Die Erfindung bezieht sich auf eine Durchflussmessvorrichtung gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Solche Durchflussmessvorrichtungen eignen sich beispielsweise zur Messung der Durchflussmenge von Wärmeträgermedien in Heizungsanlagen und damit zur Wärmemengenerfassung. Auch die Regelung von Durchflussmengen ist mit einer solchen Vorrichtung möglich.
Eine Durchflussmessvorrichtung dieser Art ist aus der DE-OS 3 713 542 bekannt. Hierbei werden die Druckdifferenz über einem Ventilkörper und der Hub des Ventilkörpers gemessen und daraus ein Durchflusskoeffizient berechnet.
Bekannt ist aus der DE-OS 3 700 898 ein Mengenregelventil, bei dem der Druck und die Temperatur vor und hinter dem Ventil sowie der \ffnungsquerschnitt des Ventils gemessen und mit einem Rechner weiter verarbeitet werden.
Ferner ist aus der EP-OS 0 110 325 ein Durchflussregelsystem bekannt, bei dem die Druckdifferenz über einer Messblende erfasst wird. Die Anström- und Abströmseite der Messblende wird ausserdem durch ein mit einem Bypassventil verschliessbares Bypassrohr verbunden. Mittels einer Recheneinrichtung erfolgt eine Korrektur der berechneten Strömungsmenge entsprechend dem Verhältnis der Querschnittsflächen der Messblende und des Durchflussquerschnitts des Bypassventils.
Bei solchen Durchflussmess- und -regelsystemen nach dem Prinzip der Wirkdruckmessung besteht grundsätzlich das Problem, dass die Erfassungsgrösse Druckdifferenz eine Wurzelfunktion der gewünschten Grösse Strömungsgeschwindigkeit darstellt. Das Problem äussert sich in der erzielbaren Genauigkeit der Messung. Erfolgt die Messung des Differenzdruckes genügend genau in einem Bereich zwischen 10 und 100% des Nenndurchflusses der Messeinrichtung, also in einem Bereich 1:10, so stehen die zugehörigen Strömungsgeschwindigkeiten im Verhältnis 1: 2ROOT 10.
Daraus folgt, dass gewöhnliche Messeinrichtungen für Strömungsgeschwindigkeiten nur einen kleinen Messbereich mit genügender Messgenauigkeit besitzen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kostengünstig herstellbare Messeinrichtung zu schaffen, deren Messbereich genügender Genauigkeit gegenüber dem Bekannten deutlich grösser ist.
Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockschema einer Durchflussmessvorrichtung,
Fig. 2 ein schaltbares Drosselorgan und
Fig. 3 eine Messvorrichtung zur Erfassung der Druckdifferenz.
In der Fig. 1 bedeutet 1 ein Rohr, das von dem Strömungsmedium, dessen Durchflussmenge bestimmt werden soll, durchflossen wird. In diesem Rohr 1 ist ein Drosselorgan 2 verschiebbar angeordnet. Dieses weist eine erste \ffnung 3a und eine zweite \ffnung 3b auf, wobei in der gezeichneten Stellung die \ffnung 3a wirksam ist und somit den wirksamen Querschnitt des Drosselorgans darstellt. Mit 4 ist ein Differenzdrucksensor bezeichnet, der den Druck des Strömungsmediums vor und hinter dem Drosselorgan 2 erfasst und daraus die Druckdifferenz bildet, die er in Form eines Signals an seinem Ausgang 5 abgibt. Der Ausgang 5 des Differenzdrucksensors 4 ist mit dem Eingang eines Schwellwertschalters 6 und mit einem Rechenglied 7 verbunden.
Der Schwellwertschalter 6 weist zwei Ausgänge auf: Einen ersten Ausgang 8, an den ein auf das Drosselorgan 2 wirkender Antrieb 9 angeschlossen ist, und einen zweiten Ausgang 10, der mit dem Rechenglied 7 verbunden ist.
Die Funktionsweise der beschriebenen Vorrichtung ist wie folgt:
Das durch das Rohr 1 mit einer bestimmten Geschwindigkeit fliessende Strömungsmedium erzeugt an der \ffnung 3a des Drosselorgans 2 eine Druckdifferenz, die mit dem Differenzdrucksensor 4 erfasst wird. Das Signal des Differenzdrucksensors 4 gelangt einerseits auf den Eingang des Schwellwertschalters 6 und andererseits auf den einen Eingang des Rechenglieds 7.
