Gerät zur elektrischen Messung der Strömungsgeschwindigkeit von Flüssigkeiten,
Die bisher verwendeten, mechanisch oder hydraulisch arbeitenden Strömungsgesehwin- digkeitsmesser für Flüssigkeiten sind ziemlich ungenau und versagen allenfalls überhaupt bei der Messung nichtlaminarer Strömungen und bei verhältnismässig kleinen Strömungsgeschwindigkeiten. Die Messung mit Hilfe solcher Geräte ist in zahlreichen Fällen auch deshalb ungenau, da dieselben infolge ihrer Grosse die Stromungsverhältnisse verzerren.
Das Messgerät gemäss der vorliegenden Er findung beruht auf dem bekannten Prinzip des bei der Gasströmungsmessung verwendeten Hitzdraht-Anemometers. Die Verwendung eines elektrisch beheizten Leiters zur Messung der Strömung von Flüssigkeiten erfordert jedoch eine besondere Ausbildung des Leiters.
Gemäss der vorliegenden Erfindung wird der als Messfühler dienende Leiter mindestens teilweise von einer warmeisolierenden Schicht umhüllt, welche den Zweck hat, den Leiter vor übermässig schneller Abkühlung zu schiitzen.
Die beiliegende Zeichnung veranschaulicht in Fig. 1 einen Querschnitt durch eine beispielsweise Ausführungsform des durch einen elektrischen Strom beheizten Leiters 1, welcher in eine Fliissigkeit 3 eintaueht, deren relative Bewegung in bezug auf den Leiter gemessen werden soll. Der direkte Wärme übergang vom elektrisch beheizten Leiter l an die umgebende Flüssigkeit ergäbe eine zu starke Abkühlung, und es wird d daher der elektrische Leiter mit einer wärmeisolierenden Schicht 2, z.
B. einer Gummisehicht, um hüllt, um den Wärmeübergang in geeignetem Masse zu hemmen, so dass eine zu starke Ab kiihlung des beheizten Leiters vermieden wird und der Leiter auch bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten stets eine höhere Temperatur annimmt als die umgebende Flüssigkeit.
Da die durch die Oberflache dieser Isolierschicht in die Fliissigkeit übergehende Wärmemenge von der Strömungsgeschwindig- keit der umgebenden Flüssigkeit 3 abhängig ist, hat jede Änderung der Strömungsge- schwindigkeit der Flüssigkeit eine Änderung des Temperaturgradienten in der Isolierschicht zur Folge und daher auch eine Änderung der Temperatur und des Widerstandes des Heizleiters. Dieser Widerstand läRt sich mittels an sich bekannter Vorrichtungen z. B. nach der beim thermischen Anemometer ge läufigen Brüekenmethode messen.
Die Abhängigkeit des Widerstandes von der Strömungs- geschwindigkeit der ihn umgebenden F'liissigkeit wird sowohl von den Eigenschaften des Leiters und der Isoliersehicht als aueh von den Eigenschaften der Plüssigkeit und der Art, wie der beheizte Leiter kalorisch isoliert und befestigt ist, beeinflusst. Es muss daher die Eichung des Gerätes bei gegebener Ausführung für jede Flüssigkeitsart und bei mehreren bekannten Strömungsgeschwindigkeiten derselben vorgenommen werden. Die Messbrüeke ist vor Beginn der Messung mit Rück- sieht auf die Temperatur der zu messenden Flüssigkeit abzugleichen. Die wärmeisolierende Schicht kann den Leiter auch nur teilweise umgeben, falls dies bestimmte Sonderbedingungen erfordern, wie z.
B. bei der Messung in schlecht wärmeleitenden Flüssig- keiten (Öl u. a.).
In Fig. 2 der beiliegenden Zeichnung ist die Gesamtsehaltung einer Ausführungsform des Messgerätes dargestellt. Die Wheatstone- brüeke wird durch drei gleiche Widerstände R gebildet, während den vierten Zweig die durch einen Ausgleichswiderstand r annähernd auf den Wert R ergänzte Messschleife S bildet, in deren Stromkreis ein Amperemeter A eingeschaltet ist. Die eigentliche Heizsehleife S besteht aus einer Metallegierung von möglichst geringer Wärmeleitfähigkeit und relativ grossem Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes. Die Schleife S ist gemäss B Fig.
I von einer Isolierschicht. 2 derart umhüllt, dass sie auch mechanisch gegenüber Beschädigungen oder Verformungen durch die strömende Flüssigkeit geschützt ist.
