DE102010020699A1

DE102010020699A1 - Flüssigkeitsmengenreferenzapparatur und Verfahren zum Erzeugen eines Flüssigkeitsstroms definierter Stärke

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Publication number: DE102010020699A1
Application number: DE102010020699A
Authority: DE
Inventors: Dr. Wendt Gudrun; Dr. Mickan Bodo; Dr. Mathies Nicolaus; Alois Ehrler
Original assignee: Bundesrepublik Deutschland; Bundesministerium fuer Wirtschaft und Energie
Current assignee: Bundesrepublik Deutschland; Bundesministerium fuer Wirtschaft und Energie
Priority date: 2010-05-17
Filing date: 2010-05-17
Publication date: 2011-11-17
Anticipated expiration: 2030-05-18
Also published as: DE102010020699B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Flüssigkeitsmengenreferenzapparatur, insbesondere Flüssigkeits-Mengen- oder -Durchflussmaßverkörperung. Erfindungsgemäß ist mindestens eine Kavitationsdüse (16) vorgesehen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Flüssigkeitsmengenreferenzapparatur und ein Verfahren zum Erzeugen eines Flüssigkeitsstroms definierter Stärke.
Flüssigkeitsmengenmessgeräte sind in millionenfacher Ausführung im Einsatz, beispielsweise sind sie als Wasserzähler in fast allen Haushalten vorhanden. Damit diese Wasserzähler wie auch alle anderen Flüssigkeitsmengenzähler die durchgeflossene Flüssigkeitsmenge stets richtig anzeigen, muss jedes Messgerät individuell vor seiner ersten Verwendung und danach in regelmäßigen Abständen kalibriert bzw. geeicht werden. Das geschieht bislang mit Hilfe von gravimetrischen oder volumetrischen Normalmesseinrichtungen, in die das zu prüfende Messgerät (Prüfling) eingebaut wird. Dort wird es bei verschiedenen festgelegten Durchflüssen mit Flüssigkeit durchströmt, die danach auf das eigentliche Normal geleitet wird. Bei der gravimetrischen Messung wird eine Flüssigkeitsmenge anhand ihrer Masse charakterisiert und durch den Flüssigkeitsmengenzähler geleitet. Bei der Verwendung einer volumetrischen Flüssigkeitsmengenreferenzapparatur wird ein Behälter bekannten Volumens verwendet, um die Flüssigkeitsmenge zu charakterisieren, die vorher den Flüssigkeitsmengenzähler passiert hat.
Nachteilig an den bekannten Flüssigkeitsmengenreferenzapparaturen und Verfahren zum Erzeugen eines Flüssigkeitsstroms definierter Stärke ist, dass sie aufwändig sind. Neben den Waagen oder Behältern zur genauen Bestimmung der Flüssigkeitsmenge sind zusätzlich umfangreiche Maßnahmen und Einrichtungen zur Erzeugung und Stabilisierung der verschiedenen, für die jeweiligen messtechnischen Prüfungen vorgeschriebenen Durchflüsse erforderlich.
Bislang existieren keine Apparaturen zum Erzeugen eines definierten Flüssigkeitsstroms. Die vorhandenen Normalmesseinrichtungen sind vordergründig zum Messen da, wozu sie in der Regel definierte und konstante Flüssigkeitsströme benötigen. Wünschenswert ist eine Referenzapparatur, die nicht misst, sondern nur einen Flüssigkeitsstrom erzeugt, der aber so genau definiert und konstant ist, dass er nicht mehr gemessen werden muss.
Wünschenswert ist, Flüssigkeitsmengenmessgeräte wie Wasserzähler mittels einer Flüssigkeitsmengenreferenzapparatur zu kalibrieren, die direkt auf ein nationales Primärnormal rückführbar ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Flüssigkeitsströmungen bekannter Stärke auf einfache Weise mit hoher Genauigkeit herzustellen.
Die Erfindung löst das Problem durch eine Flüssigkeitsmengenreferenzapparatur, die mindestens eine Kavitationsdüse umfasst.
Gemäß einem zweiten Aspekt löst die Erfindung das Problem durch ein Verfahren zum Erzeugen eines Flüssigkeitsstroms definierter Stärke, bei dem der Flüssigkeitsstrom durch zumindest eine Kavitationsdüse geleitet wird.
Vorteilhaft an der Erfindung ist der geringe Aufwand zum Einstellen des Flüssigkeitsstroms definierter Stärke. So ist es lediglich notwendig, ein von der jeweiligen Kavitationsdüse abhängiges Druckverhältnis zwischen einem Vordruck zuströmungsseitig vor der Kavitationsdüse und einem Hinterdruck abströmseitig hinter der Kavitationsdüse zu überschreiten. Das kann beispielsweise durch eine Druckpumpe oder einen einfachen Hochbehälter zum Erhöhen des Vordrucks und/oder eine Vakuumeinrichtung zum Erniedrigen des Hinterdrucks realisiert sein. Schwankungen oder Änderungen des Hinterdrucks führen, solange das Druckverhältnis ausreichend groß ist, zu keinerlei Änderungen des Flüssigkeitsstroms.
Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung wird unter einer Flüssigkeitsmengenreferenzapparatur eine Maßverkörperung für eine einen Flüssigkeitsstrom charakterisierende physikalische Größe verstanden. Unter einer Maßverkörperung wird eine Lehre, ein Messgerät oder ein Bestandteil davon verstanden, die einzelne Werte der Flüssigkeitsmengen-Messgröße oder eine Abfolge davon darstellt. Die Flüssigkeitsmengenreferenzapparatur umfasst insbesondere einen Kalibrierschein, auf dem der Durchfluss angegeben ist, der sich bei einer vorgegebenen Temperatur oberhalb eines vorgegebenen Druckverhältnisses einstellt.
Unter einer Flüssigkeitsmenge wird insbesondere eine Durchflussmenge, die in Volumen oder Masse, pro Zeiteinheit, Masse oder Stoffmenge angegeben werden kann, oder eine Flüssigkeitsmenge, die in Form eines Volumens, einer Masse, eines Gewichts oder einer Stoffmenge angegeben werden kann, verstanden. Bei der Flüssigkeitsmengenreferenzapparatur handelt es sich insbesondere um eine Durchflussmaßverkörperung, die einen Durchfluss als Volumenstrom in Volumen pro Zeiteinheit verkörpert.
Unter einer Kavitationsdüse wird insbesondere eine Vorrichtung verstanden, die ausgebildet ist, um von Flüssigkeit in einer vorgegebenen Strömungsrichtung durchströmt zu werden, wobei der Druck der Flüssigkeit in der Kavitationsdüse mit zunehmender Entfernung entlang der Strömungsrichtung zumindest abschnittsweise so stark abnimmt, dass der Dampfdruck der sie durchströmenden Flüssigkeit unterschritten wird, so dass sich Kavitationsblasen bilden.
Beispielsweise kann es sich bei der Kavitationsdüse um eine Venturi-Düse handeln, deren Querschnitt in Strömungsrichtung gesehen sich zunächst verjüngt und nachfolgend wieder erweitert. Die Kavitationsdüse kann aber auch eine Kapillardüse sein, die zumindest abschnittsweise einen zylinderförmigen Querschnitt definierter Länge aufweist.
Es ist seit langer Zeit bekannt, Venturi-Düsen als Gasfluss-Maßverkörperungen zu verwenden. Das beruht auf dem physikalischen Effekt, dass bei einem bestimmten Druckverhältnis in der Venturi-Düse die Schallgeschwindigkeit überschritten wird. Störungen auf der abströmseitigen Seite können damit nicht bis in die einströmseitige Seite durchschlagen, so dass der Durchfluss von der Druckdifferenz unabhängig ist, solange diese oberhalb des vorgegebenen Druckverhältnisses liegt. Dieses physikalische Phänomen ist auf Grund der vollkommen unterschiedlichen Stoffeigenschaften beispielsweise hinsichtlich Schallgeschwindigkeit oder Kompressibilität nicht auf Flüssigkeiten übertragbar.
Es hat sich jedoch überraschend gezeigt, dass ein anderer physikalischer Effekt dazu führt, dass beispielsweise Venturi-Düsen auch als Flüssigkeitsmengenreferenzapparatur geeignet sind. Wird nämlich das düsenspezifische Druckverhältnis überschritten, so bilden sich in der Kavitationsdüse Kavitationsblasen. Das führt zu einer effektiven Verengung des für den Flüssigkeitstransport zur Verfügung stehenden Querschnittes. Bei Vergrößerung des Druckverhältnisses kommt es zu stärkerer Kavitation, so dass der Durchfluss durch die Kavitationsdüse trotz der höheren Druckdifferenz nicht ansteigt. Dieser physikalische Effekt unterscheidet sich grundlegend von der Funktionsweise einer Venturi-Düse bei der Verkörperung von Gasmengen, da bei Gasen naturgemäß keine Kavitation auftreten kann und in Flüssigkeiten die Schallgeschwindigkeit in der Regel um zumindest eine Größenordnung größer ist als bei Gasen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Flüssigkeitsmengenreferenzapparatur (a) einen Vordruckbehälter für eine Flüssigkeit, (b) eine Kavitationsdüsenkaskade mit einer ersten Kavitationsdüse, die beim Einstellen eines Druckverhältnisses aus einem Vordruck zuströmungsseitig vor und einem Hinterdruck abströmseitig hinter der Kavitationsdüse, das oberhalb von 2 liegt, einen ersten Durchfluss hat und zumindest einer zweiten Kavitationsdüse, die beim Einstellen dieses Druckverhältnisses einen vorzugsweise vom ersten Durchfluss verschiedenen zweiten Durchfluss hat, und (c) eine Sammelleitung zum Sammeln von der durch die Kavitationsdüsen geflossenen Flüssigkeit umfasst. In der Kavitationsdüsenkaskade sind die Kavitationsdüsen parallel zueinander angeordnet.
