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Verfahren und Vorrichtung zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit
- einer Flüssigkeit Die Erfindung betrifft die Messung von Flüssigkeitsströmen,
insbesondere die Messung der Strömungsgeschwindigkeit von Flüssigkeiten, deren Viskosität,
Dichte und Temperatur rasch wechseln.
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Von allen bekannten Strömungsmessern erscheint keiner geeignet, die
Strömungsgeschwindigkeiten solcher Flüssigkeiten zu messen, besonders wenn die Geschwindigkeiten
sehr niedrig und die Flüssigkeiten ziemlich viskos sind. Beispielsweise zeigen alle
Meßvorrichtungen, die auf Grund von Druckdifferenzen arbeiten, wie Blenden-, Kapillar-,
Düsen- oder Venturimeßvorrichtungen, eine ausgeprägte Abhängigkeit von der Viskosität
der Flüssigkeiten, ebenso auch Widerstandsmeßvorrichtungen. Andererseits können
Meßvorrichtungen vom Typ einer veränderlichen Durchflußöffnung, von Dichte und auch
Viskosität unabhängig gemacht werden, jedoch nur für kleine Veränderungen in dieser
letzten Eigenschaft. Eine solche Meßvorrichtung ist nicht geeignet, beispielsweise
die Strömungsgeschwindigkeit von Ölen bei verschiedenen Temperaturen zu messen,
wobei die Viskosität sich rasch um einen so hohen Faktor, wie 3 oder 4, verändern
kann.
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Unter den übrigen Typen von Meßvorrichtungen ist eine thermische
Meßvorrichtung, die auf dem Wärmeverlust eines in die strömende Flüssigkeit eingetauchten
Körpers beruht, an sich unabhängig von der Viskosität, tatsächlich jedoch nicht
wegen der Veränderung der Grenzschichtdicke mit der Viskosität. Sie ist darüber
hinaus ungeeignet für Flüssigkeiten, deren Temperatur sich in weiten Grenzen und
sehr rasch verändert. Ebenso sind Meßvorrichtungen vom Turbinentyp für kleine Strömungsgeschwindigkeiten
ungeeignet.
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Es ist ein Zweck der Erfindung, ein Verfahren zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit
einer Flüssigkeit vorzuschlagen, welches von Veränderungen in der Viskosität, Dichte
oder Temperatur der Flüssigkeit unabhängig ist. Ein weiterer Zweck ist, eine Vorrichtung
zur Messung und Regelung einer solchen Strömung vorzuschlagen. Weitere Zwecke ergeben
sich hiernach.
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Das erfindungsgemäße Verfahren besteht im wesentlichen darin, daß
man die strömende Flüssigkeit in zwei Ströme aufteilt, den einen dieser Ströme durch
eine erste Verengung leitet, den anderen Strom durch eine zweite Verengung leitet,
wobei sich beide Ströme in im wesentlichen identischen physikalischen Zuständen
befinden, den Fluß des ersten Stroms durch eine Pumpe mit konstantem Volumen regelt,
den Druckabfall über jede Verengung hinweg bestimmt und aus diesem Druckabfall die
Strömungsgeschwindigkeit des zweiten Stroms bestimmt.
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Es ist bekannt, daß die auf Volumen bezogene Strömungsgeschwindigkeit
einer Flüssigkeit durch eine Verengung im wesentlichen proportional dem Druckabfall
in der strömenden Flüssigkeit über die Verengung hinwegt ist, wenigstens im Fall
von stromlinienförmigem Fluß durch Röhren. Beispielsweise lautet die bekannte Hagen-Poiseuille-Gleichung
für den Fluß durch ein Rohr: e= ~,dP di 128 ,u 1 worin C die Strömungsgeschwindigkeit,
bezogen auf Volumen ist, zl P der Druckabfall, d der Durchmesser des Rohrs, 1 die
Länge des Rohrs und F die Viskosität der Flüssigkeit.
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Wenn eine strömende Flüssigkeit in zwei Ströme aufgeteilt und jeder
dieser Ströme unmittelbar in eine Verengung geleitet wird, können die Viskosität,
Dichte und Temperatur der Ströme leicht identisch
gehalten werden.
Man erhält also im Fall von röhrenförmigen Verengungen folgende Beziehungen: Q ~«7
IPld,4 128 ,u 11 128 2 1. und Q1 ~ d,4 l2 aP, Q, d2I1 1P2 Es sind heute Pumpen verfügbar,
welche ein sehr konstantes Volumen einer Flüssigkeit in einer bestimmten Zeit unabhängig
von Veränderungen der Viskosität und Temperatur der Flüssigkeit fördern können.
Wenn eine solche Pumpe verwendet wird, um das durch eine Verengung hindurchtretende
Flüssigkeitsvolumen zu regeln, kann etweder Q, oder Q festgelegt werden.
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Dann gilt e, =K (1) worin K eine nur von den Abmessungen der röhrenförmigen
Verengungen abhängige Konstante ist.
