Verfahren und Vorrichtung zur Messung einer Durchflussmenge
Diese Erfindung bezieht sich auf ein neuartiges Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung einer Durchflussmenge eines Fluids längs einer Wegstrecke.
Vielerlei grundsätzlich verschiedene Vorrichtungen zur Zählung oder Messung der Durchflussmenge von Fluida in geschlossenen Leitungen oder längs umschlossener Laufbahnen sind auf diesem Gebiet bekannt. Diese verschiedenartigen Vorrichtungen umfassen zum Beispiel mechanische Durchflussmesser, wie solche mit Turbinen, Differenzdruckmesser, z. B. mit Venturi Rohr Staurandmesser, Düsenmesser, Dall-Rohr-Messer, Laminarströmungsmesser und Lo-Loss -Messer, Ultraschallmesser und Elektromagnetmesser.
Alle diese bekannten Messgerätetypen weisen die verschiedenartigsten Nachteile auf, zum Beispiel hohen Druckverlust, Beschränkung auf die Messung der Durchflussmenge von Flüssigkeiten und keine Verwendbarkeit zur Messung der Durchflussmenge von Gasen, Fehler aufgrund von Wirbelbildung, relativ geringen Genauigkeit, nichtlineare Empfindlichkeitskurven, ziemlich lange Ansprechzeit, Begrenzung auf enge Messbereiche, Fehler aufgrund ungleichmässiger Strömung, Schwierigkeit in der Umformung der Ausgangsmesswerte in eine zugängliche Form, hoher Energiebedarf bei elektromagnetmessern und an dere Fehler, von denen die meisten den Fachleuten be kannt sind.
Jedes der Messgeräte misst in erster Linie volumetrisch. In vielen Fällen ist es jedoch wichtiger, die Durchflussmenge (Massendurchfluss) von Fluida zu messen. In vielen Ausführungsbeispielen der Chemie wurden die verschiedenen Mengen von Reaktionsstoffen am besten mittels ihrer Masse bestimmt. Wenn solch ein Fall auftritt und volumetrisch messende Messgeräte verwendet werden, ist es notwendig, die Volumenmessungen in Massenmessungen umzurechnen. Dies kann durch Multiplikation der Volumenmessungen mit der Dichte des Fluids bewerkstelligt werden. Dementsprechend können volumetrische Messgeräte eine geeichte Anzeigevorrichtung enthalten, die den Dichtefaktor berücksichtigt. Solche Geräte haben jedoch begrenzte Genauigkeiten. Es ist bekannt, dass die Dichte eines Fluids sowohl eine Funktion seiner Temperatur als auch des Druckes ist.
Ist das Fluid ein Gas, so kommt die Abhängigkeit der Dichte von Temperatur und Druck deutlicher zum Ausdruck. Daher ist es nicht möglich, einen konstanten Proportionalitätsfaktor zwischen dem Volumen und der Masse des gemessenen Fluids anzugeben. Deshalb haben die bekannten indirekten Messungen der Durchflussmenge aufgrund von volumetrischen Messungen nur begrenzte Genauigkeit.
Es sind Durchflussmengenmesser und auch Dichtemesser vorgeschlagen worden, welche die Messung der Laufzeit von Schallwellen durch eine Flüssigkeit benützen. Diese Geräte erfordern jedoch wenigstens einen aktiven Messwandler, um Schallwellen zu erzeugen.
Zusätzlich zu einer elektrischen Schaltung und von elektrischer Energie zum Betrieb des aktiven Wandlers, ist eine weitere Schaltung zur Analyse und Verarbeitung der vom empfangenden Wandler erzeugten Signale erforderlich. Deshalb sind Unterschallmessgeräte ziemlich kostspielig in Herstellung und Bedienung.
Zweck der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens und einer Vorrichtung zur Messung einer Durchflussmenge mit einer Genauigkeit möglichst in der Grössenordnung von weniger als 3 O/o.
