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Einrichtung zur Druck- bzw, Temperaturberichtigung für Membrandurchflußmesser
Bei einer bekannten Ausführung von Membrandurchflußmessern wird die Auslenkung der
Membran mit Hilfe einer elektrodynamisch erzeugten Gegenkraft kompensiert. Der die
Gegenkraft erzeugende Strom durchfließt hierbei nacheinander beide Wicklungen des
elektrodynamischen Systems. Hierdurch wird eine Radizierung bewirkt und eine der
Strömungsgeschwindigkeit proportionale Anzeige bei der Messung des Stromes erhalten.
Der Druckunterschied (Wirkdruck) an der Meßmembran iI p ist der Dichte e des strömenden
Mediums und dem Quadrat der Strömungsgeschwindigkeit v proportional. Ändert sich
die Dichtet infolge Temperatur- und Druckschwankungen des Mediums, so ändert sich
der Wirkdruck im entsprechenden Maß, und es treten Meßfehler auf.
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Es ist nun bei der Durchflußmessung zwar bekannt, in Abhängigkeit
vom Druck und der Temperatur eines Meßgases je einen elektrischen Widerstand zu
verstellen - und diesen Widerstand zu den beiden in Reihe geschalteten Spulen des
elektrodynamischen Meßwerks für die Kraftkompensation parallel zu schalten. Hierdurch
wird jedoch eine Druck- und Temperaturberichtigung der Anzeige nur mit sehr grober
Annäherung und nur innerhalb eines eng begrenzten Druck- und Temperaturbereiches
erhalten.
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Gemäß der Erfindung erreicht man eine exakte Druck-und Temperaturberichtigung
dadurch, daß der das elektrodynamische System durchfließende Kompensationsstrom
eine elektrische Brücken- oder Differenzschaltung mit den vom Druck bzw. der Temperatur
beeinflußten Widerständen speist und der mit Hilfe eines Verstärkers verstärkte,
dieser Schaltung entnommene Differenz- oder Diagonalstrom eine zusätzliche, die
Kraft einer Spule des elektrodynamischen Systems vergrößernde oder verkleinernde
Kompensationskraft erzeugt.
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Für die Kraftkompensation wird zweckmäßig ein fremderregtes Tauchspulmeßwerk
benutzt. In diesem Fall wird der verstärkte Strom der Brücken- bzw. Differenzschaltung
vorteilhafterweise einer zusätzlichen Erregerwicklung zugeführt, die magnetisch
im Sinne der Haupterregerwicklung wirkt. Der der Brücken- bzw. Differenzschaltung
entnommene Strom kann nach einer Abart der Erfindung nach Verstärkung zur Verstellung
eines Servomotors dienen, der einen Parallelwiderstand zu einer Spule des elektrodynamischen
Kompensationssystems einstellt und hierdurch die Druck- bzw. Temperaturberichtigung
bewirkt.
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Im folgenden sollen kurz die mathematischen Beziehungen angegeben
werden, aus denen sich ergibt, daß mit der erfindungsgemäßen Einrichtung eine exakte
Druck- und Temperaturberichtigung in einem praktisch beliebigen Bereich möglich
ist.
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Zwischen dem Wirkdruck J p und der Strömungsgeschwindigkeit v besteht,
wie bereits anfangs erwähnt,
die Beziehung zl p e g v2. Die Dichte Q1 bei der Temperatur
T1 und dem Druck p1 verhält sich zur Dichte Qa bei der Temperatur T2 und dem Druck
P2 bei idealen Gasen wie el = p1 T2 P2 P2 . T1 Bezieht man auf die Normaldichte
Qo bei der Temperatur T0 und dem Druck PO und setzt man P1 = Po + undT1=T0Ö% sogilt
(PO+8P)TO 1 +E Po = Qo PO (TQ + 6 T) Q° 1 t y wobei #p #T £ = 8 = p0 Der Wirkdruck
A p ist also proportional 2 (1 t s) 1 + # Dieser Wirkdruck wird bei einem elektrodynamischen,
radizierenden Meßwertumformer nach dem Prinzip des Kraftvergleichs, z. B. durch
die Kraft eines fremderregten Tauchspulmeßwerks, ausgewogen. Diese Kompensationskraft
ist dem Produkt aus dem durch die Tauchspule fließenden Strom und dem Strom durch
die Erregerspule proportional.
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Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, mit Hilfe einer elektrischen
Schaltung aus dem Kompensationsstrom i, der die Erregerspule und die Tauchspule
nacheinander durchfließt, einen Strom I zu gewinnen, der von der Temperatur und
dem Druck des Meßgases abhängig ist, und durch diesen Strom eine zusätzliche Kompensationskraft
zu erzeugen, die die auf die Tauchspule oder die Erregerspule ausgeübte Kraft unterstützt.
