DE19735723B4

DE19735723B4 - Vorrichtung zur Ermittlung des Massenstromes eines in einem Rohr geführten, insbesondere gasförmigen Fluids

Info

Publication number: DE19735723B4
Application number: DE1997135723
Authority: DE
Inventors: Erik Johann; Olaf Bargull
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 1997-08-18
Filing date: 1997-08-18
Publication date: 2007-03-01
Anticipated expiration: 2017-08-19
Also published as: DE19735723A1

Abstract

Vorrichtung zur Ermittlung des Massenstroms eines in einem Rohr (1) geführten, insbesondere gasförmigen Fluids, die einen innerhalb des Rohres in Strömungsrichtung ausgerichteten und als Venturirohr ausgebildeten, Druckaufnahmestellen aufweisenden Sondenkopf umfasst, der mit einem Befestigungsflansch fixierbar und dessen Strömungseintrittsquerschnitt geringer als der Strömungsquerschnitt des Rohres ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Druckmessröhrchen (7a) für eine erste Druckaufnahmestelle (11a) zur Messung des statischen Druckes senkrecht aus der Kanalwand (4d) des Sondenkopfes (4) in eine engste kreiszylindrische Parallelsektion (4b) des Sondenkopfes (4) und ein Druckmessröhrchen (7b) für eine zweite Druckaufnahmestelle (11b) zur Messung des Totaldrucks entgegen der Strömungsrichtung zentrisch in den Austrittsdiffusor (4c) des Sondenkopfes (4) mündet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ermittlung des Massenstromes eines in einem Rohr geführten, insbesondere gasförmigen Fluids, die einen innerhalb des Rohres in Strömungsrichtung ausgerichteten und als Venturirohr ausgebildeten, Druckaufnahmestellen aufweisenden Sondenkopf umfasst, der mit einem Befestigungsflansch fixierbar und dessen Strömungseintrittsquerschnitt geringer als der Strömungsquerschnitt des Rohres ist.

Zum technischen Umfeld wird neben der DE 35 05 833 A1 beispielsweise auch auf die DE-AS 19 35 989 verwiesen.

Insbesondere wenn ein Gas-Massenstrom in einem Flug-Triebwerk ermittelt werden soll, werden zum einen hohe Anforderungen an die Stabilität einer Vorrichtung zur Massenstromermittlung gestellt, wobei gleichzeitig auf geringes Gewicht und höchste Messgenauigkeit großer Wert gelegt wird. Beispielsweise ergibt sich mit Verwendung einer einfachen Pitot-Sonde eine zu geringe Empfindlichkeit gegenüber den in Flugtriebwerken, insbesondere im sog. Bleed-Air-Syste, auftretenden Wirkdrücken. Konstruktionen, die den Wirkdruck erhöhen könnten, kommen aufgrund sicherheitstechnischer und baulicher Aspekte und aufgrund nur bestimmter, nicht angepasster Abstimmungsmöglichkeiten nur bedingt in Frage. Andere bisher übliche Systeme zur Ermittlung eines Gas-Massenstromes erfüllen wiederum die Sicherheitsvoraussetzungen für Flugtriebwerke nicht.

Aus der DE 720 527 C ist eine Vorrichtung zur Ermittlung des Massenstroms eines in einem Rohr geführten Fluids bekannt, wobei der statische Druck und der Totaldruck gemessen werden. Zur Spannungsmessung in der Rohrleitung wird ein als Venturirohr ausgebildetes Drosselgerät verwendet, um in einem eingeschränkten Bereich der Rohrleitung einen Druck messen zu können. Dadurch werden die Strömungsverhältnisse im Rohr erheblich beeinflusst.

Eine Vorrichtung zur Ermittlung des Massenstromes eines in einem Rohr geführten insbesondere gasförmigen Fluids nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 aufzuzeigen, bei der die tatsächlichen Strömungsverhältnisse im Rohr möglichst wenig beeinflusst werden und die sich dabei durch hohe Messgenauigkeit auszeichnet, aufzuzeigen, ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung.

