DE19619632A1 - Verfahren und Einrichtung zur Messung der Dichte und/oder des Massenstromes eines strömenden Fluids - Google Patents
Verfahren und Einrichtung zur Messung der Dichte und/oder des Massenstromes eines strömenden FluidsInfo
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Description
Die Erfindung betrifft Verfahren zur Messung der Dichte
und/oder des Massenstroms eines z. B. durch einen Meßquer
schnitt strömenden Fluids. Zum Erfindungsgegenstand gehören
auch Einrichtungen zur Durchführung solcher Messungen.
Beim vorliegenden Gegenstand handelt es sich der Gattung nach
um die Ermittlung der Fluid-Strömungsgeschwindigkeit durch
Druckmessungen an der Oberfläche von in der Strömung angeord
neten Sondenkörpern. Bekanntermaßen wird z. B. der dynamische
Druck als quadratisches Maß der Strömungsgeschwindigkeit
erfaßt, multiplikativ verknüpft mit der Fluiddichte. Zur
Messung der geometrischen Strömungsgeschwindigkeit wie auch
des tatsächlichen Massenstromes als Produkt aus Strömungs
geschwindigkeit (bzw. deren relevantem Mittelwert), Meß
querschnittsfläche und Fluiddichte bedarf es daher einer
zusätzlichen Ermittlung der Dichte und - bei relevanten
Veränderungen der Dichte im Betrieb - einer laufenden Über
wachung dieser Einflußgröße. Im übrigen ist die Ermittlung
und gegebenenfalls Überwachung der Dichte eines z. B. in
Rohrleitungen strömenden Fluids für manche Anwendungen in
der Prozeßtechnik auch unabhängig von der Strömungsmessung
von Interesse.
Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung von Verfahren
und Einrichtungen, die mit Bezug auf die vorgenannten
Gesichtspunkte einen Fortschritt ermöglichen. Die erfindungs
gemäßen Lösungen dieser Aufgabe sind bestimmt hinsichtlich
des Verfahrens zur Dichtemessung im strömenden Fluid durch die
Merkmale des Patentanspruchs 1 und hinsichtlich des Verfahrens
zur Messung des Massenstroms durch die Merkmale des Patent
anspruchs 3. Für die erfindungsgemäßen Lösungen hinsichtlich
der den entsprechenden Aufgaben dienenden Meßeinrichtungen
findet sich die Bestimmung in den Merkmalen der Patentsprüche
9 bzw. 10.
Zur Erläuterung der Erfindung folgende Vorbemerkung:
Bei Messungen der gattungsgemäßen Art sind grundsätzlich die vom Sondenkörper induzierten Störungen des Strömungsfeldes im Nahbereich dieses Körpers in Betracht zu ziehen. Eine weit gehende Annäherung an den Idealzustand der Störungsfreiheit ist bei der bekannten Prandtl′schen Kombination des Pitot rohres zur Gesamtdruckmessung mit dem sogenannten Hakenrohr zur Messung des statischen Drucks gegeben. Idealisierend wird hier an der ersten Meßstelle im Staupunkt ein lokaler statischer Druck gemessen, der aus zwei Komponenten besteht, nämlich dem auch hier wirkenden statischen Druck der unge störten Strömung und einer Staukomponente (dynamischer Druck) infolge der sich in Strömungsrichtung erstreckenden, bis zum Erreichen des Staupunktes auf Stillstand abgebremsten (querschnittsmäßig differentiellen) Fluidsäule. Der lokale statische Druck entspricht daher hier dem Gesamtdruck der ungestörten Strömung. Außerdem wird der lokale Druck an einer zur ungestörten Strömung parallelen Meßfläche erfaßt, der idealisierend (unter Vernachlässigung der Einschnürung des Strömungsquerschnitts durch das Sondenrohr) dem statischen Druck in der ungestörten Strömung entspricht.
