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Die Erfindung betrifft ein Strömungsmeßgerät mit einem weiten Meßbereich
zur Messung einer Strömung eines fließfähigen Mediums durch eine Leitung mit zwei
einen Differenzdruck erzeugenden, primären Meßelementen, wobei das erste primäre
Meßelement bei einer bestimmten Strömungsgeschwindigkeit eine größere Druckdifferenz
erzeugt als das zweite Meßelement, mit einem sekundären Meßelement, mit einem einzigen
Druckübertrager und mit einem durch diesen betätigten Ableseinstrument sowie mit
einer durch das sekundäre Meßelement betätigten Steuerung, um das erste primäre
Meßelement aktiv und inaktiv zu machen und zur wahlweisen Verbindung der Druckanschlüsse
der beiden primären Meßelemente mit dem Druckübertrager.
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Ein derartiges Strömungsmeßgerät ist als Venturimeßanordnung in der
deutschen Patentschrift 416 798 beschrieben. Hier befinden sich die beiden primären
Meßelemente in parallelen Zweigen der Strömungsleitung. Ein Nachteil des bekannten
Gerätes liegt darin, daß parallele Zweige einer Strömungsleitung sowie eine getrennte
Auswahlvorrichtung oder ein Umschaltventil benötigt werden, was die Herstellung
des Meßgerätes erheblich verteuert. Ein weiterer Nachteil ist darin zu sehen, daß
die von dem Meßgerät abgegebenen Meßdaten von der Steuerung abhängig sind, d. h.
welches primäre Meßelement eingeschaltet ist und welche Druckanschlüsse mit dem
sekundären Meßelement verbunden sind. Bei diesem Meßgerät wird jedoch kein Haltegerät
verwendet, das sicherstellt, daß der eingeschaltete Teil auch unmittelbar nach dem
Umschalten eingeschaltet bleibt. Daher wird die Meßanordnung instabil, da die durch
die beiden primären Meßelemente erzeugten Druckdifferenzen bei einer bestimmten
Strömungsgeschwindigkeit voneinander ganz verschieden sind und beispielsweise 10:1
und 100:1 sein können. Da diese Druckdifferenzen das Umschaltventil verschieben,
um die Druckanschlüsse des ersten bzw. des zweiten primären Meßelementes auf das
sekundäre Meßelement zu schalten, kann im Umschaltbereich der Druckdifferenzen ein
unerwünschtes Schwingen des Umschaltventils eintreten.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es nunmehr ein Strömungsmeßgerät mit
einem weiten Meßbereich zu schaffen, das relativ einfach aufgebaut und billig herzustellen
ist und bei dem vermieden ist, daß im Umschaltbereich von einem Meßbereich auf einen
anderen Meßbereich eine Instabilität auftritt.
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Die Lösung der Erfindungsaufgabe besteht darin, daß das erste primäre
Meßelement aus einer in der Leitung in Strömungsrichtung oberhalb des zweiten primären
Meßelementes angeordneten Drosselklappe mit einem drehbaren Flügel besteht, die
eine Meßöffnung hat, und daß die Steuerung einen Mechanismus hat, der sicherstellt,
daß die Drosselklappe immer dann offen und die Druckanschlüsse des zweiten primären
Meßelementes mit dem Druckübertrager immer dann verbunden bleiben, wenn die Strömungsgeschwindigkeit
zwischen einem ersten vorbestimmten Wert und einem maximalen Wert liegt, und der
sicherstellt, daß die Drosselklappe immer dann geschlossen bleibt und die Druckanschlüsse
des ersten primären Meßelementes mit dem Druckübertrager immer dann verbunden bleiben,
wenn die Strömungsgeschwindigkeit zwischen einem zweiten vorbestimmten Wert und
einem minimalen Wert liegt.