Bei einer gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ausgebildeten Vorrichtung zur Ermittlung des Massenstromes eines in einem Rohr geführten Fluids wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein Druckmessröhrchen für eine erste Druckaufnahmestelle zur Messung des statischen Druckes senkrecht aus der Kanalwand des Sondenkopfes in eine engste kreiszylindrische Parallelsektion des Sondenkopfes und ein Druckmessröhrchen für eine zweite Druckaufnahmestelle zur Messung des Totaldruckes entgegen der Strömungsrichtung zentrisch, in den Austrittsdiffusor des Sondenkopfes mündet.

Näher erläutert wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels.
Dabei zeigt
1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung, eingebaut in ein Rohr, das Bestandteil des Bleed-Air-Systems eines Flugtriebwerkes ist;
2 einen Schnitt A-A der Vorrichtung nach 1; sowie
3 eine Ansicht X aus 2 auf die Vorrichtung sowie das Rohr.
Mit der Bezugsziffer 1 ist ein Rohr bezeichnet, in dem gemäß Strömungsrichtung 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 massenmäßig bestimmt werden, wozu eine in ihrer Gesamtheit mit 3 bezeichnete Vorrichtung zur Ermittlung des Massenstromes in das Rohr 1 eingebaut bzw. an dieses angebaut ist. Diese Vorrichtung 3 arbeitet dabei nach dem bekannten physikalischen Prinzip, dass sich ein Massenstrom eines gasförmigen Fluids aus dem statischen Druck, dem Totaldruck und der Temperatur bestimmen lässt. Selbstverständlich ist eine elektronische Auswerteschaltung erforderlich, um aus diesen genannten physikalischen Messgrößen den Massenstrom errechnen zu können. Diese Auswerteschaltung ist jedoch nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Auch wird nicht näher auf die einzelnen Messwertaufnehmer, d.h. auf die erforderlichen Druckaufnehmer sowie den Temperaturfühler eingegangen. Das Wesentliche der vorliegenden Erfindung ist vielmehr eine Vorrichtung, d.h. ein sog. Messrechen 3, der die benötigten 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 beeinflussen.
Wie die 1-3 zeigen, besteht der Messrechen 3 unter anderem aus einem Sondenkopf 4 und einem Befestigungsflansch 5, die über einen Verbindungssteg 6 miteinander verbunden sind. Der Sondenkopf 4 ist im wesentlichen als Venturi-Rohr ausgebildet und in Strömungsrichtung 2 ausgerichtet. Mit seiner Ausbildung als Venturirohr besitzt der Sondenkopf 4 eine auf eine gewünschte Druckverstärkung hin speziell ausgelegte Kontur, die sich in einen Einlauf 4a, eine ca. 2 mm lange Parallelsektion 4b und einen Austrittsdiffusor 4c unterteilen lasst. 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 Fluiströmung durch den Messrechen 3 nur unwesentlich beeinflusst.
Wie bereits erwähnt, erfolgt im Sondenkopf 4 eine für die Druckmessung förderliche Druckverstärkung derart, dass der zu messende statische Druck herabgesetzt und der Totaldruck erhöht wird. Der statische Druck wird nämlich an einer Druckaufnahmestelle 11a im engsten kreiszylindrischen Abschnitt 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, das entweder 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 vorgesehen, das der Strömungsrichtung 2 des Fluids entgegengerichtet, zentral im Austrittsdiffusor 4c des Sondenkopfes 4 angeordnet ist. Das offene, der Strömungsrichtung 2 entgegengerichtete Ende dieses Druckmessröhrchens 7b stellt dabei die Druckaufnahmestelle 11b für den Totaldruck dar. Aufgrund der Gestaltung des Sonden kopfes 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 des erhöhten Totaldruckes liegt im Sondenkopf 4 bzw. im Messrechen 3 eine gegenüber 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 zu messen, wozu bspw. im Sondenkopf 4 eine geeignete Temperaturmessstelle 10 vorgesehen sein kann. Beim hier gezeigten Ausführungsbeispiel befindet sich diese Temperaturmessstelle 10, von der eine Messleitung 10a entlang dem Druckmessröhrchen 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 der Wand des Rohres 1 angeordnete Temperaturmessstelle 10 angegeben ist.
Die beiden Druckmessröhrchen 7a, 7b übertragen die an den Druckaufnahmestellen 11a, 11b aufgenommenen Druckwerte zu einem nicht gezeigten Druckmessgerät. Hierzu führt jedes Druckmessröhrchen 7a, 7b von der jeweiligen Druckaufnahmestelle 11a, 11b zu einer im Bereich des Befestigungsflansches 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 thermischer Spannungen zu vermeiden, die ansonsten aufgrund der harten Einsatzbedingungen, nämlich der hohen Temperaturen und Drücke, auftreten könnten.
Der Messrechen 3 ist als integriertes Bauteil ausgebildet, d.h. der Sondenkopf 4, der Befestigungsflansch 5 und der Verbindungssteg 6 stellen ein einstückiges Bauteil dar, was eine hohe Festigkeit sowie eine lange Lebensdauer für den Einsatz, beispielsweise in einer Fluggasturbine, gewährleistet. 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. 1). Hiermit stellen sich sehr gut reproduzierbare Strömungsverhältnisse ein, was ebenso wie die Gestaltung des Sondenkopfes 4 an sich eine hohe Messgenauigkeit verspricht. Wie ersichtlich besteht der gesamte Messaufbau aus nur wenigen Bauteilen, was ein geringes Gewicht und äußerst kompakte Abmessungen zur Folge hat. Dabei kann durchaus eine Vielzahl von Details insbesondere konstruktiver Art abweichend vom gezeigten Ausführungsbeispiel gestaltet sein, ohne den Inhalt der Patentansprüche zu verlassen.

