DE19735723A1 - Vorrichtung zur Ermittlung des Massenstromes eines in einem Rohr geführten insbesondere gasförmigen Fluids - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ermittlung des Massenstromes eines in einem Rohr geführten insbesondere gasförmigen Fluids, wobei der statische Druck und der Totaldruck sowie die Temperatur des Fluids gemes­ sen wird. Zum technischen Umfeld wird neben der DE 35 05 833 A1 bei­ spielsweise auch auf die DE-AS 19 35 989 verwiesen.

Insbesondere wenn anhand der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebe­ nen Methode ein Gas-Massenstrom in einem Flug-Triebwerk ermittelt wer­ den soll, werden zum einen hohe Anforderungen an die Stabilität einer Vor­ richtung zur Massenstromermittlung gestellt, wobei gleichzeitig auf geringes Gewicht und höchste Meßgenauigkeit großer Wert gelegt wird. Beispiels­ weise ergibt sich mit Verwendung einer einfachen Pitot-Sonde eine zu ge­ ringe Empfindlichkeit gegenüber den in Flugtriebwerken, insbesondere im sog. Bleed-Air-System auftretenden Wirkdrücken. Konstruktionen, welche den Wirkdruck erhöhen könnten, kommen aufgrund sicherheitstechnischer und baulicher Aspekte und aufgrund nur bestimmter nicht angepaßter Ab­ stimmungsmöglichkeiten nur bedingt in Frage. Andere bisher übliche Syste­ nie zur Ermittlung eines Gas-Massenstromes erfüllen wiederum die Sicher­ heitsvoraussetzungen für Flugtriebwerke nicht.

Eine Vorrichtung zur Ermittlung des Massenstromes eines in einem Rohr geführten insbesondere gasförmigen Fluids nach dem Oberbegriff des An­ spruchs 1 aufzuzeigen, bei welcher die tatsächlichen Strömungsverhältnisse im Rohr möglichst wenig beeinflußt werden und welche sich dabei durch hohe Meßgenauigkeit auszeichnen, aufzuzeigen, ist Aufgabe der vorliegen­ den Erfindung.

Die Lösung dieser Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, daß sich die beiden Druckaufnahmestellen in einem innerhalb des Rohres in Strömungsrichtung ausgerichteten und als Venturirohr ausgebildeten Sondenkopf eines Meßre­ chens befinden, welcher von einem am Rohr fixierbaren Befestigungsflansch getragen wird, wobei der Strömungs-Eintrittsquerschnitt des Sondenkopfes geringer ist als der Strömungsquerschnitt des Rohres. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen sind Inhalt der Unteransprüche.

Näher erläutert wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungs­ beispieles.

Dabei zeigt

Fig. 1 eine erfindungsgemäßen Vorrichtung eingebaut in einem Rohr, welches Bestandteil des Bleed-Air-Systemes eines Flugtrieb­ werkes ist,

Fig. 2 den Schnitt A-A aus Fig. 1 durch die erfindungsgemäße Vor­ richtung, sowie

Fig. 3 die Ansicht X aus Fig. 2 auf die Vorrichtung sowie das Rohr.

Mit der Bezugsziffer 1 ist ein Rohr bezeichnet, in welchem gemäß Strö­ mungsrichtung 2 ein gasförmiges Fluid geführt ist. Bei diesem Rohr 1 kann es sich beispielsweise um ein solches aus dem Bleed-Air-System eines Flugtriebwerkes handeln. Der im Rohr 1 geführte Fluidstrom soll massen­ mäßig bestimmt werden, wozu eine in ihrer Gesamtheit mit 3 bezeichnete Vorrichtung zur Ermittlung des Massenstromes in das Rohr 1 eingebaut ist. Diese Vorrichtung 3 arbeitet dabei nach dem bekannten physikalischen Prinzip, daß sich ein Massenstrom eines gasförmigen Fluids aus dem stati­ schen Druck, dem Totaldruck und der Temperatur bestimmen läßt. Selbst­ verständlich ist eine elektronische Auswerteschaltung erforderlich, um aus diesen genannten physikalischen Meßgrößen den Massenstrom errechnen zu können, diese Auswerteschaltung ist jedoch nicht Gegenstand der vorlie­ genden Erfindung. Auch wird nicht näher auf die einzelnen Meßwertaufneh­ mer, d. h. auf die erforderlichen Druckaufnehmer sowie den Temperaturfühler eingegangen. Das wesentliche der vorliegenden Erfindung ist vielmehr eine Vorrichtung bzw. der sog. Meßrechen 3, welche bzw. welcher die benö­ tigten Druckaufnehmer in optimaler Weise bezüglich der Strömungsrichtung 2 des Fluidstromes positioniert, und optimale Meßbedingungen schafft, ohne hierbei die Strömung des Fluidstromes in unzulässiger Weise zu beeinflus­ sen.