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Durch die Erfindung ist in vorteilhafter Weise er-
reicht, daß in
einer einzigen Strömungsleitung zwei primäre Meßelemente so angeordnet sind, daß
das eine Meßelement, wenn es in Betrieb ist, von dem anderen nicht durch erzeugte
Turbulenzen des strömenden Mediums gestört wird. Die Anordnung von einfachen Meßelementen
in einem einzigen Strömungsrohr ermöglicht ein einfach aufgebautes, mit geringen
Kosten herstellbares Strömungsmeßgerät. Die Steuerung des erfindungsgemäßen Meßgerätes
verhindert durch die Verzögerungszeit eines Relais ein Schwingen des Steuerkreises
beim Umschalten und damit ein Schwingen der Drosselklappe. Der geschaltete Zustand
wird dann so lange beibehalten, bis die Strömungsgeschwindigkeitsänderung eine Veränderung
des Betriebszustandes ausreichend rechtfertigt.
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In einer vorteilhaften Ausführung des Strömungsmeßgerätes der Erfindung
ist die erste vorbestimmte Strömungsgeschwindigkeit höher als die zweite vorbestimmte
Strömungsgeschwindigkeit.
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Bei einer anderen vorteilhaften Ausbildung des Strömungsmeßgerätes
der Erfindung ist die durch das zweite primäre Meßelement bei der maximalen Strömungsgeschwindigkeit
erzeugte Druckdifferenz gleich groß wie die durch das erste primäre Meßelement bei
der ersten vorbestimmten Strömungsgeschwindigkeit erzeugte Druckdifferenz.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausbildung des Strömungsmeßgerätes
der Erfindung ist die durch das zweite primäre Meßelement bei der zweiten vorbestimmten
Strömungsgeschwindigkeit erzeugte Druckdifferenz geringfügig kleiner als die dadurch
das erste primäre Meßelement bei der minimalen Strömungsgeschwindigkeit erzeugte
Druckdifferenz.
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Die Zeichnung zeigt in der einzigen Figur eine schematische Darstellung
eines Ausführungsbeispieles der Erfindung.
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Das Strömungsmeßgerät der Erfindung mißt die Durchflußmenge, die
durch ein Rohr 1 hindurchgeht und hat zwei im Rohr befindliche primäre Meßelemente
2 und 3 und ein sekundäres Meßelement 4, das einen einzigen Druckwandler 5, ein
Aufzeichnungsgerät 6 und eine Schreib einrichtung 7 für große Durchflußmengen enthält.
Das primäre Meßelement 2 für kleine Durchflußmengen enthält eine Meßblende 8, die
in einem Fluß durchlaß befestigt ist, der durch eine Drosselklappe 9 mit einem drehbaren
Flügel geht und zwei Druckanschlüsse 2a und2b hat. Die Meßblende 8 wird automatisch
als Abtastelement wirksam oder unwirksam, wenn die Drosselklappe geschlossen bzw.
geöffnet ist. Der Flügel der Drosselklappe 9 ist so ausgebildet, daß er eng an seinem
Gummisitz 11 anliegt, wodurch eine Umgehung der Meßblende 8 verhindert wird, wenn
die Klappe geschlossen ist. Dadurch wird eine genaue Durchflußmessung sichergestellt,
wenn auch bei dem primären Meßelement 2 gewöhnlich eine dünnwandige Meßblende mit
äußerst niedrigen Reynoldschen Zahlen verwendet wird, kann man eine bessere Genauigkeit
dadurch erreichen, daß man eine quadratische Meßblende oder ein Schlag-Jorissen-Durchtlußrohr
verwendet. Das primäre Meßelement 3 enthält einen Differenzdruckerzeuger, der sehr
wirkungsvoll ist, d. h., der geringe Druckverluste bei großen Durchflußmengen hat,
sowie zwei Druckanzapfungen3a und 3b. Der dargestellte Differenzdruckerzeuger ist
ein besonderes Venturirohr, das als Dallrohr bekannt ist. Andere geeignete Vorrichtungen
sind das bekannte Venturirohr, die Durchitußdüse und die dünnwandige Meßblende.
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Die Drosselklappe 9 kann durch irgendeinen der bekannten Antriebe
für Klappen betätigt werden. Der in der Zeichnung dargestellte Antrieb wird hydraulisch
betätigt, und er enthält einen doppeltwirkenden Zylinder 12 und einen gerichteten
Vierwegeschieber 13.