Besonders günstig ist es, wenn die Kavitationsdüsen so ausgebildet sind, dass deren Durchflüsse eine geometrische Reihe bilden, wobei das Verhältnis der Durchflüsse zumindest annähernd 2 beträgt. Hierunter ist zu verstehen, dass ein Verhältnis von genau 2 wünschenswert ist, dass aber auch Abweichungen von beispielsweise 20% zum in dieser Hinsicht gewünschten Wert tolerierbar sind.
Besonders günstig es, wenn die Kavitationsdüsenkaskade zumindest fünf Kavitationsdüsen umfasst. Auf diese Weise kann eine Vielzahl an unterschiedlichen Durchflüssen eingestellt werden, in der Regel nämlich 2ⁿ, wenn n Kavitationsdüsen vorhanden sind.
Vorzugsweise ist die Flüssigkeitsmengenreferenzapparatur als geschlossenes System ausgebildet. Das hat den Vorteil, dass Verluste durch Verdunsten oder Verspritzen vermieden werden und so die Genauigkeit, mit der ein Flüssigkeitsstrom gewünschter Stärke erzeugt werden kann, steigt.
Besonders bevorzugt ist zumindest eine Kavitationsdüse so ausgebildet, dass bei einem Druckverhältnis von zumindest 2 der Durchfluss höchstens 1 m³ pro Stunde beträgt. Derartige kleine Flüssigkeitsströme sind bislang nur mit verhältnismäßig großem Aufwand volumetrisch bzw. gravimetrisch bestimmbar. Besonders günstig ist es, wenn zumindest eine Kavitationsdüse so ausgebildet ist, dass bei dem Druckverhältnis von zumindest 2 der Durchfluss höchstens 1 Liter pro Stunde beträgt. Bei derartigen kleinen Flüssigkeitsmengen ist insbesondere der Aufwand zur exakten Einstellung des Durchflusses sehr hoch und zeitintensiv. Reproduzierbarkeit, Stabilisierung und Konstanthaltung eines solch kleinen Durchflusses sind besonders schwierig und die Messgenauigkeit bei existierenden Verfahren besonders schlecht, so dass die Verwendung einer derartigen Kavitationsdüse eine besonders große Verbesserung darstellt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Flüssigkeitsmengenreferenzapparatur eine Überbrückungsleitung, eine erste Ventileinrichtung zum alternativen Leiten eines ersten Flüssigkeitsstroms abströmseitig hinter der ersten Kavitationsdüse in die Sammelleitung oder in die Überbrückungsleitung und zumindest eine zweite Ventileinrichtung zum alternativen Leiten eines zweiten Flüssigkeitsstroms abströmseitig hinter der zweiten Kavitationsdüse in die Sammelleitung oder die Überbrückungsleitung auf. Das führt dazu, dass jede Kavitationsdüse stets von Flüssigkeit durchströmt wird. Das wiederum führt dazu, dass der Druck, der in Strömungsrichtung vor der Kavitationsdüsenkaskade anliegt, durch das Zu- oder Abschalten einzelner Kavitationsdüsen unbeeinflusst bleibt. Das erhöht die Stabilität des Durchflusses und die Messgenauigkeit in hohem Maße. Es ist die der Erfindung zugrunde liegende Erkenntnis, dass der Druck trotz Durchflussänderung am Prüfling absolut konstant bleibt. Dazu gehört auch, dass der Prüfling nach den Düsen, also nah der Referenz/dem Normal, angeordnet ist, was normalerweise nicht üblich ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist jedes Sammelleitungsventil doppelt ausgeführt, wobei die beiden zusammengehörenden Ventile in Strömungsrichtung jeweils hintereinander angeordnet sind und der Zwischenraum zwischen beiden mit einem Zugang für eine Kontrolle der Dichtheit zwischen Überbrückungsleitung und Prüfling für den Fall ausgerüstet ist, so dass die zu dieser Sammelleitung gehörenden Kavitationsdüse abgeschaltet ist, wodurch unkontrollierte Leckagen an der Sammelleitungsabsperrung sicher detektiert werden können.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Flüssigkeitsmengenreferenzapparatur eine Umwälzvorrichtung zum Umwälzen der Flüssigkeit in den Vordruckbehälter auf. Diese Umwälzvorrichtung umfasst vorzugsweise eine Pumpe, die abströmseitig hinter der Sammelleitung angeordnet ist. Günstig ist es, wenn die Umwälzvorrichtung so eingerichtet ist, dass sie das Einstellen des Druckverhältnisses über den Kavitationsdüsen auf einen Wert ermöglicht, der so groß ist, dass in zumindest einer der Kavitationsdüsen, insbesondere in allen Kavitationsdüsen, Kavitationsblasen entstehen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Umwälzvorrichtung eingerichtet zum Einstellen eines Druckverhältnisses von zumindest 1,8, insbesondere von zumindest 2.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Umwälzvorrichtung eine Vorrichtung zum Konstant-Halten des Vordrucks auf einen vorgegebenen Soll-Vordruck umfasst. Bei dieser Vorrichtung zum Konstant-Halten des Vordrucks kann es sich beispielsweise um einen Hochbehälter handeln, der vorzugsweise ein Überlaufwehr aufweist. Auf diese Weise entsteht ein hydrostatischer Druck, der in sehr guter Näherung zeitlich konstant ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann die Vorrichtung zum Konstanthalten des Vordrucks auch eine Vorrichtung umfassen, die eingerichtet ist, um über der Flüssigkeit im Vordruckbehälter einen konstanten Gasüberdruck zu erzeugen. Beim Fehlen einer kontinuierlich arbeitenden Umwälzeinrichtung wird dieser Gasüberdruck entsprechend dem sinkenden Füllstand der Flüssigkeit im Vordruckbehälter so nachgeregelt, dass der Flüssigkeitsvordruck stets konstant bleibt. Bei kontinuierlicher Nachförderung der Flüssigkeit in den Flüssigkeitsvordruckbehälter kann der Flüssigkeitsstand über ein Überlaufwehr konstant gehalten werden.
