DD160928A1 - Anordnung zur durchflussmengenmessung bei fluessigkeiten und gasen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung beschreibt eine Anordnung zur Durchflussmengenmessung bei Fluessigkeiten und Gasen, die aus einem Fluegelrad mit einem Tachogenerator und einem Quecksilbercoulometer besteht, dessen Elektrolysestrom durch den Tachogenerator geliefert wird. In einer Ausfuehrungsform dient ein mit einem waessrigen Elektrolyt gefuellter Zwischenraum zwischen den beiden Quecksilbersaeulen des Coulometers als Wegmarke fuer die Durchflussmenge, in einer zweiten Ausfuehrungsform ist die Laenge einer Quecksilbersaeule ein Mass fuer die Durchflussmenge. Durch seitlich in das Coulometerroehrchen hineinragende Elektroden lassen sich elektrische Signal- und Schaltvorgaenge ausloesen. Mit der erfindungsgemaessen Anordnung ist eine integrierende Durchflussmengenmessung von Fluessigkeiten und Gasen in Rohren oder Kanaelen moeglich. Die Anordnung arbeitet wartungsfrei und benoetigt keine aeussere Spannungsquelle. Sie kann auf vielen Gebieten der Technik und Wissenschaft eingesetzt werden, eignet sich aber auch fuer Gas- und Wasserdurchflussmengenmesser in Haushaltungen. Gegenueber bekannten technischen Loesungen arbeitet sie zuverlaessiger und kann beliebige Teilmengen der Durchflussmenge signalisieren.

Description

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Titel der Erfindung

Anordnung zur Durchflußmengenmeesung bei Flüssigkeiten und Gasen

Anwendungsgebiet der !Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Durohflußraengenmessung bei Flüssigkeiten und Gasen, die auf Grund ihres Prinzips fUr sehr unterschiedliche flüssige und gasförmige Medien und einen weiten Bereich der Strömungsgeschwindigkeiten und Durchflußmengen eingesetzt werden kann. Da die konstruktive Gestaltung außerdem so gewählt werden kann, daß aggressive Medien die Wirkungsweise und den Betrieb der erfindungsgemäßen Anordnung nicht beeinflussen, ergeben eich viele Anwendungsgebiete in der Technik und Wissenschaft. So können Flüssigkeitsmengen in der chemischen Verfahrenstechnik überall dort gemessen werden, wo eine maximale Temperatur von etwa 100 ⁰C nicht überschritten wird und die Viskosität der Flüssigkeit die Anwendung von Flügelradzählern ermöglicht· Bei der Durchflußmengenmessung von Gasen ist die Anwendung möglich, wenn die Maximaltemperatur nicht überschritten wird und die Strömungsgeschwindigkeit mit Flügel« radzählern erfaßt werden kann« Ein breites Einsatzgebiet könnte sich allgemein bei der Verbrauchsmessung von Wasser

1Q.DEL 1932* OSHJi.

- 2 - und Gas im Haushalt ergeben«

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Die erfindungsgemäße Anordnung benötigt keine äußere Stromquelle, ist in dem durch die Konstruktion jeweils vorgegebenen Einsatzgebiet nahezu temperaturunabhängig und kann nach Ablauf der Meßzeit oder zu einem beliebigen Zeitabschnitt in die Ausgangsmeßstellung zurückversetzt werden· Die Anordnung arbeitet wartungsfrei· Ihr Meßbereich ist einstellbar· Es besteht die Möglichkeit, äußere elektrische Sohalt- und Signalvorgänge auszulösen·

Gegenüber bekannten technischen Lösungen hat diese Anordnung den Vorzug, daß sie außer einer Welle keine bewegten Teile hat und bei großer Anwendungsbreite sehr einfach aufgebaut ist. Sie kann außerdem beliebige Teilmengen signalisieren.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Durchflußmengenmesser für Flüssigkeiten oder Gase bestehen aus einem Meßwertgeber, der die entsprechenden Parameter der Flüssigkeits- oder Gasströmung aufnimmt, und einem integrierenden oder summierenden Meßwerk·