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Hierdurch wird im Strom i, der durch die Tauchspule
und
die Erregerspule fließt, ein druck- und temperaturunabhängiges Maß für die Strömungsgeschwindigkeit
v erhalten. Da der Wirkdruck d p von der Kompensationskraft des Tauchspulmeßwerks
ausgewogen wird, gilt # p ~ i (i + I) ~ v2 1 +8 ; 1 + # da i ein Maß für v sein
soll, kann i proportional v gesetzt werden. Hieraus folgt i (i + I) ~ i² 1 + # und
I ~ i # - # .
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1 + # 1 + # Die funktionelle Abhängigkeit 1 = 1 (i, e, ?7) wird erfindungsgemäß
durch eine elektrische Schaltung, in
der die elektrisch abgebildeten Werte von e
und n mit Normalwerten verglichen werden und die vom Kompensationsstrom i gespeist
wird, dargestellt. Wählt man für die elektrische Schaltung eine Brückenschaltung
gemäß Fig. 1, die an den Punkten 1 und 2 vom Kompensationsstrom i gespeist wird
und aus den Widerständen R1 + rl, R2 + r,, R3 und R4 aufgebaut ist (r1 ist hierbei
ein Maß für die Abweichung von der Normaltemperatur, während r2 ein Maß für die
Abweichung vom Normaldruck darstellt; R1, R2, R3, R4 sind Festwiderstände), so erhält
man nach elementarer Rechnung für die Diagonalspannung Ub, die an den Punkten 3
und 4 der Brücke auftritt, unter der Voraussetzung, daß die Bedingung R1 : R2 =
R2 : R4 erfüllt ist,
R4 Setzt man r1 Rs = # und r2 = #, so wird Ub=Ki 8-17 1 + +8 R2 R4 (K = Konstante)
e und 8 können durch geeignete Wahl der Bezugsgrößen R4 immer kleiner als 1 gemacht
werden. Wählt man R3 sehr groß, so wird Ub # K i # - # .
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1 + # Diese Gleichung läßt sich durch Wahl geeigneter Widerstände
mit beliebiger Genauigkeit erfüllen, so daß eine praktisch exakte Druck- und Temperaturberichtigung
erhalten wird. Die Brückenverstimmung Ub ist ein Maß für 1. Korrigiert man nur die
Temperatur des Mediums, wird 21 = 0, und es gilt exakt: Ub =K + 8 Erfindungsgemäß
wird U, in einen Meßverstärker gegeben. Der Verstärker liefert im Ausgang den Kompensationsstrom
I, der z. B. durch eine Zusatzwicklung der Erregerspule des Tauchspulsystems fließt.
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An Stelle einer Brückenschaltung kann auch eine Differenzschaltung
der druck- bzw. temperaturabhängigen Widerstände mit Normalwiderständen verwendet
werden.
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Die Fig. 2 der Zeichnung zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine gemäß
der Erfindung aufgebaute Schaltung. In die Rohrleitung 5, welche das Gas führt,
dessen Strömungsgeschwindigkeit gemessen werden soll, ist in bekannter Weise eine
Meßblende 6 eingesetzt. Der Wirkdruck d P wird, wie in der Figur schematisch angedeutet,
über die Impulsleitungen 7 und 8 entnommen und dem Membrandurchflußmesser 9 zugeführt.
Die Auslenkung der Membran wird über den an einen Waagebalken 10 angelenkten Hebel
11 durch eine Gegenkraft kompensiert. Am anderen Ende des Waagebalkens 10 ist die
Tauchspule 12 des Tauchspulmeßwerks 13 angebracht. Zur Erregung des Magnetfeldes
dient die Erregerspule 14. Magnetisch im gleichen Sinne wirkt die zusätzliche Wicklung
15, die vom Strom I für die Druck-und Temperaturkompensation gespeist wird. Bei
einer Auslenkung der Membran 9 wird die am induktiven Geber 16 liegende Spannung
verändert und vom Ausgang
des Verstärkers 17 der Kompensationsstrom i geliefert,
der die Tauchspule 12 und die Erregerspule 14 sowie die Brückenschaltung 18 durchfließt
und hierbei die Kompensationskraft für die Rückführung der Membran 9 in die Ausgangslage
erzeugt. Der Widerstand Rl + r1 der Brücke 18 wird von einem Temperaturmeßgerät
19 im Gasstrom eingestellt, während der Widerstand R2 + r2, von einem Druckmeßgerät
20 beeinflußt wird.
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Die an den Punkten 3 und 4 auftretende Spannung Ub wird in dem Verstärker
21 verstärkt, und der Ausgangsstrom I dieses Verstärkers speist die Zusatzwicklung
15, welche magnetisch im gleichen Sinne wie die Haupterregerwicklung 14 wirkt. Am
Meßinstrument 22, welches vom Kompensationsstrom i durchflossen wird, kann die Strömungsgeschwindigkeit
unmittelbar abgelesen werden, und sämtliche Meßfehler, die bei allen bekannten Einrichtungen
durch Druck- und Temperaturschwankungen des strömenden Mittels hervorgerufen werden,
sind eliminiert.
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Die beschriebene Anordnung kann auch dahin abgewandelt werden, daß
der Strom I einer zweiten Wicklung auf der Tauchspule zugeführt wird.