DE1297881B - Empfindlicher Stroemungsmesser mit kleinem Druckverlust fuer Gase - Google Patents

Empfindlicher Stroemungsmesser mit kleinem Druckverlust fuer Gase

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DE1297881B DE1965B0084389 DEB0084389A DE1297881B DE 1297881 B DE1297881 B DE 1297881B DE 1965B0084389 DE1965B0084389 DE 1965B0084389 DE B0084389 A DEB0084389 A DE B0084389A DE 1297881 B DE1297881 B DE 1297881B
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01FMEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/05Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using mechanical effects
    • G01F1/20Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using mechanical effects by detection of dynamic effects of the flow
    • G01F1/28Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using mechanical effects by detection of dynamic effects of the flow by drag-force, e.g. vane type or impact flowmeter

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Description

  • Das Messen von kleinen Gasmengen (z. B. weniger als 1 imin) bereitet gewisse Schwierigkeiten, wenn zeitlich aufwendige integrierende Verfahren, z. B. mittels Gasometer, vermieden werden sollen. Bekannt sind Strömungsmesser, bei denen ein sogenannter Schwebekörper innerhalb eines konisch ausgeschliffenen, vertikal angeordneten Rohres von dem von unten eintretenden Gasstrom in der Schwebe gehalten wird. Die Schwebehöhe ist dabei der pro Zeiteinheit durchtretenden Gasmenge proportional. Bei diesem Prinzip liegt die untere Meßgrenze bei etwa 0,2 21ph, und der Druckverlust beträgt etwa 50 mm Wassersäule.
  • Andere Strömungsmesser arbeiten nach dem Stauplattenprinzip, bei dem die mechanische Auslenkung einer angeströmten Platte bzw. eines Kegels der pro Zeiteinheit durchströmenden = Gasmenge proportional ist. Die erreichbare Empfindlichkeit ist dabei weit geringer als bei dem erstgenannten Prinzip.
  • Bekannt sind auch die sogenannten »thermischen Strömungsmesser«, bei denen der elektrische Widerstand eines vom Gasstrom temperierten Fühlelementes ein Maß für die pro Zeiteinheit durchströmende Gasmenge darstellt. Diese Geräte sind nur bedingt eichfähig, da die verwendeten Fühlelemente, meist auf Halbleiterbasis, Alterungserscheinungen unterliegen.
  • Bekannt sind weiterhin sogenannte Quarzfaden-Elektrometer, wie sie in Taschendosimetern zur Messung einer der Strahlendosis proportionalen Spannung Verwendung finden. Bei ihnen ermöglichen die nahezu idealen elastischen Eigenschaften der Quarzfäden eine hohe Isangzeitkonstanz und Reproduzierbarkeit der Anzeige.
  • Bekannt sind weiterhin Quarzfadenmanometer.
  • Aus dem zeitlichen Amplitudenverlauf schwingender Quarzfäden lassen sich Gasdrücke bis herab zu etwa 1 10-4 Torr messen.
  • Bekannt sind weiterhin verschiedene Methoden zum Überziehen von Glas- oder Quarzfäden mit einer elektrisch leitenden Schicht. Das Aufbringen von metallischen Überzügen durch Aufdampfen im Hochvakuum bzw. durch Kathodenzerstäubung in definierter Gasatmosphäre ist bereits lange bekannt. Nach einem vorgeschlagenen Verfahren kann ein halbleitender Zinnoxyd-Oberzug in einem temperierten Gasstrom unter normalem Atmosphärendruck auf feine Fäden (z. B. 3 llm Durchmesser) kontinuierlich aufgetragen werden.
  • Bekannt sind weiterhin sogenannte Nachlaufregler, bei denen der Istwert fotoelektrisch ermittelt wird.