Bei Messungen der gattungsgemäßen Art sind grundsätzlich die vom Sondenkörper induzierten Störungen des Strömungsfeldes im Nahbereich dieses Körpers in Betracht zu ziehen. Eine weit gehende Annäherung an den Idealzustand der Störungsfreiheit ist bei der bekannten Prandtl′schen Kombination des Pitot rohres zur Gesamtdruckmessung mit dem sogenannten Hakenrohr zur Messung des statischen Drucks gegeben. Idealisierend wird hier an der ersten Meßstelle im Staupunkt ein lokaler statischer Druck gemessen, der aus zwei Komponenten besteht, nämlich dem auch hier wirkenden statischen Druck der unge störten Strömung und einer Staukomponente (dynamischer Druck) infolge der sich in Strömungsrichtung erstreckenden, bis zum Erreichen des Staupunktes auf Stillstand abgebremsten (querschnittsmäßig differentiellen) Fluidsäule. Der lokale statische Druck entspricht daher hier dem Gesamtdruck der ungestörten Strömung. Außerdem wird der lokale Druck an einer zur ungestörten Strömung parallelen Meßfläche erfaßt, der idealisierend (unter Vernachlässigung der Einschnürung des Strömungsquerschnitts durch das Sondenrohr) dem statischen Druck in der ungestörten Strömung entspricht.
Die Erfindungsgedanken seien zunächst unter Bezugnahme auf
das bekannte Meßprinzip der letztgenannten Art erläutert,
und zwar für beide Erfindungsvarianten (Dichte- und Massen
strom-Messung). In beiden Fällen wird durch Differenzbildung
an zwei Drucksignalen DS1, DS2 eine Meßsignalfunktion F1 der
Dichte ρ des Fluids und dessen Strömungsgeschwindigkeit w
gebildet.
Außerdem wird durch unmittelbare Erfassung der Fluidbewegung
eine zweite Meßsignalfunktion F2 bereitgestellt, die von der
Dichte des Fluids wenigstens annähernd unabhängig die
Strömungsgeschwindigkeit W darstellt. Damit sind die grund
sätzlich notwendigen Informationen vorhanden, um die Dichte
des strömenden Fluids zu bestimmen. In einer bevorzugten
Ausführung wird die erste Meßsignalfunktion linear multi
plikativ in ρ und W² gebildet, und zwar z. B. speziell
in der Form F1 = K1·ρ·W² mit einem justierbaren Kalibrier
faktor K1. In ähnlicher Spezialisierung wird die zweite
Meßsignalfunktion linear in W gebildet, und zwar bevorzugt
in der Form F2 = K2·W, wiederum mit einem justierbaren
Kalibrierfaktor K2. Grundsätzlich kommen auch andere Bil
dungsformen der Meßsignalfunktionen in Betracht, die dann
in geeigneter Weise weiterzuverarbeiten sind.
Jedenfalls trennt sich nun die Weiterverarbeitung der
Meßsignale bzw. Meßsignalfunktionen für die Dichtemessung
einerseits und die Massenstrom-Messung andererseits. Im
Beispiel der vorgenannten Spezialisierungen kann diese
Weiterverarbeitung wie folgt geschehen:
Für die Dichtemessung ergibt der Quotient F1/F2² eine Eliminierung von W bzw. W² und damit unmittelbar ρ = (F1/F2²)·(K2²/K1).
Für die Dichtemessung ergibt der Quotient F1/F2² eine Eliminierung von W bzw. W² und damit unmittelbar ρ = (F1/F2²)·(K2²/K1).
Für die Massenstrom-Messung enthält der Kalibrierfaktor K1
einen Teilfaktor entsprechend der relevanten Meßquerschnitts
fläche Q, also K1 = K1′·Q und F1 = K1′·Q·ρ·W². Unter Berück
sichtigung des Massenstromes als m′ = Q·ρ·W ergibt sich
(F1/F2) = (K1′·Q·ρ·W·W)/(K2.W) = (K1′·m′)/K2 und
= (K2/K1′)·(F1/F2).