Als Meßwertgeber für die Parameter der strömenden Flüssigkeit in Kanälen oder Rohrleitungen haben Anordnungen eine weite Verbreitung gefunden, die sich auf die Messung der Druckdifferenzen bei Querschnittsänderungen der Rohrleitung stützen· Die Querschnittsverengung wird durch Einbau eines Venturirohres, einer Düse oder eines Staurandes in die Rohrleitung erreicht· Beim Venturirohr wird durch eine sanfte Querschnittserweiterung hinter der engsten Stelle der größte Teil des Druckabfalles zurückgewonnen. Der Zusammenhang zwischen der Strömungsgeschwindigkeit und dem Druck, aus dem im Zusammenhang mit der Rohrweite auf die Durchflußmenge geschlossen werden kann, ergibt sich aus der bekannten Bernoullischen Gleichung·

Nach einem ähnlichen Prinzip arbeitet das Staurohr, das aus

-3 - L \ *Ό I 0

einem Pitotrohr und einer statischen Sonde besteht und durch Differenzbildung zwischen dem Gesamtdruck und dem statischen Druck den Staudruck mißt. Aus diesem ergibt sich nach der Bernoullischen Gleichung die Strömungsgeschwindigkeit, die wiederum bei bekanntem Rohrquerschnitt ein MaB für die Durohflußmenge ist.

Sehr weit verbreitet sind die Rotameter, die für Gase Und Flüssigkeiten geeignet sind und nach dem Schwebekörperprinzip arbeiten. Sie bestehen im wesentlichen aus einem senkrecht stehenden konischen Meßrohr mit einem darin frei beweglichen Schwebekörper· Bei konstanter Strömungsgeschwindigkeit stellt sich der Schwebekörper auf eine bestimmte Höhe ein, bei der Gleichgewicht zwischen den Auftriebskräften und der Gewichtskraft des Probekörpers vorliegt· Das Meßrohr kann mit einer Strichteilung versehen werden, die eine direkte Ablesung der Durchflußmenge gestattet. Für Fernanzeige und Integration kann ein induktiver Meßwertgeber angeschlossen werden.

Weitere Geschwindigkeitsmesser sind die Flügelradzähler, die als Flügelradanemometer und Schalenkreuzanemometer für Luft und hydrometrische Flügel für Wasser bekannt sind. Man mißt hierbei die Umdrehungen pro Sekunde, die von einem Zählwerk angezeigt und addiert werden können.

Eine elektrische Messung der Strömungsgeschwindigkeit, insbesondere für kleine und mäßige Luft- und Flüssigkeitsgeschwindigkeiten, kann mit einer Hitzdrahtsonde durchgeführt werden. Das Prinzip dieses Gerätes beruht auf der Messung des Wärmeverlustes, den ein elektrisch geheizter Metalldraht im strömenden Medium erfährt. In einer Abwandlung dieses Verfahrens werden an Stelle der Drahtsonden elektrisch beheizte Thermistoren verwendet.

Bekannt ist auch ein Verfahren zur induktiven Volumenstrommessung bei Flüssigkeiten, die aber dann eine gewisse elektrische Mindestleitfähigkeit aufweisen müssen·

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Zur Integration bzw. Zählung der von den beschriebenen Gebern abgegebenen Informationen werden unterschiedliche Wandler benutzt· Sehr verbreitet ist der in Verbindung mit dem Rotameter erwähnte induktive Wandler* dessen Ausgangsspannung einem elektrischen Zähler zugeführt wird· Bei rotierenden Geschwindigkeitsmessern kann die Drehzahl zur Betätigung eines mechanischen Zählwerkes oder eines elektrischen Tachogenerators verwendet werden· Tachogeneratoren geben eine Wechsel-, Gleich- oder Impulsspannung ab, deren Wert von der Drehzahl abhängt· Die Integration oder Addition kann wiederum über zugeschaltete elektrische Zähler erfolgen· Bei Wechselstrom- und Impulstachogeneratoren kann auch die Frequenz zur Ansteuerung von Zählfrequenzmessern verwendet werden.