Vorzugsweise ist die Flüssigkeitsmengenreferenzapparatur mit Wasser gefüllt, beispielsweise mit destilliertem Wasser.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Flüssigkeitsmengenreferenzapparatur einen Vakuumerzeuger zum Erzeugen eines Unterdrucks abströmseitig hinter der zumindest einen Kavitationsdüse. Dieser Vakuumerzeuger kann Teil der Umwälzvorrichtung sein. Vorteilhaft hieran ist, dass der Vordruck in guter Näherung dem Atmosphärendruck entsprechen kann und trotzdem das Druckverhältnis, bei dem in den Kavitationsdüsen Kavitation entsteht, überschritten werden kann. Es ergibt sich auf diese Weise eine besonders einfach aufgebaute Flüssigkeitsmengenreferenzapparatur.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Flüssigkeitsmengenreferenzapparatur eine Temperiervorrichtung zum Regeln einer Temperatur der Flüssigkeit auf eine vorgegebene Solltemperatur auf. Dichte, Viskosität und vor allem der Dampfdruck der Flüssigkeit, insbesondere des Wassers, hängen von der Temperatur ab. Auf diese Weise hängt auch der Durchfluss durch die Kavitationsdüsen von der Temperatur ab. Durch das Regeln der Temperatur auf die Soll-Temperatur wird die Messgenauigkeit erhöht.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Flüssigkeitsmengenreferenzapparatur eine Zeitmessvorrichtung, die mit einer elektronischen Steuerung verbunden ist. Die elektronische Steuerung ist zudem mit dem zumindest einen Ventil verbunden. Die Steuerung ist vorzugsweise eingerichtet zum Betätigen des Ventils und zum gleichzeitigen Starten und/Auslesen der Zeitmessvorrichtung. Auf diese Weise kann eine Flüssigkeitsmenge in Form eines Volumens bzw. bei bekannter Dichte eines Gewichts oder einer Masse eingesetzt werden.
Erfindungsgemäß ist auch eine Kalibriervorrichtung für ein Flüssigkeitsmengenmessgerät, die eine erfindungsgemäße Flüssigkeitsmengenreferenzapparatur und ein in Strömungsrichtung hinter der Sammelleitung angeordneten Flüssigkeitsmengenmessgerät aufweist. Dieses Flüssigkeitsmengenmessgerät ist ein Prüfling, der anhand der Flüssigkeitsmengenreferenzapparatur kalibriert werden soll.
Bevorzugt umfasst die Flüssigkeitsmengenreferenzapparatur eine Gasdruckhaltevorrichtung zum Konstant-Halten eines Gasdrucks eines Gaspolsters in einer Komponente zuströmseitig vor der zumindest einen Kavitationsdüse, wobei insbesondere das Gaspolster im Vordruckbehälter und/oder in einem Sammelbehälter, der in Strömungsrichtung hinter der Sammelleitung und vor einer Umwälzpumpe angeordnet ist. Das Gaspolster wirkt als Puffer, so dass der Flüssigkeitsdruck der Flüssigkeit vor dem Eintritt in die Kavitationsdüse(n) auch ohne Hochbehälter leicht konstant gehalten werden kann.