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Der Vierwegeschieberl3 enthält eine Einlaßöffnung 13 a, der von dem
Rohr 1 über die Leitungen 14 und 15 Strömungsmittel zugeführt werden, und eine Auslaßöffnung
13b, die mit einem Ablaß verbunden ist, und zwei Auslaßöffnungen 13 c und 13 d,
die durch Leitungen 16 bzw. 17 mit dem Kopfende bzw. dem Stangenende des Zylinders
verbunden sind. Die Geschwindigkeit der Bewegung der Drosselklappe 9 wird durch
Einwegflußbegrenzer 16a und 17a gesteuert, die einen freien Fluß von dem Vierwegeschieber
13 zu dem Zylinder ermöglichen, den Fluß in entgegengesetzter Richtung jedoch sperren.
Der bewegbare Teil 13e des Schiebers 13 hat zwei Arbeitsstellungen. In der ersten
Stellung, die in der Zeichnung auch dargestellt ist, verbindet er die Einlaß öffnung
13 a bzw. die Auslaßöffnung 13b mit der Auslaßöffnung 13 c bzw. der Auslaßöffnung
13d. In der zweiten Stellung kehrt er die Verbindung zwischen der Einlaßöffnung
bzw. der Auslaßöffnung und den beiden Auslaßöffnungen um.
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Der Teil 13e wird durch einen doppeltwirkenden Kolbenmotor 18, der
durch einen zweiten Vierwegeschieber 19 mit zwei Stellungen gesteuert wird, zwischen
diesen beiden Stellungen hin- und hergeschoben. Der bewegbare Teill9e des Schiebersl9
ist durch eine Feder 21 in die dargestellte Stellung vorgespannt, wobei das Stangen-
und Kopfende des Motors 18 unter Druck gesetzt bzw. entlüftet werden, und er wird
mit Hilfe einer Spule 22 in seine andere Stellung geschoben. Immer dann, wenn die
Spule 22 nicht erregt ist, dann nehmen die Schieber 13 und 19 ihre dargestellte
Lage ein, und der Zylinder 12 hält die Drosselklappe 9 geschlossen. Wenn andererseits
die Spule 22 erregt wird, dann setzt der Vierwegeschieber 19 das Kopfende bzw. das
Stangenende des Motors 18 unter Druck oder entlüftet es, und dieser Motor schiebt
den bewegbaren Teil 13e des Vierwegeschiebers 13 in seine zweite Arbeitsstellung,
wodurch das Stangen- bzw.
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Kopfende des Zylinders 12 unter Druck gesetzt bzw. entlüftet wird,
und über den Zylinderl2 wird die Drosselklappe 9 in ihre offene Stellung bewegt.
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Die Druckanschlüsse der beiden primären Meßelemente 2 und 3 können
wahlweise mit dem Hoch-bzw. Niederdruckeingangsanschluß 5a bzw. 5b des Wandlers
5 über zwei identische Wahlschieber 23 und 24 verbunden werden. Der Wahlschieber
23 dient dazu, den Hochdruckanschluß 5a wahlweise mit den stromaufwärts liegenden
Druckanschlüssen 2a und 30 zu verbinden, und der Wahlschieber 24 dient dazu, den
Niederdruckanschluß 5b wahlweise mit dem stromabwärts liegenden Druckanschlüssen
2b und 3b zu verbinden. Die Wahlschieber sind durch Federn 25 bzw. 26 in die Stellung
vorgespannt, in der der Wandler 5 mit den Anschlüssen des primären Meßelementes
2 verbunden ist, und sie werden mit Hilfe von zwei Spulen 27 bzw. 28 in die Stellungen
verschoben, in denen der Wandler mit den Anschlüssen des primären Meßelementes 3
verbunden ist.
