Vorrichtung zur Messung von Strömungsgeschwindigkeiten von gasförmigen oder fliissigen Medien, insbesondere von unter Druck stehenden Medien Für die Messung von Strömungsgeschwin- digkeiten von Gasen oder Flilssigkeiten in Rohrleitungen sind bereits versehiedene Vorrichtungen bekannt, z. B. Differentialmano- meter, sogenannte Rotamesser und Gas-bzw.
Flüssigkeitsuhren.
Beim Differentialmanometer und beim Iiotamesser ist als Messgrundlage im wesent lichen eine Druckdifferenz bestimmend. Das I) il'ferentialmanometer weist einen in den Lauf des strömenden Mediums eingebauten Widerstand, z. B. eine Kapillare, auf, die durch ein U-förmiges Flüssigkeitsmano- meter überbnicekt ist. Hierbei ist der Widerstand durch die Leitungsverengung für ein gegebenes Instrument derselbe, und mit der Strömung ändert sich die auf die Manometerflüssigkeit einseitig wirkende Kraft.
Beim Rotamesser befindet sich in einem senkIeeilt angeordneten, nach oben konisch erweiterten Rohr ein Schwimmer, der bei einer Strömung von unten nach oben um so houer steigt, je rascher das Medium str¯mt.
I) ie Kraft ist hierbei durch das Gewicht des Sehwimmers gegeben und konstant.
Der Schwimmer, durch den die Verengung der Leitung verursacht wird, stellt sich auto- matisch auf diejenige Hyphe ein, die derjenigen Spaltweite entspricht, bei der die auftretende Kraft den für das Instrument charakteristischen, mit dem Schwimmergewicht. identisehen Wert erreiclt. Im Gegensatz zum Differentialmanometer, bei dem die Ver engtmg konstant und die Kraft veränderlieh ist, ist beim Rotamesser die Kraft konstant und die Spaltweite veränderlich.
Die Anwendung der bisherigen Vorrich- tungen für die. Messung von Strömungen in Leitungen, die unter Druck stehen, bereitet gewisse Schwierigkeiten. Die einfachste Anzeige ist die unmittelbar visuelle Beobachtung.
Bei einem Differentialmanometer mit einem Flüssigkeitsmanometer erfordert dies die Anwendung von durchsichtigen, unter dem vollen Innendruck der Leitung stehenden R¯hren.
Das gleiche trifft für die iibliche Form des Rotamessers zu. Die Druckfestigkeit durch- sichtiger Werkstoffe ist begrenzt. Man kann wohl die sogenannten Schwierigkeiten mit Hilfe eines gesteigerten technischen Aufwandes mildern, aber insbesondere für hohe Druckgebiete nicht völlig berwinden. Dass die üblichen Gas-und Flüssigkeitsuhren sieh nicht gut und einwandfrei für ein Arbeiten unter Druck eignen, liegt auf der Hand.
Der Rotamesser hat noch den Nachteil, dass man den Messbereich nicht leicht wechseln kann, wie z. B. bei dem Flüssigkeitsdifferen tial-Manometer. Der rotierende Schwimmer und das konische Rohr sind passend zueinander abgestimmt. Der Strom des Mediums trÏgt das Gesamtgewicht des rotierenden Sehwimmers. Dadurch tritt eine innige Wechselwirkung zwischen dem strömenden Medium und dem Schwimmer auf, die den Messer f r die Handhabung hinsichtlich ver schiedener Messbereiche und auch f r die indirekte Messung mit Hilfe von Übertra- gungsvorrichtungen empfindlieli macht, welche angewendet werden muss, wenn man nicht durchsichtige Konstruktionsteile benutzt.
Die Erfindung hat eine Vorrichtung zum Messen von Strömungsgesehwindigkeiten von gasförmigen oder flüssigen Medien, insbesondere von unter Druek stehenden Medien unter Anwendung eines durch Verengung des Durchlasses erzeugten Strömungswiderstandes in der Leitung f r das Medium und Messung der durch den Strömungswiderstand ausge- lösten und auf einen Widerstandskörper wirkenden Kraft zum Gegenstand, bei dem die bisherigen MÏngel vermieden sind.
Sie zeiclinet sich dadurch aus, dass der Widerstandskörper längsversehiebbar in der Leitung angeordnet ist und die Verengung des Dureh- lasses verursacht, welche innerhalb eines Messbereiches konstant ist, und dass Mittel vorgesehen sind, um die durch die Strömungsgeschwindigkeit veränderliche, auf den Widerstandskorper sich auswirkende Kraft auszu gleiehell und diese Gegenkraft zu messen.