Wie die Fig. 1-3 zeigen, besteht der Meßrechen 3 unter anderem aus einem Sondenkopf 4 und einem Befestigungsflansch 5, welche über einen Verbindungssteg 6 miteinander verbunden sind. Der Sondenkopf 4 ist im wesentlichen als Venturi-Rohr ausgebildet und in Strömungsrichtung 2 aus­ gerichtet. Mit seiner Ausbildung als Venturirohr besitzt der Sondenkopf 4 eine auf eine gewünschte Druckverstärkung hin speziell ausgelegte Kontur, die sich in einen ellipsenförmig versetzten Einlauf 4a, eine ca. 2 mm lange Parallelsektion 4b, und in einen Austrittsdiffusor 4c unterteilen läßt. Indem der Strömungs-Eintrittsquerschnitt des Einlaufs 4a bzw. des Sondenkopfes 4 geringer ist als der Strömungsquerschnitt des Rohres 1 wird die eigentliche im Rohr 1 geführte Fluidströmung durch den Meßrechen 3 nur unwesentlich beeinflußt.

Wie bereits erwähnt, erfolgt im Sondenkopf 4 eine für die Druckmessung för­ derliche Druckverstärkung derart, daß der zu messende statische Druck herabgesetzt und der Totaldruck erhöht wird. Der statische Druck wird näm­ lich an einer Druckaufnahmestelle 11a im engsten kreiszylindrischen Ab­ schnitt des Venturi-Rohres, d. h. in der sog. Parallelsektion 4b ermittelt. Hierzu ist ein am Ende im Bereich der Druckaufnahmestelle 11a offenes Druckmeßröhrchen 7a für den statischen Druck vorgesehen, welches ent­ weder direkt oder über eine im Verbindungssteg 6 vorgesehene Bohrung 6a senkrecht in der Kanalwand 4d dieser Parallelsektion 4b mündet.

Auch zur Aufnahme des Totaldruckes ist ein Druckmeßröhrchen 7b vorge­ sehen, welches der Strömungsrichtung 2 des Fluids entgegengerichtet zen­ tral im Austrittsdiffusor 4c des Sondenkopfes 4 angeordnet ist. Das offene der Strömungsrichtung 2 entgegengerichtete Ende dieses Druckmeß­ röhrchens 7b stellt dabei die Druckaufnahmestelle 11b für den Totaldruck dar. Aufgrund der Gestaltung des Sondenkopfes 4 als Venturi-Rohr ist an dieser Druckaufnahmestelle 11b in diesem Bereich des Austrittsdiffusors 4c nämlich eine Wirkdruckerhöhung zu beobachten.

Aufgrund des durch das Venturi-Rohr verringerten statischen Druckes sowie erhöhten Totaldruckes liegt im Sondenkopf 4 bzw. im Meßrechen 3 eine ge­ genüber der eigentlichen Fluidströmung im Rohr 1 erhöhte Druckdifferenz zwischen Totaldruck und statischem Druck vor, wodurch die Meßgenauigkeit verbessert werden kann.

Weiterhin ist - wie bereits erläutert - die Temperatur des strömenden Fluids messen, wozu bspw. im Sondenkopf 4 eine geeignete Temperaturmeß­ stelle 10 vorgesehen sein kann. Beim hier gezeigten Ausführungsbeispiel befindet sich diese Temperaturmeßstelle 10, von welcher eine Meßleitung 10a entlang des Druckmeßröhrchens 7b zum Befestigungsflansch 5 führt, nahe der Druckaufnahmestelle 11b, sie kann jedoch auch an einer anderen geeigneten Stelle vorgesehen sein, wie dies durch die in Wand des Rohres 1 angeordnete Temperaturmeßstelle 10' angegeben ist.

Die beiden Druckmeßröhrchen 7a, 7b übertragen die an den Druckaufnah­ mestellen 11a, 11b aufgenommenen Druckwerte zu einem nicht gezeigten Druckmeßgerät. Hierzu führt jedes Druckmeßröhrchen 7a, 7b von der jewei­ ligen Druckaufnahmestelle 11a, 11b zu einer im Bereich des Befestigungs­ flansches 5 vorgesehenen Anschlußstelle 8 für ein Druckmeßgerät, bzw. für eine weitere Leitung zu diesem. Dabei sind die Druckmeßröhrchen 7a, 7b in einer Schlaufe zu ihren Anschlußstellen geführt, um Risse aufgrund thermi­ scher Spannungen zu vermeiden, die ansonsten aufgrund der harten Ein­ satzbedingungen, nämlich hohen Temperaturen und Drücken auftreten könnten.