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Die Spulen 22, 27 bzw. 28 für die Schieber 19, 23 bzw. 24 und die
Spule 29, die die Schreibvorrichtung 7 für große Durchflußmengen betätigt, sind
parallel an zwei elektrische Anschlußleitungen 31 und 32 angeschlossen, so daß diese
alle gleichzeitig erregt und entregt werden. Diese Leitungen sind wiederum mit
den
elektrischen Leitungen 33 und 34 über eine Schaltung verbunden, die durch einen
Schalter 35 eines Relais 36 gesteuert wird. Die Spule des Relais 36 wird durch zwei
parallele Kreise erregt, wobei einer von ihnen durch den Schalter 37 und der andere
durch die Schalter 35 und 38 gesteuert wird. Die Schalter 37 und 38 werden von dem
Differenzdruckwandler 5 betätigt und sie bestimmen die Durchflußmenge, bei der die
Steuerung von dem ersten primären Meßelement 2 zu dem zweiten primären Meßelement
3 umschaltet und umgekehrt. Der Wandler 5 schließt den Schalter 37, wenn an ihn
die maximale Differenz angelegt wird, die das erste primäre Meßelement 2 erzeugen
sol, und er schließt den Schalter 38, wenn an ihn die Differenz angelegt wird, die
unterhalb der minimalen Differenz liegt, welche das primäre Meßelement für große
Durchflußmengen erzeugen soll.
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Das Relais 36 hat vorzugsweise eine Verzögerungszeit, damit unerwünschte
Schwingungen der Drosselklappe verhindert werden, die sich durch plötzliche Änderungen
der Durchflußmenge in dem Bereich der Umschaltflußmenge ergeben würden. Dies ist
besonders wichtig, wenn das Meßgerät bei großen Rohren verwendet wird, beispielsweise
bei solchen Rohren, die einen Durchmesser in der Größenordnung von 75 bis 150 cm
haben oder größer sind, weil die Betätigung der Drosseiklappe mit sehr großen Änderungen
der hydraulischen Belastung, die in der Anlage auftritt, verbunden ist.
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Das sekundäre Meßelement 4 ermöglicht eine örtliche Aufzeichnung
der Durchflußmenge, und es verwendet ein Aufzeichnungsgerät 6 mit einem einzigen
Schreibstift, das von dem Wandler 5 betätigt wird. Die Schreibeinrichtung 7 für
große Durchflußmengen wird bei dieser Ausführungsform nur dazu verwendet, die Durchflußanfzeichnung
zu markieren, wenn das zweite primäre Meßelement 3 eingeschaltet ist, damit angezeigt
wird, daß die aufgezeichneten Werte mit einem bestimmten Faktor multipliziert werden
müssen, damit man die wirklichen Durchflußmengen erhält. Dieses Ausführungsbeispiel
dient nur dazu, das Prinzip der Erfindung zu erläutern, und es können selbstverständlich
auch andere sekundäre Meßelemente verwendet werden. Beispielsweise könnte das sekundäre
Meßelement einen Durchflußmengenanzeiger oder einen Durchflußsummierer zusätzlich
zu oder an Stelle des Aufzeichnungsgerätes enthalten. Es ist außerdem möglich, daß
der Wandler 5 einen Fernmeßübertrager ansteuert, und zwar zusätzlich zu oder als
Ersatz für das Aufzeichnungsgerät 6, so daß eine Fernanzeige oder eine Fernaufzeichnung
der Durchflußmenge oder des gesamten Durchffusses möglich ist.
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Bei einem speziellen Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Strömungsmeßgerätes,
bei dem ein Rohr 1 mit 30 cm Durchmesser Wasser von 15"C führt und bei dem Durchfiußmengen
zwischen 160 Liter pro Minute und 16000 Liter pro Minute gemessen werden sollen
und wobei der Wandler 5 Druckdifferenzen zwischen 6,1 cm und 610 cm Wassersäule
verarbeitet, kann das zweite primäre Meßelement 3 ein Dallrohr sein, das in dem
Teilbereich von 1600 Liter pro Minute und 16000 Liter pro Minute arbeitet. An der
oberen Grenze der Durchflußmenge mit 16000 Liter pro Minute erzeugt dieses zweite
primäre Meßelement 3 eine Druckdifferenz von 610cm Wassersäule und an der unteren
Grenze mit 1600 Liter pro Minute eine Druckdifferenz von 6,1 cm Wassersäule.
