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.
Method and device for measuring a flow rate
This invention relates to a novel method and apparatus for measuring a flow rate of a fluid along a path.
A wide variety of basically different devices for counting or measuring the flow rate of fluids in closed lines or longitudinally enclosed raceways are known in this field. These various devices include, for example, mechanical flow meters such as those with turbines, differential pressure meters, e.g. B. with Venturi tube edge knife, nozzle knife, Dall tube knife, laminar flow meter and lo-loss knife, ultrasonic knife and electromagnetic knife.
All these known types of measuring devices have the most varied of disadvantages, for example high pressure loss, limitation to measuring the flow rate of liquids and not usability for measuring the flow rate of gases, errors due to vortex formation, relatively low accuracy, non-linear sensitivity curves, rather long response time, limitation narrow measuring ranges, errors due to uneven flow, difficulty in converting the output measured values into an accessible form, high energy requirements for electromagnetic meters and other errors, most of which are known to experts.
Each of the measuring devices measures primarily volumetrically. In many cases, however, it is more important to measure the flow rate (mass flow) of fluids. In many embodiments of chemistry, the various amounts of reactants have best been determined by their mass. When such a case occurs and volumetric measuring devices are used, it is necessary to convert the volume measurements into mass measurements. This can be done by multiplying the volume measurements by the density of the fluid. Accordingly, volumetric meters may include a calibrated display device that takes the density factor into account. However, such devices have limited accuracies. It is known that the density of a fluid is a function of both its temperature and pressure.
If the fluid is a gas, the dependence of the density on temperature and pressure is more clearly expressed. Therefore it is not possible to give a constant proportionality factor between the volume and the mass of the measured fluid. Therefore, the known indirect measurements of the flow rate based on volumetric measurements have only limited accuracy.
Flow meters and density meters have been proposed which use the measurement of the transit time of sound waves through a liquid. However, these devices require at least one active transducer to generate sound waves.
In addition to an electrical circuit and electrical energy to operate the active transducer, another circuit is required for analyzing and processing the signals generated by the receiving transducer. Therefore, subsonic gauges are quite expensive to manufacture and operate.
The purpose of the invention is to create a method and a device for measuring a flow rate with an accuracy, if possible, of the order of magnitude of less than 3%.
The method according to the invention is characterized in that it consists of the following steps: the fluid flowing along the line is put into a whirling state, the whirling fluid is made to precession and the rotational frequency and the amplitude of the precession movements are measured.
The device according to the invention is characterized in that it consists of a first fluid line with a downstream end, a swirling device to put a fluid flowing through the first fluid line into a swirling state, a second fluid line which is connected to the downstream end of the first fluid line and the cross-section of which is larger than the cross-section of the first fluid line in order to give the swirling fluid a precession movement, comprising at least one measuring element for sensing the frequency and amplitude of the precession movement and a display device connected to the measuring element or measuring elements to display the flow rate of the fluid according to the frequency and amplitude of the precession of the swirling fluid.
The device according to the invention can be designed in such a way that it provides a proportional display.
With an appropriate structure, they can also be made usable for all homogeneous fluids and / or achieve a short response time.
The device can be designed so that it has no moving parts, nor does it use actively operated transducers. It can also be used to measure the mass flow rate of a fluid in pipelines of virtually any dimension and over a wide range of flow rates.
It is also possible to design such a flow meter so that it can be converted into a highly accurate volumetric flow meter or used simultaneously as such without additional costs or modifications.
In general, the invention is based on the introduction of an unstable swirling flow in a fluid which flows through a fluid line which enlarges its cross-sectional area. The increase in the cross-sectional area of the conduit creates a backflow of fluid along the major axis of the conduit and the overall flow becomes unstable. The instability causes the axis of the fluid vortex to precession with respect to the major axis of the conduit. This precession manifests itself in measurable pressure and temperature fluctuations in the fluid, which are caused by the mutual conversion of hydrostatic energy and kinetic energy in the swirling fluid.
The amplitude of the pressure or temperature fluctuations is proportional to the kinetic energy, that is, the product of the density of the fluid and the square of its speed, while the frequency of the pressure or temperature fluctuations is proportional to the flow speed. It should be noted that the ratio of kinetic energy and flow velocity is directly proportional to the density of the fluid and to the volume flow rate and therefore to the mass flow rate. Correspondingly, when the pressure or temperature fluctuations are sensed with a transducer, the frequencies and amplitudes are converted into electrical signals that are input to a suitable arithmetic device that generates an output signal that is proportional to the mass flow rate.
In addition, if the output signal is fed into an integrator, the total flow rate can be measured.
The method according to the invention and devices for carrying it out are described below with reference to the drawing, for example.