Erfindungsgemäß ist zudem eine Mischvorrichtung zum Mischen einer ersten Flüssigkeit mit einer zweiten Flüssigkeit, die eine erste erfindungsgemäße Flüssigkeitsmengenreferenzapparatur, die mit einer ersten Flüssigkeitszuführvorrichtung für die erste Flüssigkeit verbunden ist, eine zweite erfindungsgemäße Flüssigkeitsmengenreferenzapparatur, die mit einer zweiten Flüssigkeitszuführvorrichtung verbunden ist, und eine abströmseitig hinter den Flüssigkeitsmengenreferenzapparaturen angeordnete Mischeinheit zum Mischen von erster Flüssigkeit aus der ersten Flüssigkeitsmengenreferenzapparatur mit zweiter Flüssigkeit aus der zweiten Flüssigkeitsmengenreferenzapparatur aufweist. Da die Flüssigkeitsströme durch die beiden Flüssigkeitsmengenreferenzapparaturen mit hoher Genauigkeit bekannt sind, ist auch das Mischungsverhältnis der entstehenden Flüssigkeitsmischung mit hoher Genauigkeit bekannt und einstellbar. Besonders geeignet ist eine solche Mischeinrichtung für die Herstellung von Mischungen aus mehr als zwei Komponenten und bei der Mischung sehr unterschiedlicher Mengenanteile der zu mischenden Flüssigkeiten.
Erfindungsgemäß ist zudem die Verwendung einer Kavitationsdüse als oder in einer Flüssigkeitsmengenreferenzapparatur. Ein erfindungsgemäßes Verfahren wird vorzugsweise unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung durchgeführt.
Vorzugsweise umfasst das erfindungsgemäße Verfahren die Schritte eines Messens einer Zeit und des Berechnens einer Flüssigkeitsmenge, insbesondere eines Flüssigkeitsvolumens, eines Flüssigkeitsgewichts oder einer Flüssigkeitsmasse, aus einer Durchflussmenge durch die Kavitationsdüse und der Zeit.
Das Verfahren wird bevorzugt so durchgeführt, dass ein Flüssigkeitsstrom, insbesondere ein Wasserstrom, durch das Flüssigkeitsmengenmessgerät höchstens 1 m³ pro Stunde beträgt, insbesondere höchstens 1 Liter pro Stunde.
Vorzugsweise werden gemäß einem vorgegebenen Programm automatisch Kavitationsdüsen einer Kavitationsdüsenkaskade so aktiviert und deaktiviert, dass sich unterschiedliche Flüssigkeitsströme einstellen. Beispielsweise ist das Programm in einem digitalen Speicher einer elektrischen oder elektronischen Steuerung gespeichert. Die Steuerung kann so mit den Ventilen verbunden sein, dass das Aktivieren und/oder Deaktivieren der betroffenen Kavitationsdüsen gleichzeitig erfolgt. Vorteilhaft hieran ist, dass sich nach einem Aktivieren oder Deaktivieren einer Kavitationsdüse, beispielsweise mittels Durchschaltens in eine Bypassleitung oder Aufheben einer derartigen Durchschaltung, quasi instantan der gewünschte neue Durchfluss einstellt. Wartezeiten entfallen so.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt
1 eine erfindungsgemäße Flüssigkeitsmengenreferenzapparatur zum Durchführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
2 eine Kavitationsdüse aus der Flüssigkeitsmengenreferenzapparatur gemäß 1 und
3 ein Diagramm, in dem der Volumenstrom durch die Flüssigkeitsmengenreferenzapparatur gemäß 1 in Abhängigkeit von einem Hinterdruck angegeben ist.
1 zeigt eine erfindungsgemäße Flüssigkeitsmengenreferenzapparatur 10 mit einem Vordruckbehälter 12, in dem Flüssigkeit, beispielsweise Wasser, mit einem Flüssigkeitsdruck p₁₂ von beispielsweise 0,5 bis 1 MPa enthalten ist. Der Vordruckbehälter 12 ist über ein System an Zuleitungen mit einer Kavitationsdüsenkaskade 14 verbunden. Die Flüssigkeit aus dem Vordruckbehälter 12 kann so zu einer ersten Kavitationsdüse 16.1, einer zweiten Kavitationsdüse 16.2, zu einer dritten Kavitationsdüse 16.3, usw. geleitet werden. Im Folgenden bezeichnen Bezugszeichen ohne Zählsuffix das Objekt jeweils als solches. Hinter jeder Kavitationsdüse 16 ist eine jeweilige Düsenausgangsleitung 18 angeordnet, die zu einer jeweiligen Ventileinrichtung 20 führt.
Abströmseitig hinter jeder Ventileinrichtung 20 ist eine gemeinsame Sammelleitung 22 angeordnet. Sofern alle Ventileinrichtungen 20 auf Durchlass geschaltet sind, fließt alle Flüssigkeit aus dem Vordruckbehälter 12 durch die Kavitationsdüsen 16 der Kavitationsdüsenkaskade 14 und die Ventileinrichtungen 20 in die Sammelleitung 22. Abströmseitig hinter der Sammelleitung 22 ist eine Anflanschvorrichtung 24 angeordnet, mittels der ein zu kalibrierendes Flüssigkeitsmengenmessgerät 26 mit der Flüssigkeit aus der Sammelleitung 22 beaufschlagt werden kann.
