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Verfahren zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit eines elektrisch
nicht-leitenden Strömungsmittels Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren zum Messen
der Strömungsgesohwindigkei t eines elektrisch nicht-leitenden Strömungsmittels,
welches eine Rohrleitung aus elektrisch isolierendem Material unter dem Einfluß
eines Wechselmagnetfeldes, das quer zur Strömungsrichtung ausgerichtet ist, durchströmt.
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Es ist bereits vorgeschlagen worden, einen Strömungsmesser vorzusehen,
bei dem Pol stücke oder -schuhe außerhalb einer das strömende Material führenden
Rohrleitung angeordnet sind, um das Material so ZU ionisieren, daß ein Potentialgradient
an dem Strömungsquerschnitt geschaffen wird und Kontakte an Punkten unterschiedlichen
Potentials eingeführt werden. Ein Alternativbetrieb dieser Vorrichtung ist auch
vorgeschlagen
worden, bei welchem die Platten als Kondensator wirken,
aber in diesem Falle war es vorgeschlagen worden, die Platten außerhalb der Rohrleitung
anzuordnen, welche aus Isoliermaterial hergestellt war. Bei einer derartigen Anordnung
ist es unwahrscheinlich, daß die feldstärke des Magnetfeldes genügend groß gemacht
wird, um ein erkennbares Signal zu erzeugen, wenn nicht die dohrleitung außerordentlich
groß hergestellt wird.
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Demzufolge wird dieser Nachteil durch Anordnen der Polstücke außerhalb
der Rohrleitung und der Platten in der Hohrleitung gemindert.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist zu diesem Zweck dadurch gekennzeichnet,
daß das Strömungsmittel zwischen einem Paar von Platten oer Belägen durchgeleitet
wird, die in Ebenen parallel zum eld und innerhalb der Leitung mit Abstand voneinander
angeordnet sind, und daij die Oberfläche der Platten und die Feldstärke so groß
bemessen werden, daß die infolge der Orientierung der Dipole im Strömungsmittel
erzeugte EMK zu messen ist.
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Es kann gezeigt werden, daß der äquivalente Stromkreis, der so entsteht,
die in Fig. 1 gezeigte Form aufweist, bei welcher C1 die Kapazität der Kondensatorbeläge
im Vakuum ist und näherungsweise durch die weichung bestimmt wird:
worin #c die Leitfähigkeit im freien Raum ist, A die Belagfläche in Quadratmetern
und d der Belagabstand in Metern ist.
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Wenn mit Cm die Kapazität bezeichnet wird, die vom Material herrührt,
dessen Strömungswert gemessen werden soll, so ist dieser näherungsweise gegeben
durch
worin die Relativleitfähigkeit des Materials ist.
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Falls das zur Anwendung gebrachte Feld durch B sin # t auagedrückt
werden kann, so ist die Ausgangsspannung Vo gegeben durch
worin p das Widerstandsvermögen in Ohm-Metern und v die mittlere
Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit in Metern pro Sekunde ist, während B die
magnetische Plußdichte in Gauss pro Quadratmeter ist.
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Wenn das Widerstandsvermögen (spezifischer Widerstand) der Flüssigkeit
groß ist, dann wird daraus
was für eine gegebene Flüssigkeit proportional V, der Strömungsgeschwindigkeit,
ist.
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Die Spannung VO kann mittels einer Hochimpedanz-Spannungsmesseinrichtung,
wie beispielsweise eines Elektronenverstärkers, festgestellt oder gemessen werden,
wobei das einzige Erfordernis darin besteht, daß die Eingangsimpedanz groß ist im
Vergleich zu derjenigen von C' bei der Betriebsfrequenz.
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Eine Alternativ-Betriebsmethode läuft darauf hinaus, parallel zu
C' eine Strommessvorrichtung zu schalten, deren Impedanz sehr viel kleiner als diejenige
von C'ist. In diesem Falle ergibt sich der Strom 1 aus der Formel (1) wie folgt
AVB
(3) I = sin # t - AVB##o (#r - 1) cos # t.
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# Durch Verwendung einer auf Phasenverschiebung ansprechenden Messvorrichtung
ist es möglich, die Sinuskomponente von I zu unterdrücken, wodurch man wiederum
einen Ausdruck proportional V erhält.
