DE1094473B

DE1094473B - Device for the exact measurement of a gas flowing through a pipeline

Info

Publication number: DE1094473B
Application number: DEA30615A
Authority: DE
Inventors: Fritz Gantzlin
Original assignee: Continental Elektronidustrie AG
Current assignee: Continental Elektronidustrie AG
Priority date: 1958-10-28
Filing date: 1958-10-28
Publication date: 1960-12-08

Description

Einrichtung zur exakten Messung eines eine Rohrleitung durchströmenden Gases Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur exakten Durchflußmengenmessung eines eine Rohrleitung durchströmenden Gases. Im allgemeinen wird eine Bestimmung des Durchflusses dadurch ausgeführt, daß der an einer Rohrquerschnittsverengung abgenommene Wirkdruck durch geeignete Vorrichtungen radiziert wird. Dabei ist der radizierte Wert nur dann ein exaktes Maß für den Durchfluß, wenn der Gasdruck und die absolute Temperatur des Gases nicht von den zugrunde gelegten Werten abweichen. Andernfalls muß die Abweichung dieser beiden Größen berücksichtigt werden. Für ideale oder als näherungsweise ideal anzusehende Gase gilt der Zusammenhang wobei Q die Durchflußmenge pro Zeiteinheit, iI p den an der Rohrquerschnittsverengung fühlbaren Wirkdruck, p den Gasdruck und T die absolute Temperatur des Gases bezeichnet.Device for the exact measurement of a gas flowing through a pipeline The invention relates to a device for the exact measurement of the flow rate of a gas flowing through a pipeline. In general, a determination of the flow rate is carried out in that the effective pressure taken from a pipe cross-sectional constriction is square rooted using suitable devices. The rooted value is only an exact measure of the flow rate if the gas pressure and the absolute temperature of the gas do not deviate from the underlying values. Otherwise, the difference between these two quantities must be taken into account. The relationship applies to ideal gases or gases that can be regarded as approximately ideal where Q denotes the flow rate per unit of time, iI p denotes the effective pressure that can be felt at the constriction of the pipe cross-section, p denotes the gas pressure and T denotes the absolute temperature of the gas.

Es sind Einrichtungen bekannt, die eine genaue Durchflußmengenmessung gemäß dieser Formel ermöglichen und die mit elektrodynamischen Kompensationssystemen nach Art der bekannten Stromwaagen arbeiten. Bei einer dieser Einrichtungen ist eine Stromwaage mit einer Wheatstoneschen Brücke zusammengeschaltet, deren Widerstände von dem Gasdruck und der Gastemperatur gesteuert sind. Dabei wirkt sich nachteilig die Tatsache aus, daß das Verhältnis der Brückenwiderstände extrem groß ist und ß'hergangswiderstände störend in die Schaltung eingehen. Es ist auch der Vorschlag gemacht worden, die in Ströme umgeformten Meßgrößen für Wirkdruck, Gasdruck und Gastemperatur auf eine als Rechenwaage arbeitende Stromwaage zu gehen, die die Größen gemäß der Formel (1) multipliziert bzw. dividiert und das Ergebnis radiziert. Diese Einrichtung soll durch die Erfindung verbessert werden. Es hat sich gezeigt, daß es günstiger ist, an Stelle eines dem Wirkdruck proportionalen Stromes bereits den radizierten, also der Wurzel aus dem Wirkdruck proportionalen Strom auf die Rechenwaage zu geben, weil der radizierte Strom stärker und daher von Störungen weniger beeinflußbar ist. Das möge ein Zahlenbeispiel verdeutlichen: Dem zu erwartenden maximalen Durchfluß entspricht ein maximaler Wirkdruck, der auf 1 normiert sei. Sinkt der Wirkdruck auf ein Hundertstel seines maximalen Wertes, so sinkt die Wurzel aus dem Wirkdruck nur auf ein Zehntel ihres Wertes. Der der Wurzel aus dem Wirkdruck proportionale Strom ist also um den Faktor 10 größer als der dem Wirkdruck direkt proportionale. Störungen, die auf den größeren Strom wirken, gehen daher in die Rechenwaage in sehr viel geringerem Maße ein. There are known devices that provide an accurate flow rate measurement according to this formula and those with electrodynamic compensation systems work like the well-known current scales. At one of these bodies is an electric balance connected to a Wheatstone bridge, whose resistors are controlled by the gas pressure and temperature. This has a disadvantageous effect the fact that the ratio of the bridge resistances is extremely large and ß'continuous resistances interfere with the circuit. It is also the suggestion have been made, the measured quantities for differential pressure, gas pressure and Gas temperature to go to an electric balance working as a calculating balance, which the sizes multiplied or divided according to formula (1) and the result is square rooted. These Device is to be improved by the invention. It has been shown that it is better to use the current instead of a current proportional to the differential pressure rooted current, i.e. the root of the differential pressure proportional to the arithmetic balance to give, because the extracted current is stronger and therefore less susceptible to interference is. A numerical example should clarify this: the maximum flow rate to be expected corresponds to a maximum differential pressure that is normalized to 1. If the differential pressure drops to a hundredth of its maximum value, the square root of the differential pressure drops only to a tenth of their value. The one proportional to the root of the differential pressure The current is therefore 10 times greater than that which is directly proportional to the differential pressure. Disturbances that have an effect on the larger current are therefore included in the arithmetic logic unit to a much lesser extent.

