DE1104716B - Verfahren und Vorrichtung zur Messung der Stroemungsmenge von Fluessigkeiten veraenderlicher Zusammensetzung - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Messung der Strömungsmengen von Flüssigkeiten und insbesondere von Gas, und zwar bezüglich des Gewichts oder des Volumens, erfolgt bekanntlich auf verschiedene Art und Weise, und zwar insbesondere durch Messung des Druckabfalls beim Durchtritt durch eine Drosselstelle, eine Blende, eine Düse oder ein Venturirohr, das in den Strömungsweg eingeschaltet ist, oder durch Messung der Temperatur eines ebenfalls im Strömungsweg angeordneten beheizten Körpers. In allen diesen Fällen, insbesondere dann, wenn die Ablesung unter einem bestimmten Abstand von der Meßstelle erfolgen soll, ist es sehr bequem, als Ausgangsmeßgröße einen elektrischen Wert zu benutzen, mit dem man den Veränderungen leicht stetig folgen kann. Es besteht aber keine einfache Beziehung zwischen dem abgelesenen elektrischen Endwert und der Strömungsmenge, und in der Praxis wird daher vor Benutzung des Meßgerätes eine Eichung vorgenommen.

Das obige Verfahren ist jedoch nur dann unmittelbar anwendbar, wenn die Strömungsmenge die einzige veränderliche Größe ist, die eine Veränderung der Anzeige der Meßvorrichtung hervorruft, d. h. nur dann, wenn das zu messende Strömungsmedium ein einheitlicher Stoff oder eine Mischung unveränderlicher Zusammensetzung ist und somit konstante physikalische Eigenschaften hat. Wenn das Strömungsmedium eine Mischung ist, deren Zusammensetzung sich im Laufe der Zeit verändert, wie z. B. bei Koksofengas, Raffinerieabgas, Naturgas, so andem sich seine phyikalischen Eigenschaften gleichzeitig. Im Falle der Messung mittels einer Druckmindervorrichtung hängt der Gewichtsfluß nicht nur vom abgelesenen Druckabfall, sondern auch vom spezifischen Gewicht des strömenden Mediums ab. Tm Falle eines thermischen Meßverfahrens ändert sich die Anzeige des Gerätes nicht nur entsprechend dem Gewichtsdurchfluß, sondern hängt außerdem vom spezifischen Gewicht, von der spezifischen Wärme, von der Wärmeleitfähigkeit und von der Viskosität des strömenden Mediums ab.

Es empfiehlt sich daher, für die Messung der Durchflußmengen von gasförmigen Mischungen mit veränderlicher Zusammensetzung das Meßgerät mittels eines bestimmten Bezugsmediums zu eichen und eine Korrektur seiner Anzeige vorzunehmen in Abhängigkeit von den physikalischen Eigenschaften des zu messenden Mediums einerseits und des Bezugsmediums andererseits. Diese Korrektur wird bis jetzt unter Zuhilfenahme von Tabellen oder Diagrammen von Hand vorgenommen. Gewiß kennt man automatische Meßgeräte zur Messung physikalischer Eigenschaften, wie Dichtemesser, Viskositätsmesser und automatische Analysiergeräte. Jedoch sind diese Verfahren und Vorrichtung

zur Messung der Strömungsmenge

von Flüssigkeiten veränderlicher

Zus ammens etzung

Anmelder:

L'Air Liquide, Societe Anonyme pour

l'Etude et !'Exploitation des Procedes

Georges Claude, Paris

Vertreter: Dr. H.-H. Willrath, Patentanwalt,
Wiesbaden, Hüdastr. 32

Beanspruchte Priorität:
Frankreich vom 15. Januar 1958

Philippe Arragon, Asnieres, Seine (Frankreich),
ist als Erfinder genannt worden

Apparate umständlich und empfindlich, ihre Einstellung muß häufig überprüft werden, und man ist bis heute noch nicht soweit gekommen, diese Apparate zur fortgesetzten Korrektur der Anzeige des Strömungsmeßgerätes zu verwenden, um so mehr, als es häufig schwierig ist, zu bestimmen, bei welcher Messung jede der physikalischen Eigenschaften den Meßwert der Strömungsmenge verfälscht hat.

Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung gestattet demgegenüber, den Fehler bei der Durchflußmengenmessung von strömenden Medien infolge von Veränderungen der Zusammensetzung des Mediums und damit seiner physikalischen Eigenschaften auf einfache Weise und sehr genau zu korrigieren, und zwar mit Hilfe eines Meßgerätes, das einen elektrischen Ausgangswert liefert und mit einem bestimmten Bezugsmedium geeicht ist. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß man durch zwei völlig gleiche Hilfsrohre, die mit völlig gleichen elektrischen Heizeinrichtungen versehen sind, gleiche Volumenmengen des Bezugsmediums und eines Kompensationsmediums, das mit dem Hauptmedium, dessen Durchflußmenge gemessen werden soll, identisch ist, fließen läßt, und zwar unter dem gleichen Druck und mit der gleichen Temperatur, und daß man den Temperaturunterschied der beiden elektrischen Heizeinrichtungen in Form einer elektrischen Anzeige-

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größe mißt und den Anzeigewert des Hauptapparats als Funktion des Anzeigewertes der Hilfsrohre abwandelt.

Tatsächlich ändert sich, wenn die Temperatur der in der Strömung des Bezugsmediums liegenden Heizeinrichtung konstant bleibt, die Temperatur der in dem Kompensationsmedium liegenden Heizeinrichtung entsprechend der Zusammensetzung desselben. Wenn beispielsweise ein Strömungsmedium mit höherer Wärmeleitfähigkeit hindurchtritt, wird die Temperatur der mit diesem Medium in Berührung stehenden Heizeinrichtung geringer, und der Anzeigewert der Korrektur ändert sich in entsprechender Weise.

Als Heizeinrichtung für die Hilfsrohre werden vorzugsweise elektrische Widerstandsdrähte verwendet, die in bezug auf die Rohrachsen symmetrisch in den Hilfsrohren angeordnet sind, und es wird die Differenz der durch die Heizeinrichtungen fließenden Stromstärken oder ein hiervon abhängiger Wert gemessen. Wenn beispielsweise durch den Widerstandsdraht, der in dem Bezugsmedium liegt, ein Strom mit der Stromstärke I₁ fließt und wenn das Kompensationsmedium derartige physikalische Eigenschaften hat, daß der Wärmeverlust des in diesem Medium befindlichen Widerstandsdrahts größer ist als derjenige des ersten Widerstandsdrahts, so nimmt die Temperatur und infolgedessen der Widerstand des zweiten Drahts ab, und durch den zweiten Draht fließt ein Strom mit einer Stromstärke i„, die größer ist als i_v Man kann mittels einer einfachen elektrischen Vorrichtung die Differenz (?₂ — ^₁) registrieren und den Anzeigewert der Hauptmeßeinrichtung als Funktion dieser Differenz korrigieren.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die beiden Widerstandsdrähte der Hilfsrohre in zwei einander benachbarten Zweigen einer Wheatstoneschen Brücke geschaltet. In der Diagonalverbindung der Brücke wird die Abweichung vom Gleichgewichtszustand registriert, und diese Anzeige wird dem Hauptmeßgerät zugeleitet.

Das dem Hauptmeßgerät zugeleitete Korrektursignal muß der festgestellten Abweichung möglichst genau proportional sein. Man kann verschiedene Übertragungssysteme ins Auge fassen, die es gestatten, diese Bedingung zumindest annähernd zu erfüllen. Eines dieser Systeme beruht darauf, das Gleichgewicht der Wheatstoneschen Brücke mittels eines durch einen Servomechanismus automatisch eingestellten Potentiometers wiederherzustellen, das durch einen Null-Steuerapparat im Diagonalzweig der Brücke gesteuert wird und das Brückengleichgewicht wiederherstellt, indem es die Widerstände der beiden anderen Brückenzweige verändert, wobei das Korrektursignal einer Vorrichtung zugeleitet wird, die die Empfindlichkeit des Hauptmeßgerätes bezüglich des darauf einwirkenden elektrischen Werts verändert.

Ein anderes, im Prinzip einfacheres Übertragungssystem gestattet eine etwas weniger genaue, jedoch noch in der Praxis völlig ausreichende Korrektur. Dieses System beruht darauf, das Ungleichgewicht der Wheatstoneschen Brücke bestehen zu lassen und dem Hauptmeßgerät in der richtigen Richtung eine Spannung zuzuführen, die der Ungleichgewichtsspannung im Diagonalzweig der Brücke proportional ist.