Fig. 1 is a longitudinal sectional view of a conduit system having a single transducer for measuring mass flow, i.e. H. the flow rate according to one embodiment;
2 is a longitudinal sectional view of a line system with two transducers for measuring the mass flow rate according to another embodiment;
Figure 3 is a cross-sectional view through the transducers of Figure 2;
Fig. 4 shows a parallel connection of the transducers of Fig. 2;
Fig. 5 is a circuit diagram wherein the transducers of Fig. 2 are connected to a differential amplifier;
6 is a schematic longitudinal sectional view showing another arrangement of the transducers;
7 is a block diagram of an electrical device for processing the signals generated by the transducers in FIGS. 1, 3, 4 and 5 for the purpose of measuring the mass flow rate of the flow rate.
General explanation of the measurement method
The fluid whose flow rate or mass flow rate is to be measured is first forced to assume a vortex movement by converting hydrostatic energy into kinetic energy. The swirling fluid is then caused to perform a precession motion proportional to the fluid flow rate. This is accomplished by enclosing the flowing fluid in a conduit which is provided with a vortex-generating device by means of which a vortex flow of the fluid is generated. The swirling fluid is then caused to execute a precession movement by introducing it into a conduit with an enlarged cross section.
The increase in the cross section creates a special type of hydrodynamic instability, which causes the low pressure center of the swirling fluid to perform a precession movement with a certain frequency around the longitudinal axis of the line. If one could make the center line of the swirling fluid visible, one would recognize that it describes a cone in the area of the conduit that widens its cross-section.
The speed of this precession of the low-pressure center, which is referred to below as vortex precession, is in certain cases directly proportional to the mean volume throughput of the fluid. It is possible to measure the pressure or temperature fluctuations caused by the vortex precession in the fluid with the aid of appropriate transducers and to generate a display signal whose frequency is proportional to the speed of the fluid flow and whose amplitude is proportional to the density of the fluid. If the frequency and amplitude displays are separated, they can be evaluated arithmetically, so that a separate display of the mass flow rate and flow rate is obtained. This method gives good results if the transducers are placed near the expansion of the cross-section of the line.
In Fig. 1, a flow meter with a first fluid line 20 and a second fluid line 22 is shown schematically, wherein the second fluid line has a larger inner diameter than the first fluid line. The fluid lines are joined together by a short connector 24, e.g. B. by a wall part extending at right angles to the fluid lines. Instead of the short coupling piece 24, a tapered connecting piece can be used. A swirl device 26 is connected to the first fluid line 20 in order to set the fluid flowing through it in a swirling motion. Blade blades or windings or ribs that are permanently installed in the first fluid line 20 can be attached to the inside of the first fluid line 20 as a vortex device.
It was found that the proportionality of the measurements is determined by the design of the vortex device. For example, you get a proportionality if you use built-in blade blades that have a certain outflow angle with respect to the longitudinal axis of the line. A measuring element 28 is arranged at a point on the line 20 which is as favorable as possible for measuring the changes in the fluid resulting from the vortex precession.
A membrane load cell or a piezoelectric crystal for temperature measurement, a thermoelectric element or a bolometer can be used as the measuring element for pressure measurement. The electrical signals are picked up from the connection terminals 32 and 34 of the measuring element 28.
The fluid can either be a gas or a liquid. An expansion at 30 between a first tube 20 with a round cross-section and a second tube 22 with a round cross-section makes the swirling fluid unstable, or in other words, the axis of the swirling fluid describes a cone.
Due to the precession, the transducer 28 supplies an alternating signal at its connecting terminals 32 and 34, the frequency of which is proportional to the speed of the fluid flow and the amplitude of which is proportional to the density of the fluid and to the square of the speed of the fluid flow. The further processing of this signal will be described later.
If desired, a de-swirling device 32 can be connected to the second fluid line 22 in order to compensate for part of the pressure loss caused by the swirling device 26. As a de-turbulence device, impeller blades can be fixedly attached within the first fluid line 22.
Experiments have found that a cross-sectional increase between the first fluid line 20 and the second fluid line 22 in the ratio 2: 3 and all larger cross-sectional increases give good results and that the attachment of the vortex device 26 at a distance of two diameters before the end of the first fluid line 20 provides eddy formation without affecting the precession.
When using a single transducer, the accuracy of the measurements can be limited by the fact that the transducer responds not only to the pressure fluctuations originating from the fluid, but also to reverberation vibrations which propagate along the fluid line. Sound vibrations should not only be understood as being in the audible range, but also in the infrasound or ultrasound range.
In such a case, the transducer does not provide the frequency and amplitude of the vortex precession and therefore does not provide a correct display of the flow rate.
Accordingly, it is advantageous to use a pair of transducers installed at diametrical locations in the fluid line. In this case, the impulses originating from sound vibrations will be in phase with respect to the two transducers, but the impulses originating from vortex precession will be shifted in phase by approximately 1800.
In this case, an output signal that depends only on the phase-shifted pulses is obtained by connecting the outputs of both transducers in parallel or in series, or by using an electrical differential amplifier. Thus, when using two transducers attached in this way, an output signal is obtained whose frequency is proportional to the frequency of the vortex precession and whose amplitude is proportional to the amplitude of the pressure or temperature fluctuations of the vortexing fluid.
The same effect can be achieved by using a single differential transducer with its inputs connected to two diametrically opposite points on the fluid line.
