DE19529544A1 - Anordnung zum Messen von Volumenströmen von insbesondere mit Verunreinigungen beladener Luft und anderer Gase - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Messen von Volumenströmen von insbesondere mit Verunreinigungen beladener Luft und anderer Ga­ se.

Das Messen von Drücken oder von aus Druckmessungen abgeleiteten Vo­ lumenströmen ist hinreichend bekannt; vorzugsweise werden Norm-Ven­ turi-Rohre, Kurz-Ventiuries oder Staurohre nach Prandtl eingesetzt, um aus der Differenz von Gesamtdruck und statischem Druck den dyna­ mischen Druck und damit die Geschwindigkeit des strömenden Mediums abzuleiten. Diese Art der Messung wird bei gasförmigen Medien bevor­ zugt. Dabei bereiten jedoch die im zu messenden Gas enthaltenen Ver­ unreinigungen erhebliche Schwierigkeiten, da sie die Druckentnahme­ öffnungen verstopfen und so eine gesicherte Ableitung der zu messen­ den Druckwerte vereiteln.

Hier setzt die Erfindung ein, der die Aufgabe zugrundeliegt eine An­ ordnung zum Erfassen von Druckwerten und zum Messen von Drücken und Volumenströmen so weiter zu bilden, daß sie in der Lage ist, in mit Verunreinigungen beladenen Abgasen störungsfrei eingesetzt zu werden, daß sie einfach zu kalibrieren sind, und daß sie einfach und wirt­ schaftlich einsetzbar sowie herstellbar sind.

Die Erfindung geht aus von der Erkenntnis, daß der Druck hinter einem umströmten Körper in dessen abströmseitigen Totwassergebiet dem sta­ tischen Druck der Strömung bis auf einen Geometriefaktor entspricht. Um nun den statischen Druck in einer Strömung eines verunreinigten Gases zu messen, ist es demnach hinreichend, wenn ein Meßrohr in die Strömung eingebracht wird, das so geformt ist, daß dessen Umströmung eine schlichte Umströmung ist. Das abströmseitige Ende des Meßrohres ist über den gesamten Querschnitt offen, so daß sich der im Totwas­ sergebiet herrschende Druck in das Innere des Meßrohres hinein fort­ setzt. Dieser Druck wird nun mit einer Sonde entnommen, die den In­ nenraum des Meßrohres abfühlt. Vorteilhaft ist diese Sonde als Haken­ sonde ausgebildet, deren Haken vom offenen Ende des Meßrohres weg gerichtet ist, um gegen eindringende Verunreinigungen noch besser geschützt zu sein.

Diese Aufgabe wird durch die im Hauptanspruch wiedergegebenen Merk­ male gelöst; vorteilhafte Weiterbildungen und bevorzugte Ausfüh­ rungsformen beschreiben die Unteransprüche.

Zur Messung wird mindestens ein in Anströmrichtung geschlossenes Meß­ rohr eingesetzt, dessen abströmseitiges Ende offen ist, und an das eine Drucksonde zur Entnahme des Innendruckes angeschlossen ist. Mit diesem Meßrohr ist ein Verstopfen der Druckentnahmeöffnung nicht mög­ lich, da die Öffnung zur Abströmseite hin gerichtet ist und im Meß­ rohr selbst keine Luftbewegung für einen Transport der Verunreini­ gungen sorgt. Dabei kann die Druckentnahme beispielsweise an der inneren Wandung des Meßrohr erfolgen. Vorteilhaft ist jedoch die Drucksonde als Pitotrohr ausgebildet, deren Druckentnahmeöffnung zum geschlossenen Ende des Meßrohres hin gerichtet ist. Damit ist eine Druckentnahmeöffnung vorgegeben, die gegenüber der Öffnung des Meß­ rohres geschützt in deren Inneren liegend von dieser Öffnung weg ge­ richtet ist.