Das erfindungsgemässe Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass es aus folgenden Schritten besteht: das längs der Leitung strömende Fluid wird in einen wirbelnden Zustand versetzt, das wirbelnde Fluid wird zur Präzession gebracht und die Umlaufsfrequenz und die Amplitude der Präzessionsbewegungen werden gemessen.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass sie aus einer ersten Fluidleitung mit einem stromabgelegenen Ende, einer Wirbelvorrichtung, um ein durch die erste Fluidleitung fliessendes Fluid in einen wirbelnden Zustand zu versetzen, einer zweiten Fluidleitung, die an das stromab gelegene Ende der ersten Fluidleitung angeschlossen ist und deren Querschnitt grösser ist als der Querschnitt der ersten Fluidleitung, um dem wirbelnden Fluid eine Präzessionsbewegung zu verleihen, aus mindestens einem Messelement zum Abfühlen der Frequenz und Amplitude der Präzessionsbewegung und aus einer mit dem Messelement bzw. den Messelementen verbundenen Anzeigevorrrichtung zur Anzeige der Durchflussmenge des Fluids nach Massgabe der Frequenz und Amplitude der Präzession des wirbelnden Fluids besteht.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung kann so ausgebildet werden, dass sie eine proportionale Anzeige liefert.
Man kann sie ferner bei zweckentsprechendem Aufbau für alle homogenen Fluida verwendbar machen und/oder eine kurze Ansprechzeit erreichen.
Die Vorrichtung kann so ausgebildet werden, dass sie keine beweglichen Teile hat, noch aktiv betriebene Messumwandler verwendet. Sie kann auch zur Messung des Massendurchsatzes eines Fluids in Rohrleitungen praktisch jeder Dimension und über einen weiten Durchsatzbereich verwendet werden.
Es ist weiter möglich, einen solchen Durchflussmengenmesser so zu konstruieren, dass er ohne zusätzliche Kosten oder Änderungen in einen höchst genauen volumetrischen Durchflussmengenmesser umgewandelt oder gleichzeitig als solcher benutzt werden kann.
Allgemein basiert die Erfindung auf der Einführung einer labil wirbelnden Strömung in einem Fluid, das durch eine seine Querschnittsfläche erweitemde Fluidleitung strömt. Die Zunahme der Querschnittsfläche der Leitung erzeugt eine Fluid-Rückströmung längs der Hauptachse der Leitung, und die Gesamtströmung wird unstabil. Die Instabilität bringt die Achse des Fluidwirbels dazu, bezüglich der Hauptachse der Leitung eine Präzessionsbewegung auszuführen. Diese Präzession äussert sich in messbaren Druck- und Temperaturschwankungen im Fluid, die durch gegenseitige Umwandlung von hydrostatischer Energie und kinetischer Energie in dem wirbelnden Fluid verursacht werden.
Die Amplitude der Druck- oder Temperaturschwankungen ist demgemäss der kinetischen Energie, das heisst, dem Produkt aus der Dichte des Fluids und dem Quadrat seiner Geschwindigkeit, proportional, während die Frequenz der Druck- oder Temperaturschwankuungen proportional der Strömungsgeschwindigkeit ist. Es sei daraufhingewiesen, dass das Verhältnis von kinetischer Energie und Strömungsgeschwindigkeit direkt proportional zur Dichte des Fluids und zum Volumendurchsatz und deshalb zum Massendurchsatz ist. Entsprechend werden bei Abfühlung der Druck- oder Temperaturschwankungen mit einem Messwandler die Frequenzen und Amplituden in elektrische Signale umgewandelt, die man einem geeigneten arithmetisch arbeitendem Gerät eingibt, welches ein Ausgangssignal erzeugt, das proportional zum Massendurchsatz ist.
Ausserdem kann, wenn das Ausgangssignal in einen Integrator eingegeben wird, die gesamte Durchflussmenge gemessen werden.
Im folgenden werden das erfindungsgemässe Verfahren und Vorrichtungen zu seiner Durchführung anhand der Zeichnung beispielsweise beschrieben.