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Wenn Q durch eine ein konstantes Volumen fördernde Pumpe festgelegt
ist, sind die Werte der Strömungsgeschwindigkeit Q1 durch das Verhältnis der Druckabfälle
über die beiden Verengungen hinweg gegeben. Das ist die Grundlage des neuen erfindungsgemäßen
Verfahrens.
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Die für das erfindungsgemäße Verfahren verwendete Vorrichtung weist
im wesentlichen zwei Flüssigkeitsstromverengungen, eine Vorrichtung zur Teilung
des Flüssigkeitsstroms, mit der stromabwärts die Verengungen verbunden sind, eine
mit einer dieser Verengungen verbundene und ein konstantes Volumen fördernde Pumpe
und über jede der Verengungen hinweg angeschlossene Druckdifferenzmeßvorrichtungen
auf.
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Die zwei Strömungsverengungen können röhrenförmig sein, wie Kapillarröhren,
oder sie können Düsen, Lochblenden, Venturirohre od. dgl. sein. Im allgemeinen ist
es nur nötig, daß der Druckabfall von der Strömungsgeschwindigkeit in der durch
die Gleichung Q = X IP" = X1P" (2) angegebenen Weise abhängt, worin X alle Konstanten,
wie Dimensionen, und Varianten, wie Viskosität und Dichte, einschließt und n für
eine gegebene Verengung und einen bestimmten Typ der Flüssigkeitsströmung eine Konstante
ist. Beispielsweise ist für eine laminare Strömung durch ein Rohr n=l, und die Gleichung
(2) bedeutet, daß die Beziehung zwischen Q und J P keine additiven Glieder in P
enthalten darf, damit Q, und Q2 dividiert werden können.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat den besonderen Vorteil, daß
sie im Bereich der laminaren Strö-
mung verwendet werden kann, während viskositätskompensierte
Meßvorrichtungen mit veränderlicher Durchflußöffnung auf die Verwendung im Bereich
turbulenter Strömung beschränkt sind, wo die Anzeigen der Meßvorrichtung mit Bezug
auf die Strömungsgeschwindigkeit nicht linear sind.
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Die beiden Verengungen brauchen nicht identisch zu sein, jedoch ist
es notwendig, daß die Werte für n in Gleichung (2) für beide gleich sind. Wenn die
Verengungen nicht identisch sind, ist es erforderlich, die Vorrichtung zu eichen,
um die Konstante K in Gleichung (1) zu bestimmen. In einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung sind daher die Verengungen im wesentlichen identisch, und die Strömungsgeschwindigkeit
Q, kann direkt aus den Werten JPI gp' und dem bekannten Q2 berechnet werden, da
in diesem Fall K=l ist.
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Die Strömungsgeschwindigkeit Q.2 wird durch eine ein konstantes Volumen
fördernde Pumpe, welche von der Viskosität der ihr zugeführten Flüssigkeit unabhängig
ist, geregelt. Verschiedene solcher Pumpen sind im Handel verfügbar, jedoch wird
im allgemeinen eine solche vom Typ einer Präzisionszahnradpumpe bevorzugt. Die Pumpe
soll vorzugsweise an der stromabwärts liegenden Seite der Verengung, mit welcher
sie verbunden ist, angeordnet sein, da es wesentlich ist, daß die Flüssigkeit beide
Verengungen im gleichen physikalischen Zustand erreicht, und daher die Verengungen
so nahe wie möglich am Strömungsteiler angeordnet sein sollen. Wenn jedoch gewünscht
wird, die Pumpe an der stromaufwärts liegenden Seite der Verengung anzuordnen, kann
der Strom geteilt werden, ein Strom durch die Pumpe gemessen werden, und beide Ströme
können dann in einen im wesentlichen identischen physikalischen Zustand gebracht
werden, indem man sie durch in ein Temperaturausgleichsbad eingetauchte Schlangen
leitet.
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Die Druckdifferenzmeßvorrichtungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung
können sehr einfach sein, z. B. Flüssigkeitsmanometer, oder komplizierter, wie die
verschiedenen im Handel erhältlichen elektrischen oder pneumatischen Differentialdruckzellen,
welche in Abhängigkeit von der angelegten Druckdifferenz ein Signal geben. Im ersten
Fall kann die gewünschte Strömungsgeschwindigkeit berechnet werden, während es im
letzteren Fall zweckmäßig ist, die von den Übermittlungsvorrichtungen kommenden
Signale automatisch und kontinuierlich zu dividieren und die geforderte Strömungsgeschwindigkeit
auf einer Schreibeinrichtung anzuzeigen.
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Eine weitere Abwandlung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann sie
als Strömungsregelungsvorrichtung verwendbar machen. Die Ausgangsleistung der Sigualdivisionseinrichtung
ist eine direkte Funktion der Strömungsgeschwindigkeit und kann daher verwendet
werden, um den Fluß durch die zweite Verengung mittels bekannter Rückkoppelungsvorrichtungen
zu regeln. Beispielsweise kann die Strömungsgeschwindigkeit auf einen vorgegebenen,
jedoch veränderbaren Wert geregelt werden, indem man in den die zweite Verengung
verlassenden Strom ein Ventil mit veränderlichem Diaphragma einschaltet und das
Ventil durch die Ausgangsleistung der Signaldivisionseinrichtung regelt.