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Das erste primäre Meßelement 2 kann in diesem Fall
eine
dünnwandige Meßblende sein, bei der das Verhältnis des Durchmessers der Meßblende
zum Durchmesser des Rohres 0,3 ist. Bei 1600 Liter pro Minute erzeugt dieses erste
primäre Meßelement 2 auch eine Druckdifferenz von 610 cm Wassersäule. Da die Umschaltdurchflußmenge
1600 Liter pro Minute ist, wird der Wandler 5 den Schalter 37 schließen, wenn er
mit der maximalen Druckdifferenz von 610 cm Wassersäule beaufschlagt wird, die von
dem ersten primären Meßelement erzeugt wird. Es wird den Schalter 38 schließen,
wenn er eine Druckdifferenz von etwas weniger als dem Minimum von 6,1 cm Wassersäule
erhält, die von dem zweiten primären Meßelement 3 erzeugt wird. Wenn nun angenommen
wird, daß der Wandler 5 den Schalter 38 bei einer Druckdifferenz von etwa 4,8 cm
Wassersäule schließt, was einer Durchflußmenge von etwa 140 Liter pro Minute auf
der kleinen Skala oder 1400 Liter pro Minute auf der großen Skala entspricht, dann
liegt der erste Schaltpunkt zur Ansteuerung des Aufzeichnungsgerätes bei einer Steigerung
der Durchflußmenge von 0 Liter pro Minute an aufwärts bei 160 Liter pro Minute.
Der zweite Schaltpunkt zum Umschalten von dem ersten primären Meßelement 2 auf das
zweite primäre Meßelement 3 liegt dann bei der Steigerung der Durchflußmenge bei
1600 Liter pro Minute. Wenn die Durchflußmenge von Werten über 1600 Liter pro Minute
abnimmt, erfolgt die Umschaltung von dem zweiten primären Meßelement 3 auf das erste
primäre Meßelement 2 erst bei einem dritten Schaltpunkt, der einer Durchflußmenge
von 1400 Liter pro Minute entspricht. Solange die Durchflußmenge sich nicht über
1600 Liter pro Minute wieder erhöht, bleibt das erste primäre Meßelement 2 eingeschaltet,
wodurch ein Schwingen der Schaltung vermieden wird.
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Wenn auch das bevorzugte Ausführungsbeispiel einen maximalen Durchflußbereich
von 100:1 ermöglicht, kann natürlich auch jeder Bereich zwischen diesen Grenzen
und auch 10:1 mit sekundären Meßelementen ausgeführt werden, die heute am Markt
angeboten werden. Wenn ein kleinerer Bereich erwünscht ist, dann kann jedes primäre
Meßelement so ausgebildet sein, daß es einen Unterbereich übernimmt, der gleich
der Quadratwurzel aus dem Gesamtbereich ist, oder die primären Meßelemente können
ungleiche Unterbereiche übernehmen, deren Produkt gleich dem Gesamtbereich ist.
In jedem Fall werden die Eigenschaften der beiden primären Meßelemente so ausgewählt,
daß sie die folgende Gleichung erfüllen: KKAH Qg KLAL QL dabei sind KR und KL die
Durchflußkoeffizienten von primären Meßelementen mit groß er Durchflußmenge bzw.
mit kleiner Durchflußmenge, AX und AL die Durchflußfiächen für die primären Meßelemente
mit großer Durchflußmenge bzw. mit kleiner Durchflußmenge, d. h. die Fläche für
die Öffnung bei einer Meßblendenplatte bzw. die Einschnürungsfläche bei einem Venturirohr,
einem Dallrohr oder einer Durchflußdüse und QwundQLirgendwelche zwei Werte für Durchflußmengen
in dem hohen bzw. dem niedrigen
Unterbereich, die mit Hilfe der primären Meßelemente
dieselbe Druckdifferenz erzeugen.
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Um ein Mißverständnis zu vermeiden, soll hier bemerkt werden, daß
der Durchfiußkoeffizient in jedem primären Meßelement gleich der Ausfiußziffer geteilt
durch die Quadratwurzel der Größe 1-(A2iA2 ist, wobei A2 die Fläche der Meßblendenöffnung
oder der Einschnürung ist und A1 die Fläche des Rohres am Einlaß zu dem primären
Meßelement.