Abströmseitig hinter der Anflanschvorrichtung 24 ist eine Umwälzvorrichtung 28 angeordnet, die eine Umwälzpumpe 30 und einen Sammelbehälter 32 zum Aufnehmen von Flüssigkeit aus der Sammelleitung 22 umfasst. Mittels der Umwälzpumpe 30, die als Druckpumpe ausgebildet ist, um die Flüssigkeit auf den Vordruck p₁₂ zu bringen, wird die Flüssigkeit in den Vordruckbehälter 12 befördert. Die Umwälzpumpe 30 kann als Vakuumpumpe ausgelegt sein, so dass an den Sammelbehälter 32 ein Unterdruck angelegt werden kann. Es lässt sich dann leicht ein Druckverhältnis von über 2 an den Kavitationsdüsen 16 einstellen.
Die Flüssigkeitsmengenreferenzapparatur 10 umfasst eine Temperiervorrichtung 34, die eine Heiz-/Kühlvorrichtung 36 und einen Temperatursensor 38 aufweist. Die Umwälzvorrichtung 28 weist einen Drucksensor 40 auf, der mit einer Steuerung 42 verbunden ist, die die Umwälzpumpe so ansteuert, dass der Druck p₁₂ im Vordruckbehälter 12 stets einem voreingestellten Soll-Vordruck p_12,Soll entspricht.
Jede Ventileinrichtung 20 umfasst drei Ventile. So umfasst die Ventileinrichtung 20.1 ein erstes Ventil 44.1, das direkt mit der jeweiligen Düsenausgangsleitung 18.1 verbunden ist, ein zweites Ventil 46.1, das abströmseitig hinter dem ersten Ventil 44.1 liegt sowie ein Bypassventil 48.1, das auch als Überbrückungsventil bezeichnet werden könnte und mit dem ersten Ventil 44.1 so verschaltet ist, dass stets genau eines der beiden Ventile geöffnet und das andere geschlossen ist. Ist das Bypassventil 48.1 geöffnet, so fließt die Flüssigkeit aus der Düsenausgangsleitung 18.1 nicht in die Sammelleitung 22, sondern in eine Überbrückungsleitung 50, die in den Sammelbehälter 32 mündet, indem sie den Prüfling umgeht.
Zwischen, dem ersten Ventil 44 und dem zweiten Ventil 46 ist ein Zugang für eine Kontrolle der Dichtheit zwischen Überbrückungsleitung und Prüfling angeordnet.
Jede der Kavitationsdüse 16.1, 16.2, ..., 16.10 unterscheidet sich vorzugsweise im Betrieb hinsichtlich des Flüssigkeitsstroms q_i, der durch sie erzeugt wird. So ist ein Flüssigkeitsstrom q₁ der Kavitationsdüse 16.1 beispielsweise kleiner als ein Flüssigkeitsstrom q₂ der Kavitationsdüse 16.2. Je nach den Schaltzuständen der Ventileinrichtungen 20 fließt ein Gesamt-Flüssigkeitsstrom Q durch die Sammelleitung 22 und damit durch das zu kalibrierende Flüssigkeitsmessgerät 22, der sich gemäß Q = Σ is_iq_i = s₁q₁ + s₂q₂ + ... + s₁₀q₁₀ berechnet. Ein Schaltzustand s₁ hat den Wert 1, wenn die zugehörigen Ventile 44.i und 46.i geöffnet und das zugehörige Bypassventil 48.i geschlossen sind, und sonst 0.
Die Kavitationsdüsen können teilweise oder vollständig den gleichen Durchfluss haben.
Vor der Anflanschvorrichtung 24 ist ein Druckmessgerät 52 angeordnet, das mit einer verstellbaren Drossel gekoppelt sein kann. Das Druckmessgerät 52 misst einen Hinterdruck p₂₄ abströmseitig hinter den Kavitationsdüsen. Das Druckmessgerät 52 stellt sicher, dass der Hinterdruck p₂₄ stets zumindest die Hälfte des Vordrucks p₁₂ beträgt. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass ein Druckverhältnis r = p₁₂/p₂₄ größer ist als ein Soll-Druckverhältnis r_Soll, das im vorliegenden Fall gleich 2 ist.
Zumindest eine der Kavitationsdüsen, beispielsweise Kavitationsdüse 16.1, ist so gestaltet, dass beim Anliegen des Nenndrucks p₁₂ der Durchfluss q₁ kleiner ist als 1000 Liter pro Stunde. Besonders günstig ist, wenn zumindest eine Kavitationsdüse, beispielsweise die Kavitationsdüse 16.10, so ausgebildet ist, dass dann, wenn in Vordruckbehälter 12 der Vordruck anliegt, der Durchfluss q₁₀ höchstens 1 Liter pro Stunde beträgt.
Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass q_i = qi+1 / 2 oder q_i+1 = 2q_i gilt, so dass durch Ansteuern der Ventileinrichtungen 20 mittels einer Steuerleitung 54 von der Steuerung 42 eine Vielzahl von unterschiedlichen Durchflüssen Q eingestellt und durch das Flüssigkeitsmengenmessgerät 26 geleitet werden können.