Bei anderen bekannten Meßsystemen wird zwar wiederum ein
Drucksignal an einem vorderen Staupunkt einer Strömungssonde
als erster Meßstelle abgenommen, so daß auch hier von einem
ersten Drucksignal der Struktur DS1 = Ps + K1·ρ·W² ausge
gangen werden kann. Anstelle einer zweiten Meßstelle an einer
strömungsparallelen Sondenfläche wird jedoch eine zweite
Meßstelle im Bereich des hinteren Strömungsschattens der
Sonde angeordnet. Infolge Strömungsablösung und Wirbelbildung,
z. T. sogar infolge ausgesprochener Abrißkanten zwischen erster
und zweiter Meßstelle, kann hier von einer Gültigkeit des
Bernoulli-Gesetzes mit auch nur annähernd gleichem Gesamtdruck
für beide Meßstellen entsprechend der ungestörten Strömung
keine Rede sein. Im Wirbelbereich selbst sind die relevanten
Drücke kaum vorausdefinierbar, aber selbst für eine Anordnung
der zweiten Meßstelle in einem lokal strömungsfreien Bereich
im Strömungsschatten ("wake") ist der dort herrschende Druck
zwar ein statischer, wobei aber eine Übereinstimmung mit
demjenigen der ungestörten Strömung nicht vorausgesetzt werden
kann. Eine Differenzbildung der beiden Drucksignale kann also
nicht ohne weiteres zu einem Meßsignal entsprechend dem
dynamischen Druck der ungestörten Strömung führen. Dies gilt
bekanntermaßen (siehe z. B. S.F. Hoerner, "FLUID-DYNAM1C DRAG",
Eigenverlag des Autors, 1964, S. 1-2, 3-3) bereits für quer
umströmte Kreiszylinder, also Köper ohne ausgeprägte Abriß
kanten, um so mehr also für bekannte Querstromsonden mit z. B.
rautenartigem Rohraußenprofil und zweiter Meßstelle im
Bereich des Profilscheitels im Strömungsschatten.
Es hat sich aber im Laufe der Entwicklung gezeigt, daß
gleichwohl relativ einfache, lineare Beziehungen zwischen
den Meßdrücken an verschiedenen Stellen im Bereich des
Strömungsschattens dieser Sonden und den relevanten Drücken
in der ungestörten Strömung unterhalb gewisser Reynolds-
Grenzen als meßtechnisch ausreichend genau und reproduzierbar
gültig angenommen werden können. Eine hierfür sinnvolle
Kenngröße (siehe die vorgenannte Literaturstelle) lautet
Cp = (P2 - Ps)/Pd, mit P2 als zweitem Drucksignal (hier DS2)
sowie Ps und Pd als statischem bzw. dynamischem Druck der
ungestörten Strömung. Diese Kenngröße kann in den genannten
Grenzen für ein und dieselbe Meßstelle im Strömungsschatten
über gewisse Bereiche der ungestörten Strömungsgeschwindigkeit
als annähernd konstant zugrundegelegt werden. Dies führt im
vorliegenden Zusammenhang zu einem zweiten Drucksignal der
Struktur DS2 = Ps + Cp·ρ·W². Dabei hat Cp im Strömungsschatten
typischerweise einen von der Meßstellenlage abhängigen, nega
tiven Wert, der durch Vergleichs- und Kalibiermessungen,
gegebenenfalls unter Zuhilfenahme von Bezugs-Meßeinrichtungen
für Druck bzw. Strömungsgeschwindigkeit, ermittelt werden
kann. Dadurch wird die vorstehend angezogene Differenzbildung
zur Gewinnung eines Meßsignals für den ungestörten dynamischen
Druck wieder anwendbar: DS1 - DS2 = K·(1 - Cp)·ρ·W².
Daraus ergibt sich als Weiterbildung der vorliegenden
Erfindungsgedanken, daß grundsätzlich auch eine Anordnung
der ersten Meßstelle abweichend vom Staupunkt für Gewinnung
einer ersten Meßsignalfunktion zwecks Kombination mit einer
dichteunabhängigen zweiten Geschwindigkeits-Meßsignalfunktion
anwendbar ist. Dies kann im Hinblick auf bestimmte meß- und
anwendungstechnische Gegebenheiten von Vorteil sein. Es kommt
also ein beachtlicher Bereich der Anordnung für Meßstellen
paare oder andere Meßstellenmehrheiten in Betracht, sofern
die zugehörigen Werte von Cp genügend reproduzierbar und mit
Rücksicht auf die Differenzbildung genügend unterschiedlich
sind. Es ergibt sich somit die allgemeine Struktur
DS1 - DS2 = (K1 - K1a)·ρ·W².