Steigt nun die Strömungsgeschwindigkeit, so wird auch die gemessene Druckdifferenz grösser. Überschreitet die Druckdifferenz einen das Schaltverhalten des Schwellwertschalters 6 charakterisierenden oberen Schwellwert, so wechselt das Signal an den beiden Ausgängen 8 und 10 des Schwellwertschalters 6. Durch den Signalwechsel am Ausgang 8 wird der Antrieb 9 so angesteuert, dass er das Drosselorgan 2 bewegt, und zwar so, dass die erste \ffnung 3a aus dem Querschnitt des Rohres 1 herausbewegt und die zweite \ffnung 3b in den Querschnitt des Rohres 1 hineinbewegt wird, so dass nun die grössere \ffnung 3b den wirksamen Querschnitt des Drosselorgans 2 darstellt.
Da auch das Signal am Ausgang 10 des Schwellwertschalters 6 wechselt, erhält das Rechenglied 7 die Information, dass der obere Schwellwert des Schwellwertschalters 6 überschritten und demzufolge die zweite \ffnung 3b wirksam geworden ist. Deshalb ist das Rechenglied 7 nun in der Lage, das Ausgangssignal des Differenzdrucksensors 4 anders zu gewichten.
Fällt die Strömungsgeschwindigkeit wieder, so verringert sich auch die gemessene Druckdifferenz. Unterschreitet die Druckdifferenz einen das Schaltverhalten des Schwellwertschalters 6 charakterisierenden unteren Schwellwert, so wechselt wiederum das Signal an den beiden Ausgängen 8 und 10 des Schwellwertschalters 6. Durch den Signalwechsel am Ausgang 8 wird der Antrieb 9 so angesteuert, dass er das Drosselorgan 2 bewegt, und zwar jetzt so, dass die zweite \ffnung 3b aus dem Querschnitt des Rohres 1 herausbewegt und die erste \ffnung 3a in den Querschnitt des Rohres 1 hineinbewegt wird, so dass nun die kleinere \ffnung 3a den wirksamen Querschnitt des Drosselorgans 2 darstellt.
Da auch das Signal am Ausgang 10 des Schwellwertschalters 6 wechselt, erhält nun das Rechenglied 7 die Information, dass der untere Schwellwert des Schwellwertschalters 6 unterschritten und demzufolge die erste \ffnung 3a wirksam geworden ist. Deshalb ist das Rechenglied 7 nun in der Lage, das Ausgangssignal des Differenzdrucksensors 4 wiederum anders zu gewichten.
Das Rechenglied 7 hat also zwei Signale zu verarbeiten. An seinem ersten Eingang steht das Signal der Druckdifferenz zur Verfügung und an seinem zweiten Eingang ein Signal, das angibt, ob die erste \ffnung 3a oder die zweite \ffnung 3b wirksam ist. Im Rechenglied 7 ist der ersten \ffnung 3a ein erster Korrekturwert und der zweiten \ffnung ein zweiter Korrekturwert zugeordnet. Durch Multiplikation dieser Korrekturwerte mit dem Signal der Druckdifferenz berechnet das Rechenglied 7 die Durchflussmenge pro Zeiteinheit und/oder unter Berücksichtigung einer Zeitinformation die Durchflussmenge. Der Messwert der Durchflussmenge pro Zeiteinheit kann zur Regelung der Durchflussmenge verwendet werden, wenn die beschriebene Vorrichtung zusammen mit einem Sollwertgeber, einem Vergleicher und einem Stellglied eingesetzt wird.
Es ist auch möglich, die Vorrichtung zur Wärmemengenmessung heranzuziehen, wozu sie mit Mitteln zur Erfassung der Temperaturdifferenz zu ergänzen ist. Dabei kann mit Vorteil das Rechenglied 7 so ausgestaltet werden, dass ein zusätzlicher Eingang für die Temperaturdifferenz vorgesehen wird und das Signal an diesem Eingang mit dem Messwert für den Durchfluss multipliziert wird.