Im Sammelbehälter 32 ist ein Gaspolster 55 ausgebildet, dessen Gasdruck mittels einer nicht eingezeichneten Gasdruckhaltevorrichtung auf einem vorgegebenen Druck gehalten wird. So wird erreicht, dass der Druck im Vordruckbehälter 12 mit hoher Genauigkeit konstant bleibt, auch wenn sich ein Füllstand im Sammelbehälter 32 ändert. Insbesondere kann auf die Umwälzpumpe 32 verzichtet werden, wenn die Gasdruckhaltevorrichtung vorhanden ist. Wenn in diesem Fall der Sammelbehälter 32 leer ist, wird die Messung beendet.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren wird wie folgt durchgeführt. Zunächst können von der elektronischen Steuerung 42 automatisch alle Ventileinrichtungen 20 in ihre Durchschaltstellung gebracht werden, so dass der größtmögliche Durchfluss Q durch das Flüssigkeitsmessgerät 26 strömt. So wird sichergestellt, dass die Vorrichtung abströmseitig hinter dem Vordruckbehälter 12 bis zum zu prüfenden Flüssigkeitsmengenmessgerät einschließlich aller Rohrleitungen vollständig mit Flüssigkeit gefüllt und luftfrei ist. Zum Starten eines Messprogramms liest die elektronische Steuerung 42 aus einem internen digitalen Speicher einen ersten Durchfluss Q(1) aus und steuert zu einem Startzeitpunkt t₁ die Ventilrichtungen 20 so an, dass genau dieser Durchfluss durch die Sammelleitung 22 fließt. Der verbleibende Flüssigkeitsstrom hinter den Kavitationsdüsen fließt in die Überbrückungsleitung 50 und damit am Flüssigkeitsmengenmessgerät 26 vorbei.
Genau zum Startzeitpunkt wird von einer entsprechenden Auslesevorrichtung der Zählerstand des Flüssigkeitsmengenmessgeräts 26 ausgelesen. Zu einem Zeitpunkt t₂ liest die elektronische Steuerung 42 aus dem digitalen Speicher einen zweiten Durchfluss Q(2) aus und steuert die Kavitationsdüsen 16 so an, dass dieser zweite Durchfluss eingestellt wird. Gleichzeitig kann der Zählerstand des Flüssigkeitsmengenmessgeräts 26 ausgelesen werden. Die genannten Schritte werden für eine Vielzahl von Durchflüssen Q(j), j = 1, 2, 3, 4, ... wiederholt.
Nachfolgend schaltet die elektrische Steuerung 42 automatisch alle Ventilreinrichtungen 20 in die Überbrückungsstellung, so dass sämtliche Flüssigkeit in die Überbrückungsleitung 50 fließt und der Zählerstand des Flüssigkeitsmengenmessgeräts 26 wird final ausgelesen. Aus den Zeitintervallen und der jeweiligen Durchflussmenge Q(j), die während dieser Zeitintervalle durch das Flüssigkeitsmengenmessgerät 26 geflossen ist, wird durch Summieren der Gesamt-Durchfluss Q_gesamt ermittelt und mit dem Zählerstand des Flüssigkeitsmengenmessgeräts verglichen. Es ist auch möglich, dass eine Gesamt-Abweichung ermittelt wird. Wird ein Soll-Wert für eine Abweichung zwischen dem Gesamt-Durchfluss Q_gesamt und dem vom Flüssigkeitsmengenmessgerät 26 angezeigten Messwert ermittelt, so wird er als untauglich markiert.
2 zeigt eine Kavitationsdüse 16 im Querschnitt. Derartige Kavitationsdüsen 16 sind für Gasdüsen in ISO 9300 beschrieben.
3 zeigt ein Diagramm, das den Durchfluss q durch das Flüssigkeitsmengenmessgerät 26 in Abhängigkeit vom Hinterdruck p₂₄ aufträgt. Es ist zu erkennen, dass alle Kurven im Wesentlichen zwei Abschnitte aufweisen, nämlich einen ersten, im Wesentlichen horizontalen Verlauf, und einen sich daran anschließenden gekrümmten Verlauf. Im Platurbereich hängt der Volumenstrom q nicht mehr vom Hinterdruck p₂₄ ab. Hieraus folgt die Eignung als Flüssigkeitsmengenreferenzapparatur.
Bezugszeichenliste

10: Flüssigkeitsmengen-Referenzapparatur
12: Vordruckbehälter
14: Kavitationsdüsenkaskade
16: Kavitationsdüse
18: Düsenausgangsleitung
20: Ventileinrichtung
22: Sammelleitung
24: Anflanschvorrichtung
26: Flüssigkeitsmengenmessgerät
28: Umwälzvorrichtung
30: Umwälzpumpe
32: Sammelbehälter
34: Temperiervorrichtung
36: Heiz-/Kühlvorrichtung
38: Temperatursensor
40: Drucksensor
42: Steuerung
44: erstes Ventil
46: zweites Ventil
48: Bypassventil
50: Überbrückungsleitung
52: Druckmessgerät
54: Steuerleitung
p₁₂: Vordruck
p₂₄: Hinterdruck
Q(j): Gesamt-Flüssigkeitsstrom für die j-te Düsenkombination
q_i: (Teil-)Flüssigkeitsstrom (i-te Kavitationsdüse)
r: Druckverhältnis r = p₁₂/p₂₄

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

ISO 9300 [0056]

Claims

Flüssigkeitsmengenreferenzapparatur, insbesondere Flüssigkeits-Mengen- oder -Durchflussmaßverkörperung, gekennzeichnet durch mindestens eine Kavitationsdüse (16).