Durch eine solche Gestaltung ergeben sich bedeutende technische Vorteile, sowohl für die Herstellung der Vorrichtung an sich als auch für die Anwendung, insbesondere zur Messung von Strömungsmedien unter Druck. Baulich ergibt sich, dass man kein konisches Messrohr wie bei dem Rotamesser mehr benötigt, sondern ein Rohr an sich beliebigen Quersehnittes, das jedoch überall die gleiche Weite hat.
Ein solches Rohr, gleichgültig, ob mit zylin drischem, quadratischem oder sonstigem beliebigem Querschnitt, ist bekanntlich viel einfacher herzustellen als das völlig gleichmässig konische Rohr des Rotamessers. Der Wider standskörper selbst, der in dem Rohr gleiehbleibenden Quersclinitts untergebraclit ist, kann an sich die versehiedenartigste Gestalt haben. Er wird zweckmässig dem Querschnitt des Rohres angepasst. Bei einem runden Rohr wird er vorteilhaft als langgestreckter Korper ausgebildet. Der Widerstandskörper bewegt sich in der Strömungsriehtungsolangefort, bis die Gegenkraft, z. B. die Federspannung, gleich der bei der gegebenen Str¯mungsgeschwindigkeit auftretenden Kraft ist.
Hierbei wird durch die Stellung des Widerstandskörpers die Grouse der Strömungsgeschwindigkeit angezeigt. Es ergibt sich eine stabile und ruhige Einstellung, so dass eine Drehung des Wider- standskörpers zu seiner Stabilisierung nicht notwendig ist. Die Konstruktion in einer praktisch unbegrenzt druckfesten Ausführung ist oline grundsätzliche Schwierigkeit möglich.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass mit ein und demselben Messrohr durch eine sehr einfacli auszuführende Auswechslung des Widerstandskörpers und/oder der Feder ganz verschiedene Messbereiehe erfasst werden können. Auch kann man zur Erweiterung des Anzeigebereiches in einer Me¯anordnug leicht rnelrere Teilstüeke von Rohren mit verschie- clener Weite hintereinander anordnen, in der Art, da¯ das Teilstüek mit dem engsten Querschnitt am Eintrittsende des strömenden Mediums vorgesehen wird.
Ein anderer be dentender Vorzug ist dadurch gegeben, dal3 man mit jeder beliebigen Lage des Me¯rolires bzw. jeder beliebigen Richtung der Bewegung des Widerstandskörpers arbeiten kann, wenn dies nach Lage der Dinge zweekmässig oder erforderlieh ist. So ist es ohne weiteres mit einfachen Mitteln durchfühlbar, das Me¯rohr in geneigter Stellung wie auch horinzontal zu benutzen. Ja sogar eine Benutzung in umgekehrter Weise mit einer Strömung von unten nach oben ist durchführbar. Die Unabhängigkeit von der Lage des Messrohres ist bei den bisherigen Meus- vorrichtungen nicht möglieh.
Die Messung kann auf verschiedene Weise durehgeführt werden, nämlich mit meeha nisehen oder elelitrischen bzw. elektromagne- tischen Mitteln oder auf optischem Wege, und zwar in direkter oder indirekter Weise. Bei elektrischer Messung kann man den Widerstandskörper aus Eisen und das Rohr aus unmagnetischem Werkstoff herstellen. Der Versehiebeweg des Körpers kann auf induktivem oder auch kapazitivem Wege zur Anzeige ausgewertet werden. Bei der mechanischen Messung kann die Rückführungskraft des Widerstandskorpers in die Ausgangsstellung als (irundlage der Mess-long dienen, wobei der Rückfuhrungsweg ein Mass f r die Str¯ mungsgeschwindigkeit abgibt.
Die Messvorrichtung gemäss der Erfindung ist in der Zeichnung in mehreren Aus führungsbeispielen veranschaulicht.
In Fig. 1 ist der Erfindungsgegenstand scliematiseli im Prinzip dargestellt.
In Fig. 2 und 3 sind weitere Ausf hrungsformen dargestellt.
Fig. 4 zeigt die Auswertung des angezeig- ten Wertes auf elektrischem Wege. Fig. 5 ist ein weiteres Beispiel für die elektrische Aus w ertung.
In den Fig. 6 und 7 sind Ausführungs beisr) iele, die eine rein mechanische Messung der Kraftänderung angeben, dargestellt.