Das Korrekturverfahren gemäß der Erfindung ist insbesondere dann vorteilhaft anwendbar, wenn die Durchflußmengenmessung über die Temperatur eines in der Strömung angeordneten beheizten Körpers erfolgt. Die Veränderung der verschiedenen physikalischen Eigenschaften des zu messenden Gases in bezug auf diejenigen des Bezugsgases wirken sich infolgedessen in genau der gleichen Weise in der Meßvorrichtung und in der Korrekturvorrichtung aus; es wird eine Gesamtkorrektur in Abhängigkeit von dieser Veränderung vorgenommen genau proportional des Einflusses jeder physikalischen Eigenschaft, die eine Verfälschung der Anzeige des Hauptmeßgeräts hervorruft.

Falls das Hauptmeßgerät mit einem Druckminderorgan, beispielsweise einer Blende, arbeitet, so hat das spezifische Gewicht des strömenden Mediums nicht den gleichen Exponenten wie der Faktor des Druckabfalles beim Durchgang durch die Blende einerseits und des Wärmeverlusts eines beheizten Widerstands andererseits. Da aber der betreffende Druckabfall und der Wärmeverlust gut definierte Funktionen der spezifischen Masse sind, kann man leicht den durch das Gerät angezeigten Korrekturwert, der mit dem Wärmeverlust verknüpft ist, in eine Korrektur der zu messenden Strömungsmenge transformieren, die eine Funktion des Druckabfalles ist. Diese Transformation kann vermittels einer mechanischen Einrichtung, beispielsweise mittels eines Nockens, erfolgen. Nachstehend werden unter Bezugsnahme auf die Zeichnung zwei Apparate zur Korrektur von Fehlern bei der Messung von Gasströmungen veränderlicher Zusammensetzung beschrieben, die die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens gestatten, wobei das Korrektursignal dem Hauptmeßgerät mittels des einen oder anderen der beiden obenstehend beschriebenen Systeme zugeleitet wird.

Fig. 1 zeigt einen Korrekturapparat mit einer Wheatstoneschen Brücke, deren Gleichgewicht automatisch aufrechterhalten wird mittels eines Potentiometers, das gleichzeitig auf eine Einrichtung einwirkt, die die Empfindlichkeit des Hauptmeßgeräts verändert.

Fig. 2 zeigt einen Korrekturapparat, ebenfalls mit

einer Wheatstoneschen Brücke, wobei aber die Brücke im Ungleichgewicht bleibt und die Spannung zwisehen den Endklemmen der Brückendiagonale dem Hauptgerät zugeleitet wird, mittels dessen durch Messung der Temperatur eines beheizten Drahtes die Strömungsmenge gemessen wird.

Fig. 3 zeigt einen Korrekturapparat, der demjenigen nach Fig. 1 entspricht und mit einem Strömungsmengenmesser ähnlich dem in Fig. 2 dargestellten Meßgerät zusammenarbeitet.

Gemäß Fig. 1 fließt die gasförmige Mischung, deren Strömungsmenge gemessen werden soll, durch die Leitung 1. Ein Mengenmeßgerät 2 beliebiger Bauart ist über elektrische Leitungen 3 mit einer Stromquelle 4 konstanter Spannung verbunden. Die Anzeige des Geräts wird über Drähte 5 elektrisch einem elektrischen Meßgerät, wie beispielsweise einem Galvanometer, zugeleitet, das mit Luft von bekanntem und konstantem Feuchtigkeitsgehalt geeicht ist.

In Strömungsrichtung, etwas vor oder hinter dem Apparat 2, wird aus der Gasströmung ein kleiner Teil durch die Hilfsleitung 10 abgezweigt. Die abgezweigte Teilmenge strömt durch einen Druckregler 11, mittels dessen der Gasdruck auf einen bekannten und konstanten Wert eingestellt wird, der größer oder gleich dem doppelten des Atmosphärendruckes ist; anschließend fließt die Teilmenge durch eine kalibrierte Düse 12, durch die das Strömungsvolumen der Teilmenge auf einem bekannten und konstanten Wert gehalten wird. Anschließend fließt das Gas durch das Hilfsrohr 13, das innerhalb der Leitung 1 liegt, so daß die Temperatur der Teilströmung genau gleich der des Gases in der Hauptleitung ist. In der Leitung 13 ist, symme-

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trisch zu der Rohrachse, ein erwärmter Widerstand 14 aus Platin angeordnet; dieser Widerstand wird beispielsweise gebildet durch einen Platindraht, der entlang der Rohrachse gespannt oder auf einen nicht leitenden Träger aufgewickelt ist, der symmetrisch zur Rohrachse liegt. Anschließend fließt die Gasteilmenge bei 15 ins Freie.