  • Im Zusammenhang mit den Entwicklungsarbeiten für das obengenannte Verfahren zum Überziehen von Glas- oder Quarzfäden mit einer halbleitenden Schicht ergab sich das Problem, sehr kleine Gasmengen von der Größenordnung cm3/min bei einem sehr kleinen Druckverlust zu messen.
  • Diese Aufgabe wurde erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß als bewegliches Element ein dünner Quarz- oder Glasfaden verwendet wird, der durch die Gasströmung eine elastische Verformung erfährt. Für die Ablesung des Meßeffektes ist es zweckmäßig, den Glas- oder Quarzfaden zu einer U-förmigen Schlinge zu biegen und an den Schlingenfußpunkten zu befestigen. Eine senkrecht zur Schlingenebene verlaufende Strömung verbiegt die Fadenschlinge, und die Auslenkung des Schlingenscheitels kann als Meßeffekt beobachtet werden. Zur Erhöhung der Emp- findlichkeit ist es vorteilhaft, die Fadenschlinge nur im Bereich ihrer größten Empfindlichkeit, d. h. in der Scheitelgegend vom Gasstrom treffen zu lassen.
  • Eine weitere Empfindlichkeitssteigerung wird erreicht, wenn die Scheitelpartie der Fadenschlinge sich vor einer Düsenöffnung befindet, deren Querschnitt dem Fadenverlauf angepaßt ist. Das ist in erster Näherung bei einer schlitzförmigen Düse der Fall, deren Längsachse parallel zum Schlingenscheitel verläuft. Eine noch bessere Ausnutzung des Gasstromes wird erreicht, wenn der Düsenquerschnitt der Schlingenkrümmung angepaßt wird (s. das Ausführungsbeispiel).
  • Glas und Quarz sind elektrisch gut isolierende Materialien. Dadurch besteht die Gefahr, daß sich vom Gasstrom mitgeführte Staubteilchen bei einer elektrostatischen Aufladung der Fadenschlinge bevorzugt auf dieser absetzen und dadurch den Strömungswiderstand des Fadens verändern. Es ist daher vorteilhaft, die Fadenschlinge mit einer elektrisch leitenden dünnen Schicht, z. B. Zinnoxyd, zu überziehen, die eine statissche Aufladung vermeidet.
  • Bringt män - den beweglichen Faden oder die Fadenschlinge in einem Meßgehäuse so zwischen zwei gegenüberliegenden Glasfenstern an, daß die durch die Strömung verursachte, Auslenkung im wesentlichen parallel zu den Fensterflächen verläuft, dann kann- - durch Projektion des Fadens bzw. des:Schlingenscheitels auf eine geeignete'Skala eine bEqueme Beobachtung des Meßwertes ermöglicht werden. Bei geringen Ansprüchen''an die Bequemlichkeit kann die Beobachtung durch die Fenster auch mit Hilfe eines Mikroskops mit eingebauter Okularskjala erfolgen.
  • Bei einem Einsatz des Strömungsmessers in der Verfahrenstechnik genügt es meist nicht, den Meßwert (Scheitelauslenkung) visuell zu erfassen Es ist vielmehr erforderlich, ein dem Meßwert proportionales elektrisches Signal zu bilden. Für den einfachen Fall einer Eine und Aus-Regelung kann es bereits vorteilhaft sein, in der Bildebene der Projektionseinrichtung eine Photodfode - oder ein anderes photo elektrisches Bauelement - anzubringen, die beim Oberfahrenwerden vom Fadenbild ein elektrisches Signal abgibt. Ist mit einer schnellen Veränderung des Meßwertes zu rechnen, dann sind zwei Photodioden zur Richtungskontrolle erforderlich.
  • Werden höhere Ansprüche an die Regelung gestellt, oder ist eine Fernübertragung des Meßwertes erforderlich, dann kommen vorteilhafterweise drei Photodioden zur Anwendung, die gemeinsam auf einem sogenannten Schlitten montiert sind und von einer Nachlaufregelung so in der Bildebene senkrecht zum Fadenbild bewegt werden, daß das Fadenbild stets die mittlere Diode bedeckt.