Fig. 1 ist eine Längsschnittansicht eines Leitungsystems mit einem einzigen Messwandler zur Messung des Massendurchflusses, d. h. der Durchflussmenge gemäss einer Ausführungsform ;
Fig. 2 ist eine Längsschnittansicht eines Leitungsystems mit zwei Messwandlern zur Messung des Massendurchflusses nach einer anderen Ausführungsform;
Fig. 3 ist eine Querschnittsansicht durch die Messwandler von Fig. 2;
Fig. 4 zeigt eine Parallelschaltung der Messwandler der Fig. 2;
Fig. 5 ist ein Schaltbild worin die Messwandler aus Fig. 2 mit einem Differentialverstärker verbunden sind;
Fig. 6 ist eine schematische Längsschnittansicht mit anderer Anordnung der Messwandler;
Fig. 7 ist ein Blockschaltbild eines elektrischen Geräts zur Verarbeitung der von den Messwandlern in den Fig. 1, 3, 4 und 5 erzeugten Signale, zwecks Messung des Massendurchsatzes der Durchflussmenge.
Allgemeine Erläuterung der Messmethode
Das Fluid, dessen Durchflussmenge bzw. Massendurchsatz gemessen werden soll, wird zuerst dazu gezwungen, eine Wirbelbewegung anzunehmen, indem hydrostatische Energie in kinetische Energie umgewandelt wird. Dann wird das wirbelnde Fluid dazu gebracht, eine zum Fluiddurchsatz proportionale Präzessionsbewegung auszuführen. Dies wird dadurch zustandgebracht, dass man das strömende Fluid in eine Leitung einschliesst, die mit einer wirbelerzeugenden Vorrichtung versehen ist, durch welche eine wirbelnde Strömung des Fluids erzeugt wird. Dann veranlasst man das wirbelnde Fluid durch Einleiten in eine Leitung erweiterten Querschnitts zur Ausführung einer Präzessionsbewegung.
Hierbei wird durch die Vergrösserung des Querschnitts eine besondere Art hydrodynamischer Instabilität erzeugt, die das Niederdruckzentrum des wirbelnden Fluids veranlasst, eine Präzessionsbewegung mit einer bestimmten Frequenz um die Längsachse der Leitung auszuführen. Wenn man die Mittellinie des wirbelnden Fluids sichtbar machen könnte, würde man erkennen, dass sie in dem seinen Querschnitt erweiternden Bereich der Leitung einen Kegel beschreibt.
Die Geschwindigkeit dieser Präzession des Niederdruckzentrums, die im folgenden als Wirbelpräzession bezeichnet wird, ist in bestimmten Fällen direkt proportional dem mittleren Volumendurchsatz des Fluids. Es ist möglich, die durch die Wirbelpräzession im Fluid verursachten Druck- oder Temperaturschwankungen mit Hilfe entsprechender Messwandler zu messen und ein Anzeigesignal zu erzeugen, dessen Frequenz proportional der Geschwindigkeit der Fluidströmung und dessen Amplitude proportional der Dichte des Fluids ist. Wenn die Frequenz- und Amplitudenanzeigen getrennt werden, können sie arithmetisch ausgewertet werden, so dass man eine getrennte Anzeige vom Massendurchsatz und Durchflussmenge erhält. Diese Methode liefert gute Ergebnisse, wenn die Messwandler in der Nähe der Querschnittserweiterung der Leitung angebracht werden.
In Fig. 1 ist schematisch ein Durchflussmesser mit einer ersten Fluidleitung 20 und einer zweiten Fluidleitung 22 dargestellt, wobei die zweite Fluidleitung einen grösseren Innendurchmesser hat als die erste Fluidleitung. Die Fluidleitungen sind durch ein kurzes Verbindungsstück 24 zusammengeschlossen, z. B. durch einen im rechten Winkel zu den Fluidleitungen verlaufenden Wandteil. Anstelle des kurzen Kupplungsstückes 24 kann man ein sich verjüngendes Verbindungsstück verwenden. Eine Wirbelvorrichtung 26 ist mit der ersten Fluidleitung 20 verbunden, um das hindurchströmende Fluid in eine wirbelnde Bewegung zu versetzen. Als Wirbelvorrichtung können in der ersten Fluidleitung 20 fest eingebaute Schaufelblätter oder Windungen oder Rippen an der Innenseite der ersten Fluidleitung 20 angebracht sein.