Die Erfindung wird weiter anhand der in den Zeichnungen
dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Hierin zeigt:
Fig. 1 ein Blockschaltbild einer ersten Meßeinrichtung nach
der Erfindung,
Fig. 2 ein Blockschaltbild einer zweiten Meßeinrichtung
nach der Erfindung, mit schematischer Schnitt
darstellung einer Querstromsonde in einer Fluid
leitung,
Fig. 3 eine schematische Schnittdarstellung eines ersten
Beispiels und
Fig. 4 eines zweiten Beispiels eines kinematischen
Geschwindigkeits-Meßwertgebers für die erfin
dungsgemäße Dichte- bzw. Massenstromermittlung,
Fig. 5 den Meßrohrquerschnitt einer Querstromsonde mit
kinematischem Geschwindigkeits-Meßwertgebers für die
erfindungsgemäße Meßaufgaben und
Fig. 6 eine erfindungsgemäße Weiterbildung mit an ein
Druckmeßsystem angeschlossenem bzw. in dieses
integriertem Wirbelfrequenzdetektor zur Erfassung
der Strömungsgeschwindigkeit.
Gemäß Fig. 1 ist ein erstes Meßsystem MS1, z. B. ein solches
Prandtl′scher Art vorgesehen, das eine erste Meßstelle M1 zur
Erzeugung eines dem Gesamtdruck Pg der ungestörten Fluid
strömung entsprechenden darstellenden ersten Drucksignals DS1
sowie eine zweite Meßstelle M2 zur Erzeugung eines zweiten
Drucksignals DS2 umfaßt, welch letzteres eine wenigstens
annähernd lineare Funktion des statischen Druckes Ps in der
ungestörten Fluidströmung liefert. Ferner ist ein mit der
ersten und zweiten Meßstelle verbundener Differenzbildner DB
zur Erzeugung einer den dynamischen Druck Pd in der ungestör
ten Fluidströmung darstellenden Meßsignalfunktion F1 vor
gesehen. Weiter findet sich ein zweites Meßsystem MS2 mit
einem (hier nicht näher dargestellten) kinematischen Meß
wertgeber zur Erzeugung einer die geometrische Strömungs
geschwindigkeit W im Meßquerschnitt MQ wenigstens annähernd
unabhängig von der Fluiddichte darstellenden Meßsignal
funktion F2. Die Ausgänge des ersten und zweiten Meßsystems
MS1, MS2 sind an eine Verarbeitungsschaltung VSa angeschlos
sen, die eine Quotientenbildung aus einer dem dynamischen
Druck Pd zugeordneten Größe und dem Quadrat einer der
Strömungsgeschwindigkeit W zugeordneten Größe ausführt.
Damit ergibt sich am Ausgang der Schaltung VSa eine Meßsignal
funktion Fd entsprechend der Fluiddichte ρ. Außerdem sind die
Ausgänge des ersten und zweiten Meßsystems MS1, MS2 an eine
weitere Meßsignal-Verarbeitungsschaltung VSb angeschlossen,
die eine Quotientenbildung aus einer dem dynamischen Druck Pd
zugeordneten Größe und einer der Strömungsgeschwindigkeit W
zugeordneten Größe ausführt und somit eine Meßsignalfunktion
Fm für den Massenstrom m′ der Fluidströmung liefert. Bevorzugt
wird erfindungsgemäß ein Meßsystem MS2 eingesetzt, das eine
Meßsignalfunktion F2 mit wenigstens annähernd linearer
Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit W liefert, und
zwar insbesondere ein solches der Struktur F2 = K2·W mit K2
als gegebenenfalls justierbarem Kalibrierfaktor. Weiterhin
kann durch Einbeziehung eines der relevanten Querschnitts
fläche bzw. dem Flächen-Mittelwert der Strömungsgeschwin
digkeit zugeordneten Kalibierfaktors in die Meßsignal
umformung eine den Gesamt-Massenstrom darstellende Meßsignal
funktion Fm erzeugt werden.
