeffi- zienten ist durch einen Woltmanmesser, dessen Flügel-oder Schraubenrad 5 auf der Welle 6 sitzt, die bei 7 und 8 gelagert ist. gebildet, @ebildet, und zwar durch den Stromungskur- per 10 des Woltmanmessers. hier ein Um drehungsparaboloid.
Die Durchflussoffnung mit bei kleiner werdender Reynoldsscher Zahl ansteigendem Ausflusskoeffizienten ist durch eine Blende 11 gebildet, sie ist in koachsialer Anordnung dem Woltmanmesser parallelgeschaltet. d. li. die Ausstromkante der Blende 17.
ttnd die Stelle des grössten ITm- fanges des Str¯mungsk¯rpers 10, welche die Ausstromkante der düsenartigen Durchfluss offnung bildet, und damit die Ausflussquer- schnitte beider Íffnungsteile, liegen in einer und derselben Ebene A-B, der Trennebene zwischen der Vordruckseite und der Hinterdruckseite der Messdrossel, koachsial nebeneinander. Es ist hier der Drosselquerschnitt durch eine Ringöffnung gebildet, die aussen von der einen und innen von der andern Profilart begrenzt wird.
Selbstverständlich kann man auch der äussern Berandung die abge- rundete (d senf¯rmige) und der innern Berandung die seharfe (blendenformige) Ein- laufkante geben.
Dabei ist hier in jedem Fall eine fiir die Messpraxis ausreichend vollkommene Kom- pensation erzielbar. Denn man kann an Hand im Handel erhältlicher Kurvenblätter bezw. experimentell ermittelter Diagramme, welche beispielsweise den Koeffizienten @1 (Ordi- nate) für eine Normdüse oder eine düsenähn liche Durchflussoffnung und den Koeffizien ten (Ordinate) für eine Normblende oder eine blendenähnliche DurchfluBöffnung, welche der andern Offnung in Parallelschal tung zugeordnet ist, in Abhängigkeit von der Reynoldssehen Zahl (Abszisse) bei den gebräuchlichen Offnungsverhaltnissen wieder- geben,
leicht ermitteln, in welchem Grossen- verhältnis die Werte, u1. 1 des einen Off nungsprofils und @2. F2 des Ïndern Íffnuugs- profils in jedem Einzelfalle zueinander stehen müssen, um eine f r die Praxis ausrei chende Kompensation zu ergeben. Für Aus führungen mit mehr als zwei Offnungspro- filen ist die Ermittlung sinngemäss durchzu- führen.
Eine hinreichende Konstanz des Koeffi- zienten ist übrigens bei der beschriebenen
Messvorrichtung auch bei Verschmutzung derselben gewÏhrleistet. Denn Düse und
Blende bezw. Durchflussöffnungen mit düsen- ähnlicher und solche mit blendenähnlicher
Ausflusscharakteristik weisen bekanntlich auch bei Verschmutzung ein gegensätzliches
Verhalten a. uf, indem der Ausflusskoeffizient /t bei Blenden usw. bei zunehmender Ver schmutzung steigt, bei D sen usw. dagegen fällt. Die diesbezüglichen Einflüsse und Ge setzmässigkeiten wurden experimentell genau ermittelt (Aufsatz :"Betriebserfahrungen bei der Durchflussmessung"von R. Witte, Arch. f. Warmewirtsch. u.
Dampfkesselwesen 1937,
S. 89 ff.), und bei richtiger Wahl des Gr¯ ssenverhältnisses, @1. F1 : @2. F2 ergÏnzen bezw. kompensieren sich die hier zusammenwirken den Gesetzmässigkeiten so, dass eine den An forderungen der Messpraxis genügende, d. h. innerhalb der Toleranzgrenzen liegende Won- stanz des auf die kombinierte Messdrossel als
Ganzes bezogenen Ausflusskoeffizienten, gug bis zur untern Messbereichsgrenze des GerÏtes erhalten bleibt.
Selbst bei sehr grober'Ver- schmutzung verliert das s Me¯ergebnis nicht seine Brauchbarkeit, weil ein dadurch ver ursachter Messfehler bei allen Reynoldsschen
Zahlen mit für die Praxis hinreichender An näherung konstant bleibt, al. so durch eine ein fache Justiermassnahme berücksichtigt wer den kann.
Bei dem Beispiel der Fig. 2 wird die Durchflussgeschwindigkeit des Messmittels an der lVIeBdrossel durch Impulsmessung mittels des Flügel-oder Schraubenrades 5 des Woltmanmessers ermittelt. Man kann sie aber natürlich auch durch Messung der Druckdif- ferenz zu beiden Seiten der Drossel bestim- men. In diesem Falle müssten die beiden Seiten der Messdrossel in der üblichen Weise durch Druckentnahmeleitungen mit einem Differentialmanometer verbunden werden, und das s Flügel-oder Schraubenrad 5 kÏme in Wegfall.