Erfindungsgemäß soll daher die Einrichtung so getroffen werden, daß zunächst die den Durchfluß bestimmenden Größen durch als Radizierwaagen arbeitende Stromwaagen radiziert werden. Die von diesen erzeugten Ströme werden erst danach einer als Rechenwaage arbeitenden Stromwaage zugeführt, die die Multiplikation bewirkt. Ist lediglich die Berücksichtigung des Druckwertes neben dem Wirkdruck notwendig, so wird man eine radizierende Stromwaage für den Wirkdruck und eine weitere für den Gasdruck benutzen. Entsprechendes gilt, wenn neben dem Wirkdruck nur die absolute Temperatur des Gases Berücksichtigung finden soll. Sollen indessen alle Größen berücksichtigt werden, so müssen die radizierenden Stromwaagen für den Gasdruck und für die absolute Temperatur des Gases so zusammenwirken, daß sie einen dem Ausdruck proportionalen Strom erzeugen. Dabei ist es möglich, statt mit zwei radizierenden Stromwaagen mit einer einzigen auszukommen. Eine solche spezielle Ausbildung sei an Hand der Zeichnung erklärt.According to the invention, the device should therefore be designed in such a way that first of all the variables determining the flow rate are rooted out by means of current balances operating as root scales. The currents generated by these are only then fed to a current balance operating as a calculating balance, which effects the multiplication. If it is only necessary to take into account the pressure value in addition to the differential pressure, a square root square meter will be used for the differential pressure and another for the gas pressure. The same applies if, in addition to the differential pressure, only the absolute temperature of the gas is to be taken into account. If, however, all quantities are to be taken into account, the square root extraction current balances for the gas pressure and for the absolute temperature of the gas must work together in such a way that they correspond to the expression generate proportional current. It is possible to get by with a single one instead of two square root scales. Such a special training is explained on the basis of the drawing.