Claims

Vorrichtung zur Ermittlung des Massenstroms eines in einem Rohr (1) geführten, insbesondere gasförmigen Fluids, die einen innerhalb des Rohres in Strömungsrichtung ausgerichteten und als Venturirohr ausgebildeten, Druckaufnahmestellen aufweisenden Sondenkopf umfasst, der mit einem Befestigungsflansch fixierbar und dessen Strömungseintrittsquerschnitt geringer als der Strömungsquerschnitt des Rohres ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Druckmessröhrchen (7a) für eine erste Druckaufnahmestelle (11a) zur Messung des statischen Druckes senkrecht aus der Kanalwand (4d) des Sondenkopfes (4) in eine engste kreiszylindrische Parallelsektion (4b) des Sondenkopfes (4) und ein Druckmessröhrchen (7b) für eine zweite Druckaufnahmestelle (11b) zur Messung des Totaldrucks entgegen der Strömungsrichtung zentrisch in den Austrittsdiffusor (4c) des Sondenkopfes (4) mündet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Befestigungsflansch (5) an der Außenseite des Rohres (1) fixiert und über einen die Rohrwand durchdringenden Verbindungssteg (6) mit dem Sondenkopf (4) verbunden ist, wobei der Befestigungsflansch (5), der Verbindungssteg (6) und der Sondenkopf (4) ein einstückiges Bauteil bilden.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckmessröhrchen (7a, 7b) von den Druckaufnahmestellen (11a, 11b) zu einer im Bereich des Befestigungsflansches (5) vorgesehenen Anschlussstelle (8) für ein Druckmessgerät führen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung vor dem Sondenkopf (4) ein sich über den gesamten Strömungsquerschnitt des Rohres (1) erstreckendes, als Gleichrichter wirkendes Sieb (9) vorgesehen ist.