Die erfindungsgemässe Messvorrichtung besteht aus einem Rohr 1 beliebigen Querschnitts mit überall gleicher Weite und einem Widerstandskörper 2, der einen kleineren Qttersclmitt als das Messrohr hat. Hängt man einen solchen Körper in einem senkrecht stehenden Rohr elastisch, z. B. an einer Feder 3, auf und lässt von oben nach unten ein ( as oder eine Flüssigkeit strömen, so wird der Widerstandskorper sich in der Stromungs- richtung so lange fortbewegen, bis die Federspannung gleich der bei der gegebenen Strö mungsgeschwindigkeit auftretenden Kraft ist.
Dieser Widerstandskörper wird hiernach durch seine Stellung die Grösse der Str¯mungsgeschwindigkeit anzeigen.
Zur Verwendung der erfindungsgemässen Vorrichtung in beliebiger Schräglage ist es erforderlicll, die Null-Lage des Widerstandskörpers 2 durch eine zusätzliche Richtkraft zu fixieren. Dies lässt sich dadurch erreichen, da¯ man den Widerstandskörper zwischen zwei Federn 4 und 5 anordnet, die beide eine gewisse Spannung haben (Fig. 2). Das gilt insbesondere f r die Messungen in einem waagrecht liegenden Rohr. Es sind in diesen Fällen die auftretenden und etwa zu überwindenden Reibungswiderstände gr¯¯er als beim freihängenden Widerstandskörper. Um solehe Reibungswiderstände so klein wie m¯glich zu halten, kann man verschiedene Mittel anwenden.
Wenn es sich beispielsweise um die Messung der Strömung von Flüssigkeiten handelt, so hat man f r die Verminderung oder Beseitigung der Reibungswiderstände zwischen Widerstandskörper und äusserem Rohr die sehr bequeme Möglichkeit, das s Gewicht des Widerstandskörpers dem Gewicht der verdrängten Flüssigkeitsmenge möglichst weitgehend gleichzumachen, so dal3 der Widerstandskörper in der Flüssigkeit praktisch schwerelos schwebt und selbsttätig durch die Zugkraft der beiden Federn zentral festge- halten wird.
Normalerweise ist es nicht nötig, den Widerstandskörper mit besonderen Führun- gen zu versehen, um seine zentrale Bewegung innerhalb des Messrohres sicherzustellen, da, wie gefunden wurde, sich der Widerstandskörper automatiseh in der Strömung ziemlich genau zentral zum Rohr und sehr ruhig einstellt. Bei einer Schräglage des Messrohres können Fiihrungen erwünscht sein. Diese können in Form von kleinen, symmetrisch um den Umfang des Widerstandskörpers verteil- ten Erhöhungen bestehen, wobei diese aus einem Werkstoff hergestellt werden können, der ein Minimum an Reibung und Abnutzung sicherstellt.
Beispielsweise kann man in die Oberfläche des Widerstandskörpers kleine Stahlkugeln einlassen, wie sie für Kugellager verwendet werden. Man kann ferner die der sicheren Fiihritng dienenden Erhebungen aus Korund herstellen. Es ist ferner m¯glich, auf dem Umfange des Widerstandskörpers Längsrippen vorzusehen, deren Umfangsfläche kolbenartig dem Messrohr angepasst ist.
Eine gemäss der Erfindung aufgebaute e Vorrichtung, bei der die Strömung statt von oben nach unten umgekehrt verläuft, ist in der Fig. 3 veranschaulicht. Für die Messung der Geschwindigkeit einer Strömung von unten nach oben wird der bewegliche Widerstandskörper 2 in seiner untersten Lage bei schwachgespannter Feder 6 durch einen Anschlag 7 festgehalten. Der Widerstandskörper spricht erst von einer bestimmten Mindestgeschwindigkeit des strömenden Mediums ab an, bei der die Wirkung der Strömung die Seliwere des Widerstandskörpers gerade aufliebt. Wenn der in diesem Fall wieder als Sehwimmer wirkende Widerstandskörper spezifisch leichter ist als das durchströmende Medium, so ist auch bei Strömung von unten nach oben eine Anzeige von Null bis zu einem obern Maximalwert möglich.
Dies gilt auch für die Anordnung der Fig. 2
Das Anzeigen der Stellmg des Widerstandskörpers ist auf optischem Wege am einfachsten. Dies ist möglich beim Arbeiten bei Atmosphärendruck oder nur wenig er höhtem Druck. Hierbei wird man die Vorrichtung mit einem durchsichtigen Messrohr ausstatten. Beispielsweise genügt es, an einer Stelle ein kleines durchsichtiges druckfestes s bzw. zwei diametral gegenüber angeordnete Fenster anzubringen, durch welche hindurch man das Einspielen einer an dem Widerstandsk¯rper unten angebrachten Spitze auf einer auf dem Fenster angebrachten Marke beobachtet. Eine solche Ausführung ist sehr viel leichter, auch für sehr hohe Drucke bis zu 1000 Atm. ausf hrbar, als es ein seiner ganzen Länge nach durchsichtiges Rohr sein würde.