In der Abbildung ist mit 1 eine Rohrleitung bezeichnet, die von einem idealen oder annähernd idealen Gas durchströmt ist und die eine Meßblende 2 enthält, an der der Wirkdruck über die beiden Leitungen 3 und 3' entnommen und einer Differenzdruckmembran 4 zugeführt wird. In Strömungsrichtung vor der Meßblende wird bei 5 die Gastemperatur und bei 5' der Gasdruck gemessen. Mit I bis III sind die Stromwaagen bezeichnet, von denen I den der Wurzel aus dem Wirkdruck proportionalen Strom Il und II einen der Wurzel aus dem Quotienten von Gasdruck und absoluter Temperatur des Gases proportionalen Strom 12 erzeugt, während beide Ströme der Stromwaage III zugeführt werden, von der der Strom I entnommen und nacheinander durch ein Anzeigegerät 6, ein Registriergerät 7 und - sofern die Durchflußmenge als Meßgröße in eine Regelanlage eingehen soll in in einen Regler 8 geleitet wird. In diesem Stromkreis kann auch noch ein nicht dargestelltes, summierendes Zählwerk angeordnet sein. Konstruktion und Arbeitsweise ist bei allen Stromwaagen ähnlich. Jede besitzt einen Waagebalken 9, der um 10 drehbar gelagert ist und bei seiner Drehung die Schwenkspule 11 mitnimmt, die sich im Feld der Spulen 12 bewegt und in der dadurch bei Auslenkung des Waagebalkens durch ein auf diesen wirkendes Drehmoment eine Spannung induziert wird. Diese steuert über Verstärker 13 den jeweiligen Kompensationsstrom Il, I2 oder I, der auf verschiedene Weise verschiedenartigen Kompensationskraftgebern zugeführt wird. Die Kompensationskraftgeber halten dabei den auf die Waagebalken wirkenden Kräften die Waage. In the figure, 1 denotes a pipeline from a ideal or nearly ideal gas is flowing through and which contains a measuring orifice 2, where the differential pressure is taken over the two lines 3 and 3 'and a differential pressure membrane 4 is fed. The gas temperature is at 5 in the direction of flow in front of the measuring orifice and measured at 5 'the gas pressure. The current balances are designated with I to III, of which I the one of the root current proportional to the differential pressure II and II are one of the roots of the quotient of gas pressure and absolute temperature of the gas proportional current 12 generated, while both currents of the current balance III are supplied from which the current I is drawn and successively through a display device 6, a recording device 7 and - if the flow rate as a measured variable in a control system is to be fed into a controller 8. In this circuit can also a totalizing counter (not shown) can also be arranged. construction and the mode of operation is similar for all current scales. Each has a balance beam 9, which is rotatably mounted about 10 and takes the swivel coil 11 with it when it rotates, which moves in the field of the coils 12 and thereby when the balance beam is deflected a voltage is induced by a torque acting on it. This controls Via amplifier 13 the respective compensation current I1, I2 or I, which is different Way different types of compensation force transducers is supplied. The compensation force generator keep the forces acting on the balance beam in balance.

An der Stromwaage I wird durch die Differenzdruckmembran 4 ein Drehmoment am Waagebalken erzeugt, welches durch den aus den beiden elektromagnetischen Spulen 14 und 15, die in Reihe geschaltet sind und nacheinander von dem Kompensationsstrom Il durchflossen werden, bestehenden Kompensationskraftgeber 16 kompensiert wird. Kraft- oder Kompensationskraftgeber dieser Art sind so ausgebildet, daß eine elektromagnetische Spule fest und die andere mit dem Waagebalken beweglich angeordnet ist. A torque is generated on the current balance I by the differential pressure diaphragm 4 generated on the balance beam, which is generated by the two electromagnetic coils 14 and 15 connected in series and successively from the compensation current Il flowed through, existing compensation force generator 16 is compensated. Force or compensation force transmitter of this type are designed so that an electromagnetic Coil is fixed and the other is arranged to be movable with the balance beam.

Die Stromwaage II erzeugt einen Strom, der der Wurzel aus dem Quotienten von Gasdruck und absoluter Temperatur des Gases, d. h. also dem Ausdruck proportional ist. Der in dem Rohr 1 bei 5' erfühlte Gasdruck wird über die Leitung 17 einer Membrandruckdose 18 bekannter Bauart zugeleitet, die am Waagebalken 9 der Stromwaage II ein dem Druck proportionales Drehmoment erzeugt. Der aus den Spulen 20 und 21 bestehende Kompensationskraftgeber 19 erzeugt ein Gegendrehmoment. Der vom Verstärker 13 abgegebene Kompensationsstrom 12 wird hierbei durch einen Korrekturwiderstand in Gestalt eines Potentiometers 22 geteilt, dessen Schleifkontakt 23 durch die Gastemperatur verstellbar ist. Dabei wird der Schleifkontakt von einem irgendwie gearteten Stellglied 27 betätigt, dem der bei 5 gemessene Temperaturwert über die Leitung 26 zugeführt wird.The current balance II generates a current that is the root of the quotient of the gas pressure and the absolute temperature of the gas, ie the expression is proportional. The gas pressure sensed in the pipe 1 at 5 'is fed via the line 17 to a diaphragm pressure cell 18 of known design which generates a torque proportional to the pressure on the balance beam 9 of the current balance II. The compensation force transmitter 19, which consists of the coils 20 and 21, generates a counter torque. The compensation current 12 emitted by the amplifier 13 is divided by a correction resistor in the form of a potentiometer 22, the sliding contact 23 of which can be adjusted by the gas temperature. The sliding contact is actuated by some kind of actuator 27 to which the temperature value measured at 5 is fed via line 26.