Es wurde gefunden, dass die Proportionalität der Messungen durch die Ausbildung der Wirbelvorrichtung bestimmt wird. Zum Beispiel erhält man eine Proportionalität, wenn man fest eingebaute Schau felblätter verwendet, die einen bestimmten Abströmwinkel bezüglich der Längsachse der Leitung aufweisen. Ein Messelement 28 ist an einer Stelle der Leitung 20 angeordnet,die für die Messung der von der Wirbelpräzession herrührenden Veränderungen im Fluid möglichst günstig ist.
Als Messelement kann zur Druckmessung eine Membran-Messdose oder ein piezoelektrischer Kristall zur Temperaturmessung, ein thermoelektrisches Element oder ein Bolometer benutzt werden. Die elektrischen Signale werden von den Anschlussklemmen 32 und 34 des Messelementes 28 abgenommen.
Das Fluid kann entweder ein Gas oder eine Flüssigkeit sein. Durch eine Erweiterung bei 30 zwischen einem ersten Rohr 20 mit rundem Querschnitt und einem zweiten Rohr 22 mit rundem Querschnitt wird das wirbelnde Fluid instabil, oder mit anderen Worten,die Achse des wirbelnden Fluids beschreibt einen Kegel.
Aufgrund der Präzession liefert der Messwandler 28 an seinen Anschlussklemmen 32 und 34 ein Wechselsignal, dessen Frequenz proportional zur Geschwindigkeit der Fluidströmung und dessen Amplitude proportional zur Dichte des Fluids und zum Quadrat der Geschwindigkeit der Fluidströmung ist. Die Weiterverarbeitung dieses Signals wird noch beschrieben werden.
Falls erwünscht, kann eine Entwirbelungsvorrichtung 32 mit der zweiten Fluidleitung 22 verbunden werden, um einen Teil des durch die Wirbelvorrichtung 26 verursachten Druckverlustes wieder auszugleichen. Als Entwirbelungsvorrichtung können Schaufelblätter innerhalb der ersten Fluidleitung 22 fest angebracht sein.
Durch Versuche wurde gefunden, dass eine Querschnittszunahme zwischen der ersten Fluidleitung 20 und der zweiten Fluidleitung 22 im Verhältnis 2:3 und alle stärkeren Querschnittszunahmen gute Ergebnisse liefern und dass die Anbringung der Wirbelvorrichtung 26 in einer Entfernung von zwei Durchmessern vor dem Ende der ersten Fluidleitung 20 eine Wirbelbildung liefert, ohne auf die Präzession einzuwirken.
Bei Verwendung eines einzelnen Messwandlers kann die Genauigkeit der Messungen dadurch begrenzt werden, dass der Messwandler nicht nur auf die vom Fluid herrührenden Druckschwankungen, sondern auch auf Srhallschwingungen anspricht, die sich längs der Fluidleitung ausbreiten. Dabei sollen als Schallschwingungen nicht nur solche im Hörbereich, sondern auch im Infraschall- oder Ultraschallbereich verstanden werden.
In einem solchen Falle liefert der Messwandler nicht die Frequenz und Amplitude der Wirbelpräzession und deshalb auch keine richtige Anzeige der Durchflussmenge.
Dementsprechend ist es vorteilhaft, ein Paar von Messwandlern zu verwenden, die an diametralen Stellen in der Fluidleitung eingebaut sind. In diesem Falle werden die von Schallschwingungen herrührenden Impulse bezüglich der beiden Messwandler gleichphasig, die von der Wirbelpräzession herrührenden Impulse jedoch um ungefähr 1800 in der Phase verschoben sein.
In diesem Falle erhält man ein Ausgangssignal, das nur von den in der Phase verschobenen Impulsen abhängt, indem man die Ausgänge beider Messwandler parallel oder in Reihe miteinander schaltet, oder indem man einen elektrischen Differentialverstärker benutzt. Man erhält also bei Verwendung zweier derart angebrachter Messwandler ein Ausgangssignal, dessen Frequenz proportional der Frequenz der Wirbelpräzession und dessen Amplitude proportional der Amplitude der Druck- oder Temperaturschwankungen des wirbelnden Fluids ist.