Von den beschriebenen Anordnungen ist zur integrierenden oder summierenden Meßwertanzeige der Durchflußmenge von Gasen oder Flüssigkeiten nur die Kombination eines Flügelrades mit einem mechanischen Zählwerk für eine größere Anwendungsbreite geeignet· Alle anderen Kombinationen werden meist für wissenschaftliche Untersuchungen hergestellt und müssen entsprechend den Anforderungen justiert und gewartet werden oder sind auf wenige spezielle Anwendungsgebiete begrenzt·

Ziel der Erfindung

Die Erfindung setzt sich das Ziel, für die integrierende Durchflußmengenmessung von Gasen und Flüssigkeiten in Rohren oder Kanälen eine einfache Anordnung mit großer Anwendungsbreite zu realisieren, die wartungsfrei arbeitet und bei bestimmten Zwischenmengen Signal- oder Schaltvorgänge auslösen kann·

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den an sich bekannten Flügelradzähler mit Tachogenerator so mit einem Quecksilbercoulometer zu kombinieren, daß die Vorzüge des Flügelradzählers, insbesondere seine universelle Einsatzbarkeit, Ein-

fachheit und Lageunabhängigkeit mit denen des Quecksilbercoulometera, insbesondere seiner Lage- und weitgehenden Temperatur Unabhängigkeit, zu einer neuartigen Anordnung vereinigt werden, die diese Vorzüge gemeinsam aufweist·

Erfindungegemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß ein an sich bekanntes Flügelrad auf seiner Welle einen Tachogenerator trägt, dessen Spannung als Elektrolysespannung an die Elektroden seines Quecksilbercoulometers gelegt wird· Das Zusammenwirken dieser Komponenten wird nachfolgend beschrieben·

PUr PlUgelräder besteht unter idealisierten Bedingungen zwischen der Umfangsgeschwindigkeit U₀ und der Umdrehungszahl pro Sekunde η die Beziehung u_Q = 2 r*n, wenn r den Radius darstellt· Zwischen der Umfangsgeschwindigkeit u_Q und der

AnStrömungsgeschwindigkeit w gilt die Beziehung jj « k

^uo ° oder w = a»n, wobei k_Q der geometrischen Steigung der Flügel proportional ist mit

a 2 »r»k₀ .

Wegen der mechanischen und hydrodynamischen Verluste hat allerdings der wirkliche Zusammenhang die Form w = a«n + b, wobei die Konstanten a und b einmalig einjustiert werden müssen.

Die Welle des Flügelrades bildet gleichzeitig die Achse eines Tachogenerators, der sowohl als Weohselspannungstachogenerator als auch als Gleichspannungstachogenerator ausgeführt werden kann· Im ersten Falle rotiert ein Permanentmagnet als Rotor in ruhenden Spulen, und die induzierte Wechselspannung ist hinsichtlich ihres Wertes und der Frequenz der Drehzahl η pro Sekunde und der magnetischen Induktion des Rotors proportional· Sie muß anschließend gleichgerichtet werden· Bei einem Gleichspannungstachogenerator wird in bekannter Weise das Feld kommutiert, so daß die Ausgangsgleichspannung unmittelbar für die Coulometerelektrolyse verwendet werden kann.

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Von besonderer Bedeutung ist in beiden Fällen, daß die nach Gleichrichtung oder direkt abgenommene Gleichspannung der Umdrehungszahl pro Sekunde proportional ist, da nur in einem solchen Falle auch die Proportionalität zwischen Anströmungsgeschwindigkeit und Spannung gewährleistet ist· Dieser Spannungsverlauf kann entweder durch die Konstruktion der Tachogeneratoren oder durch nachfolgende elektronische Korrekturglieder erzielt werden·

Diese Gleichspannung wird über einen Vorwiderstand an die Elektroden des Quecksilbercoulometers gelegt. Dieser Vorwiderstand bestimmt mit dem Elektrolysestrom und somit die Elektrolysegeschwindigkeit· Bei dem Quecksilbercoulometer befindet sioh zwischen zwei Elektroden mit jeweils einer bestimmten Menge Quecksilber ein wäßriger Elektrolyt· Wird durch diese Anordnung ein Gleichstrom geleitet, so tritt Elektrolyse ein, und für die ablaufenden Vorgänge gilt das Faradaysehe Gesetz in seiner allgemeinen Form

*2 Μ·Α· i(t)dt .