Diese Art der Anzeige ist vor allem in einer solehen besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zweckmässig, bei der die durch die Strömung verursaclite Stellungs änderung des Widerstandskörpers nachträg- lich wieder durch besondere Massnahmen kompensiert wird. Solche Ausführungsformen werden weiter unten ausführlieh beschrieben.
Bei Verzieht auf durchsiehtige Vorrichtungsteile lässt sich die Messung auf elektrischem Wege (siehe Fig. 4) beispielsweise wie folgt durchf hren: Der Widerstandskörper 2, der eine langgestreckte Form besitzen soll, wird aus ferromagnetischem Material, z. B. Weicheisen, gebildet, wÏhrend das Messrohr 1 aus unmagnetisehem Material besteht.
Eine Spule 8, durch die tuber ein Messinstrument 9 ein Wechselstrom fliesst, wird in Hohe des an der Feder 3 aufgehängten Widerstandskör- pers 2 vorgesehen. Dureh das mehr oder weniger tiefe Eintauchen des Eisenkörpers in diese Spule wird der Weehselstromwiderstand verändert, was am Messinstrument sofort abgelesen und nach entsprechender Eichung zur Strömungsmessung verwendet werden kann.
Man kann statt einer solehen von Wechsel- strom durehflossenen Spule, deren elektrischer Widerstand die Stromstärke beeinflusst, auch nach Art eines Transformators eine primäre Wicklung, z. B. die Spule 8, und eine sekun- dÏre Wicklung 10 aufbringen und die Verstärkung des Induktionsstromes in der sein- dären Spule beim Durchgang eines Wechsel- stromes in der Primärspule messen.
Statt den Widerstandskörper auf seiner jeweiligen Stellung im Messrohr zu belassen, ist es ferner möglich, diesen auf seine ur spriingliche Stellung wieder zurüekzufüllren und die hierzu notwendige Kraft unmittelbar zu messen. Eine solche Kompensation der im Mel3rohr auftretenden Kraft lässt sich beispielsweise in einer vollelektromagnetisehen Weise ausüben. In Fig. 5 ist eine solehe Anordnung dargestellt. Hierbei wird mit zwei Spulen gearbeitet, unten eine Spule 10 zur Anzeige der Stellung des Widerstandskörpers 11 und oben eine Spule 12, in der ein Strom eine nach oben geriehtete Anziehungskraft erzeugt.
Es ist ohne weiteres verständlieh, dass ein Messinstrument, das über einen Widerstand 13 mit der obern Spule 12 in einen Stromkreis geschaltet ist, mit seinem Aussehlag ein Mass für die im Rohr herrschende Strömung gibt, wenn man die Stromstärke mit Hilfe des Widerstandes 13 so einstellt, dass das Messinstrument in dem untern Stromkreis auf seine Ausgangslage zurüek- gegangen ist. Die Einstellung des Widerstandes kann dabei auch automatisch von einer Servoeinrichtung übernommen werden, die man ber die Induktion der untern Spule steuert. Dann zeigt aueh diese Kom. pensations- anordnung am Messinstrument genau so automatiseh die Strömungsgeschwindigkeit an, wie das Instrument 14 bei der direkt arbeitenden Anordnung der Fig. 4.
Bei einer Nullanordnung zur Anzeige des l ; : inspielens des Widerstandskörpers in einer bestimmten Ausgangsstellung kann man auch mit einer rein mechanischen Messung der Kraftänderung innerhalb des Messinstru- mentes auskommen. Die Fig. 6 und 7 veranschaulichen eine solche Ausführung.
Gemäss Fig. 6 wird die den Widerstandskörper 2 tragende Feder 3 an einem Faden oder Draht 15 autgehängt, der oben auf eine von aussen drehbare Welle 16 aufgewickelt werden kann. Eine solche Welle ist auch unter hohem Druck sehr leicht durch eine Stopfbüchse 17 nach aussen abzudichten.
Bringt man am untern Ende des Widerstands korpers den bereits besehriebenen Transformator 8, 10 an, so wird bei Beginn der Str¯mung das Messinstrument 14 einen ver stärkten Ausschlag zeigen. Durch Drehen der Welle 16 kann der Widerstandskörper 2 auf die alte Lage zur ckgebracht werden, wobei das Messinstrument 14 wieder auf den Aus gangswert einspielt. Die Länge des beim Drehen aufgewickelten Drahtes ist der Spannung der zwischen Widerstandskörper 2 und Draht 15 befindlichen Feder, die unter der Wirkung der Strömung erfolgt, proportional.