  • Einem mit dem Stellmotor gekuppelten Potentiometer kann z. B. eine dem Meßwert proportionale Spannung entnommen werden. Wird an einer geeigneten Stelle der Strahlengang der Projektionseinrichtung periodisch unterbrochen, dann arbeitet eine solche Regelung unabhängig von eventuellem Fremdlicht, und eine wechselstrommäßige Verarbeitung der elektrischen Signale ist möglich.
  • Soll außer der pro Zeiteinheit durchströmenden Gasmenge auch noch die Gesamtmenge erfaßt werden, dann kann die Nachlaufregelung dafür eingesetzt werden. Es ist dann nur noch notwendig, an die Regelung ein Stellgied anzuschließen, das eine dem Meßwert proportionale Geschwindigkeit (Drehzahl) abgibt, mit der ein Zählwerk betrieben wird.
  • Ab b. 1 und 2 zeigen eine mögliche Ausführungsform des Meßsystems in zwei zueinander senkrechten Schnitten.
  • Das zylindrische Meßgehäuse 1 ist mit den Fenstern 2 und 3 versehen. Die beiden exzentrisch ineinander gepaßten Teile 4 und 5 bilden gemeinsam den sogenannten Düseneinsatz mit der Düsenöffnung 6.
  • Am Teil 5 ist ein Blechteil 7 befestigt, das die Drahtstücke 8 trägt. An diesen Drahtstücken ist mit ihren Fußpunkten die Fadenschlinge 9 befestigt. Die Fadenschlinge ist so justiert, daß sich ihr Scheitel vor der Düsenöffnung 6 befindet. Ein durch die Bohrung im Verschlußstopfen 10 eintretender Gasstrom nimmt seinen Weg durch die in den Teilen 4 und 5 vorhandenen Bohrungen 11 und 12 trifft aus der Düsenöffnung austretend die Fadenschlinge, die z. B. in die gestrichelt eingezeichnete Position ausgelenkt wird. Der Gasstrom verläßt durch die Öffnung 13 das Meßgehäuse. Mit dieser Ausführungsform wurde eine untere Meßgrenze von 0,05 l/h bei einem Druckverbrauch von nur etwa 1 mm Ws erreicht.
  • A b b. 3 zeigt eine schematische Zusammenstellung der für eine selbsttätige Nachlaufregelung mit Meßwertübertragung und Zählwerk erforderlichen Elemente. Der in das Meßgehäuse 14 eintretende Gasstrom verursacht eine Auslenkung der Fadenschlinge 15. Das Bild 16 der Fadenschlinge wird mittels Lampe 17, Kondensator 18 und Optik 19 auf die Skala 20 projiziert. Die Skala ist mit einem Längsschlitz 21 versehen, hinter dem die zu einer Einheit zusammengebauten Photodioden 22 in Schlitzrichtung verschiebbar angeordnet sind. Die von den Photodioden ausgehenden elektrischen Signale werden dem Nachlaufregler 23 zugeleitet. Dieser veranlaßt über den Stellmotor 24 eine Verschiebung der Diodeneinheit, so daß innerhalb des Meßbereiches stets das Fadenbild die mittlere Diode abdeckt. Zur Fernübertragung des Meßwertes kann beispielsweise ein mit dem Stellmotor gekuppeltes Potentiometer 25 dienen. Das an die Regelung ebenfalls angeschlossene Zählwerk 26 zählt mit einer dem Meßwert proportionalen Geschwindigkeit die insgesamt durchströmende Gasmenge.
  • Zur Erweiterung des Meßbereiches dient das Ventil 27, das im geöffneten Zustand die Umwegleitung 28 freigibt, so daß nur ein definierter Teilstrom das Meßgehäuse durchströmt. Falls erforderlich, kann die Meßbereichsumschaltung, d. h. die Ventilbetätigung durch den Regler erfolgen.
  • Für die Verarbeitung der von den Photodioden ausgehenden elektrischen Signale durch den Regler ist es vorteilhaft, den Lichtstrahl an einer geeigneten Stelle periodisch zu unterbrechen. Das geschieht mit der von dem Synchronmotor 29 angetriebenen Lochscheibe 30.