Dabei ist M die abgeschiedene Stoffmenge, A ist das elektrochemische Potential; d· h· eine Materialkonstante, die angibt, wieviel Gramm eines bestimmten Ions von einer As abgeschieden werden; i(t) ist der Strom und t die Stromflußzeit_β Bei Stromfluß gehen an der mit dem positiven Pol verbundenen Quecksilbersäule Hg-Ionen in Lösung, wandern durch den Elektrolyten und werden an der mit dem negativen Pol verbundenen Quecksilbersäule wieder abgeschieden· Das Quecksilber wandert also mit dem Strom vom positiven zum negativen Pol, das heißt, die positive Quecksilbersäule wird kürzer, die negative dagegen länger. Da die abgeschiedene Materialmenge der Stromflußzeit proportional ist, der Strom wiederum der Tachogeneratorspannung und diese der Ansteömimgsgeschwindigkeit, ist die abgeschiedene Materialmenge proportional der Durchflußmenge durch einen bestimmten Rohrquerscbnitt« Pro-

- 7- . L I. ** O / O

portionalität soll ausdrucken, daß konstruktionsbedingte Faktoren bei der Justierung der Skale ermittelt werden müssen.

Figur 1 zeigt ein Beispiel für eine erfindungsgemäße Anordnung zur Durchflußmengenmessung· Das in einem Rohr oder Kanal anströmende Medium 1, also Gas oder eine Flüssigkeit, versetzt das Flügelrad 2 in Umdrehungen· Dadurch wird in dem Tachogenerator 3 eine Spannung erzeugt, die als Gleichspannung an ein Coulometerröhrchen 4 über einen Vorwiderstand 5 gelegt wird. Das Coulometerröhrchen enthält zwei Quecksilberteilsäulen, die durch einen kleinen Einschluß aus einem wäßrigen Elektrolyt getrennt sind* Bei Stromfluß wandert dieser Einschluß von dem negativen zum positiven Pol, seine Stellung markiert das Integral über alle Durchflußteilmengen· Mit dem Vorwiderstand 5 erfolgt nicht nur die Anpassung der Tachogeneratorspannung an den Strombedarf des Coulometerröhrchens, sondern es kann auch der Meßbereich eingestellt werden. Da dieser Widerstand relativ groß gegen den Innenwiderstand des Coulometers ist, gleicht er zusätzlich temperaturbedingte Änderungen der Ionenleitfähigkeit aus·

Nach Ablauf der Messung kann die Marke auf ihre Ausgangsposition zurückgestellt werden· Dazu muß eine entgegengesetzt gepolte äußere Spannung an das Röhrchen gelegt werden· Es ist deshalb zweckmäßigerweise auswechselbar anzuordnen·

Zur Auslösung von Signal- und Sohaltvorgängen besteht auch die an sich bekannte Möglichkeit, seitlioh in das Coulometerröhrchen gegenüberliegende dünne Schichtelektroden einzuführen, deren Breite kleiner als die Länge des Einschlusses sein muß· Wird dann duroh diese gegenüberliegenden Elektroden beispielsweise ein Wechselstrom geleitet, so ist in dem angeschalteten Stromkreis beim Fassieren des Einschlusses eine Widerstandeerhöhung als Spannungssprung meßbar, der für Signalzwecke verwendet werden kann« Eine solche Anordnung gemäß Figur 1 ist lageunabhängig·