Bei der Ausführung nach Fig. 2 ist im Meßquerschnitt MQ
einer Fluidleitung FL ein Meßsystem MS1 mit einem rohrförmigen
Querstrom-Meßwertgeber QSM angeordnet. Dieser umfaßt eine
Meßstelle M1 für den Gesamtdruck Pg der ungestörten Fluid
strömung in Form eines ersten Drucksignals der Struktur
DS1 = Ps + K1·ρ·W². Sodann ist eine im Strömungsschatten
angeordnete Meßstelle M2 für die Erzeugung eines zweiten
Drucksignals der Struktur DS2 = Ps + K1a·ρ·W² vorgesehen.
Dieses Drucksignal entspricht zunächst nicht den Werten der
ungestörten Strömung, sondern einem durch Strömungsablösung
und Wirbelbildung von der ungestörten Strömung entkoppelten
Meßdruck P2. Jedoch werden K1 und K1a bzw. deren Quotient als
Maß für den unterschiedlichen Einfluß des ungestörten dynami
schen Fluiddruckes auf beide Meßstellen als wenigstens
annähernd konstante, d. h. von der Strömungsgeschwindigkeit
unabhängige Faktoren durch Vergleichs- bzw. Kalibrier
messungen bestimmt. Anschließend erfolgt wieder eine
Differenzbildung in der entsprechenden Funktionseinheit
DB zur Erzeugung einer Meßsignalfunktion F1. Ein in diesem
Beispiel gesondert im ungestörten Strömungsbereich angeord
netes Meßsystem MS2, das von an sich bekannter Art sein kann,
liefert eine der Strömungsgeschwindigkeit W zugeordnete
Meßsignalfunktion F2, die zusammen mit der Meßsignalfunktion
F1 über einen Verstärker V sowie Verarbeitungsschaltungen VSa
und VSb zur Bildung der gewünschten Ausgangs-Meßsignal
funktionen Fd und Fm zugeführt wird.
Als einfachstes Beispiel eines an sich bekannten Meßsystems
für die Erzeugung einer von der Fluiddichte wenigstens
annähernd unabhängigen Meßsignalfunktion für die Strömungs
geschwindigkeit W ist in Fig. 3 ein Turbinen-Tachometer MK1
angedeutet. Bevorzugt wird jedoch gemäß Fig. 4 als kinema
tischer Meßwertgeber MK2 des zweiten Meßsystems MS2 ein
Wirbelstraßen-Frequenzdetektor mit in der Fluidströmung
vorgeordnetem Wirbelerzeuger WE eingesetzt, letzterer hier
in Form einer Prallplatte mit Abrißkanten AK. Als Beispiel
ist hier ein Meßwertgeber mit Piezoelement PE angedeutet,
das über Membranen M mit den Druckschwankungen der Wirbel
straße gekoppelt ist und durch einen Frequenzdetektor FD
ein der Strömungsgeschwindigkeit entsprechendes Frequenz
signal liefert.
Fig. 5 zeigt als bevorzugte Ausführung ein Meßsystem mit einem
rohrförmigen Querstrom-Meßwertgeber QSM. Dieser umfaßt Meß
kammern MKAg bzw. MKAs mit zugehörigen Meßstellen M1 bzw. M2,
die nebeneinanderliegend in Rohrlängsrichtung angeordnet sind
und dem Gesamtdruck Pg bzw. einem Meßdruck P2 (und damit gemäß
obigen Erläuterungen indirekt auch dem statischen Druck Ps der
ungestörten Strömung) zugeordnete sind. Der Sondenkörper hat
quer zur Strömungsrichtung diametral angeordnete Abrißkanten
AK, so daß sich entsprechende Wirbelstraßen ergeben. Ein
Wirbelstraßen-Frequenzdetektor FD ist an einer Meßstelle M3
im Wirbelbereich hinter einer Abrißkante AK angeordnet.
In besonders vorteilhafter Weise ist hier der Wirbelstraßen
-Frequenzdetektor in den Rohrkörper des Querstrom-Meßwertgebers
QSM integriert angeordnet.