Denselben Effekt kann man durch Verwendung eines einzelnen Differential-Messwandlers erreichen, dessen Eingänge mit zwei diametral gegenüberliegenden Punkten der Fluidleitung verbunden sind.
In Fig. 2 ist eine andere Ausführungsform eines Durchflussmessers dargestellt. Da das Leitungssystem dem in Fig. 1 gezeigten ähnlich ist, werden einmal gestrichene Bezugszeichen für die gleichen Elemente verwendet.
Bei dieser Ausführungsform ist ein Paar von Druck Messwandlern 40 und 40' in der Wandung des Rohres 20' einander gegenüberliegend angeordnet. Die von Schallschwingungen herrührenden Druckimpulse sind bezüglich beider Messwandler 40 und 40' gleichphasig, wie dies durch die Pfeile 41 und 41' der Fig. 3, angedeutet ist. Die von der Präzession des wirbelnden Fluids herrührenden Druckimpulse, welche um 1800 in der Phase gegeneinander verschoben sind, werden durch die Pfeile 42 und 42' angedeutet. Das heisst, beispielsweise das Druckminimum des wirbelnden Fluids wirkt auf den Messwandler 40' mit einer Phasenverzögerung von 1800, bezogen auf seine Einwirkung auf den Messwandler 40. Entsprechendes gilt für Temperaturimpulse.
Gemäss der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform sind die beiden Messwandler 40 und 40' parallel zueinander geschaltet; die von Schallschwingungen herrührenden Druck- oder Temperaturimpulse löschen sich dabei aus. Das gleiche Ergebnis erhält man mit der Schaltung der Fig. 5, in der die Messwandler mit einem Differentialverstärker 4 4 verbunden sind. Werden die Messwandler in Reihe geschaltet, dann ist der Differentialverstärker nicht erforderlich. Die in der Phase verschobenen Ausgangssignale der Wandler werden den Anschlussklemmen 36 und 38 der Parallelanordnung der Fig. 4 bzw. den Anschlussklemmen 46 und 48 des Differentialverstärkers der Fig. 5 zugeführt. Die Verwendung des so erzeugten Signals zum Anzeigen der Durchflussmenge e wird im folgenden beschrieben.
Es sollte beachtet werden, dass durch Verwendung mehrerer in einem bestimmten Winkelabstand rund um die Leitung verteilter Paare von Messwandlern die Zahl der Messimpulse pro Zeiteinheit vergrössert und eine genauere Messung des Durchsatzes ermöglicht wird.
Bei der Ausführungsform der Fig. 2 ist eine Entwirbelungsvorrichtung 32' in der zweiten Fluidleitung 22' vorgesehen. Dadurch können die Wirbel beseitigt und kann die Fluidströmung ausgerichtet werden.
In Fig. 6 sind die der Fig. 1 und 2 entsprechenden Elemente mit den gleichen, aber doppelt gestrichenen Bezugszeichen versehen. Hinsichtlich des Fluidleitungssystems ist die Anordnung mit der der Fig. 1 und 2 dargestellten äquivalent, so dass sich eine weitere Beschreibung dieses Systems erübrigt.
Jedoch ist in dieser Ausführungsform ein einzelner Differential- Druck-Messwandler 60 an zwei sich diametral gegenüberliegende Punkte der Fluidleitung 20" über Druckleitungen 61 und 61' angeschlossen.
Die Anordnung der Fig. 6 mit Differential-Messwandler bewirkt die Unterdrückung von Fremdsignalen und erzeugt an den Anschlussklemmen 66 und 68 gleichzeitig der Wirbelpräzession entsprechende Druckimpulssignale, die um den Faktor zwei verstärkt sind.