Die Spule 21 des Kompensationskraftgebers 19 liegt parallel am Potentiometer 22 und ist an dessen festen Kontakten 24 und 25 angeschlossen. Mit seinem Schleifkontakt 23 und seinem festen Kontakt 24 liegt das Potentiometer in Reihe mit der anderen Spule 20 des Kompensationskraftgebers 19, die von dem Kompensationsstrom I2 durchflossen ist.The coil 21 of the compensation force transmitter 19 is parallel to the potentiometer 22 and is connected to its fixed contacts 24 and 25. With its sliding contact 23 and its fixed contact 24, the potentiometer is in series with the other Coil 20 of the compensation force transmitter 19 through which the compensation current I2 flows is.

An der Stromwaage III ist ein Kraftgeber 28 vorgesehen, der aus der von dem Kompensationsstrom Il der Stromwaage I durchflossenen Spule 29 und der von dem Kompensationsstrom I2 der Stromwaage II durchflossenen Spule 30 besteht. Das Gegendrehmoment wird erzeugt von dem aus Permanentmagnet 32 und Spule 33 bestehenden Kompensationskraftgeber 31. Die Spule 33'liegt in Reihe mit dem Anzeige gerät 6, dem Registriergerät 7 und dem Reglereingang 8 und wird von dem Kompensationsstrom I durchflossen. A force transmitter 28 is provided on the current balance III, which is derived from the of the compensation current II of the current balance I traversed coil 29 and that of the compensation current I2 of the current balance II through which the coil 30 flows. That Counter torque is generated by the permanent magnet 32 and coil 33 Compensation force generator 31. The coil 33 'is in series with the display device 6, the registration device 7 and the controller input 8 and is of the compensation current I flowed through.

Die Wirkungsweise ist die folgende: An der Stromwaage I ist das durch den Kompensationskraftgeber erzeugte Gegendrehmoment proportional dem Quadrat des Kompensationsstromes Il und hält dem vom Wirkdruck p erzeugten Drehmoment die Waage. Daher ist Das Potentiometer 22 der Stromwaage II teilt den Kompensationsstrom I2 in zwei Teilströme 18 und I4 auf, von denen der eine, 14, über den festen Kontakt 24 und die Spule 20 zum Verstärker 13 zurückfließt, während der Teilstrom I3 über den festen Kontakt 25 durch die beiden Spulen 21 und 20 zum Verstärker 13 zurückfließt. Die Spule 20 ist daher vom ungeteilten Kompensationsstrom I2 und die Spule 21 vom Teilstrom I3 durchflossen. Wird das Potentiometer 22 durch den Schleifkontakt 23 im Verhältnis a: (1 - a) geteilt, so folgt aus den Gesetzen der Stromverzweigung I, u a 2 oder - unter der erfindungsgemäßen Voraussetzung, daß a proportional der absoluten Temperatur T ist-Is TI2 Das vom Kompensationskraftgeber 19 erzeugte Gegendrehmoment ist daher proportional I, I, =TI und hält dem von dem Gasdruck p mittels der Membrandruckdose 18 erzeugten Drehmoment die Waage.The mode of operation is as follows: At the current balance I, the counter torque generated by the compensation force transducer is proportional to the square of the compensation current II and balances the torque generated by the effective pressure p. thats why The potentiometer 22 of the current balance II divides the compensation current I2 into two partial currents 18 and I4, one of which, 14, flows back to the amplifier 13 via the fixed contact 24 and the coil 20, while the partial current I3 flows through the fixed contact 25 through the two coils 21 and 20 to the amplifier 13 flows back. The coil 20 is therefore traversed by the undivided compensation current I2 and the coil 21 by the partial current I3. If the potentiometer 22 is divided by the sliding contact 23 in the ratio a: (1 - a), it follows from the laws of current branching I, including The counter torque generated by the compensation force generator 19 is therefore proportional to I, I, = TI and balances the torque generated by the gas pressure p by means of the diaphragm pressure cell 18.