Um eine schlichte Umströmung zu erreichen, weist nach der Erfindung das an sich zylindrisch ausgebildete Meßrohr anströmseitig ein strö­ mungsgerechtes, tropfenförmig ausgebildetes Profil auf. Dieses Profil kann dabei als entsprechend geformter Einsatz in das Zylinderrohr des Meßrohres eingesetzt werden, wobei dieser Einsatz auch ein Kunst­ stoff-Einsatz sein kann, wenn die Umgebung den Einsatz dieses Kunst­ stoffes erlaubt. Unter anderen Bedingungen wird dieser Einsatz auch aus Metall hergestellt, wobei der Werkstoff entsprechend den Erfor­ dernissen oder Verhältnissen gewählt wird. Die Länge des Meßrohres einschließlich des anströmseitig angeordneten Strömungsprofils ist dabei vorteilhaft mindestens 5 × D, wobei D sein Durchmesser ist.

Zur Messung des Volumenstromes ist das Meßrohr in einer Meßstrecke mit eingeengtem Querschnitt im eingeengten Bereich angeordnet. Durch die Einengung erfolgt eine Beschleunigung der Strömung und mit dieser Geschwindigkeitserhöhung eine Absenkung des statischen Druckes. Diese Absenkung ist proportional dem Quadrat der Geschwindigkeit, so daß auf die Geschwindigkeit geschlossen werden kann, und - über den Quer­ schnitt der Einengung - auch auf den Volumenstrom. Dabei wird davon ausgegangen, daß der statische Druck vor der Verengung gegenüber dem statischen Druck in der Verengung vernachlässigt oder korrigiert werden kann. Vorteilhaft ist es jedoch, wenn dem im eingeengten Bereich der Meßstrecke angeordneten ersten Meßrohr ein weiteres, zweites Meßrohr in deren nicht eingeengten Bereich vor- oder nach­ geschaltet ist. Mit diesem zweiten Meßrohr kann der statische Druck vor der Verengung gemessen und entsprechend berücksichtigt werden. Aus der Differenz ergibt sich die Änderung des dynamischen Druckes und somit die Geschwindigkeitsänderung durch die (bekannte) Eineng­ ung; in Verbindung mit dem bekannten Querschnitt des eingeengten Bereichs der Meßstrecke kann so mit größerer Sicherheit auf den Volu­ menstrom geschlossen werden.

Um die Druckwerte aufnehmen zu können, ist der Ausgang der Drucksonde mit einem mechanisch/elektrischen Druckwandler verbunden, der das mechanische Drucksignal in ein elektrisches Ausgangssignal umsetzt, das dann elektronisch weiter verarbeitet werden kann, etwa durch Ra­ dizieren, Bildung der Differenz, Multiplikation mit dem Querschnitt usw. Bei dem Einsatz zweier Meßrohre in einer Meßstrecke ist es vor­ teilhaft, wenn die beiden Ausgänge der Drucksonden gegeneinander geschaltet auf einen mechanisch/elektrischen Druckwandler geführt sind.

Vorteilhaft ist zur Sicherung der Druckübertragung in der Verbin­ dungsleitung von dem Meßrohr zu dem Druckwandler ein Umschaltventil vorgesehen, das eine Umschaltung zum Spülen der Anschlußleitung mit Meßrohr gestattet. Vorteilhaft ist auch, wenn - um einen Volumenstrom eines stark verschmutzten Abgases mit Kondensatanfall messen zu kön­ nen - in der Leitung von der Drucksonde zum Druckwandler eine Konden­ satfalle vorgesehen ist, die entleert werden kann.