Andererseits wird eine kleine Luftmenge, deren Feuchtigkeitsgehalt konstant und genau gleich dem der Eichluft des Apparats 2 ist, durch die Leitung 20 und durch einen Kleinverdichter 21 geleitet, durch den sie auf einen derartigen Druck gebracht wird, daß nach dem Durchfluß durch die der Düse 12 entsprechende Düse 22 das durch das Rohr 23, welches wie das Rohr 13 in der Leitung 1 liegt, strömende Luftvolumen genau gleich der durch das Rohr 13 strömenden Gasmenge ist. Das Rohr 23 enthält einen beheizten Widerstand 24, der dem Widerstand 14 genau entspricht und in entsprechender Weise angeordnet ist. Die Luft tritt bei 25 ins Freie aus.

Die Widerstände 14 und 24 sind in zwei einander benachbarten Zweigen einer Wheatstoneschen Brücke angeordnet, die durch eine Stromquelle 30 mit konstanter Spannung gespeist wird. In der Diagonalverbindung 31 dieser Brücke ist ein Nullgalvanometer 32 vorgesehen, das durch Verbindungsdrähte 33 einen Servomechanismus 35 steuert, der automatisch das Brückengleichgewicht aufrechterhält, indem er das Potentiometer 34 derart verstellt, daß die Widerstände der anderen Brückenzweige verändert werden. Wenn die physikalischen Eigenschaften des durch das Rohr 13 strömenden Kompensationsgases, das identisch ist mit dem durch die Hauptleitung strömenden zu messenden Gas, derart sind, daß der Wärmeverlust des Widerstands 14 vom Wärmeverlust des Widerstands 24, der in der als Bezugsgas ausgewählten Luft liegt, abweichen will, so ändern sich die Temperatur des Widerstands und damit sein Ohmscher Widerstand, und der Apparat 32 stellt das Gleichgewicht der Brücke über den Motor 35 wieder her. Gleichzeitig ₊₀ übermittelt er dem Gerät 36 die Anzeige der voreingenommenen Korrektur. Dieses Gerät, das über Leitungen 37 mit dem Meßgalvanometer 6 verbunden ist, korrigiert dessen Anzeige durch Veränderung der Empfindlichkeit des Galvanometers 6 auf den Strom, der ihm über die Leitungen 5 zugeleitet wird.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Apparat erfolgt die eigentliche Strömungsmengenmessung mittels eines Apparats, der auf dem Wärmeverlust eines in der Gasströmung liegenden beheizten Drahtes beruht. In der Leitung 1 ist ein beheizter Widerstand 42 angeordnet; andererseits nimmt ein weiterer Widerstand 43, der in Strömungsrichtung vor dem erstgenannten Widerstand in der Leitung angeordnet ist, die Temperatur des Gases an. Die Widerstände 42 und 43 sind in zwei einander benachbarte Zweige einer Wheatstoneschen Brücke eingeschaltet, die andererseits zwei unveränderliche Widerstände 44 und 45 enthält. Auf diese Weise ist die durch den Diagonalsleiter 46 dieser Brücke fließende Stromstärke unabhängig von der Gastemperatur.

In der gleichen Diagonale ist ein Nullgalvanometer 47 angeordnet, das über Drähte 48 einen Motor 49 steuert, der seinerseits über einen Gleitkontakt 50 die von einer Stromquelle 51 gelieferte Speisespannung der Brücke verändert. Die Stromquelle 51 ist an eine Stromquelle 4 konstanter Spannung angeschlossen. Ein Amperemeter 6, das in den Speisekreis der Brücke eingeschaltet und vorher geeicht ist, gestattet die unmittelbare Ablesung der Strömungsmenge.