Die Zuleitungen P zur Heizsehleife sind von hinreichend grossem Querschnitt, um die Wi- derstandsänderung der Heizschleife im Verlauf der Messung nicht zu beeinflussen. Der veränderliche Widerstand r dient zum Abgleich der Brücke zu Beginn der Messung, also bei ruhiger Flüssigkeit, und kompensiert die Temperaturimtersehiede der Flüssigkeit.
Der Widerstand r dient gleichfalls zum Abgleieh der Brücke bei Verwendung verschie- dener Heizsehleifen S. Die Brücke wird über einen veränderlichen Widerstand p von einer Gleiehstromquelle B gespeist,wobei das den Abgleieh der Brücke anzeigende Galvano- meter G den Nullwert in der Mitte der Skala hat und bei der eigentlichen Messung durch eine Taste T eingeschaltet wird. Die eigentliche Messung lässt sich entweder als Messung der dem Leiter zugeführten elektrischen Ener- gie oder als Messung der Leitertemperatur oder des elektrischen Widerstandes des Leiters oder durch deren Kombinationen ausführen.
Bei der Eichung und Messung können verwendet werden ent-weder
1. die Aussehlagmethode, bei der der entsprechende Aussehlag des Galvanometers G bei einem bestimmten und konstanten Strom, welcher mittels des Amperemeters A kontrolliert wird, als Mass für die Strömungsge- schwindigkeit dient, oder
2. die Nullmethode, wo für jede Strö mungsgeschwindigkeitmitHilfe des Wider standes # eine solehe Intensität des Stromes eingestellt wird, dass das Galvanometer G auf dem Nullwert bleibt.
In diesem Falle ist der Massstab für die Strömungsgeschwindigkeit entweder die Stellung des Läufers des Wider- standes e oder cler Aussehlag des Ampere meters A, oder
3. eine derartige Kombination beider vorstehender Methoden, dass z.
B. für die Einstellmg eines bestimmten Messbereiches eine entsprechende Anzapfung des Widerstandes # verwendet wird, welcher in diesem Falle mit geeigneten Anzapfnngen versehen ist, wobei die innerhalb eines bestimmten, durch die jo- weilige Anzapfung festgelegten Messbereiches aus den Ausschlägen des Galvanometers G abgelesen werden kann, dessen Skalennullpunkt in diesem Falle am seitliehen Ende der Skala liegt.
Die Heizsehleife kann derart ausgeführt werden, um entweder in allen Riehtungen die Flüssigkeitsströmung in gleicher Weise zu messen oder um einen bestimmten Richtungseffekt aufzuveisen, so dass dann nur die betreffende Komponente der Strömungsge- schwindigkeit gemessen wird. Die AVahl der Stärke, Ausführung und Eigenschaften der Isolie. rsehieht um den Heizleiter hängt von der gewünschten Messempfindlichkeit, der Art der Messung und der zulässigen Trägheit der Anzeige sowie von der Art. der zu messenden Flüssigkeit ab ; es lässt sich wohl eine solehe Empfindlichkeit erzielen, dass das Messgerät bereits auf unbedeutende Flüssigkeitsvibra- tionen anspricht.
Das beschriebene und in Fig. 2 veran schaulichte Messgerät, ist für die versehieden- sten Anwendungsmogliehkeiten geeignet, so @. B. in Registrierapparaten, bei Fernmess- geräten, Messungen von Flüssigkeitsvibra- tionen, Messungen an Flüssigkeitsgemischen, Messungen von Zähigkeiten usw. Für die Messung kann auch We, ehselstrom verwendet werden.
Das beschriebene Gerät unterliegt keiner- lei rlbnntzung, so dass seine Messangaben stets gleich verlässlieh bleiben, und praktisch wäre nur eine Beschädigung der Heizschleife möglich, welche sehr einfach ist, billig hergestellt und in ganz einfacher Weise ausgewechselt werden kann.
Das Gerät kann auch in Fabrikanlagen zur Stromungsmessung verschiedener Flüssig- keiten in Rohrleitungen, zur Kontrolle und Regelung der Mischung von Fliissigkeiten verwendet werden, namentlich in den Anlagen der chemischen, Nährmittelindustrie, Wasserbewirtschaftungsanlagen, Warmwasserheizungen usw.
Device for the electrical measurement of the flow velocity of liquids,
The previously used, mechanically or hydraulically operating flow velocity meters for liquids are rather imprecise and at most fail at all when measuring non-laminar flows and at relatively low flow velocities. The measurement with the aid of such devices is also imprecise in numerous cases because, due to their size, they distort the flow conditions.
The measuring device according to the present invention is based on the known principle of the hot wire anemometer used in gas flow measurement. The use of an electrically heated conductor for measuring the flow of liquids, however, requires a special design of the conductor.