Claims (13)

  1. Patentansprüche: 1. Empfindlicher Strömungsmesser für Gase, dadurch gekennzeichnet, daß als bewegliches Element ein dünner Quarz- oder Glas- faden verwendet wird, der durch die Gasströmung eine elastische Verformung erfährt.
  2. 2. Strömungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Quarz- oder Glasfaden zu einer U-förmigen, ebenen Schlinge gebogen ist und an den Schlingenfußpunkten befestigt wird.
  3. 3. Strömungsmesser nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ebene der Fadenschlinge senkrecht oder annähernd senkrecht zu der Strömungsrichtung ausgerichtet ist.
  4. 4. Strömungsmesser nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Fadenschlinge vor einer die Gasströmung führenden Düse so angebracht ist, daß nur der Bereich des Schlingenscheitels von dem Gasstrom getroffen wird.
  5. 5. Strömungsmesser nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse einen schlitzförmigen Querschnitt hat, dessen Längsachse parallel zum Schlingenscheitel ausgerichtet ist.
  6. 6. Strömungsmesser nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Düsenquerschnitt im Bereich des Schlingenscheitels entsprechend dem Fadenverlauf gekrümmt ist.
  7. 7. Strömungsmesser nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Glas- oder Quarzfaden oberflächlich leitend ist.
  8. 8. Strömungsmesser nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Fadenschlinge so in einem mit zwei gegenüberliegenden, Fenstern versehenen Gehäuse eingebaut ist, daß eine Projektion des Schlingenscheitels oder seine Beobachtung mit Hilfe eines Mikroskops möglich ist.
  9. 9. Strömungsmesser nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die in den Strahlengang der Projektionseinrichtung eine oder mehrere phootelektrische Bauelemente angebracht sind, die beim Überfahrenwerden vom Fadenbild Schaltvorgänge auslösen.
  10. 10. Strömungsmesser nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei photoelektrische Bauelemente in der Bildebene des Schlingenscheitels gemeinsam von einer Nachlaufregelung so bewegt werden, daß das Fadenbild sich stets zwischen diesen photoelektrischen Elementen befindet.
  11. 11. Strömungsmesser nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlengang der Projektionseinrichtung an einer geeigneten Stelle periodisch unterbrochen wird, so daß der von den photoelektrischen Bauelementen gelieferte elektrische Wert unabhängig vom eventuellen Fremdlicht (Raumbeleuchtung) ist und wechselstrommäßig verstärkt werden kann.
  12. 12. Strömungsmesser nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß vermittels der Nachlaufregelung ein Stellglied (Zählerantrieb) eine der Fadenauslenkung proportionale Geschwindigkeit erfährt und dadurch eine integrierende Messung ermöglicht.
  13. 13. Strömungsmesser nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßsystem mit einer Umwegleitung verbunden ist, die mit Hilfe eines Ventils zu öffnen oder zu schließen ist.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2802830A1 (de) 1978-01-23 1979-07-26 Gerhard Dr Ing Mueller Fluid-stroemungsmesser
DE3224336A1 (de) * 1982-06-30 1984-01-05 Audi Nsu Auto Union Ag, 7107 Neckarsulm Durchflussmesseinrichtung

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DE2802830A1 (de) 1978-01-23 1979-07-26 Gerhard Dr Ing Mueller Fluid-stroemungsmesser
DE3224336A1 (de) * 1982-06-30 1984-01-05 Audi Nsu Auto Union Ag, 7107 Neckarsulm Durchflussmesseinrichtung

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