Daher gilt p ~ T I:' oder Der auf den Waagebalken 9 der Stromwaage III wirkende Kraftgeber 28 erzeugt ein Drehmoment, welches proportional dem Produkt [s. Formeln (3) und (4)] ist und von dem Gegendrehmoment des Kompensationskraftgebers 31, welches proportional dem Kompensationsstrom I ist, aufgewogen wird. Es ist daher I Ii 12 und damit Nach der eingangs erwähnten Formel (1) bedeutet das, daß der zur Anzeige gebrachte Kompensationsstrom I genau proportional der Durchflußmenge pro Zeiteinheit Q ist.Hence p ~ TI: 'or The force transmitter 28 acting on the balance beam 9 of the current balance III generates a torque which is proportional to the product [s. Formulas (3) and (4)] and is outweighed by the counter torque of the compensation force transducer 31, which is proportional to the compensation current I. It is therefore I Ii 12 and with it According to the formula (1) mentioned at the beginning, this means that the compensation current I displayed is exactly proportional to the flow rate per unit of time Q.

Soll lediglich der Gasdruck bei der Messung berücksichtigt werden, so kann die Stromwaage II vereinfacht werden. Das Potentiometer 22 und das Stellglied 27 kommen dann in Fortfall, und die Schaltung des Kompensationskraftgebers 19 ist dann genau die gleiche wie bei der Stromwaage I. Soll neben dem Wirkdruck nur die absolute Temperatur T Berücksichtigung finden, so könnte man beispielsweise als Kraftgeber an der Stromwaage II statt der Membrandruckdose 18 eine Feder verwenden, die eine konstante Kraft abgibt. Oder man läßt statt der Membrandruckdose 18 die Differenzdruckmembran 4 als Kraftgeber an der Stromwaage II arbeiten und spart dadurch die Stromwaage 1. - Der Druck und der Wirkdruck brauchen im übrigen nicht vermittels mechanischer Systeme auf die Waagebalken zu wirken, sondern können beispielsweise als elektrische Größen vorliegen und durch elektrodynamische Systeme Kräfte an den Waagebalken erzeugen. Ferner können parallel oder in Reihe zum Potentiometer 22 weitere, vorzugsweise variable Widerstände geschaltet sein, mit deren Hilfe der Korrekturbereich für die Berücksichtigung der Temperatur eingestellt werden kann. If only the gas pressure is to be taken into account in the measurement, in this way the current balance II can be simplified. The potentiometer 22 and the actuator 27 are then omitted, and the circuit of the compensation force generator 19 is then exactly the same as with the current balance I. Should only the absolute temperature T are taken into account, so one could, for example, as Use a spring on the current balance II instead of the diaphragm pressure cell 18, the one constant Gives off power. Or you leave instead of the membrane pressure cell 18 the differential pressure membrane 4 work as a force transmitter on the current balance II and This saves the current balance 1. - The pressure and the differential pressure need the rest not to act on the balance beam by means of mechanical systems, but can exist for example as electrical quantities and through electrodynamic systems Generate forces on the balance beam. Furthermore, in parallel or in series with the potentiometer 22 further, preferably variable resistors can be connected, with the help of which the Correction range for taking the temperature into account can be set.