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Wie sich aus der Zeichnung ergibt, zeigt diese im Querschnitt einen
Stutzen oder eine Rohrleitung I, welcher bzw. welche sich in Achsrichtung in einer
Ebene senkrecht zur Papierebene erstreckt und eine Wandung 1a aufweist, die aus
nicht-leitendem Material besteht. An zwei diametral gegenüberliegenden Stellen wird
die Wandung 1a durch isolierte Leiter 2, 3 gequert, welche Jeweils Kondensatorplatten
oder -beläge 4, 5 tragen, die ihrerseits die elektrisch stromleitenden Elemente
eines Kondensators bilden. Die Platten 4, 5 erstrecken sich mit Abstand axial zur
Leitung I. Ein geeigneter Detektor D, beispielsweise ein solcher, welcher einen
Slektrometer-ohr-Eingangs-Verstärker aufweist und gegebenenfalls aufPhasenverschiebung
ansprechende Prüfsteuerkreise aufweist, ist parallel zu den Leitern 2, 3 geschaltet.
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Ein magnetisches Wechselfeld quer zu den Platten 4, 5 und zur dohrleitungsachae
kann mittels eines Elektromagneten 6 erzeugt werden, welcher eine Wicklung 7 auf
dem
Joch 8 trägt, an welchem die beiden Polschuhe 9 sitzen, und
zwar je einer auf jeder Seitenwandung der bohrleitung an Stellen, welche um 900
zu den Platten 4, 5 versetzt sind.
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Die Polschuhe 9 erstrecken sich in Achsrichtung der Rohrleitung über
einen Abstand hinweg, der im wesentlichen dem axialen Abstand der Platten 4, 5 gleichkommt.
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Das nicht-leitende Strömungsmittel, dessen Strömungsgeschwindigkeit
gemessen werden 9011, wird durch die Rohrleitung hindurchgeschickt, während die
Wicklung 7 dadurch erregt wird, daß sie an eine Wechselstromquelle angelegt wird.
Ein magnetisches Wechselfeld wird zwischen den Polschuhen 9 erzeugt, während die
Dipol-Ausrichtung im Strömungsmittel eine Potentialdifferenz zwischen den Platten
4, 5 erzeugt, welche vom Detektor (D) angezeigt wird.
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Bei dem einen Ausführungsbeispiel der Erfindung wurde ein magnetisches
Wechselfeld zu 50 Hertz mit einer Scheitel-Magnetflufddichte von etwa 1 Weber/qm
bzw. Gauss zur Anwendung gebracht. Ein Ölstrom, der ein Widerstandsvermögen bzw.
einen Widerstand von 1,5 x 1O10 Ohm-Meter hatte, wurde durch ein Glasrohr mit rechtwinkligem
Querschnitt mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 5 Meter pro Sekunde hindurchgeschickt.
Die Abmessungen der Kupferplatten betrugen 0,00635 Meter in Längsrichtung und 0,025
Meter in der Breite, so daß C' gleich 0,4 /u/uF betrug, während Cm gleich 1,0 /u/uF
war. Eine EMK von 20 mV
wurde an den Platten gemessen, wenn ihr
Abstand 2 cm betrug, Die Dielektrizitätskonstante des Öls war gleich etwa 2,5.
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Eine Abänderung der Erfindung kann darin bestehen, daß man ein konstantes
magnetisches Feld verwendet, welches eine Gleichstrom-EMK erzeugt, wobei eine pulsierende
elektrische Entladungaströmung dadurchghalten wird, daß man in Reihe mit den Zlektrodenplatten
einen variablen Kondensator schaltet, dessen Kapazität verändert wird. Der elektrische
Lade- oder Entladungsstrom kann in beliebiger Weise gemessen werden, wobei jedoch
Vorkehrung dafür getroffen werden muß, daß die Ladungsverteilung bzw. Feldverteilung,
die sich aus Leck-oder Streuströmen ergibt, durch Reduzierung des Magnetfeldes auf
Null wiederhergestellt wird und daß die Steuerkreis-Kapazitäten in Intervallen entladen
werden.
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Das vorgeschlagene Gerät hat einen besonderen Wert dort, wo eine
Messung zur Sicherheit gegen Versagen einer Strömung von nicht-stromleitenden Materialien
gefordert wird.
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Beim vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel sind die Kondensatorplatten
4, 5 innerhalb der Rohrleitung angeordnet.
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Selbstverständlich können dann, wenn die Rohrleitungswandung la aus
elektrisch nicht-stromleitendem Material besteht, die Platten auch außerhalb der
Rohrleitung angeordnet werden, wobei dann der Wert von C und Cm durch die Kapazität
modifiziert
werden muß, die durch die Rohrleitungswandung eingebracht
wird.
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Patentansprüche