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Die Erfindung wird weiter erläutert mit Bezug auf die Zeichnung.
Diese ist eine schematische Darstellung
einer Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die Erfindung ist jedoch selbstverständlich nicht
darauf beschränkt, insbesondere hinsichtlich der Art der Verengung und der Druckdifferenzmeßvorrichtungen.
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In der Zeichnung stellt 1 eine Ölverteilungsleitung dar, von welcher
Öl bei 2 abgenommen und zu einem Stromteiler 3 geleitet wird. Von da treten die
beiden Ströme durch die Kapillarföhren 4 und 5, wonach der eine Strom durch eine
ein konstantes Volumen fördernde Pumpe 6 und zurück zur Verteilungsleitung 1 verläuft.
Der andere Strom, dessen Strömungsgeschwindigkeit gemessen werden soll, läuft dann
weiter zu seinem Verwendungsort.
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Die Druckdifferenzen über die Kapillarröhren 4 und 5 hinweg werden
durch zwei Differentialdruckübertragungseinrichtungen 7 und 8 vermittels des Öldrucks
durch die Rohre 9 und 10 bzw. 11 und 12 festgestellt.
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Die Signale von den Übertragungseinrichtungen 7 und 8 werden durch
eine pneumatische Divisionsvorrichtung 13 dividiert, und das Ergebnis wird von einem
Schreiber 14 festgehalten. Das erhaltene Ergebnis ist proportional dem Fluß durch
das Kapillarrohr 5; wenn die Kapillarrohre 4 und 5 im wesentlichen identisch sind,
ist der Proportionalitätsfaktor die bekannte Fördergeschwindigkeit der Pumpe 6.
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Wenn die Divisionseinrichtung 13 und der Schreiber 14 pneumatisch
und der die Pumpe 6 antreibende Motor explosionsgeschützt sind, ist der Strömungsmesser
für Verwendung in explosiven Atmosphären geeignet.
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Das Signal von der Divisionsvorrichtung 13 kann durch das Rohr 15
zu einem an der stromabwärts gelegenen Seite des Rohrs 5 angeordneten, pneumatisch
geregelten Diaphragmaventil 16 geleitet werden, um den Fluß der Flüssigkeit zu einem
Verwendungsort auf einen konstanten einstellbaren Wert zu regeln.
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Das folgende Beispiel erläutert die Erfindung, wenn sie zur Messung
der Katalysatorversorgung bei 22ithylenpolymerisationsbehältern verwendet wird,
wobei der Katalysator ein in Lösung in Paraffinöl verwendetes Peroxyd ist. Dieses
Beispiel soll die Erfindung keinesfalls begrenzen, da die erfindungsgemäßen Verfahren
und Vorrichtung beide ganz allgemein zum Messen und Regeln von Flüssigkeitsströmen,
insbesondere unter den oben beschriebenen schwierigen Bedingungen, verwendet werden
können.
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Beispiel In einer Vorrichtung ähnlich der in der Zeichnung gezeigten
hatten die Kapillarrohre 4 und 5 Innendurchmesser von 0,356 cm und Längen von 25,4
cm.
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Die Pumpe 6 war eine Zahnradpumpe, die mit 570 Umdr./Min. angetrieben
wurde.
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Die Viskosität des Paraffinöls veränderte sich mit der Temperatur,
wie in Tabelle I angegeben.
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Tabelle I
| TO C u ke (Poise) |
| 25 1,52 |
| 35 0,82 |
| 45 0,47 |
| 55 0,34 |
Der Durchsatz der Pumpe 6 war über einen ähnlichen Bereich bemerkenswert konstant,
wie in Tabelle II angegeben.
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Tabelle II
| TO C Durchsatzzeit für 1000 ccm (Minuten) |
| 20,0 1,381 |
| 34,5 1,388 |
| 39,5 1,388 |
| 44,0 1,383 |
| 48,5 1,381 |
In Tabelle III sind die bei einer Eichung der Skala des pneumatischen Schreibers
bei 320 C erhaltenen Ergebnisse aufgeführt. Die Ergebnisse sind für den tatsächlichen
Fluß gegenüber der Skalaanzeige bei 32, 40 und 500 C angegeben. Wie ersichtlich,
beträgt der Fehler weniger als 3°/o der ganzen Skala (45,461/Std.) für eine Veränderung
der Viskosität um ungefähr den Faktor 3.
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Tabelle III
| Gemessene Strömungsgeschwindigkeit |
| Skalaanzeige (45, 461/Std. |
| (45, 461/Std) |
| 320 C zu 400 C t 500 C |
| 1,0 1,00 0,90 0,88 |
| 3,0 2,94 2,79 2,72 |
| 5,0 5,01 4,89 4,77 |
| 7,0 6,98 6,98 6,76 |
| 9,0 1 9,17 9,06 8,74 |