Der Meßrechen 3 ist als integriertes Bauteil ausgebildet, d. h. der Sonden­ kopf 4, der Befestigungsflansch 5 und der Verbindungssteg 6 stellen ein einstückiges Bauteil dar, was eine hohe Festigkeit sowie eine lange Le­ bensdauer für den Einsatz beispielsweise in einer Fluggasturbine gewähr­ leistet. Dabei ist der Befestigungsflansch 5 derart geformt, daß er an der Außenseite des Rohres 1 fixiert werden kann. Selbstverständlich durchdringt dann der Verbindungssteg 6 die Wand des Rohres 1, wobei nicht gezeigte Abdichtmaßnahmen vorgesehen sein müssen, um eine Leckage des Fluidstromes aus dem Rohr 1 in diesem Bereich zu vermeiden.

Stromauf des Meßrechens 3 kann im Rohr 1 ein sich über den gesamten Strömungsquerschnitt erstreckendes und als Gleichrichter wirkendes Sieb 9 vorgesehen sein, vgl. Fig. 1. Hiermit stellen sich sehr gut reproduzierbare Strömungsverhältnisse ein, was ebenso wie die Gestaltung des Sondenkop­ fes 4 an sich eine hohe Meßgenauigkeit verspricht. Wie ersichtlich besteht der gesamte Meßaufbau aus nur wenigen Bauteilen, was ein geringes Ge­ wicht und äußerst kompakte Abmessungen zur Folge hat. Dabei können durchaus eine Vielzahl von Details insbesondere konstruktiver Art abwei­ chend vom gezeigten Ausführungsbeispiel gestaltet sein, ohne den Inhalt der Patentansprüche zu verlassen.

Bezugszeichenliste

1

Rohr

2

Strömungsrichtung

3

Meßrechen bzw. Vorrichtung zur Ermittlung (gesamthaft)

4

Sondenkopf

4

a Einlauf

4

b Parallelsektion

4

c Austrittsdiffusor

4

d Kanalwand

5

Befestigungsflansch

6

Verbindungssteg

6

a Bohrung

7

a Druckmeßröhrchen für statischen Druck

7

b Druckmeßröhrchen für Totaldruck

8

Anschlußstelle

9

Sieb

10

Temperaturmeßstelle

10

' Temperaturmeßstelle (alternativ)

10

a Meßleitung

11

a Druckaufnahmestelle für statischen Druck

11

b Druckaufnahmestelle für Totaldruck

Claims (5)

1. Vorrichtung zur Ermittlung des Massenstromes eines in einem Rohr (1) geführten insbesondere gasförmigen Fluids, wobei der statische Druck und der Totaldruck sowie die Temperatur des Fluids gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, daß sich die beiden Druckaufnahmestellen (11a, 11b) in einem innerhalb des Rohres (1) in Strömungsrichtung (2) ausgerichteten und als Venturirohr ausgebildeten Sondenkopf (4) eines Meßrechens (3) befinden, welcher von einem am Rohr (1) fi­ xierbaren Befestigungsflansch (5) getragen wird, wobei der Strö­ mungs-Eintrittsquerschnitt des Sondenkopfes (4) geringer ist als der Strömungsquerschnitt des Rohres.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der auf der Rohraußenseite fixierbare Befestigungsflansch (5), der Sondenkopf (4) und ein die Rohrwand durchdringender Verbindungssteg (6) zwischen Sondenkopf (4) und Befestigungsflansch (5) als integriertes Bauteil ausgebildet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Druckmeßröhrchen (7a, 7b) von den Druckaufnahmestellen (11a, 11b) zu einer im Bereich des Befesti­ gungsflansches (5) vorgesehenen Anschlußstelle (8) für ein Druck­ meßgerät führen.

4. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Sondenkopf (4) im engsten kreiszy­ lindrischen Abschnitt (Parallelsektion 4b) des Venturirohres senkrecht zur Kanalwand (4d) des Venturirohres das Druckmeßröhrchen (7a) für statischen Druck mündet, während das Druckmeßröhrchen (7b) für den Totaldruck der Strömungsrichtung (2) des Fluids entgegenge­ richtet zentral im Austrittsdiffusor (4c) des Sondenkopfes (4) vorgese­ hen ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Rohr (1) stromauf des Meßrechens (3) ein sich über den gesamten Strömungsquerschnitt erstreckendes und als Gleichrichter wirkendes Sieb (9) vorgesehen ist.