PATENTANSPROCHE: 1. Einrichtung zur exakten Messung eines eine Rohrleitung durchströmenden Gases nach einem Wirkdruckverfahren mit Berücksichtigung des Einflusses des Gasdrucks und/oder der Gastemperatur unter Verwendung von elektrodynamischen Kompensationssystemen mit einem vorzugsweise waagebalkenartigen Meßkörper, an dem zu messende elektrische Ströme mittels elektrodynamisch wirkender Kraftgeber oder zu messende mechanische Kräfte Drehmomente erzeugen, die durch das Gegendrehmoment eines von einem Kompensationsstrom durchflossenen elektrodynamischen Kompensationskraftgebers ausgewogen werden, wobei der Kompensationsstrom nach Maßgabe der Stellung des waagebalkenartigen Meßkörpers gesteuert wird, gekennzeichnet durch die Kombination mehrerer elektrodynamischer Kompensationssysteme in der Weise, daß von einem System (I) in an sich bekannter Weise ein der Wurzel aus dem Wirkdruck proportionaler Strom und von anderen Systemen ein der Wurzel des Gasdruckes oder der reziproken Wurzel aus der absoluten Temperatur des Gases oder dem Produkt dieser beiden Größen proportionaler Strom erzeugt wird, die beide einem weiteren elektrodynamischen Kompensationssystem (III) zugeführt sind, dessen Kompensationsstrom dem Produkt dieser beiden Ströme proportional ist. PATENT CLAIM: 1. Device for the exact measurement of a pipeline flowing gas according to a differential pressure method with consideration of the influence the gas pressure and / or the gas temperature using electrodynamic Compensation systems with a preferably horizontal beam-like measuring body on which electrical currents to be measured by means of electrodynamically acting force transducers or Mechanical forces to be measured generate torques that are generated by the counter torque an electrodynamic compensation force transmitter through which a compensation current flows be balanced, the compensation current depending on the position of the horizontal bar-like Measuring body is controlled, characterized by the combination of several electrodynamic Compensation systems in such a way that from a system (I) in per se known Way a current proportional to the square root of the differential pressure and from other systems one of the root of the gas pressure or the reciprocal root of the absolute temperature the gas or the product of these two quantities proportional current is generated, both of which are fed to a further electrodynamic compensation system (III) whose compensation current is proportional to the product of these two currents.

Claims

2. Device according to claim 1, characterized in that the Differential pressure on the beam-like measuring body (9) of the root of the differential pressure proportional current generating compensation system (I) generates a torque, which by one of a fixed (14) and one with the horizontal beam-like measuring body (9) movable coil (15) existing compensation force generator (16) the scales ge will hold whose two coils (14, 15) after flow through each other from the compensation current will.

3. Device according to claim 1 or 2, characterized by the use an electrodynamic compensation system (II) for generating a current, the opposite of the root of the quotient of the gas pressure and the absolute temperature of the gas is proportional.

4. Device according to one or more of claims 1 to 3, characterized characterized in that on the beam-like measuring body (9) of the electrodynamic Compensation system (II) a mechanical force proportional to the gas pressure acts, the one from a fixed (20) and one with the horizontal beam-like measuring body movable coil (21) existing compensation force generator (19) kept the balance is, the compensation current by a controlled by the gas temperature Correction resistor is divided in such a way that the undivided current through the one coil and one of the two partial currents through the other coil of the compensation force transmitter (19) flows.

5. Device according to one or more of claims l to 4, characterized characterized in that as a correction resistance of the electrodynamic compensation system (II) a potentiometer (22) is used, which with its two fixed contacts (24, 25) parallel to one coil (21) and with one of the two fixed contacts (24) and its sliding contact (23) controlled by the gas temperature in series with the other coil (20) of the compensation force transmitter (19) is located.

6. Device according to one or more of claims 1 to 5, characterized characterized in that on the beam-like measuring body of the further compensation system (III) one from a fixed (30) and from a coil movable with the measuring body (29) existing electrodynamic force transmitter (28) acts, one of which is a coil (29) of the current proportional to the square root of the differential pressure and its other coil (30) of that of the root of the pressure or the reciprocal root of the absolute Temperature of the gas or the product of these two quantities proportional current is traversed, and in that the force transmitter (28) is made of a permanent magnet (32) and coil (33) existing compensation force transmitter (31) holds the balance, so that the compensation current flowing through the coil (33) of the compensation force transmitter (31) is proportional to the gas flow through the pipe (1).