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