F r die Rückführung des Widerstandsk¯rper 2 auf die Ausgangsstellung ist eine l) rehung notwendig, die ein MaI3 für die Strömungsgeschwindigkeit ist.
Eine im Grunde ähnliche Anordnung ist in Fig. 7 wiedergegeben. Bei dieser wirkt die : Kraft ähnlieh wie bei einer Torsionswaage auf eine Federanordnung 18, und im übrigen ist die Wirkungsweise dem Arbeiten der Vorrichtung nach Fig. 6 analog.
Der Widerstandskörper kann an sieh jede heliebige Gestalt und Form auf weisen. Statt der langgestreckten Form kann er eine kurze gedrungene Gestalt haben, z. B. als Kugel ausgebildet sein. Statt den ganzen Korper aus ut ferromagnetischem Material zu bilden, kann man ihn auch aus einem beliebigen Werkstoff herstellen und ihm einen wesentlich dünneren Stab aus einem magnetischen Werkstoff unten anhängen.
Auch ist es nicht unbedingt nötig, wenn auch häufig zweckmässig, die zur Übertra- gung der Stellung des beweglichen Teils nach aussen notwendige Spule ausserhalb des Messrohres anzuordnen. Man kann sie auch innerhalb des Messrohres, etwa an dessen unterem und für die eigentliche Bewegung des Widerstandskörpers nicht in FragekommendemEnde anbringen. Auch kann man die Spule durch Platten eines Kondensators ersetzen, zwischen die eine an dem Widerstandskörper befestigte dritte Platte mehr oder weniger tief eintaucht, was zu Kapazitätsanderungen führt.
In diesen Fällen muss man natürlich eine oder mehrere elektrische Leitungen isoliert aus der Messvorrichtung heraus nach aussen führen, was aber auch für druekfeste Vorrichtungen keine grundsätzlichen Schwierigkeiten bietet. Der Vorteil derartiger Kon struktionen besteht darin, dass man den eigentlichen, der Anzeige dienenden Teil wesentlieh kleiner und leichter machen kann.
Die Anwendung der vorstehend beschriebenen, verschiedenen Ausführungsformen richtet sich ganz nach dem jeweiligen Fall.
Der Anordnung der Fig. 4 wird man z. B. dann den Vorzug geben, wenn man Änderungen von Strömungsgeschwindigkeiten automatisch aufzuzeichnen wünscht, denn statt des Messinstrumentes kann man natürlich auch einen handelsübliehen Schreiber verwenden. Zeichnet man ausserdem noch den Druckverlauf in der Leitung auf, so lässt sich aus beiden Kurven leicht die integrale, insgesamt durchströmte Menge berechnen. Etwaige langsame ¯nderungen der Federkraft infolge von Alterungserscheinungen der Aufhängefeder können bei der Anordnung der Fig. 5 kompensiert werden. Man kann z. B. die Spulen 1c' und 8, 10 starr miteinander verbinden und mittels eines Feintriebes 19 auf und ab beweglich machen.
Damit ist eine stets repro duzierbare Nulleinstellung mit genau fixierter gegenseitiger Lage der Spulen gewährleistet.
Da die Feder beim eigentlichen Messvorgang die Ausgangslage inne hat, ist man von ihrer absoluten Elastizitätskraft unabhängig.
Zur bequemen Benutzung der Messvorrichtungen ist natürlich eine vorherige Eichung der Anordnung bei verschiedenen Drucken und Strömungsgeschwindigkeiten n¯tig, die sich sehr leicht durchführen lässt.
Die Eichkurven haben, wie sich zeigte, eine einfache, annähernd lineare Gestalt, so dass, wenn man eine Schar von Eichkurven (Anzeige des Instrumentes gegen Strömungs- geschwindigkeit) f r verschiedene Drucke festgelegt hat, die Interpolation der Angaben f r jeden beliebigen andern Druck innerhalb des geprüften Bereiches leicht gelingt. Die erfindungsgemässen Strömungsmesser lassen sich oline grosse Schwierigkeiten auch in Regelanordnungen einbauen und als Geber f r die Steuerung von Ventilen in Leitungen benutzen, sei es für die Konstanthaltung von Strömungsgesehwindigkeiten, sei es f r deren gesetzmässige Änderung nach einem bestimmten Programm. Auch in dieser Anwendungsform sind sie andern Typen von Strömungs- messern berlegen.