Die an der beschriebenen Vorrichtung mit einem Differentialmanometer oder mit @ einem Flügelrad oder dergleichen gemessene
Durchflu¯geschwindigkeit ist also, da der Ausflusskoeffizient, cs nunmehr weder durch die Strömungsgeschwindigkeit noch durch die kinematische Zähigkeit des Messmittels beeinflusst wird, ein exaktes Mass für die Durchflussmenge Q und gestattet es, auch kleinste Durchflussmengen genau zu erfassen und die gleiche Messeinrichtung ohne Neueichung nach Belieben für die verschieden- sten strömenden Mittel zu benutzen.
Durch Messung des Druckunterschiedes zu beiden Seiten der Messdrossel und des Durc. hgangsvolumens bei der Eichung lässt sich in einfacher Weise die Konstanz des auf die kombinierte Messdrossel als Ganzes be zogenen Ausflu¯koeffizienten @@ kontrollie- ren, und man kann je nach der eventuellen positiven oder negativen Abweichung dieses @@-Wertes bei kleinen Reynoldsschen Zahlen bestimmen, in welchem Grössenverhältnis die Durchflussöffnungen mit der einen und die mit der ändern Ausflusscharakteristik zueinander stehen müssen bezw. wie die Durahmesser- bei der Ausführung nach Fig.
2 mit 12, 13, 14 bezeichnet-zu Ïndern sind, damit eine Kompensation der gegenläufigen Einflüsse und damit eine f r die Messpraxis hinreichend vollkommene Konstanz des Ausflusskoeffizienten erzielt wird.
Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausfüh- rungsform bestehen die beiden Durchfluss- öffnungen aus zwei Teilringoffnungen. Die äussereTeilringöffnung wird au?en durch das von der Blende 11 gegebene Profil, die innere Teilringöffnung wird innen durch die Haube 10 begrenzt, die Düsencha-rakteristik hat. In der innern Teilringoffnung herrscht daher ein Strömungsbild mit Düsencharakter, wäh- rend in der äussern Teilringoffnung eine Strömung mit Blendencharakter herrscht.
Jedes Messmittelteilchen, welches die Ringöffnung durchströmt, befindet sich dabei also entweder in dem einen oder im andern Bereich oder. im Grenzfall, teils im einen, teils im andern Bereich. Und jedes Teilchen unterliegt daher auch immer entweder dem einen oder dem andern oder. wie- derum im Grenzfall, teils dem einen, teils dem andern Einfluss. Die Wirkung ist in jedem Falle die, dass die gegenläufigen Ein- flüsse beider Profilarten einander aufheben.
Für die Anwendung der Erfindung bei einem Venturimesser zeigt Fig. 3 ein Beispiel.
An das Venturirohr 101 ist in an sich belçannterWeise einWoltmanmesser oder der- gleichen 102 als Teilstrommesser angeschal- tet, dessen Zuleitung 103 vor der Verengung des Venturirohres 101 von der Hauptleitung 104 abgezweigt ist und dessen Ableitung 105 an der engsten Stelle des Venturirohres in dieses einmündet.
Nach den Strömungsgesetzen ist bekannt- lich die Angabe des Woltmanmessers 102 cin Ma? f r die Gesamtdurchflu?stÏrke. Das ist aber gemäss den einleitenden Betrachtungen nur so lange richtig, wie sich die, u-Werte an den Messstellen 101 und 102 nicht Ïndern.
Mit ändern Worten : der Ausflu?koeffizient @ der Messdrossel muss fiir alle Reynoldssehen Zahlen konstant bezw. angenÏhert konstant sein. Ist die Anzeige des Woltmanmessers 102 bereits unabhÏngig von Änderungen des Koeffizienten ( (vergleiche beispielsweisc die Ausführung nach Fig. 2\ so genügt es. wenn die Ausflusskoeffizienten bei allen Reynolds- schen Zahlen in einem bestimmten konstanten Verhältnis zueinander stehen, da? also die - Werte bei ¯nderung der Reynoldsschen Zahl sich prozentual um gleiche Beträge Ïndern.