Um einen Volumenstrom eines stark verunreinigten Abgases messen zu können, wird in der das zu messende Abgas führenden Leitung eine Verengung vorgesehen, die durch ein eingezogenes Teilstück des Ab­ gasrohres realisiert sein kann. In diese so gebildete Meßstrecke werden je ein Meßrohr in den im Querschnitt eingeengten Bereich und ein Meßrohr in dem ungestörten Bereich von der Einengung eingebracht, wobei deren geschlossene Enden gegen die Strömung und deren offene Enden der Meßrohre zum Abströmbereich hin gerichtet sind. Die als Pitot-Rohre ausgebildeten Druckentnahmesonden werden an ein An­ schlußgerät angeschlossen, das die Druckwerte umsetzt und die Diffe­ renz dieser umgesetzten Werte als elektrisches Signal ausgibt. Dieses Signal ist dem dynamischen Druck und somit dem Quadrat der Ge­ schwindigkeit proportional; die Geometriefehler beider Sonden heben sich dabei (zumindest nahezu) auf. Durch Radizieren und Multiplika­ tion mit dem Querschnitt kann somit ohne weiteres der Volumenstrom abgeleitet werden. Eine Kalibrierung der Meßstrecke ist dabei - etwa mit einem Norm-Venturi-Rohr - ohne weiteres möglich. Verunreinigungen dringen kaum in das abströmseitige offene Meßrohr ein; sollten doch Verunreinigungen eindringen, können sie jedoch die Druckentnahme durch das Pitot-Rohr nicht stören, da innerhalb des Meßrohres kaum Luftbewegungen vorhanden sind, die die Verunreinigungen in den Be­ reich der Druckentnahme-Öffnung des Pitot-Rohres bringen.

Das Wesen der Erfindung wird anhand der in den Fig. 1 bis 2 dar­ gestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert; dabei zeigen

Fig. 1 Schnitt durch ein Meßrohr;

Fig. 2 Anordnung zweier Meßrohre in einem querschnittsver­ engtem Rohrstück.

Die Fig. 1 zeigt ein Meßrohr 1 in seinen Einzelheiten. Das Außenrohr 2 ist mit dem tropfenförmigen Profil-Stopfen 3 abgeschlossen, so daß der Anströmpunkt vor der Nase dieses Profil-Stopfens 3 liegt. Das Ende 4 des über seine gesamte Länge zylindrischen Außenrohres 2 ist zur Entnahme des Druckes aus dem Totwassergebiet des Meßrohres 1 offen. In das Außenrohr 2 ist die Drucksonde 5 eingesetzt, die von dem Außenrohr voll überfangen als Hakensonde ausgebildet ist, deren Druckentnahme-Öffnung 6 gegen den Profilstopfen 3 gerichtet ist, so daß die freie (und gegen Verstopfung empfindliche) Öffnung 6 der Ha­ kensonde geschützt ist. Ein ableitendes Sondenträgerrohr 7 hält das Meßrohr 1, dessen äußeres Ende als Anschluß 8 zur Druckübertragung ausgebildet ist. In der Darstellung ist dieses Sondenträgerrohr 7 in einen Revisionsdeckel 14 eingesetzt, der seinerseits an ein Rohr 10, in dem Druck oder Volumenstrom gemessen werden soll, angeflanscht ist.

In der Fig. 2 ist eine Anwendung zur Volumenstrom-Messung gezeigt: Ein den zu messenden, in Richtung der offenen Pfeile strömenden Gasstrom führendes Rohr 10 weist ein zwischengeschaltetes Rohrstück 11 auf, dessen Querschnitt verringert ist, wobei je ein strömungs­ gerecht gebildeter Konfusor 12 und Diffusor 13 den Übergang bilden. In beiden Rohrbereichen ist je ein (zur besseren Verdeutlichung maß­ stäblich vergrößert dargestelltes) Meßrohr 1 und 1′ angeordnet, wobei es sich von selbst versteht, daß die Meßrohre 1 und 1′ im Abstand vor bzw. hinter der Querschnitts-Verengung anzuordnen sind. Vorteilhaft ist das im größeren Durchmesser D₁ angeordnete Meßrohr 1 etwa 1 × D₁ und das im Rohreinsatz 11 mit verkleinerten Durchmesser D₂ angeordne­ te Meßrohr 1′ etwa 2 × D₂ vor bzw. hinter der Verengungsstelle vor­ gesehen. Jedes der Meßrohre 1 und 1′ ist mit seinem Profil-Stopfen 3 gegen die Strömungsrichtung ausgerichtet und weist abströmseitig das offene Ende 4 auf, das den im Totwassergebiet herrschenden Druck auf­ nimmt und in das Innere der Meßrohre 1 bzw. 1′ überträgt. Die Meßroh­ re werden von den Strömungssondenträgerrohren 7 etwa in der Rohrachse gehalten und sind dabei vorteilhaft mittels Revisionsdeckel 14 (Fig. 1) an die Rohrwandung angeflanscht, so daß sie in einfacher Weise etwa zur Überprüfung entnommen werden können. Die den abgenommenen Druck übertragenden Druckübertragungsleitungen 15 bzw. 15′ sind an einen mechanisch/elektrischen Wandler 16 angeschlossen, dabei über­ trägt die Druckübertragungsleitung 15 einen höheren statischen Druck als die Druckübertragungsleitung 15′, da das dieser zugeordnete Meß­ rohr 1′ wegen der erhöhten Strömungs-Geschwindigkeit und des damit erhöhten dynamischen Druckes bei im wesentlichen konstantem Gesamt­ druck einen verringerten statischen Druck entnimmt. Diese Drücke wer­ den auf den +- bzw. auf den --Druckeingang des mechanisch/elektri­ schen Wandler 16 gegeben, der die eingehenden Drucksignale in elek­ trische Signale umwandelt, die am elektrischen Ausgang 18 abgenommen werden können. Die Energieversorgung des Wandlers erfolgt - sofern kein Netzanschluß vorgesehen ist - zweckmäßig von einem dafür einge­ richteten Versorgungsnetz über den Spannungseingang 19.