Bei der Ausführung nach Fig. 6 ist wieder ein Druckmeßsystem
nach Art von Fig. 2 eingesetzt, jedoch mit einem Geschwindig
keitsmeßsystem MS2b, das keiner besonderen Einrichtungen im
Bereich der Fluidströmung bedarf. Hier umfaßt das Meßsystem
MS2b einen an eine abströmungsseitige Druckmeßleitung L2
angeschlossenen, trägheitsarm wirkenden Drucksignalwandler
DSW, z. B. einen piezoelektrischen Wandler, der die im Bereich
der abströmseitigen Meßstelle M2 praktisch unvermeidlich
auftretenden Wirbeldruckschwankungen im Fluid in ein ent
sprechendes Wechselspannungssignal umsetzt. Ein nachgeordneter
Frequenzdetektor FD liefert wieder die verlangte Meßsignal
funktion F2.
Im Beispiel ist ein Differenzdruck-Meßsignalwandler DSW
vorgesehen, der auch an die zuströmseitige Druckmeßleitung
L1 von der Meßstelle M1 angeschlossen ist. Dies kann der
Kompensation von eventuell bereits in dem der Meßstelle
zuströmenden Fluid vorhandenen und gegebenenfalls nicht
ausreichend genau oder konstant zur Strömungsgeschwindigkeit
korrelierten Wirbeldruckschwankungen dienen. Im übrigen ist es
erfindungsgemäß besonders vorteilhaft, einen gegebenenfalls im
Differenzdruck-Meßsystem ohnehin vorhandenen, ausreichend
trägheitsarmen Drucksignalwandler auch für die genannte
Funktionsbildung zu verwenden. Erfindungsgemäß bietet sich
jedenfalls die Möglichkeit einer in ein Druckmeßsystem
integrierten Einrichtung zur Wirbelfrequenz-Geschwindigkeits
messung. Dies kann zu einer wesentlichen Vereinfachung und
Verbilligung der Gesamteinrichtung ausgenutzt werden.
Claims (15)
1. Verfahren zur Messung der Dichte eines strömenden Fluids,
gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
- a) An mindestens zwei Meßstellen (M1, M2) im Fluid wird ein erstes bzw. zweites Drucksignal (DS1, DS2) gewonnen, deren jedes eine vom statischen Druck (Ps) in der ungestörten Fluidströmung wenigstens annähernd linear abhängige erste Komponente enthält;
- b) mindestens das erste Drucksignal (DS1) enthält eine vom dynamischen Druck (Pd) in der ungestörten Fluid strömung wenigstens annähernd linear abhängige zweite Komponente, die mit der zugehörigen ersten Komponente additiv. verknüpft ist;
- c) durch Differenzbildung wird aus dem ersten und zweiten Drucksignal (DS1, DS2) eine erste Meßsignalfunktion (F1) erzeugt, die der Dichte (ρ) und dem Quadrat der ungestörten sowie gegebenenfalls gemittelten Strömungs geschwindigkeit (W) des Fluids zugeordnet ist;
- d) durch Erfassung der Fluidbewegung wird eine von der Dichte des Fluids wenigstens annähernd unabhängige zweite Meßsignalfunktion (F2) erzeugt, die der ungestörten sowie gegebenenfalls gemittelten Strömungs geschwindigkeit (W) des Fluids zugeordnet ist;
- e) durch Kombination und gegebenenfalls Umformung der ersten und zweiten Meßsignalfunktion (F1, F2) wird eine der Fluiddichte zugeordnete Meßsignalfunktion (Fd) erzeugt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
eine Fluiddichte-Meßsignalfunktion (Fd) durch Quotienten
bildung aus einer dem dynamischen Druck (Pd) zugeordneten
Größe und dem Quadrat einer der Strömungsgeschwindigkeit
(W) zugeordneten Größe erzeugt wird.
