DD233285A3 - Verfahren und einrichtung zur bestimmung des massenstroms - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Vrfahren und eine Einrichtung zur Bestimmung des Massenstromes und/oder der Stroemungsgeschwindigkeit in Fluidstroemungen mittels Korrelationsmesstechnik. Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren fuer universelle Anwendung bei verringertem Aufwand und eine entsprechende Einrichtung zu schaffen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Einrichtung so auszubilden, dass die Bestimmung des Massenstromes ohne stoffliche Markierung und unabhaengig vom stroemenden Fluid erfolgt. Erfindungsgemaess wird die Aufgabe dadurch geloest, dass als physikalische Kenngroesse massewirksame Diskontinuitaeten der Stroemung benutzt werden und die Erfassung der Schwankungen mit masseempfindlichen Sensoren erfolgt.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Massenstroms einer Fluidstromung in einem Stromungskanal durch Korrelationsmeßtechnik und eine Einrichtung zur Durchfuhrung des Verfahrens.

Charakteristik bekannter technischer Losungen

Verfahren zur Bestimmung der Stromungsgeschwindigkeit und/oder des Massenstroms, bei welchem an mindestens zwei in Stromungsnchtung hintereinander in bestimmten Abstand voneinander liegenden Stellen zufällige Schwankungen einer physikalischen Kenngroße des stromenden Fluids in elektrische Signale fur eine Korrelation umgewandelt werden und verfahrensgebundene Einrichtungen hierzu sind bekannt Die Verfahren beruhen darauf, die zeitliche Verschiebung eines bestimmten Schwankungsprofiis einer in der Strömung vorhandenen stochastisch auftretenden physikalischen Kenngroße als Signal aufzunehmen und fur den Korrelator nach entsprechender Verstärkung bereitzustellen Die Anwendung der Korrelationsmeßtechnik in der Stromungstechnik ist nicht neu, jedoch wurde die breite praktische Anwendung lange Zeit durch aufwendige und teure Meßtechnik behindert, die in konventioneller Ausfuhrung zudem noch nur fur langsame Vorgange geeignet war

Mit der Mikroelektronik wurde die Rechentechnik im Aufwand geringer und zur Erfassung rasch ablaufender Vorgange geeignet, so daß die Korrelationsmeßtechnik bei der Bestimmung stromungstechmscher Großen als Auswerteverfahren fur die von Sensoren abgegebenen Signale aus der Strömung rasch an Bedeutung gewinnt Die bisher bekannten Verfahren mit den verfahrensgebundenen Einrichtungen, insbesondere den Sensoren, arbeiten mit verschiedenen physikalischen Kenngroßen Em solches Verfahren nach DE-AS 17 98 182 benutzt als Kenngroße die Änderung der Dielektrizitätskonstante der Strömung und arbeitet einrichtungsmaßig mit Sensoren, die als kapazitive Meßwandler ausgebildet sind Zur Massenmessung wird zusatzlich mit einer Strahlungsquelle und einem Detektor gearbeitet Ein weiteres Verfahren nach DE-OS 26 18 064 beruht auf der Zugabe eines Vergleichsgases in die Strömung und der anschließenden Messung von Laufzeitunterschieden infraroter Strahlenimpulse, die von Strahlungsgebern abgestrahlt und über Interferenzfilter von Strahlungsempfängern aufgenommen werden

Nach DE-AS 22 09 413 werden zwei Heißleiter in der Strömung angeordnet Die Differenz der Energiezufuhr bei Einhaltung einer Temperatur wird als Signal korreliert

Vorstehende und weiter bekannte Verfahren und Einrichtungen sind anwendungstechnisch auf bestimmte Bedingungen zugeschnitten und damit eingeschränkt. So eignen sich optische Verfahren und Einrichtungen bevorzugt dort, wo keine Verschmutzungen auftreten Verfahren mit Zugabe radioaktiver Magerungsmittel sind fur bestimmte Anwendungsfalle nicht anwendbar

Verfahren und Einrichtungen, die mit Temperaturgroßen arbeiten, besitzen eine mangelhafte Dynamik und sind demzufolge nur bei tragen Vorgangen einzusetzen Die kapazitiven Verfahren sind nur dort wirtschaftlich anwendbar, wo die Änderung des Dielektrikums der Strömung genügend groß sind Erst ein hoher Bauelementeaufwand und Justageaufwand ermöglicht Kapazitatsanderungen im kleinsten Bereich von Zehnteln zu erfassen

Fur explosionsgefahrdete Bereiche, wie ζ B in der chemischen Verfahrenstechnik, sind einige Verfahren völlig ungeeignet Hierfür besitzen u.a Verfahren mit Temperaturgroßen nicht die geforderte Eigensicherheit Außerdem sind hier alle Verfahren mit stofflichen Markierungen nicht einsetzbar