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Figur 2 verdeutlicht eine andere Möglichkeit für die Realisierung der erfindungsgemäßen Anordnung· Das anströmende Medium 1 versetzt ebenfalls das Flügelrad 2 in Rotation, der Tachogenerator 3 erzeugt eine Spannung, die als Gleichspannung über einen Vorwiderstand 4 einer Coulometeranordnung zugeleitet wird» die aus einem Vorratskölbchen 5, gefüllt mit Quecksilber, einer Queoksilberteilsäule 6 und einem wäßrigen Elektrolyt 7 besteht* Wenn die Anordnung so gepolt wird, daß an 6 der negative Pol liegt, so wächst diese Säule proportional zur Durchflußmenge· Der Vorrat an Quecksilberionen kommt aus dem Vorratskölbchen 5· Nach Beendigung der Messung kann durch Kippen der Coulometeranordnung der Quecksilberanteil 6 in das Vorratskölbchen 5 zurückbefördert werden, die gesamte Anordnung ist für neue Messungen bereit.

Ausführungsbeispiel

Zur Durchflußmengenmessung in einer Ölleitung mit einem Innendurchmesser von 50 mm wurde ein Durchflußmengenmesser gemäß der in Figur 1 beschriebenen Anordnung konstruiert· Bei einer Strömungsgeschwindigkeit von 0,83 dar/s rotiert das Flügelrad mit 14 Umdrehungen pro Sekunde· Der auf der gleichen Welle angebrachte Wechselspannungstachogenerator gab dabei eine Spannung von 440 mV ab, die durch eine Siliziumdiode gleichgerichtet und über einen Vorwiderstand an die Elektroden eines Quecksilbercoulometers gelegt wurde· Dieses Quecksilbercoulometer bestand aus einem Glasröhrchen von 25 mm länge· Seine Innenkapillare war an beiden Stirnseiten durch Platinelektroden abgeschlossen, zwischen denen sich das Quecksilber mit dem Einschluß aus dem wäßrigen Elektrolyten befand· Es war für eine maximale Ladung von 6,5 mAh ausgelegt, d· h« bei einem Strom von 6,5 uA durchlief der Einschluß das gesamte Coulometerröhrchen in 1000 h· Der Innenwiderstand wurde fast ausschließlich durch diesen Einschluß bestimmt und betrug bei 20 ⁰C etwa 120 « Unter Be» rücksichtigung der Gleichrichtung war ein Vorwiderstand von 15»5 k zur Einstellung dieser Durchlaufzeit erforderlich·

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Mit dieser beschriebenen Anordnung betrug die maximale Anzeige der Anordnung 3·10 dm³· Durch Verringerung des Vorwiderstandes konnte dieses maximale Anzeigevolumen verringert werden, durch Vergrößerung wurde es ebenfalls vergrößert. Es mußte dafür Sorge getragen werden, daß ein maximaler Strom von 0,2 mA nicht Überschritten wurde, um beim coulometrischen Prozeß Gasentwicklung zu vermeiden·

Claims (4)

-ι«.- 2U973 Erfindungsanspruch

1. Anordnung zur Durchflußmengenmessung bei Flüssigkeiten und Gasen, bestehend aus einem Flügelradzähler mit Tachogenerator und einem Quecksilbercoulometer, gekennzeichnet dadurch, daß die Ausgangsspannung des Tachogenerators die Elektrolysespannung for das Quecksilbercoulometer bildet,

2. Anordnung zur Durchflußmengenmessung bei Flüssigkeiten und Gasen gemäß Funkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß sich der Quecksilbervorrat für den Elektrolyseprozeß in einem Kb'lbchen befindet, in das das elektrolytisch abgeschiedene Quecksilber durch Drehung der Anordnung zurückfließen kann·

3· Anordnung zur Durchflußmengenmessung bei Flüssigkeiten und Gasen gemäß Funkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß seitlich in das Quecksilbercoulometerrohr gegenüberliegende Elektroden hineinragen, über die elektrische Schaltungs» vorgänge ausgelöst werden können»

4· Anordnung zur Durchflußmengenmessung bei Flüssigkeiten und Gasen gemäß Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Meßbereich der Anordnung durch die Größe eines zwischen Tachogenerator und Coulometer angeordneten Widerstandes einstellbar ist«

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