Claims (12)

1. Anordnung zum Messen von Druck oder Volumenströmen von insbesondere mit Verunreinigungen beladener Luft und anderer Gasen, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung mindestens ein in Anströmrichtung geschlossenes Meßrohr (1) eingesetzt wird, dessen abströmseitiges Ende (4) offen ist, und an das eine Drucksonde (5) zur Entnahme des Innendruckes angeschlossen ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drucksonde (5) als Hakensonde oder Pitot-Rohr ausgebildet ist, deren Druckentnahmeöffnung (6) zum geschlossenen Ende des Meßrohres hin gerichtet ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das an sich zylindrisch ausgebildete Meßrohr (1) an­ strömseitig ein strömungsgerechtes, tropfenförmig ausge­ bildetes Profil aufweist.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßrohr (1) ein Außenrohr (2) aufweist, das anströmseitig mit einem Profilstopfen (4) verschlossen ist.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das die Länge des Meßrohres (1) bzw. des Außenrohres (2) mit Profilstopfen (4) 6 × D ist, wobei D der Durchmesser von Meßrohr (1) bzw. Außenrohr (2) ist.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Messung des Volumenstromes eines strömenden Gases, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zwei Meßrohre (1, 1′) in einer Meßstrecke (10) mit eingeengtem Querschnitt im eingeengten Bereich (11) so angeordnet sind, daß ein Meßrohr (10) im Bereich des größeren und ein Meßrohr in Bereich des verkleinerten Durchmessers angeordnet sind.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das in der Meßstrecke (19) mit größerem Durchmesser angeordnete Meßrohr (1) im Abstand von mindestens 1 × D₁ und das im Bereich mit verringerten Durchmesser angeordnete zweite Meßrohr (1′) im Abstand von mindestens 2 × D₂ der Quer­ schnitts-Verengung vor- bzw. nachgeschaltet ist, wobei D₁ der Durchmesser des Rohres (10) mit im größeren und D₂ der des Rohres (11) mit verringertem Durchmesser sind.

8. Anordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß dem im eingeengten Bereich (11) der Meßstrecke (10) angeordneten ersten Meßrohr (1) ein weiteres, zweites Meßrohr (1′) in deren nicht eingeengten Bereich (11) vor- oder nachgeschaltet ist.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Ausgang der Drucksonde (5) mit einem mechanisch/elektrischen Druckwandler (16) verbunden ist.

10. Anordnung nach Anspruche 9, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Ausgänge der Drucksonden gegeneinander geschaltet auf einen Druckwandler geführt sind.

11. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß in der Verbindungsleitung von dem Meßrohr zu dem Druckwandler ein Umschaltventil vorgesehen ist, das eine Umschaltung zum Spülen der Anschlußleitung mit Meßrohr gestattet.

12. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß in der Verbindungsleitung von dem Meßrohr zu dem Druckwandler eine entleerbare Kondensatfalle vorgesehen ist.