3. Verfahren zur Messung des Massenstroms eines durch
einen Meßquerschnitt strömenden Fluids, insbesondere auch
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch
folgende Merkmale:
- a) An mindestens zwei Meßstellen (M1, M2) im Fluid wird ein erstes bzw. zweites Drucksignal (DS1, DS2) gewonnen, deren jedes eine vom statischen Druck (Ps) in der ungestörten Fluidströmung wenigstens annähernd linear abhängige erste Komponente enthält;
- b) mindestens das erste Drucksignal (DS1) enthält eine vom dynamischen Druck (Pd) in der ungestörten Fluid strömung wenigstens annähernd linear abhängige zweite Komponente, die mit der zugehörigen ersten Komponente additiv verknüpft ist;
- c) durch Differenzbildung wird aus dem ersten und zweiten Drucksignal (DS1, DS2) eine erste Meßsignalfunktion (F1) erzeugt, die der Dichte (o) und dem Quadrat der ungestörten sowie gegebenenfalls gemittelten Strömungs geschwindigkeit (W) des Fluids zugeordnet ist;
- d) durch Erfassung der Fluidbewegung wird eine von der Dichte des Fluids wenigstens annähernd unabhängige zweite Meßsignalfunktion (F2) erzeugt, die der ungestörten sowie gegebenenfalls gemittelten Strömungs geschwindigkeit (W) des Fluids zugeordnet ist;
- e) durch Kombination und gegebenenfalls Umformung der ersten und zweiten Meßsignalfunktion (F1, F2) wird eine Massenstrom-Meßsignalfunktion (Fm) erzeugt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
eine Massenstrom-Meßsignalfunktion (Fm) durch Quotienten
bildung aus einer dem dynamischen Druck (Pd) zugeordneten
Größe und einer der Strömungsgeschwindigkeit (W) zugeord
neten Größe erzeugt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet,
daß durch Einbeziehung eines der relevanten Querschnitts
fläche bzw. dem Flächen-Mittelwert der Strömungsgeschwin
digkeit zugeordneten Kalibrierfaktors in die Meßsignal
umformung eine den Gesamt-Massenstrom darstellende
Meßsignalfunktion (Fm) erzeugt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekenn
zeichnet durch folgende Merkmale:
- a) an der ersten und zweiten Meßstelle (M1, M2) werden Drucksignale der Struktur DS1 = Ps + K1·ρ·W² bzw. DS2 = Ps + K1a·ρ·W² gebildet, mit Ps als statischem Druck in der ungestörten Fluidströmung, ρ als Fluid dichte und W als ungestörte sowie gegebenenfalls gemittelte Strömungsgeschwindigkeit des Fluids;
- b) K1 und K1a bzw. deren Quotient als Maß für den unterschiedlichen Einfluß des ungestörten dynami schen Fluiddruckes auf beide Meßstellen werden als von unterschiedlichen Werten der ungestörten sowie gegebenenfalls gemittelten Strömungsgeschwindigkeit des Fluids wenigstens annähernd unabhängige Faktoren durch Vergleichs- bzw. Kalibriermessungen bestimmt.
- c) durch Differenzbildung wird aus dem ersten und zweiten Drucksignal (DS1, DS2) eine vom statischen Druck in der ungestörten Fluidströmung wenigstens annähernd unabhängige erste Meßsignalfunktion (F1) erzeugt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekenn
zeichnet durch die Erzeugung einer zweiten Meßsignal
funktion (F2) mit wenigstens annähernd linearer Abhängig
keit von der Strömungsgeschwindigkeit (W).
8. Verfahren nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch die
Erzeugung einer zweiten Meßsignalfunktion (F2) der
Struktur F2 = K2·W mit K2 als gegebenenfalls justierbarer
Kalibrierfaktor und W als Strömungsgeschwindigkeit.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, daß eine zweite Meßsignalfunktion (F2)
durch Erfassung von durch Wirbel in der Fluidströmung
bedingten, periodischen Druckschwankungen in einem
Druckmeßsystem (MS2) gebildet wird.