Der Apparat zur Korrektur der Messung als Funktion der Zusammensetzung des Gases besitzt wie der vorstehend beschriebene Apparat zwei Hilfsrohre 13 und 23 und zwei Widerstände 14 und 24, die in gleicher Weise in zwei Zweige einer Wheatstoneschen Brücke eingeschaltet sind, jedoch wird die Übertragung des Korrektursignals zum Hauptmeßgerät auf andere Weise vorgenommen. Die Widerstände 54 und 55 bilden die beiden anderen Zweige der Wheatstoneschen Brücke. Die Diagonale 31 der Brücke enthält einen Widerstand 52, dessen Wert groß ist im Verhältnis zu demjenigen der Brückenzweige. Die Spannung die zwischen den Endklemmen dieser Diagonale auftritt, wenn die Brücke nicht im Gleichgewicht ist, wird über einen Kreis, der einen regelbaren Widerstand 53 enthält, den Klemmen der Diagonale der Brücke im Hauptmeßgerät in der richtigen Richtung zugeleitet. Wenn z. B. die physikalischen Eigenschaften des zu messenden Gases in einem bestimmten Zeitpunkt derart sind, daß die Wärmeabgabe der mit dem Gas in Berührung befindlichen beheizten Widerstände größer wird, so sinkt die Temperatur und damit der Ohmsche Widerstand des Meßwiderstandes 42 ab. Dies hat das Fließen eines Stroms durch die Diagonale 46 von rechts nach links zur Folge. In gleicher Weise wird aber auch der Ohmsche Widerstand des ebenfalls mit dem zu messenden Gas in Berührung stehenden Widerstandes 14 geringer. Es stellt sich eine positive Spannungsdifferenz in der Diagonale 31 der Brücke mit den Hilfswiderständen von links nach rechts ein. Diese Spannungsdifferenz wird den Endklemmen der Diagonale 46 der Hauptbrücke zugeleitet und ist bestrebt, in dieser das Fließen eines Stromes von links nach rechts hervorzurufen. Durch geeignete Einstellung des Widerstandes 53 kann man sodann den Meßfehler annähernd korrigieren.

Über das vorstehend beschriebene Verfahren hinaus umfaßt die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens, die zwei völlig gleiche Rohre aufweist, von denen das erste parallel zu der Leitung geschaltet ist, in der die Strömungsmenge gemessen werden soll, und das zweite an eine Bezugsmediumsquelle angeschlossen ist, wobei zwei völlig gleiche elektrische Widerstände entlang der Mittellinie jedes der beiden Rohre angeordnet sind und zwei einander benachbarte Zweige einer Wheatstoneschen Brücke bilden und elektrische Organe zur Registrierung des Ungleichgewichts der Brücke und zur Zuführung der Korrekturanzeige zu dem Durchflußmengenmeßgerät vorgesehen sind.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Korrektur des Fehlers bei der Gewichtsmengenmessung eines Mediums infolge einer Veränderung der Zusammensetzung und damit der physikalischen Eigenschaften des Mediums mit Hilfe eines einen elektrischen Endanzeigewert erzeugenden, mit einem bestimmten Bezugsmedium geeichten Apparats, dadurch gekennzeichnet, daß durch zwei gleiche und mit den gleichen elektrischen Heizvorrichtungen versehene Hilfsrohre (13, 23) gleiche Volumina des Bezugsmediums und eines mit dem zu messenden Medium identischen Kompensationsmediums unter dem gleichen Druck und der gleichen Temperatur hindurchgeleitet werden, die TemperaturdifFerenz der beiden elektrischen Heizeinrichtungen als elek-

irischer Anzeigewert gemessen und der Anzeigewert des Hauptmeßgeräts als Funktion des Anzeigewerts der Hilfsrohre abgewandelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtungen der Hilfsrohre durch elektrische Widerstände gebildet werden und die Differenz der durch diese Widerstände (14, 24) hindurchfließenden Ströme gemessen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstände der beiden Hilfsrohre in zwei einander benachbarten Zweigen einer Wheatstoneschen Brücke angeordnet sind und die Anzeige des Ungleichgewichts der Brücke dem Hauptmeßgerät zugeleitet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gleichgewicht der Brücke mittels eines mit einem Servomechanismus (35) zusammenarbeitenden Potentiometers (34) wiederhergestellt wird durch Veränderung der Widerstände der beiden anderen Brückenzweige und daß der Korrekturwert einer Einrichtung (36) zugeleitet wird, die die Empfindlichkeit des Hauptmeßgeräts verändert.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Brücke im Ungleichgewicht belassen und dem Hauptmeßgerät in der richtigen Richtung eine der Ungleichgewichtsspannung in der Diagonalen (31) der Brücke proportionale Spannung zugeleitet wird.

6. Vorrichtung zur Korrektur des Fehlers in der Durchflußmenge eines Mediums gemäß dem Verfahren nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch zwei gleiche Rohre (13, 23), von denen das erste parallel zu der das zu messende Medium enthaltenden Leitung geschaltet und das zweite an eine Bezugsmediumsquelle angeschlossen ist, zwei in der Mittellinie jedes der Rohre angeordnete, gleiche elektrische Widerstände (14,, 24), deren jeder einen von zwei einander benachbarten Zweigen einer Wheatstoneschen Brücke bildet, und durch elektrische Organe zur Registrierung des Ungleichgewichts der Brücke und zur Weiterleitung der Korrekturanzeige zu dem Mengenmeßgerät.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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