Flüssigkeitsmengenreferenzapparatur nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch (a) einen Vordruckbehälter (12) für eine Flüssigkeit, (b) eine Kavitationsdüsenkaskade (14) mit – einer ersten Kavitationsdüse (16.1), die beim Einstellen eines Druckverhältnisses (r) aus einem Vordruck (p₁₂) strömungsseitig vor und einem Hinterdruck (p₂₄) abströmseitig hinter der ersten Kavitationsdüse (16.1), das oberhalb von 2 liegt, einen ersten Durchfluss (q₁) hat, und – zumindest einer zweite Kavitationsdüse (16.2), die beim Einstellen dieses Druckverhältnisses einen vom ersten Durchfluss (q₁) verschiedenen zweiten Durchfluss (q₂) hat, und (c) einer Sammelleitung (22) zum Sammeln von aus den Kavitationsdüsen (16.1, 16.2) austretender Flüssigkeit.
Flüssigkeitsmengenreferenzapparatur nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Kavitationsdüse (16) so ausgebildet ist, dass bei einem Druckverhältnis von zumindest 2 der Durchfluss höchstens 1 Kubikmeter pro Stunde beträgt.
Flüssigkeitsmengenreferenzapparatur nach einem der vorstehenden Ansprüche 2 oder 3, gekennzeichnet durch – eine Überbrückungsleitung, – eine erste Ventileinrichtung (20.1) zum alternativen Leiten eines ersten Flüssigkeitsstroms abströmseitig hinter der ersten Kavitationsdüse (16) in die Sammelleitung (22) oder in die Überbrückungsleitung (50) und – zumindest eine zweite Ventileinrichtung (20.1) zum alternativen Leiten eines zweiten Flüssigkeitsstroms abströmseitig hinter der zweiten Kavitationsdüse (16) in die Sammelleitung (22) oder die Überbrückungsleitung (50).
Flüssigkeitsmengenreferenzapparatur nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Vakuumerzeuger (30) zum Erzeugen eines Unterdrucks abströmseitig hinter der zumindest einen Kavitationsdüse (16).
Flüssigkeitsmengenreferenzapparatur nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Gasdruckhaltevorrichtung zum Konstant-Halten eines Gasdrucks eines Gaspolster (55) in einer Komponente zuströmseitig vor der zumindest einen Kavitationsdüse (16), wobei insbesondere das Gaspolster im Vordruckbehälter (12) und/oder in einem Sammelbehälter (32), der in Strömungsrichtung hinter der Sammelleitung (22) und vor einer Umwälzpumpe (30) angeordnet ist.
Mischvorrichtung zum Mischen einer ersten Flüssigkeit mit einer zweiten Flüssigkeit, gekennzeichnet durch – eine erste Flüssigkeitsmengenreferenzapparatur nach einem der vorstehenden Ansprüche, die mit einer ersten Flüssigkeitszuführvorrichtung für die erste Flüssigkeit verbunden ist, – eine zweite Flüssigkeitsmengenreferenzapparatur nach einem der vorstehenden Ansprüche, die mit einer zweiten Flüssigkeitszuführvorrichtung für die zweite Flüssigkeit verbunden ist, und – eine abströmseitig hinter den Flüssigkeitsmengenreferenzapparaturen angeordnete Mischeinheit zum Mischen von erster Flüssigkeit aus der ersten Flüssigkeitsmengenreferenzapparatur mit zweiter Flüssigkeit aus der zweiten Flüssigkeitsmengenreferenzapparatur.
Verfahren zum Erzeugen eines Flüssigkeitsstroms definierter Stärke (Q) einer Flüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit durch zumindest eine Kavitationsdüse (16) geleitet wird.
Verfahren zum Kalibrieren eines Flüssigkeitsmengenmessgeräts (26), mit den Schritten (i) Leiten der Flüssigkeit durch zumindest eine Kavitationsdüse (16), so dass Kavitationsblasen entstehen, und den Flüssigkeitszähler-Prüfling, (ii) Messen einer Zeit, während der die Flüssigkeit durch die Kavitationsdüse (16) und das Flüssigkeitsmengenmessgerät (26) strömt, und (iii) Ermitteln der durch die Kavitationsdüse (16) geströmte Flüssigkeitsmenge aus der Zeit (t).
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass gemäß einem vorgegebenen Programm Kavitationsdüsen einer Kavitationsdüsenkaskade so aktiviert und deaktiviert werden, dass sich unterschiedliche Flüssigkeitsströme einstellen.