10. Einrichtung zur Messung der Dichte eines strömenden
Fluids, insbesondere für ein Verfahren nach einem der
Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
- a) es ist ein erstes Meßsystem (MS1) Prandtl′scher Art vorgesehen, umfassend mindestens eine erste Meßstelle (M1) zur Erzeugung eines dem Gesamtdruck (Pg) der ungestörten Fluidströmung entsprechenden ersten Drucksignals (DS1), mindestens eine zweite Meßstelle (M2) zur Erzeugung eines zweiten Drucksignals (DS2), das eine wenigstens annähernd lineare Funktion des statischen Druckes (Ps) in der ungestörten Fluid strömung darstellt, sowie einen mit der ersten und zweiten Meßstelle verbundenen Differenzbildner (DB) zur Erzeugung einer den dynamischen Druck (Pd) darstellenden Meßsignalfunktion (F1);
- b) es ist ein zweites Meßsystem (MS2) mit mindestens einem kinematischen Meßwertgeber (MK1; MK2) zur Erzeugung einer die geometrische Strömungsgeschwin digkeit (W) im Meßquerschnitt (MQ) wenigstens annähernd unabhängig von der Fluiddichte darstel lenden Meßsignalfunktion (F2) vorgesehen;
- c) die Ausgänge des ersten und zweiten Meßsystems (MS1, MS2) sind an eine Schaltung (VSa) angeschlossen, die eine Quotientenbildung aus dem dynamischen Druck (Pd) und dem Quadrat der Strömungsgeschwindigkeit (W) ausführt.
11. Einrichtung zur Messung des Massenstroms eines
strömenden Fluids, insbesondere nach Anspruch 10 und
insbesondere für ein Verfahren nach einem der Ansprüche
1 bis 9, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
- a) es ist ein erstes Meßsystem (MS1) Prandtl′scher Art vorgesehen, umfassend mindestens eine erste Meßstelle (M1) zur Erzeugung eines dem Gesamtdruck (Pg) der ungestörten Fluidströmung entsprechenden ersten Drucksignals (DS1), mindestens eine zweite Meßstelle (M2) zur Erzeugung eines zweiten Drucksignals (DS2), das eine wenigstens annähernd lineare Funktion des statischen Druckes (Ps) in der ungestörten Fluid strömung darstellt, sowie einen mit der ersten und zweiten Meßstelle verbundenen Differenzbildner (DB) zur Erzeugung einer den dynamischen Druck (Pd) darstellenden Meßsignalfunktion (F1);
- b) es ist ein zweites Meßsystem (MS2) mit mindestens einem kinematischen Meßwertgeber (MK1; MK2) zur Erzeugung einer die geometrische Strömungsgeschwin digkeit (W) im Meßquerschnitt (MQ) wenigstens annähernd unabhängig von der Fluiddichte darstel lenden Meßsignalfunktion (F2) vorgesehen;
- c) die Ausgänge des ersten und zweiten Meßsystems (MS1, MS2) sind an eine Meßsignal-Verarbeitungsschaltung (VSb) angeschlossen, die eine Quotientenbildung aus einer dem dynamischen Druck (Pd) zugeordneten Größe und einer der Strömungsgeschwindigkeit (W) zugeordneten Größe ausführt.
12. Einrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekenn
zeichnet, daß der kinematische Meßwertgeber (MK2) des
zweiten Meßsystems (MS2) mindestens einen Wirbelstraßen-
Frequenzdetektor (FD) mit in der Fluidströmung vorgeord
netem Wirbelerzeuger (WE) aufweist.
13. Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß
das erste Meßsystem (MS1) einen rohrförmigen Querstrom-
Meßwertgeber (QSM) mit sich nebeneinanderliegend in
Rohrlängsrichtung erstreckenden, dem Gesamtdruck (Pg) bzw.
dem statischen Druck (Ps) zugeordneten Meßkammern (MKAg,
MKAs) sowie mit im Rohrquerschnitt quer zur Strömungs
richtung diametral angeordneten Abrißkanten (AK) aufweist
und daß mindestens ein Wirbelstraßen-Frequenzdetektor (FD)
im Wirbelbereich hinter einer Abrißkante (AK) angeordnet
ist.
14. Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß
wenigstens ein Wirbelstraßen-Frequenzdetektor mindestens
teilweise in den Rohrkörper des Querstrom-Meßwertgebers
(QSM) integriert angeordnet ist.
15. Einrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, gekenn
zeichnet durch mindestens einen an ein Druckmeßsystem
angeschlossenen bzw. in dieses integrierten Frequenz
detektor (FD) zur Erfassung einer von der Strömungs
geschwindigkeit (W) im Fluid abhängigen Wirbelfrequenz.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1996119632 DE19619632A1 (de) | 1996-05-15 | 1996-05-15 | Verfahren und Einrichtung zur Messung der Dichte und/oder des Massenstromes eines strömenden Fluids |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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