According to the present invention, the conductor serving as a measuring sensor is at least partially enveloped by a heat-insulating layer which has the purpose of protecting the conductor from excessively rapid cooling.
The accompanying drawing illustrates in FIG. 1 a cross section through an exemplary embodiment of the conductor 1 heated by an electric current, which is immersed in a liquid 3, the relative movement of which is to be measured with respect to the conductor. The direct heat transfer from the electrically heated conductor l to the surrounding liquid would result in excessive cooling, and it is d therefore the electrical conductor with a heat insulating layer 2, z.
B. a rubber layer wraps around to inhibit the transfer of heat to a suitable extent, so that excessive cooling of the heated conductor is avoided and the conductor always assumes a higher temperature than the surrounding liquid, even at high flow rates.
Since the amount of heat transferred through the surface of this insulating layer into the liquid depends on the flow rate of the surrounding liquid 3, every change in the flow rate of the liquid results in a change in the temperature gradient in the insulation layer and therefore also in a change in temperature and the resistance of the heating conductor. This resistance can be achieved by means of devices known per se, e.g. B. measure according to the bridge method common to the thermal anemometer.
The dependence of the resistance on the flow velocity of the liquid surrounding it is influenced by the properties of the conductor and the insulating layer as well as by the properties of the liquid and the way in which the heated conductor is calorically insulated and fastened. The device must therefore be calibrated for each type of liquid and with several known flow rates of the same for a given design. Before starting the measurement, the measuring bridge must be adjusted, taking into account the temperature of the liquid to be measured. The heat-insulating layer can also only partially surround the conductor if this requires certain special conditions, such as e.g.
B. when measuring in poorly thermally conductive liquids (oil, etc.).
In Fig. 2 of the accompanying drawing, the overall circuit of an embodiment of the measuring device is shown. The Wheatstone bridge is formed by three equal resistors R, while the fourth branch is formed by the measuring loop S, which is supplemented by a compensating resistor r approximately to the value R, in whose circuit an ammeter A is connected. The actual heating loop S consists of a metal alloy with the lowest possible thermal conductivity and a relatively large temperature coefficient of electrical resistance. The loop S is according to B Fig.
I from an insulating layer. 2 enveloped in such a way that it is also mechanically protected against damage or deformation by the flowing liquid.
The feed lines P to the heating loop have a sufficiently large cross section so as not to influence the change in resistance of the heating loop in the course of the measurement. The variable resistance r serves to balance the bridge at the beginning of the measurement, i.e. when the liquid is still, and compensates for the temperature difference in the liquid.
The resistor r also serves to balance the bridge when using different heating loops S. The bridge is fed via a variable resistor p from a balancing current source B, the galvanometer G indicating the balance of the bridge having the zero value in the middle of the scale and is switched on during the actual measurement by pressing a key T. The actual measurement can be carried out either as a measurement of the electrical energy supplied to the conductor or as a measurement of the conductor temperature or the electrical resistance of the conductor or a combination thereof.
Either can be used for calibration and measurement
1. the reading method, in which the corresponding reading of the galvanometer G at a certain and constant current, which is checked by means of the ammeter A, serves as a measure for the flow rate, or
2. the zero method, where for each flow velocity with the aid of the resistor #, a current intensity is set such that the galvanometer G remains at the zero value.
In this case the measure for the flow velocity is either the position of the rotor of the resistance e or the reading of the ammeter A, or
3. such a combination of both of the above methods that z.
B. for setting a certain measuring range a corresponding tap of the resistor # is used, which in this case is provided with suitable taps, whereby the measuring range determined by the respective tap can be read from the deflections of the galvanometer G. whose zero point in this case is at the side end of the scale.
The heating loop can be designed either to measure the liquid flow in the same way in all directions or to have a specific directional effect so that only the relevant component of the flow velocity is measured. The number of strength, finish and properties of the insulation. Looking around the heating conductor depends on the desired measurement sensitivity, the type of measurement and the permissible inertia of the display as well as the type of liquid to be measured; A sensitivity can be achieved so that the measuring device responds to even insignificant liquid vibrations.
The measuring device described and illustrated in FIG. 2 is suitable for a wide variety of applications, see above. B. in recorders, with telemetry devices, measurements of liquid vibrations, measurements on liquid mixtures, measurements of viscosities etc. We, ehselstrom can also be used for the measurement.
The device described is not subject to any validation, so that its measurement data always remain reliable, and in practice only damage to the heating loop would be possible, which is very simple, inexpensive to manufacture and can be exchanged in a very simple manner.
The device can also be used in factories to measure the flow of various fluids in pipelines, to control and regulate the mixture of fluids, in particular in the systems of the chemical, food industry, water management systems, hot water heating systems, etc.