Im vorangehenden sind die vom Messwandler 28 (Fig. 1), den Messwandlern 40 und 40' (Fig. 4), dem Differentialverstärker 44 (Fig. 5) und dem Differential Messwandler 60 (Fig. 6) erzeugten Signale als Impulse bezeichnet worden; e 5 sei jedoch darauf hingewiesen, dass wegen der Wirbelpräzession diese Signale etwa sinusförmig und die Impulse in Wirklichkeit die Bögen der Sinuskurven sind. Weil die Signale sinusförmig sind, haben sie eine Frequenz und Amplitude und können durch herkömmliche Schaltungen in zwei weitere Signale umgewandelt werden, deren Amplituden die augenblickliche Frequenz bzw. Amplitude des sinusförmigen Signals wiedergeben.
Dividiert man das Produkt aus Dichte des Fluids und Quadrat der Geschwindigkeit des Fluids durch die Geschwindigkeit des Fluides, so erhält man als Quotienten das Produkt aus Dichte und Geschwindigkeit. Die Geschwindigkeit der Fluidströmung ist jedoch proportional zum volumetrischen Durchsatz. Daraus folgt, dass der genannte Quotient gleich dem Massendurchsatz ist.
Wie bereits gesagt, ist die Frequenz der vom Messwand ler erzeugten Signale proportional der Geschwindigkeit der Fluidströmung und die Amplitude dieser Signale proportional dem Produkt aus der Dichte und dem Quadrat der Geschwindigkeit der Fluidströmung. Danach ist der Quotient aus dem Signal, welches die Amplitude der Wirbelpräzession darstellt, und dem Signal, welches die Frequenz der Wirbelpräzession darstellt, proportional dem Massendurchsatz des Fluids durch die Fluidleitung.
Die Vorrichtung nach Fig. 7 liefert diesen Quotienten. Wenn die Eingangsklemmen 70 und 72 des Verstärkers 74 mit einem der Signalausgänge der oben beschriebenen Messwandler bzw. Schaltungen verbunden werden, liefert der Verstärker 74 ein Signal mit Frequenzund Amplitudencharakteristik. An den Ausgang des Verstärkers 74 ist der Eingang eines herkömmlichen Frequenzdiskriminators 76, der von der Forster-Seely Bauart sein kann, angeschlossen. Der Diskriminator 76 liefert an seinem Ausgang ein Signal, das der Frequenz seines Eingangssignals proportional ist. Der Ausgang des Verstärkers 74 ist auch mit dem Eingang eines herkömmlichen Amplitudendetektors 78 verbunden, der einen Gleichrichter und ein Filter enthält. Das Ausgangssignal des Detektors 78 ist proportional der Amplitude seines Eingangssignals.
Das Ausgangssignal des Diskriminators 76 wird auf den Divisoreingang und das Ausgangssignal des Detektors 78 auf den Dividendeneingang eines Analog-Divisionskreises 80 gegeben. Der Divisionskreis 80 ist ein herkömmlicher Rechenverstärker, wie er in der Analogrechnertechnik bekannt ist. Der Rechenverstärker simuliert eine Division und liefert als Ausgangssignal den Quotienten der Dividenden- und der Divisorsignale, die seinen zwei Eingängen zugeführt werden. Im vorliegenden Falle gibt das Ausgangssignal des Divisionskreises 80 den Massendurchsatz des durch das Leitungssystem fliessenden Fluids wieder. Der Ausgang des Divisionskreises 80 kann mit einem herkömmlichen Anzeigegerät 82 verbunden werden, das auf die Anzeige von Masse pro Zeiteinheit geeicht ist.
Wenn gewünscht, kann an den Divisionskreis 80 ein herkömmlicher Analog-Digital-Umwandler angeschlossen werden, so dass der Massendurchsatz in digitaler Form fernübertragen werden kann.
Wenn die gesamte Masse des durch das Leitersystem fliessenden Fluids bestimmt werden soll, kann der Ausgang des Divisionskreises 80 mit einem Integrator 84 herkömmlicher Bauart, z. B. einem durch einen Gleichstrommotor angetriebenen Uhrwerk mit einem in Masseneinheiten geeichten Zifferblatt verbunden werden.