Another embodiment of a flow meter is shown in FIG. Since the pipe system is similar to that shown in Fig. 1, primed reference numerals are used for the same elements.
In this embodiment, a pair of pressure transducers 40 and 40 'are arranged in the wall of the tube 20' opposite one another. The pressure pulses resulting from sound vibrations are in phase with respect to both transducers 40 and 40 ', as is indicated by the arrows 41 and 41' in FIG. 3. The pressure pulses resulting from the precession of the swirling fluid, which are shifted in phase by 1800 with respect to one another, are indicated by the arrows 42 and 42 '. That is to say, for example, the pressure minimum of the swirling fluid acts on the measuring transducer 40 'with a phase delay of 1800, based on its effect on the measuring transducer 40. The same applies to temperature pulses.
According to the embodiment shown in FIG. 4, the two transducers 40 and 40 'are connected in parallel to one another; the pressure or temperature impulses resulting from sound vibrations are canceled out. The same result is obtained with the circuit of FIG. 5, in which the transducers are connected to a differential amplifier 44. If the transducers are connected in series, the differential amplifier is not required. The phase-shifted output signals of the transducers are fed to the connection terminals 36 and 38 of the parallel arrangement in FIG. 4 and to the connection terminals 46 and 48 of the differential amplifier in FIG. 5. The use of the signal generated in this way to display the flow rate e is described below.
It should be noted that the use of several pairs of transducers distributed around the line at a certain angular distance increases the number of measuring pulses per unit of time and enables a more precise measurement of the throughput.
In the embodiment of FIG. 2, a de-turbulence device 32 'is provided in the second fluid line 22'. This allows the eddies to be eliminated and the fluid flow to be directed.
In FIG. 6, the elements corresponding to FIGS. 1 and 2 are provided with the same, but double-prime, reference symbols. With regard to the fluid line system, the arrangement is equivalent to that shown in FIGS. 1 and 2, so that a further description of this system is unnecessary.
However, in this embodiment a single differential pressure transducer 60 is connected to two diametrically opposite points on the fluid line 20 ″ via pressure lines 61 and 61 '.
The arrangement of FIG. 6 with a differential measuring transducer effects the suppression of external signals and at the same time generates pressure pulse signals corresponding to the vortex precession at the connection terminals 66 and 68, which are amplified by a factor of two.
In the foregoing, the signals generated by the transducer 28 (FIG. 1), the transducers 40 and 40 '(FIG. 4), the differential amplifier 44 (FIG. 5) and the differential transducer 60 (FIG. 6) have been referred to as pulses; e 5, however, it should be pointed out that because of the vortex precession these signals are approximately sinusoidal and the impulses are in reality the arcs of the sinusoidal curves. Because the signals are sinusoidal, they have a frequency and amplitude and can be converted by conventional circuits into two additional signals, the amplitudes of which reflect the instantaneous frequency or amplitude of the sinusoidal signal.
If you divide the product of the density of the fluid and the square of the speed of the fluid by the speed of the fluid, you get the product of density and speed as the quotient. However, the velocity of the fluid flow is proportional to the volumetric flow rate. It follows from this that the quotient mentioned is equal to the mass throughput.
As already said, the frequency of the signals generated by the transducer is proportional to the velocity of the fluid flow and the amplitude of these signals is proportional to the product of the density and the square of the velocity of the fluid flow. According to this, the quotient of the signal which represents the amplitude of the vortex precession and the signal which represents the frequency of the vortex precession is proportional to the mass flow rate of the fluid through the fluid line.
The device according to FIG. 7 supplies this quotient. If the input terminals 70 and 72 of the amplifier 74 are connected to one of the signal outputs of the measurement transducers or circuits described above, the amplifier 74 delivers a signal with frequency and amplitude characteristics. The input of a conventional frequency discriminator 76, which can be of the Forster-Seely type, is connected to the output of the amplifier 74. The discriminator 76 supplies a signal at its output which is proportional to the frequency of its input signal. The output of amplifier 74 is also connected to the input of a conventional amplitude detector 78 which includes a rectifier and filter. The output of detector 78 is proportional to the amplitude of its input signal.
The output signal of the discriminator 76 is applied to the divisor input and the output signal of the detector 78 is applied to the dividend input of an analog division circuit 80. The division circuit 80 is a conventional computational amplifier as is known in analog computing. The processing amplifier simulates a division and supplies the quotient of the dividend and divisor signals as an output signal, which are fed to its two inputs. In the present case, the output signal of the division circuit 80 reflects the mass flow rate of the fluid flowing through the line system. The output of division circuit 80 can be connected to a conventional display device 82 which is calibrated to display mass per unit of time.
If desired, a conventional analog-to-digital converter can be connected to the division circuit 80 so that the mass flow rate can be transmitted remotely in digital form.
If the total mass of fluid flowing through the conductor system is to be determined, the output of the division circuit 80 can be connected to an integrator 84 of conventional design, e.g. B. a clockwork driven by a DC motor can be connected to a dial calibrated in units of mass.