Das beschriebene Ausführungsbeispiel weist ein Drosselorgan 2 mit zwei \ffnungen 3a und 3b auf und entsprechend haben auch die Ausgänge 8 und 10 des Schwellwertschalters 6 zwei mögliche Zustände. Zur Vergrösserung des Messbereichs ist es möglich, drei oder mehr verschieden grosse \ffnungen 3 vorzusehen und dazu passend einen Schwellwertschalter 6 mit drei oder mehr Schaltstufen und ein Rechenglied 7 mit drei oder mehr gespeicherten Korrekturwerten, die diesen Schaltstufen zugeordnet sind.
Die Fig. 2 zeigt eine vorteilhafte Ausführungsform eines schaltbaren Drosselorgans. Ein Gehäuse 20 umschliesst einen Strömungskanal 21 für das Strömungsmedium. Im Zuge des Strömungskanals 21 ist eine Kreislochblende 22 quer zur Strömungsrichtung angeordnet. In die \ffnung der Kreislochblende 22 taucht ein Verdrängungskörper 23 ein, wodurch zwischen der Kreislochblende 22 und dem Verdrängungskörper 23 ein Ringspalt 24 offen bleibt, der den wirksamen Querschnitt des Drosselorgans darstellt. Der Verdrängungskörper 23 besteht aus einzelnen Zylindern 25, 26 mit diskret abgestuften Aussendurchmessern. Der Verdrängungskörper 23 ist mittels einer Welle 27 im Gehäuse 20 längs seiner Achse seitenverschieblich gelagert, wobei die Position des Verdrängungskörpers 23 durch den Antrieb 9 (Fig. 1) verändert werden kann.
In der einen Lage befindet sich der erste Zylinder 25 innerhalb der Kreislochblende 22, in der zweiten Lage befindet sich der zweite Zylinder 26 innerhalb der Kreislochblende 22. Im ersten Fall ist der Ringspalt 24 grösser als im zweiten Fall. Es besteht eine Analogie zu den unterschiedlich grossen \ffnungen 3a und 3b des ersten Ausführungsbeispiels (Fig. 1).
Es ist möglich, statt der dargestellten zwei unterschiedlich grossen Zylinder 25, 26 deren drei oder mehr vorzusehen, um damit mehrere verschieden grosse Ringspalte 24 zu verwirklichen. Das Drosselorgan ist damit mehrstufig schaltbar.
Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass bei ihr keine besonderen Abdichtungsprobleme bestehen, da lediglich die Welle 27 durch das Gehäuse geführt und abgedichtet werden muss. Ausserdem ist die Genauigkeit der Positionierung des Verdrängungskörpers 23 unkritisch. Kleinere Unterschiede in der Position des Verdrängungskörpers 23 beeinflussen die Grösse des Ringspaltes 24 nicht. Deshalb kann auch der Antrieb 9 in vorteilhafter Weise sehr einfach ausgeführt sein. Zudem verändern thermisch bedingte Hubänderungen die Grösse des Ringspaltes 24 nicht.
Es ist vorteilhaft, die Kreislochblende 22 an ihrem inneren Rand scharfkantig auszuführen. Damit wird die Unempfindlichkeit gegen Ungenauigkeiten in der Position des Verdrängungskörpers 23 weiter gesteigert.
Es ist vorteilhaft, die Mittel zur Erfassung der Druckdifferenz innerhalb des Verdrängungskörpers 23 anzuordnen. Die Fig. 3 zeigt den Aufbau eines solchen Verdrängungskörpers 23. Innerhalb des Verdrängungskörpers 23 befindet sich ein Druckmesselement 30, das formschlüssig mit dem Verdrängungskörper 23 verbunden ist und über eine erste \ffnung 31 und eine zweite \ffnung 32 mit den Räumen vor und hinter der Kreislochblende 22 in Verbindung steht, so dass auf das Druckmesselement 30 direkt der Differenzdruck wirkt. Die Verformung des Druckmesselements 30 wird über eine Stange 33 direkt auf ein aus einem Magneten 34 und einer Hallsonde 35 bestehendes Messsystem übertragen. Die Druckdifferenz wird somit in einen Weg umgeformt, dessen Wert als Spannung an der Hallsonde 35 abgegriffen werden kann.
Dieser Spannungswert kann, wie beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 angegeben, an den Schwellwertschalter 6 und das Rechenglied 7 übermittelt werden.
Bei den beschriebenen Durchflussmessvorrichtungen arbeitet der Differenzdrucksensor 4 bzw. das Druckmesselement 30 immer im optimalen Messbereich.