Die bekannten Verfahren sind mit ihren Einrichtungen an die Art des stromenden Mediums gebunden So eignen sich kapazitive Verfahren wohl fur in Gasen transportierte Feststof э, aber nicht in gleicher Weise fur Flüssigkeiten Optische Verfahren eignen sich fur lichtundurchlassige Flüssigkeiten nicht, aher fur verunreinigungsfreie Gase gut In Erkenntnis der verfahrenstechnischen Mangel bisheriger Losungen ist aus den Literaturbenchten bekannt, Dichteanderungen der Strömung als Signal zu benutzen (s J Hengstenberg/B Sturm/O Winkler, Messen, Steuern und Regeln in der chemischen Technik, 3 Auflage, Band 1, S 347, Springer-Verlag 1980)

Nach dem Begriff der Dichte sind hier stoffliche Schwankungen bei gleichem Volumen zu verstehen, technische Realisierungen hierzu sind <m Anfangsstadium Es sind Versuche bekannt, Dichteanderungen durch radioaktive Bestrahlung der Strömung hervorzurufen Auch diese neuesten Losungsansatze bedingen jedoch, daß sich das stromende Fluid fur eine Strahlenbehandlung eignet

D'e Ursachen der Mangel sind insgesamt dann begründet, daß der Massenstrom und/oder die Geschwindigkeit der Strömung über indirekte physikalische Kenngroßen, wie Licht, Kapazität, Radioaktivität, Temperaturen oder Brechungsindex ermittelt werden Im Charakter der physikalischen Kenngroße sind die Nachteile verfahrensmaßig enthalten und einrichtungsmaßig eingeschränkt

Ziel der Erfindung

Es ist deshalb Ziel der Erfindung, ein Verfahren und eine Einrichtung zur Bestimmung des Massenstroms und/oder der Stromungsgeschwindigkeit zu schaffen, das universeller einsetzbar ist und den Aufwand fur Einrichtung und Betrieb verringert

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der beschriebenen Art so auszubilden, daß der Massenstrom und/oder die Strömungsgeschwindigkeit einer Strömung unabhängig von der Art des strömenden Mediums und ohne dessen stoffliche Markierung bestimmt werden kann und eine Einrichtung zu schaffen, die durch einfachen Aufbau und robustes Verhalten den an das Verfahren gestellten Forderungen entspricht.

Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe erfolgt mit einem Verfahren, nach dem im strömenden Medium vorhandene stochastisch verteilte, durch eine örtliche Volumenänderung hervorgerufene örtliche Massenschwankung nacheinander von masseempfindlichen Sensoren aufgenommen, als elektrische Signale abgegeben und über einen Verstärker dem Korrelator und der nachfolgenden Rechentechnik zugeleitet werden. Es entsteht eine zeitverschobene Signalfunktion auf Massegrundlage, aus der der Massestrom und/oder die Strömungsgeschwindigkeit ermittelt wird. Die erforderlichen örtlichen Masseschwankungen sind mehr oder weniger dem strömenden Fluid einer realen Strömung in Form eines unregelmäßigen Oberflächenprofils eigen.

Die Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens besteht aus in die untere Wand des Strömungskanals eingearbeitete oder als Baueinheit angeordnete Sensoren mit biegeelastischer in Strömungsrichtung zeigender Zunge, die mit einem bekannten dehnungsempfindlichen Meßwandler ausgestattet sind.

Zur Einrichtung gehört für den Fall, daß im strömenden Medium massewirksame volumenbedingte Diskontinuitäten nicht in ausreichendem Maße vorhanden sind, eine vor dem ersten Sensor angeordnete an sich bekannte Vorrichtung zur mechanischen, elektrischen oder akustischen Erzeugung der durch eine örtliche Volumenänderung hervorgerufenen Masseschwankung.

Charakteristisch für das erfindungsgemäße Verfahren ist, daß zur Bestimmung des Massenstroms und/oder der Strömungsgeschwindigkeit nicht indirekte physikalische Kenngrößen, sondern die Massekenngröße selbst als natürlichste originäre Kenngröße benutzt wird und die erfindungsgemäße Einrichtung die stochastische Schwankung dieser Kenngröße in korrelationsfähige Signale aus dieser Kenngröße umsetzt.

Falls die schwankende Kenngröße in der Strömung in der Amplitude zu klein ist, ist ihre Erzeugung mit üblichen Mitteln unproblematisch, etwa als mechanisch erzeugte Wellenbewegung, deren nun ausreichende Amplituden am Sensor als Massenschwankung augenblicklich erfaßt werden.