Cm diese Gesichtspunkte zu berücksich- tiges, wird dem die eine Durchflussöffnung bildenden Venturirohr. da dieses Diiseneigen- sehaften besitzt, in einem bei Mengenmessern an sich bekannten Umgang 106 eine die zweite Durchflussöffnung bildende Blende 107 oder dergleichen In Parallelschaltung zugeordnet, d. h. die Anordnung ist so getroffen.
dass die Ausflussquerschnitte beider gemeinsam den Drosselquerschnitt bildenden Durehflussöffnungen in der Ebene.- welche die Vordruckseite von der Hinterdruckseite der Alessstelle trennt nebeneinan derliegen. Dabei Ist die Stelle, an welcher der Umgang 106 vor demVenturirohr 101 abzweigt. und die Wiedereinmündungsstelle hinter dem Venturirohr am besten versuchsmässig so zu bestimmen, dass der an der Abzweig-und M ndungsstelle der Umgehungsleitung 106 herrschende Druckunterschied angenähert als Wrass fiir die Durchflussgeschwindigkeit gel- ten kann.
dit, die Verhaltnisse sind wieder so zu wÏhlen. da? die Verkleinerung des Wertes/'j beim Venturirohr 101 bei Ver- kleinerung der Reynoldssehen Zahl der Ver- gr¯?erung des Wertes ?2 bei der Blende 107 entspricht und umgekehrt.
Genou so wie der Einfluss des Durch- flusskoeffizienten/fdesVenturirohres101 durch Parallelschaltung der Blenden¯ffnung
107 kompensiert und damit unschÏdlich gemacht wurde. mu? nun aber sinngemÏ? auch zum ZÏhler 102 eine Íffnung 108 in der Ebene CD parallelgeschaltet werden. Diese mu?, da das GehÏuse des Woltmanmessers 102 als kinematisches Gogenst ck eines Ven turlrohres bez glich des Koeffizienten ? D sencharakteristik besitzt. Blendencharakteri- stick besitzen. Erst durch diese Massnahme wird die Angabe des Messers 102 zu einem exakten Ma? f r die Gesamtdurchflu?stÏrke.
Es versteht sich. da? die Blenden 107 und
108 durch Ventile, Sehieber oder dergleichen ersetzt werden knnnen. welche angenähert die (-Charakteristik einer Blende besitzen. Diese
Anordnung hat den Vorzug. da? man das gegenseitige VerhÏltnis der Ausflu?quer schnitte Flol I07 bezw. P : L02 : Pios einstellbar machen kann.
Will man jedoch die Geschwindigkeitsmessung im Hauptstrom vornehmen, so tritt an die Stelle der Nebenleitung 103, 105 mit dem Teilstrommesser 102 und der ihm par allelgeschalteten Kompensationsöffnung 108 ein gewöhnliches Differentialmanometer, z. B. ein U-Rohr oder dergleichen 109, dessen Anzeige dann ebenfalls ein exaktes, weil durch ¯nderungen des Koeffizienten ( nicht beeinflusstes Mass für die Durchflussgeschwin- digkeit ist.
Fig. 4 zeigt ein weiteres Beispiel für die Anwendung der Erfindung bei einem Wolt manmesser.
In der Hauptleitung 104 ist ein Woltmanmesser 133 eingebaut und es ist ein Umgang 134 vorgesehen, in welchem dem Messer die Öffnung 135 parallelgeschaltet ist. Der die eine Durchflussoffnung bildendeWoltmanmesser 133 verhält sich bezüglich seines Ausflusskoeffizienten ähnlich wie ein Venturirohr. Daher muss auch hier für die Kompen- sation eine zweite Durchflussoffnung 135 gewählt werden, deren, u-Wert bei Veränderung der Reynoldsschen Zahl ein umgekehrtes Verhalten zeigen wie der y-Wert des Woltmanmessers.
Wird dann bei gleichbleibender Durch flussstärke beispielsweise der Koeffizient ( des Woltmanmessers kleiner, derjenige der Blende 135 im LTmgang 134 entsprechend grösser, so verschieben sich, ohne dass die Gesamtdurchflussgeschwindigkeit geändert wird, die Mengen an den beiden parallelgeschalteten.
Durchflussquerschnitten zueinander so, da-ss die Anzeige des Woltmanmessers von den Änderungen der in der Reynoldssehen Zahl enthaltenen veränderlichen Grossen unbeein- flusst bleibt.
Throttle device for measuring the volume of flowing media.
The decisive influencing variables in the quantity measurement or density determination of flowing means are the linear dimensions d of the measuring point, the flow velocity v and the kinematic viscosity v (= (/ @ = viscosity / density) of the measuring means in the so-called Reynolds number Re = d. v /? summarized, which expresses the relationship between the dynamic forces occurring in a flow and the viscous forces in the measuring device and, in addition to the geometrical shape of the throttle opening used for the measurement, the beam deformation variable eu (outflow coefficient) of the measuring device emerging from this opening.
If one introduces the factor a for the influence of the dynamic forces on the jet shape and the factor p for the influence of the viscosity forces, one obtains the well-known simple relation for the outflow coefficient u: u =? (.
In the area of very large Reynolds numbers, i.e. under conditions in which the dynamic forces almost alone control the flow, changes in the Reynolds number - be it through a change in the flow rate, be it through a change in pressure or temperature, i.e. the Density and thus the kinematic viscosity of the measuring device, or be it through a simultaneous change of this variable contained in the Reynolds number - practically no influence on the flow pattern at the throttle opening used for the measurement and thus on the behavior of the discharge coefficient Á.
With all common throttle openings, this is down to a limit zone which, with a large opening ratio nt (= â / F = cross-section of the measuring opening / cross-section of the measuring line) is essentially above, with a small opening ratio, essentially below Re = 10 5, constant.
But already beginning in the border area and with the smaller Reynolds numbers, i. H. In areas in which the influence of the viscosity forces outweighs that of the dynamic forces, every even small change in the Reynolds number means a change in the flow pattern at the throttle opening and thus in the coefficient, rt, the magnitude of this change increases with decreasing Reynolds number, depending on the geometrical shape of the flow opening used for the measurement in different senses.
In the case of throttle openings with beveled or rounded inlet edges (nozzles), the influence of wall friction predominates. A borderline vision develops. which has a braking effect on the movement of the inner layers of the jet. and in the stronger Māe. the greater the toughness (internal friction) of the measuring device. A jet contraction occurs here only to a minor extent. : u that the jet deformation in the case of nozzles is an expansion in the overall result, whereby the discharge coefficient, tt in the area of small Reynolds numbers decreases with decreasing Reynolds number.
In the case of throughflow openings with sharp-edged inlet (orifices), on the other hand, where a boundary layer that slows down the inner jet cannot form and the toughness of the measuring device therefore plays a subordinate role. there is mainly the influence of the jet contraction. In the area of smaller Reynolds numbers, this becomes smaller and smaller with decreasing Rets Nold's number, so that the beam cross-section increases more and more and approaches the aperture cross-section of the diaphragm.
The outflow coefficient @ increases with orifices in the area of small Reynolds numbers with decreasing Reynolds numbers. The outflow characteristics of most of the flow openings used in the flow rate measurement are known with the usual opening ratios and the related I) diagrams are published in specialist publications. Where they are not known, they can easily be determined experimentally.
How important is the influence of this variability of the discharge coefficient @ on the measurement. comes from the well-known volume loan
Q = @@ f @ r, which forms the arithmetical basis of the flow rate measurement and in which Q the flow rate (= secondary flow rate) of the medium, f the flow cross section and @ the flow - means the speed of the medium in the Mē opening @.
Since the quantity to be determined for the determination of the flow rate Q, both for differential pressure measurement and for measurement with Woltman and other impeller meters, as well as with floating gauges, is exclusively the flow velocity r of the fluid . which is not influenced by the discharge coefficient. so this equation teaches that dā in the ranges of the Reynolds number. in which the coefficient @ is variable - that is, under certain circumstances. as is the case with the majority of practical measurements - an incorrect display must result.
where the field becomes larger and larger the smaller the Reynolds number.
Attempts have been made in various ways. to keep the undesired behavior of the outflow coefficient @ in the limit range and with low Reynolds numbers away from the measurement and to meet the requirements made today with regard to the accuracy of the measurement.
For example, it has been suggested. measurement through the use of multiplication nozzles (article: @Ein new pressure multiplier @ v. Gmelin and Riedmiller.
Magazine f. Technical physics. 1937. p. 375) simply to take them completely out of the range of the smaller Reynolds numbers and to transfer them to the range of larger Reynolds numbers
To misplace numbers. However, this proposal is of practical importance, both from a technical and an economic point of view
Reasons not, too. This is because, with the help of a multiplication nozzle, it is also possible to measure small flow velocities of the measuring device with rough Reynolds numbers.
But the strong, high percentage of errors, which is also caused by the multiplier effect, and thus the calibratability is questioned, as well as the unbearably high pressure losses even at normal flow speeds, which, according to these devices, are the same for the quantity measurement The important property of overloadability is completely absent, which greatly restricts their application possibilities.
For sharp-edged throttle openings (i.e. orifices), based on the fact mentioned at the beginning, that in the case of orifices, the jet contraction mainly plays a role as the effect of the dynamic forces and thus the factor a, while the viscosity influence (factor) is of little importance here, It has also already been proposed to move the extraction point for the low pressure as close as possible to the plane of the narrowest diaphragm cross-section, in which the beam contraction is zero and the factor a is therefore equal to 1 (German Patent No. 590790).
These devices, which serve the task of bringing about a constancy of the factor a in Reynolds numbers when the factor S7 is neglected, do not have an outflow coefficient, u = 9, which remains the same for all Reynolds numbers.
Because on the one hand a certain distance from the level in which the factor a would be constant must always remain in their practical realization, and on the other hand, even with diaphragms, the variable influence of viscosity is not so minimal that it and thus the factor a qp could simply be completely neglected.
It has also been proposed to modify the inlet curve shape of conventional nozzles in various ways or to lengthen such nozzles by means of cylindrical attachments. (Article by Koennecke: "New nozzle shapes for flow measurement with small and medium Reynolds numbers", ATM (Arch. F. Techn.
Messen), V 1242, January 3, 1939.) Even with these known devices, there is still a strong variability of the discharge coefficient, u, since a. Even them only the less far. total tea. kth task, the factor a. constant, d. H. only the beam deformation caused by the dynamic forces (numerator in the formula for the Reynolds number) respectively.
To render the velocity distribution harmless and that only within a narrowly defined range of the Reynolds number, while the corrective large p necessary to take into account the variable influence of viscosity (denominator in the formula for the Reynolds number) remains completely unaffected. In the case of nozzles in particular, however, as stated at the beginning, the influence of viscosity is of decisive importance.
A perfect measurement is therefore not possible with these known devices either. To achieve this goal, the equation = a is required. The consideration of the influence of all variable influencing variables of the Reynolds number - both those in the numerator and those in the denominator - on the flow pattern at the flow opening used for the measurement. d. H. not each of the quantities a and cp for itself should be kept constant.
but the product, u = a. @, and not only in a narrow range of the Reynolds number, but with all Reynolds numbers as far as possible down to the lower measuring range limit of the device.
It has also been suggested. to compensate for the influence of the changing viscosity of fuel oil on the supply of the same to the burner, since. in the supply line between an oil source kept under constant pressure and the burner a sharp-edged throttle opening of known design has been switched on, which interacts with the supply line in such a way that the different pressure drops occurring in this line when the viscosity of the fuel oil changes, the pressure difference decrease at the throttle opening with increasing viscosity, increase with decreasing viscosity (British Patent No. 468985).
With this known method, only very small deviations in viscosity can be compensated. Its applicability remains limited to the field of flow control of drip liquids in relatively short pipelines, such as B. the supply of oil burners, carburetors or the like with fuel oils whose trademarks often show deviations in terms of their viscosity. The influence of larger differences in toughness, e.g.
B. when changing from 01 to another liquid, cannot be compensated in this way. This known method cannot be used in flow rate measurement, in particular for gases, because the compensating effect of the measuring line is too small as a result of the magnitude of the viscosity differences in question here.
In this context, the well-known device of the so-called "double aperture" (article: "Die Doppelblende" by WÏlzholz, Zeitschr. @Research on the building, engineering "1936, pages 191-201) should be mentioned consists of a pair of diaphragms placed one behind the other, in which the opening conditions and the distance between the two are chosen so that the play of forces that becomes effective during the flow of both results in a flow which, in terms of its shape, essentially corresponds to that in a nozzle, but differs from it differentiates that si.
l is influenced by almost no wall friction, so that the cause of the nozzle characteristic and thus this itself co-mms and the Gesc. Speed measurement by taking pressure in front of the first and behind the second diaphragm up to quite low Reynolds numbers - with the most common aperture ratios up to Re = 104, with a very small aperture ratio even up to Re = 2.10 "-. with an approximately constant
Discharge coefficient u can take place.
But these known devices also have properties that make their usability for measuring practice very narrow. With them, the occurrence of the aforementioned effect depends on the strict adherence to certain, experimentally determined, geometrical relationships. Even slight deviations on one side or the other, as often occur when the measuring point is already getting dirty. result in the creation of a pronounced nozzle or pronounced aperture characteristic, and the desired measurement accuracy is then no longer available.
In addition, these double apertures cannot be used for this. to precisely measure the speed of the measuring device by means of a finger wheel or the like connected behind, because the flow conditions. to which the impeller is exposed. are due exclusively to the second of the two apertures.
Furthermore, one has already made use of the fact that? the coefficient Á fills with a decreasing Reynolds number for nozzles, but rises for orifices, and has proposed measuring openings which, with reference to the behavior of the coefficient Á, are in the part through which it flows first as a nozzle and in the part through which it then flows as Aperture work. A well-known version of this. Art represents a double beveled diaphragm. (Clin 1952. @Regeln für die flow measurement with standardized nozzles and diaphragms ". IV. Anfl. 1937 [VDI-Verlag].
Page 14. Fig. XXII.) In another known design, the nozzle is formed by a truncated cone of about. 100¯ opening angle and the diaphragm represented by the end face of the truncated cone, which faces the apex of the cone, for this purpose. (German Patent No. 508345.)
But tactical experiments have shown. that with the aforementioned, in the literature (G. Wünsch and H. RüMe: Messgeräte im Industriebetrieb "[Verlag J.
Springer, Berlin 1936], pp. 204-231) devices wrongly called "middle thing" between nozzle and diaphragm in the extreme case the limit of the Reynolds number, at which the discharge coefficient u begins to become constant, by a little down - press, but not cancel the opposing influences of the nozzle and diaphragm profile against each other and thereby keep the coefficient a constant for all Reynolds numbers, i.e. H. can make the measurement independent of him.
The reason for the lack of this effect is to be found in that? In reality, these devices do not represent an intermediary between nozzle and diaphragm, d. H. in that the two opening profiles with oppositely different u-characteristics are not flowed through at the same time, but one after the other by the medium to be measured, that is to say they are connected in series so that the second opening part is exposed to completely different flow conditions than the first and a compensation of the mentioned opposing influences and thus also of the Ávalue cannot occur.
In addition, such devices still have the great deficiency that with the slightest contamination not only a strong change in their coefficient itself occurs, but also a dependency between the coefficient, ce and the Reynolds number, which is no longer calculable at all, so that the Measurement not only wrong in one sense or another, but simply becomes uncontrollable.
The present invention makes it possible to avoid these shortcomings. It relates to a throttle device for measuring the quantity in a line of flowing media, since. s has a throttle cross-section with two types of edge profiles, one such that a flow opening with this edge profile in the lower area of the Reynoldselien number has a decreasing outflow coefficient as the Reynolds number becomes smaller, and the other such that a flow opening with this other edge profile in the lower part Area of the Reynolds number with decreasing Reynolds number has an increasing discharge coefficient.
As a result of this design, the two edge profiles are not flowed through one after the other as in known devices, but next to one another by the means to be measured. The flow conditions of one edge profile are therefore not exposed to the influences of the other edge profile, and the opposing influences of the different types of edge profiles on the outflow coefficient can cancel each other out with an appropriate choice.
The lower mentioned range of the Reynolds number extends up to that Reynolds number from which the outflow coefficient is practically constant when the Reynolds number changes.
For example, this limit for the German standard nozzle is approximately Re = 105, for the standard aperture it is approximately Re = 2 × 105. Otherwise, these limit values are indicated by the values referred to in the standards as tolerance limits.
Since, according to Reynolds' law of similarity, the flow pattern and thus also the outflow characteristics are similar for geometrically similar flow openings. you can with that. Measuring device according to the present invention z. B. instead of a standard nozzle any other flow opening with nozzle-like outflow characteristics, z. B. a Venturi nozzle or a Woltman knife housing, as its kinematic counterpart, etc., and a standard orifice use any other flow opening, provided that it only has a diaphragm-like outflow characteristic, z. B. a slide valve.
Some exemplary embodiments of the invention are shown sebematically in the drawing.
The device shown in Fig. 1 has a flow opening 1 which has such an edge profile a. shows that in the lower area of Reynolds' Za. hl with decreasing Reynolds number the discharge coefficient of this opening u2 becomes smaller. Furthermore, it has a flow opening assigned in parallel to the flow opening 1. which has such an edge profile that in the lower area of the Reynolds number, the outflow coefficient @ 2 of this opening increases with decreasing Reynolds number.
The exact parallel connection of the two flow openings 1, 2 forming the throttle cross-section, which is formed by a nozzle and a diaphragm, can be seen from this. dā the outflow cross-section of both parts of an orifice plate is the outflow cross-section at the same time - in one and the same plane A-B, the dividing line between the upstream pressure side and the rear pressure side of the measuring point, lie side by side.
The more precise the parallel position, the more perfect the compensatory effect. In this example, for the sake of simplicity, the theoretical case is a. Assuming that the falling @ 1 curve of one flow opening is exactly or approximately the mirror image of the rising @ 2 curve of the other flow opening and thus the size ratio f1 to be selected. @1 :
F2 @ 2 of the two C) openings is approximately equal to 1: 1. 3 is the measuring line in which the throttle point, which is formed by two generic flow openings, is accommodated, 4 represents a partition (screen, pipe or the like), which can also be omitted. The arrow indicates the direction of flow.
The determination of the flow rate is done in the usual way by measuring the pressure difference on both sides of the throttle cross-section by means of pressure extraction lines (not shown here) that are connected to a differential manometer (also not shown). 1 can also be understood as a section of an annular throttle delimited by two different types of edge profiles, the upper part of which has a nozzle profile and the lower part of which has a diaphragm profile. This design was also suitable for determining the flow rate by means of pulse measurement by means of a vane or helical wheel connected downstream.
The aforementioned pressure sampling lines and the differential manometer were then omitted.
In which. In the example shown in FIG. 2, the throttle cross section is formed by two flow openings that merge into one another without being delimited. One () opening with an outflow coefficient that decreases with decreasing Reynolds' number is provided by a Woltman knife, the vane or helical gear 5 of which sits on the shaft 6, which is mounted at 7 and 8. formed, @ formed, namely by the flow curve 10 of the Woltman knife. here a paraboloid of revolution.
The throughflow opening with an increasing outflow coefficient as the Reynolds number becomes smaller is formed by an orifice 11; it is connected in a coaxial arrangement in parallel to the Woltman meter. d. left the outflow edge of the diaphragm 17.
The point of the largest volume of flow body 10, which forms the outflow edge of the nozzle-like flow opening, and thus the outflow cross-sections of both opening parts, lie in one and the same plane AB, the dividing plane between the upstream pressure side and the downstream pressure side the measuring throttle, coaxial next to each other. Here the throttle cross-section is formed by an annular opening that is delimited on the outside by one type of profile and on the inside by the other.
Of course, the outer edge can also be given the rounded (mustard-shaped) and the inner edge the very sharp (diaphragm-shaped) leading edge.
Here, in any case, a sufficiently perfect compensation for the measurement practice can be achieved. Because you can bezw. Experimentally determined diagrams which, for example, show the coefficient @ 1 (ordinate) for a standard nozzle or a nozzle-like flow opening and the coefficients (ordinate) for a standard diaphragm or a diaphragm-like flow opening, which is assigned to the other opening in parallel connection of the Reynolds number (abscissa) with the usual opening ratios,
easily determine the ratio of the values, u1. 1 of one opening profile and @ 2. F2 of the changed opening profile must be related to each other in each individual case in order to result in a sufficient compensation for practice. For designs with more than two opening profiles, the determination must be carried out analogously.
A sufficient constancy of the coefficient is incidentally with the one described
Measuring device guaranteed even if it is dirty. Because nozzle and
Aperture resp. Flow openings with nozzle-like and those with aperture-like
It is well known that outflow characteristics have the opposite effect even when they are dirty
Behavior a. uf, in that the discharge coefficient / t for orifices etc. increases with increasing contamination, while it falls for nozzles etc. The relevant influences and laws were precisely determined experimentally (article: "Operating experience in flow measurement" by R. Witte, Arch. F. Warmewirtsch. U.
Steam boiler industry 1937,
P. 89 ff.), And with the correct choice of the size ratio, @ 1. F1: @ 2. F2 supplement resp. the laws that interact here compensate each other so that a measurement that satisfies the requirements of measurement practice, i.e. H. within the tolerance limits of the factor on the combined measuring throttle as
Whole related discharge coefficient, is retained up to the lower measuring range limit of the device.
Even with very coarse soiling, the m result does not lose its usefulness, because a measurement error caused by it in all Reynolds
Numbers with sufficient approximation for practice remain constant, al. this can be taken into account by a simple adjustment measure.
In the example of FIG. 2, the flow rate of the measuring means at the IV throttle is determined by pulse measurement by means of the vane or helical wheel 5 of the Woltman knife. It can of course also be determined by measuring the pressure difference on both sides of the throttle. In this case, the two sides of the measuring throttle would have to be connected to a differential manometer in the usual way by pressure sampling lines, and the vane or helical gear 5 would be omitted.
That measured on the device described with a differential manometer or with an impeller or the like
Since the outflow coefficient, cs, is now neither influenced by the flow velocity nor by the kinematic viscosity of the measuring device, the flow rate is an exact measure of the flow rate Q and allows even the smallest flow rates to be recorded precisely and the same measuring device to be recalibrated Can be used freely for a wide variety of flowing media.
By measuring the pressure difference on both sides of the measuring throttle and the pressure. The constancy of the outflow coefficient @@ related to the combined measuring throttle as a whole can be checked in a simple manner with the output volume during the calibration, and one can determine depending on the possible positive or negative deviation of this @@ value with small Reynolds numbers the size ratio of the flow openings with one and the other with the other outflow characteristic must be or. like the diameter in the version according to Fig.
2 designated by 12, 13, 14 are to be changed so that a compensation of the opposing influences and thus a constant of the outflow coefficient that is sufficiently perfect for measurement practice is achieved.
In the embodiment shown in FIG. 2, the two flow openings consist of two partial ring openings. The outer partial ring opening is delimited on the outside by the profile given by the screen 11, the inner partial ring opening is delimited on the inside by the hood 10, which has nozzle characteristics. In the inner partial ring opening there is therefore a flow pattern with the character of a nozzle, while in the outer partial ring opening there is a flow with the character of an orifice.
Each measuring medium particle that flows through the ring opening is either in one area or in the other area or. in the borderline case, partly in one area, partly in the other. And every particle is therefore always subject to either one or the other or. again in the borderline case, partly the one, partly the other influence. In any case, the effect is that the opposing influences of both types of profile cancel each other out.
3 shows an example of the application of the invention to a Venturi knife.
As is known per se, a voltsman knife or the like 102 is connected to the venturi tube 101 as a partial flow meter, the supply line 103 of which is branched off from the main line 104 before the narrowing of the venturi tube 101 and whose discharge line 105 opens into it at the narrowest point of the venturi tube.
According to the laws of flow, as is well known, the specification of the Woltman knife 102 cin Ma? for the total flow rate. However, according to the introductory considerations, this is only correct as long as the, u-values at measuring points 101 and 102 do not change.
In other words: the discharge coefficient @ of the measuring throttle must be constant or constant for all Reynolds numbers. be approximately constant. If the display of the Woltman meter 102 is already independent of changes in the coefficient ((compare, for example, the embodiment according to FIG. 2), it is sufficient if the outflow coefficients for all Reynolds numbers are in a certain constant ratio to one another, i.e. the values if the Reynolds number changes, the percentage changes by the same amount.
These aspects must be taken into account by the Venturi tube forming a flow opening. Since this has its own properties, a diaphragm 107 or the like forming the second flow opening is assigned in a parallel connection in a handling 106 which is known per se in flow meters. H. the arrangement is made.
that the outflow cross-sections of both throughflow openings, which together form the throttle cross-section, lie next to one another in the plane that separates the upstream pressure side from the downstream pressure side of the Alessstelle. This is the point at which the bypass 106 branches off in front of the venturi 101. and to determine the re-confluence point behind the Venturi tube, best by experiment, so that the pressure difference prevailing at the branching and opening point of the bypass line 106 can approximately apply as water for the flow rate.
dit, the circumstances are to be chosen again. there? the reduction in the value / 'j for the Venturi tube 101 when the Reynolds number is reduced corresponds to the increase in the value 2 for the diaphragm 107 and vice versa.
Genou as well as the influence of the flow coefficient / f of the Venturi tube101 through the parallel connection of the orifice
107 was compensated and thus rendered harmless. must but now in a sense? An opening 108 in the CD plane can also be connected in parallel to the counter 102. This must, since the housing of the Woltman knife 102 as a kinematic gas piece of a valve tube with regard to the coefficient? Has nozzle characteristics. Have aperture character stick. Only through this measure does the specification of the knife 102 become an exact measure. for the total flow rate.
It goes without saying. there? the diaphragms 107 and
108 can be replaced by valves, gate valves or the like. which approximate the (characteristic of an aperture
Arrangement has the preference. there? the mutual relationship of the outflow cross sections Flol I07 resp. P: L02: Pios can be adjusted.
However, if you want to make the speed measurement in the main flow, then instead of the secondary line 103, 105 with the partial flow meter 102 and the compensation opening 108 connected to it par allel, a common differential manometer, z. B. a U-tube or the like 109, the display of which is then also an exact one, because it is a measure of the flow rate that is not influenced by changes in the coefficient.
Fig. 4 shows another example of the application of the invention to a Wolt man knife.
A Woltman knife 133 is installed in the main line 104 and a passage 134 is provided in which the opening 135 is connected in parallel with the knife. The voltsman meter 133 which forms a flow opening behaves similarly to a Venturi tube with regard to its flow coefficient. A second flow opening 135 must therefore also be selected here for the compensation, the u-value of which shows an inverse behavior when changing the Reynolds number as the y-value of the Woltman meter.
If, for example, the coefficient (of the Woltman meter is smaller, that of the orifice 135 in the passage 134 is correspondingly larger) while the flow rate remains the same, the quantities at the two parallel-connected units shift without changing the total flow rate.
Flow cross-sections relative to one another in such a way that the display of the Woltman meter remains unaffected by the changes in the variable values contained in the Reynolds number.