Verfahren und Einrichtung der beschriebenen Art eignen sich für reine als auch verschmutzte strömende Medien ebenso, wie für den Einsatz in der Nahrungsgüter- und Chemieindustrie, wo stoffliche oder radioaktive Markierungen nicht vorgenommen werden dürfen. Die kapazitiven Eigenschaften des strömenden Mediums und die optische Durchlässigkeit beschränken die erfindungsgemäße Lösung nicht, so daß diese im Gegensatz den bisherigen Verfahren und Einrichtungen eine erhebliche Anwendungsbreite besitzt. Durch die Unabhängigkeit der erfindungsgemäßen Lösung von der Art des strömenden Mediums wird außerdem die Verwendung einer einzigen Einrichtung zur wahlweisen Einschaltung in verschiedenartige Massenströme, insbesondere bei Dosierungsvorgängen in der Lebensmittelindustrie und auch bei Feststoffströmungen möglich.

Die erfindungsgemäße Ausbildung der zum Verfahren gehörenden Sensoren als elastische Biegezungen ergibt durch die sehr hohe Empfindlichkeit der auf den Zungen anzuordnenden dehnungsempfindlichen Meßwandlern einen sehr einfachen, robusten und wartungsarmen Aufbau der Einrichtung. Für das Meßverfahren bedeutet das von der Einrichtung her eine große Langzeitkonstanz und die bisher wenig mögliche Ausgabe differentieller Absolutwerte durch die hohe Empfindlichkeit bei ausgezeichneter Robustheit. Da die Einrichtung auch keiner hohen elektrischen Spannungen oder Wärmequellen bedarf, besteht eine ausreichende Eigensicherheit zum Einsatz in explosionsgefährdeten Prozessen.

Ausführungsbeispiel

Das erfindungsgemäße Verfahren mit seiner Einrichtung ist anhand einer Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel dargestellt.

Figur 1: zeigt ein Ausführungsbeispiel für einen horizontalen Strömungskanal mit der Anordnung der gesamten Einrichtung für den Fall, daß der Strömungskanal nicht völlig durch das Strömungsmittel ausgefüllt ist und die Erzeugung von Massediskontinuitäten vor den Sensoren erforderlich ist

Figur 2: zeigt ein Ausführungsbeispiel für die an den Sensoren erfaßten Masseschwankungen Figur 3: zeigt ein Ausführungsbeispiel für die in die untere Wand des Strömungskanals eingearbeiteten Zungen. Figur 1 zeigt einen horizontalen Strömungskanal 1 mit seiner unteren Kanalwand 2 und dem strömenden Fluid 2, das an der Oberfläche als Wellen sichtbare örtliche volumenbedingte Masseschwankungen 5 aufweist, die durch eine mechanische Wellenerzeugungsvorrichtung 4 erzeugt wurden.

Die masseempfindlichen Sensoren 6 und 7 werden durch die massewirksamen Diskontinuitäten 5 mechanisch beansprucht und geben durch Veränderung ihrer elektrischen Eigenschaften im Rhythmus der örtlich massewirksamen Diskontinuitäten elektrische Signale unter einer angelegten elektrischen Spannung ab.

In Figur 2 sind die von den Sensoren 6 und 7 abgegebenen elektrischen Signale als Funktion der Zeit t dargestellt, wobei die gleiche Signalfunktion 8 am Sensor 7 mit einer Zeitverschiebung \t erscheint. Der Korrelator verarbeitet die<-e Größen und stellt sie dem Auswerterechner zur Bestimmung des Massenstroms und/oder der Strömungsgeschwindigkeit bereit. Figur 3 zeigt im horizontalen Schnitt A-B der unteren Kanalwand 2 in Figur 1 die in die Kanalwand 2 eingearbeiteten biegeelastischen Zungen 9 mit den dehnungsempfindlichen elektrischen Meßwandlern 10, die vorzugsweise aus Dehnungsmeßstreifen bestehen, und den Speiseleitungen 11 und den Meßleitungen 12. Eine elastische Dichtung 13 verhindert den Austritt des strömenden Fluids 3 aus dem Strömungskanal 1.

Claims (3)

Erfindu ngsanspruch:

1 Verfahren zur Bestimmung des Massenstroms und/oder der Stromungsgeschwindigkeit, bei welchem an mindestens zwei in Stromungsnchtung in einem bestimmten Abstand voneinander hegenden Stellen stochastisch auftretende Massediskontinuitaten des stromenden Fluids erfaßt und in elektrische Signale zum Zwecke deren Korrelation und Weiterverarbeitung in einem Auswerterechner umgewandelt werden, dadurch gekennzeichnet, daß eine durch eine örtliche Volumenanderung hervorgerufene Massediskontinuitat (5) nacheinander von masseempfindlichen Sensoren (6) und (7) als zeitverschobene Signalfunktion (8) erfaßt wird

2 Verfahren nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei nicht ausreichend vorhandenen Massediskontinuitaten (5) im stromenden Fluid (3) Massediskontinuitaten (5) vor dem Sensor (6) erzeugt werden

3 Einrichtung zur Durchfuhrung des Verfahrens nach Punkt 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß in die untere Kanalwand (2) zungenartige masseempfindhche Sensoren (6) und (7) eingebaut und mit an sich bekannten dehnungsempfindlichen Meßwandlern (10) ausgestattet sind

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen