DE2015241A1

DE2015241A1 - Kapillardurchflussmesser

Info

Publication number: DE2015241A1
Application number: DE19702015241
Authority: DE
Inventors: Eugene E. Lexington. Mass. Tompkins (V.St.A.)
Original assignee: Brunswick Corp
Current assignee: Brunswick Corp
Priority date: 1969-03-28
Filing date: 1970-03-31
Publication date: 1970-12-03

Description

"Kapillardurchflussmesser" Die Erfindung bezieht sich auf Durchflussmesser und betrifft einen Durchflussmesser zum Messen der Flussigkeitsströmung unter Verwendung von laminaren StrömungsbedingungenO Seit langer Zeit geht das Bestreben dahin, Strömungs bedingungen indes Mediums zu messen. Eine Flüssigkeitsmenge kann einfach du roh Verwennung eines geeichten Behälters oder eine Gasmenge mittels eines Behälters mit bekanntem Volumen gemessen werden. Die Verfahren zum Messen der Strdmungsmenge einer Flüssigkeit sind jedoch schwierig und komplex. Die Steuerung und Regelung der Strömungsmengen von Flüssigkeiten wird in der moderne Technik zusehends bedeutungsvoller, wenn z.B. ein Hersteller für chemische Harze einen linearen Polyester zusammen mit Zusatzstoffen in einen Behälter einfühlt. Die Bestandteile werden in den Mischbehälter durch Rohre zugeführt, welche Strömungsmesser aufweisen. Das Verhältnis:der Stoffe muß so aufrechterhalten werden, daß z.B.
Phthal-Anhydrid, Glycerin und Essigsäure zu jedem Zeitpunkt in genauem Mol-Verhältnis zugeführt werden. Entsprechend Können die Zuführmengen 67,1 kg/h, 28,1 kg/h und 27,2 hg/h betragen. Jede Änderung der Zuströmmengen jedes Bestandteils macht unmittelbar eine Änderung der zuströmenden Mengen der anderen Bestandteile notwendig. Es ist daher ein sehr genau arbeitendes Strömungsmeßsystem erforderlich. Das vorstehend aufgeführte Beispiel zeigt die Notwendigkeit einer exakten Messung und Steuerung der Strömungsmengen von Flüssigkeiten.
Poiseuille stellte 1840 experimentell fest, daß unter den folgenden Bedingungen in einem langen zylindrischen Rohr eine laminare Strömung erreicht wird: wobei Q das Volumen der Strömung in der Zeiteinheit, die Viskosität der Flüssigkeit, #P P der Druckunterschied, L die Länge des Rohres und r der Radius des Rohres ist. Die aus den Ableitungen dieser Formel sich ergebenden Bedingungen und die experimentelle Bestätigung waren die Begrenzung der Strömung auf eine laminare Strömung. Jedoch waren die Grenzen der laminaren Strömung bis 1883 nicht festgestellt, d.h. bis zu dem Zeitpunkt zu dem 0. Reynolds seine i'eststellungen bezüglich laminarer und turbulenter Strömungen in Flüssigkeit veröffentlichte. Reynolds schloss aus seinen Experimenten, daß bei niederen Geschwindigkeiten die Strömungsteilohen, die in parallelen Schichten, d.h. laminar bewegt wurden, über die Teilchen angrenzender Schichten gleiten, sich mit diesen jedoch nicht mischen. Dieser Zustand war als Bereich der laminaren Strömung bezeichnet. Es wurde festgestellt, daß die laminare Strömung sich in turbulente Strömung, bei der die Teilchen der Flüssigkeitaschiohten sich untereinander -mischen, bei höheren kritischen Geachwindigkeiten umwandelt als die turbulente Strömung sich in laminare Strömung surUckbildet. Die erstere bzw.
höhere Geschwindigkeit wird die obere kritische und die letztere oder niedere Geschwindigkeit die untere kritische Geschwindigkeit genannt. Reynolds konnte seine Feststellungen verallgemeinern und führte einen dimensionslosen Begriff Re ein, welcher als Reynolds-ache Zahl bezeichnet wird und durch bestimmt ist, wobei V die mittlere Geschwindigkeit in einem Rohr, r der Radius des Rohres und e und die Dichte und Viskosität der strömenden Flüsßigkeit sind. Reynolds stellte fest, daß bestimmte kritische Werte der Reynoldslschen Zahl Reo die oberen und unteren kritischen Geschwindijeiten für alle Flüssigkeiten in beliebigen Abmessungen von Rohren bestimmen. Auf diese Weise stellte er fest, daß eine einzige Zahl die Grenzen der laminaren und turbulenten Strömung in Rohren für alle Flüssigkeiten bestimmen. Die obere Grenze der laminaren Strömung wurde durch Reynolds entsprechend einer Reynoldsts¢hen Zahl Re von 12 boo bis 14 ooo festgestellt, jedoch ist unglücklicherweise diese obere kritische Reynoldstsche Zahl unbestimmt, d.h. abhängig von bestimmten auftretenden Bedingungen wie: (1) der Augangsvibrationsenergiespiegel des Mediums, (2) der Form des Rohreintritts und (3) der Rauheit der Rohroberfläche. Jedoch sind diese hohen Werte der oberen kritischen Reynoldssohen Zahl in erster Linie von akademischer Bedeutung, eo daß für den praktischen Gebrauch die obere Grenze der laminaren Strömung mit einer Reynolds's¢hen Zahl Rec von etwa 2 700 bis 4 ooo definiert werden kann.
Die untere Grenze der turbulenten Strömung, die durch die untere kritische Reynoldsteche Zahl bestimmt ist, ist bei weitem die wichtigere. Sie bestimmt die Bedingungen unterhalb derer jede Turbulenz, die in die Strömung durch irgendeine Quelle eingeführt wird, in jedem Ball beseitigt wird. Diese untere kritische Reynoldstsohe Zahl setzt also eine Grenze, unter welcher die laminare.Strömüng in jedem Fall aufrechterhalten wird. Viele Experimente haben gezeigt, daß die untere kritische Reynoldsssche Zahl einen Wert von etwa 2 ooo tat, jedoch ist leicht zu erkennen, daß, wenn alle Medien, nämlich Flüssigkeit und Gase, über einen weiten Bereich von Temperaturen und Drücken betrachtet werden, es das günstigste ist, die Reynolds'sche Zahl 2 ooo als einzige Kennzahl zu verwenden.
Die grundlegende Erfordernis für einen Strömungsmesser ist es, das Volumen eines durch einen Durchgang in einer bestimmten Zeit durchströmenden Mediums anzuzeigen. Die Geschwindigkeit des Mediums duroh-das Meßgerät kann durch bestimmt werden, wobei V die Gesohwindi-gkeit des Mediums, Q die Strömungsmenge bzw. das Volumen der Strömung in einer Zeiteinheit und A der Querschnitt des Durchganges, durch den die Flüssigkeit strömt, St.
Durch Einsetzen des Wertes für V gemäß der formel 3 in die Formel 2 kann die Reynoldslsche Zahl bestimmt und die Strömungsbedingungen entweder für die laminare oder turbulente Strömung eingestellt werden, wenn die Strömungsmenge und der Querschnittsbereich bekannt sind. Es wurde festgestellt, daß zweckmäßig die Strömung eines Mediums in laminarem Zustand gemessen wird, da sonst Turbulentfaktoren, z.B. nicht lineare Reibungseffekte, variable Viskositäten, dreidimensoinale Geschwindigkeitsvektoren usw. auftreten, welche die Messung sehr komplizieren.
Wenn auch jeder dieser bekannten Arten von Durchflussmessern Vor- und Nachteile gegenüber anderen hat, so haften doch dem Stauranddurchflußmesser, dem Düsendurchflußmesser und der Yenturidurchflußmesser gemeinsam zwei wesentliche unerwiinsohte Merkmale an, nämlich jeder dieser Durchflußmesser ist abhängig von einer Kalibrierung mit empirischen Mitteln und die Durchflußmenge des Mediums liegt nicht in einer linearen Funktion zu jeder Variablen.
Die Erfindung bezieht sich ebenfalls auf einen derartigen Durohflußmesser und betrifft einen laminaren Durchflußmesser.
Wenn eine Kapillarstruktur in einem Gehäuse angeordnet ist und oberstrom und unterstrom Druckabnahmestellen mit einer Druck- oder Strömungsanzeigevorrichtung verbunden sind, zeigt der so konstruierte Durchflussmesser genau die Strömung, die Strömungsmenge oder den Druckabfall durch den Durchflussmesser an.
Dieser Durchflussmesser ist so ausgebildet, daß er für alle Medien im laminaren Strömungsbereich arbeitet. Er ist ein außerordentlich wirtschaftliches Meßgerät, wie im folgenden noch erläutert'werden wird. Dies bildet einen der wensentlichsten Vorteile laminarer Durchflussmesser. Die bekannten Typen von Durchflussmeasgeräten erfordern alle einen Korrekturkoeffizienten, der empirisch für jedes Mesagerät bestimmt werden muss. Eine Aufstellung dieser variablen Korrekturfaktoren muss jedem Messgerät für den Benutzer beigegeben werden, so daß eine Korrektur der Anzeige der Durchflussmenge durchgeführt werden kann. Die Auswertung dieser Aufstellung bedeutet einen erheblichen Zeitaufwand für den Benutzer. Die Erstellung dieser Aufstellung der variablen Korrekturfaktoren erhöht ausserden die Kosten des Durchflussmessrs. Da der erfindungsgemässe Durchflussmesser keine derartige Korrekturaufstellung benötigt, verbilligt sich die Herstellung.
Der laminare Strömungsmesser verwendet eine Struktur'von nebeneinanderliegenden Durchgängen, um einen Messdurchgang ftir das Lesegerät zu erzeugen.
Es ist eine der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, einen Durchflussmesser zu schaffen, der für alle Medien im laminaren Strömungsbereich arbeitet.
Bei der Erläuterung der bekannten Typen von Durchfluasmessern ist ausgeführt, daß sie zwar eine vielseitige Anwendung gefunden haben, dies seine Ursache aber darin hat, daß bisher nur diese Typen von Durchflussmessern verfügbar waren.
Es ist entsprechend eine weitere der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, einen im laminaren Bereich arbeitenden Durchflussmesser zu schaffen, in welchem die Durchflussmenge eine lineare Funktion des Druckabfalls ist.
Eine weitere der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist es, einen derartigen Durchflussmesser zu schaffen, der frei von empirischen Konstanten iet.
Der wesentliche. Gegenstand der Erfindung iet es, eine Kapillarstruktur zu schaffen, die homogen und cellular aufgebaut ist. Ein anderer Gogenstand der Erfindung ist es, eine Kapillarstruktur zu schaffen, in welcher jede Kapillare einen wirksamen Radius hat, der gleich oder ein anderer als bei benachbarten Kapillaren sein kann.
Es ist noch ein weiterer Gegenstand der Erfindung, eine derartige Kapillarstruktur zu schaffen, in welcher jede Kapillare eine bestimmte Länge ausweist, die von der Länge benachbarter Kapillaren unterschiedlich oder mit diesen gleich sein kann.
Es ist noch ein anderer Gegenstand der Erfindung, ein Meßgerät zu schaffen, welches entweder den Druckabfall oder die Strömungsmenge durch den Durchflussmesser anzeigt, wobei die Druckabnahmestellen ober strom und unter strom von dem Meßquersohnitt liegen und mit dem Meßgerät verbunden sind.
Es ist noch ein weiterer Gegenstand der Erfindung, einen sehr genau arbeitenden Durchflussmesser für Flüssigkeiten zu schaffen, in welchem die Reynolds'sche Zahl 1000 oder darunter beträgt und die Druckabnahmestellen an der Durchgangs struktur an Punkten liegen, wo vollständig laminare Strömung bentoht.
Es ist, a,ooh ein weiterer Gegenstand der Erfindung, einen derartigen Durchflussmesser so auszubilden, daß die Kapillaren der Struktur teilweise verstopft werden können, um den Durchflussquerschnitt und damit die Kapazität der Durchflußmenge des Messgerätes zu ändern.
Noch ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist es, einen derartigen Durchflussmesser zu schaffen, in welchen die Kapillarstruktur bündelweise angeordnet ist.
Noch ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist es, einen derartigen Durchflussmesser zu schaffen, bei welchem der wirksame Radius einer einzelnen Kapillare im Bereich von o,o1 Mikron bis 75 Mils liegt und die Anzahl der Kapillaren zwischen 2 und 1o6 variieren kann.
Noch ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist es, eine Kapillarstruktur zu schaffen, die turbulente Strömung eines Mediums und zwar Flüssigkeit oder Gas innerhalb der Struktur in laminare Strömung umwandeln kann.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist es, eine derartige Kapillarstruktur zu schaffen, in welcher die Wanddicke zwischen nebeneinanderliegenden Kapillarven gleich oder untersoWiodlich ist.
Noch ein weiterer Gegenstand er Erfindung ist es, eine derartige Kapillarstruktur zu schaffen, bei der die Stirnflächen jede beliebige gewählte geometrische Form haben.
Die Erfindung wird im folgenden im Vergleich zu den bekannten Anordnungen an Ausfilhrungsbeispielen näher erläutert.
In den Zeichnungen zeigen: Fig. 1 schematisch einen Axialschnitt durch ein Venturirohr, Fig. 2 schematisch einen Exialsohnitt durch einen bekannten Venturidurchflussmesser, Fig. 3 ein Diagramm, des nichtlinearen Verhältnasses zwischen dem Druckabfall und dem Geschwindigkeitskoeffizienten für den.
Venturi-Durchflussmesser gem. Fig. 2, Fig. 4 schematisch einen Axialschnitt durch einen bekannten DUsendurchflussmesser mit langem Radius, Fig. 5 ein Diagramm der Abhängiskeit zwischen dem Geschwindigkeitskoefftzienten und dem Druckabfall durch den Düsendurchflussmesser gem. Fig. 4, Fig. 6 schematisch einen Axialachnitt durch einen bekannten Düsendurchflussmesser mit kurzem Radius, Fig. 7 ein Diagramm des Verhältnisses zwischen dem Geschwindigkeitskoeffizienten und dem Verhältnis der Öffnungsbereiche in der Düse gem. Fig. 6, Fig. 8 schematisch einen Axialschnitt durch einen bekannten Stauranddurchflussmesser, Fig. 9 ein Diagramm des Verhältnisses zwischen dem Korrekturkoeffizienten und dem Verhältnis des Rohrquerschnitts zum Staurandquerschnitt, Fig.10 einen Axialschnitt durch den Laminar.Strömungemesser gemäß der Erfindung Fig.11 einen Schnitt entlang der Linie 11-11 in Fig. 1, Fig.11a in vergößertem Maßstab einen Kapillardurchgang mit dem Effektivradius r, Fig.12 eine Querschnittansicht durch eine Ausführungsform der Kapillarstruktur aus Richtung der Linie B-B in Fig. 10, Fig.13 eine Querschnittansicht dadurch eine andere Ausführungsform der Kapillarstruktur aus Richtung der Linie B-B in Fig. jo, Fig.14 eine Querschnittanscht durch eine weitere Ausftihrungsform der Kapillarstruktur aue Richtung der Linie B-B in Fig. 10, Fig.15 eine Querschnittansicht duroh eine weitere Ausführungsform der Kapillarstruktur aus Riohtung der Linie B-B in Fig. Io, Fig.16 eine Querschnittansicht durch noch eine weitere Ausführungsform der Kapillarstruktur aus Richtung der Linie B-B in Fig. le, Fig. 17 eine Schrägansicht auf eine versetzt zusammensetzte Ausführungsform der Kapillarstruktur, Fig. 18 eine Schrägansicht auf eine koaxiale Anordnung der Kapillarstruktur, Fig. 19 einen Axialschnitt durch eine Ausführungsform des Durchflussmessers ohne Drucknahmestellen, welche eine geometrische Form der Stirnflächen dargestellt ist, Fig. 20 inen Axialschnitt durch eine andere Ausführungsform den Durchflussmessers ohne Druckabnahme stellen, welohe eine andere Form der Stirnflächen zeigt, Fig. 21 einen Achsialschnitt einer anderen Ausführungaform des Durchflussmessers ohne &eßstellen, welche eine weitere Form der Stirnflächen zeigt, Fig. 22 einen Axialsohnitt durch eine weitere AusfUhrungsform des Durchflussmessers ohne Druckabnahmestellen, welche noch eine weitere Form der Stirnfläohen zeigt, Fig. 23 einen Axialschnitt duroh eine weitere Ausführrungsform des Meßgerätes, Fig. 24 eine Schrägansicht auf eine weitere Ausführungsform der Erfindung, wobei Kapillastrukturen gebündelt sind, Fig. 25 sohematisoh einen Axialschnitt durch eine weitere Ausführungsform der Erfindung und Fig. 26 ein Diagramm des Verhältnisses zwischen dem Druckabfall und der Strömungsmenge bei einem Durchflussmesser gem. Fig. 25.
Eine bekannte Strömungsmeßeinrichtung wurde nach dem italienischen Phydiker G.B. Venturi benannt. Ein Venturi-Rohr gemäß Fig. 1 ist ein konvergierent-divergierendes Rohr. Duroh Verwendung des bekannten Bernoulli Prinzips wird deutlich, daß die Druckdifferenz Po - P2 die durch die Strömung durch das Rohr erzeugt wird, ein Maß für die Geschwindigkeit ist, und zwar nach folgenden Formel: P0 + 1/2 #V02 = P2 + 1/2 #V22 (Formel 4) wobei pO der Druck bei 0, V0 die Geschwindigkeit des Mediums, bei 0,# die Dichte des Mediums, P2 der Druck des Mediums bei 2 und V2 die Geschwindigkeit des Me-Mediums bei 2 ist. Wenn ein inkompresibles Medium verwendet wird, dann ist V0 A0 = V2 A2 (Formel 5) wobei A0 der Querschnittsbereich bei 0 und A2 der Querschnittsbereich bei 2 ist. Duroh Einsetzen der Formel 5 in Formel 4 ergibt sich das folgende Ver-Hältnis: A0 ist zwar unbekannt, jedoch ist es abhängig sowohl vom Bereich A1, der im konvergierenden Teil des Rohres liegt, als auch von der Form der Rohres.
Ein Venturi-Durchflussmesser ist in Fig. 2 dargestellt, wobei das Eingangsrohr 1 mit einem Nanometer 5 und mit einer Druckabnahme v versehen ist. ein konvergierender Abschnitt mit einem Konuswinkel von etwa 200 vorgesehen ist, ein kurzer zylindrischer Abschnitt 2 mit einem Nanometer 8 und Druckabnahmestellen 7 versehen ist, wobei die Druckabnahmestellen 6 und 7 durch ein Manometer 9 verbunden sind, welches den Druckabfall im Durc,hflussrnesser anzeigt und einen Diffusorkonus 3, der einen Divergenzwinkel von etwa 5-7° aufweist. Damit der Venturi-Durchflussmesser einwandfrei funktioniert, sind lange Rohrabschnitte frei von Fittings und Gleitflächen oberstrom des Venturidurchflussmessers so angebracht, daß die Strömungsschwankungen auf ein Minimum reduziert oder völlig beseitigt werden. Der Differentialmanometer 9 misst die Druckdifferenz zwischen der Basis 0 wid der Drosselstelle 2. Die Gleichung fUr die Strömung eines Mediums durch ein Venturi-Durchflussmesser ist wobei als neue Ausdrücke Q für die Durchflussmenge, W für das spezifisch. Gewicht und g für die Erdbeschleunigung verwendet ist. Unglücklicherweise treten immer Verluste durch durch Reibungewiderstand und Energieverluste in einem Venturidurohfluesmesser zwischen den Abschnitten 0 und 2 auf und daher muss die Gleichung 6 immer durch einen Experimentalkoeffizienten Cv korrigiert werden, damit der Geschwindigkeitskoeffizient des Durohflussmessers entsprechend den tats#ächlichen Umständen angepaßt wird.

Gleichung 7 wird dadri?

\J | ~ 43 1/ . 9 s«4

v * + | thleich X EJ

Es ist notwendig, empirisch die Werte für Dv für jeden Venturidurchflussmesser zu bestimmen. Infolge seiner wahren Natur ist ein Venturidurchflussmesser sehr kostspielig herzustellen, und die Kosten um einen genaueren Venturimesser zu erhalten erhöhen sioh in einem größeren Verhältnis als die Genauigkeit steigt. Ferner ist die Lage der Druckabnahmestellen außerordentlich kritisch. Da der Drosselbereich des Venturis zwischen 1/4 und 1/2 des Durchmessers des Eintrittsrohres sein muß, ist der Effektivbereich für jedes einzelne Venturirohr entsprechend begrenst.
Fig. 3 zeigt ein nicht-lineares Verhältnis zwischen dem Druckabfall und dem Geschwindigkeitskoeffizienten.
Diesen Durchflussmesser sind eine andere bekannte Art von Meßeinrichtungen, die seit vielen Jahren verwendet werden, jedoch wurden nur in den späten 193oiger Jahren umfangreiche Untersuchungen über Meßdüsen durchgeführt, um ausreichende Betriebswerte zu erhalten und entsprechende Grundlagen für die Konstruktion zu schaffen. Diesen Durchflussmesser sind in Fig. 4 und 6 dargestellt. Diese DUsen sind zwischen die Flansche eines Rohres eingespannt und haben im allgmeinen enge Krümmungen in den konvergierenden Flächen, welche in kurze zylindrische Abschnitte@übergehen. Sie sind ähnlioh einem Venturidurchflussmesser, wobei der Diffusorkonus weggelassen ist. Da der Diffusorkonus in erster Linie dazu dient, um die Energierverluste durch den Durchflussmesser zu v.rmindern, treten bei Durchflussdüsen größere Energieverluste als bei Venturidurchflussmessern auf.
Entsprechend haben Venturidurchflussmesser einen höheren Wirkungsgrad, wenn auch die Durchflußdüsen billiger sind. Die Durchflussdüse mit langem Radius gemäss Fig. 4 hat, wenn sie auch billiger als ein Venturi ist, eine Anzahl von kritischen miteinander zusammenhängenden Abmessungen, wobei die Stellen von Piezometeranschlüsse eine Funktion der Durchmesser d1 und d2 usw. sind.
Die Gleichung für die Durchflussmenge für eine Düse nach Fig. 4 ist die gleiche wie die Durohflussmenge für ein Venturi gemäß Gleichung 8. Das Verhältnis von 0v zu # P ist in Fig. 5 dargestellt@ Jedoch gilt dieser empirische Koeffizient nur wo kleiner als o,25 und der Wort von V2 d2 # µ 8330 nicht kleiner als (400 000 - ) ist.
d2 Die Düse mit kurzem Radius gemäß Fig. 6 unterscheidet sich von der Düse mit langem Radius in der Form und der Anordnung der Piezometer-Anschlüsse P1 und P2, welohe durch Bohrungen oder schlitze neben den Stirnflächen des Düsenstückes angeordnet sind. Diese Art von Druckmessanschlüssen ist deshalb einfach, weil die Düse komplett mit Druckmessanschlüssen als Einheit hergestellt und zwischen die Flansche einer Rohrleitung eingesetzt werden kann, ohne dß Piezomoter-Bohrungen im Rohr angebracht werden messen. Die gleiche Gleichung für die Strömungsmenge gilt für beide Durchflussdüsen, wenn auch Cv für die Düse mit kurzem Radius, wie in Fig. 7 dargestellt, nicht ein gradliniges Verhältnis ist. Die Durchströmdüsen bringen außerdem noch nachteilige Eigenschaften mit sich, z.B.
liegt üblicherweise der Arbeitsbereich im turbulenten Strömungsbereich, so daß sich ungenaue Ablesungen ergeben, auch kann Jeder Durchflussmesser für einen sehr engen Bereich verwendet werden und die eschwindigkeitskoeffizienten müssen für jede Düse besonders bestimmt werden, da sehr umfangreiche Wirbelströmungen und Änderungen in der Dichte des Mediums auftreten.
Die dritte Art von klassischen Durchströmmenssern# ist der Staurand, wie ein Fig. B dargestellt. Der übliche Staurand besteht bei Verwendung als Durchflussmeßeinrichtung in einer Rohrleitung aus einer konzentrischen Öffnung in einer dünnen Platte welche zwischen zwei Flansche der Rohrleitung eingespannt ist. Der Staurand unterscheidet sich von der Düse dadurch, daß die Strömungscharakteristika im am meisten eingeschnürten Bereich der Strömung (genannt "Vena Contracta") d.h. nicht innerhalb der Öffnung, sondern unterstrom von dieser auftritt da die Teilchen des Mediums nicht axialen strömen, wenn sie sich der Öffnung nähern. Dadurch wird das Problem kompliziert, da in der Strömungsgleichung für einen Staurand (welche die gleiche wie Gleichung 8 ist) die Strömungsmenge zum Teil von einem Wert fur A2, dem Vena-Contracta abhängt, welcher etwas unterstrom von der Staurandöffnung liegt und die Bestimmung von A2 schwierig macht.
Zur Vereinfachung wird vorteilhafterweise ein weiterer Experimental-Koeffizient C0, der Einschnürungskoeffizient eingeführt, wobei 0c als definiert ist. Dies iet einfach das Verhältnis zwischen dem unbekannten Bereich A2 und dem bekannten Bereich der Staurandöffnung A. Ein zweiter Faktor 0, der als "Staurandkoeffiezient" eingeführt wird, ist bestimmt durch die Gleichung Wenn der Einschnürungskoeffizient C0 und der Staurandkoeffizient C in die Gleichung 8 eingesetzt werden, ergibt sich Es dar hier festgestellt werden, daß der Staurandkoeffizient O, wie er in Fig. 9 dargestellt ist, nicht in des linearen Verhältnis sich ändert sondort empirisch bestimmt werden muss.
Einige der Nachteile eines Stauranddurchflussmessers sind: (1) die Druckabnahmestelle muß genau in der tova-Contraota hegel, deren Lage sich mit der Durchströmmenge ändert, (2) die Strömungsmenge des Mediums ist nicht sine lineare Funktion der Variablen, (3) ein einzelner Staurand kann nur über einen engen Bereich von Strömungsmengen verwendet werden, (4) Stauränder sind einem erheblichen Verschleiß unterworfen, (5) der empirische Staurandkoeffizient muß für Jeden Staurand bestimmt werden, und (6) alle ausgetauschten Einheiten müssen in der Leitung einkalibriert werden.
Wie in Fig. 10 dargestellt, hat der Strömungsmesser loo ein Gehäuse 105, eine Kapillarstruktur lol mit einer Anzahl von im wesentlichen' parallelen Kapillaren 102, zwei Druckabnahmestellen 103 und 104, oberstrom bzw.
unterstrom der Kapillarstruktur 101 und eine Anzeigevorrichtung 106 für die Druckdifferenz zwischen den Meßstellen 1o3 und 104. Die Flansche 108 sind ein möglichts Mittel um das Gehäuse lol in einen Flüssigkeitsstrom einzubauen. Es kann jedoch jedes andere bekannte Mittel zur Verbindung des Gehäuses in der Rohrleitung verwendet werden.
Das Meßgerät 106 kann ein einfacher Druckmesser oder Ma'nometr sein, Jedoch kann das Gerät 106 auch eine Kombination von Mechanismen, z.B. ein elektrisches Anzeigegerät und ein Differenzialdruckmesser sein, die wenn sie als eine Einheit arbeiten, ein lineares elektrisches Signal in Abhängigkeit von der Druckänderung erzeugen.
In der dargestellten vorzugsweisen Ausführungsform der Erfindung ist die Iuinarstruktur lol mit Kapillaren 102 durch Einschnüren eines Rohrbündels mit eingesetzten Stangen hergestellt, wobei die Stangen nach dem Einschnüren entfernt und die so gebildete Struktur in einer vorbestimmten Länge abgeschnitten wird. Durch Verwendung einer vorbestimmten Stangen-und Rohrgröße ebenso wie einer vorbestimmten Anzahl von Einschnürvorgängen, z.B. Strangpressen, Drahtziehen, Walzen oder dergl. kann eine genaue Größe der sich ergebenden Kapillaren voraua bestimmt werden. Eines dieser Verfahren zur Herstellung von Kapillarstrukturen mit einer großen Anzahl von feinen Kapillaren ist der US-Anmeldung von Roberts und Roberts in der USA-Anzeldung Serial Nr. 778 679 vom 25. November 1968, die auf die Anmelderin übertragen wurde, beschrieben. Die Kapillarstruktur des Durchflusmessers und die Verfahren zur Herstellung dieser Kapillarstruktur, wie in der genannten US-Aemeldung beschrieben, sind hier eingeschlossen, Jedoch können auch andere Verfahren zur Herstellung der gewünschten Kapillarstruktur verwendet worden, wenn die Durchgänge genaue Abmessungen haben und eine entsprechende Länge der Kapillarstruktur erreid@bar ist. Die Kapillaren 1o2 der Kapillarstruktur 101 können in Anordnung und Lage zueinander geändert werden, jedoch eollen die Kapillaren im wesentlichen parallel liegen.
Verschiedene Anordungen von Kapillaren sind im Schnitt in den Fig. 11 - 16 dargestellt. Wie gezeigt, können die Kapillaren 101 im wesentlichen genaue geometrische Formen, z.B. quadratisch, kreisförmig, rechteckig und dreieckig usw., haben. Es gibt viele andere mögliche geometrische Formen, z.B. pentagonal, hexagonal, trapezoid usw., die alle in den Schutzbereich der Erfindung fallen. Der Querschnitt der Kapillaren 102 kann auch Jede vorbestimmte unregelmäßige Form aufweisen. Bei der vorzugsweisen Ausführungsform gemäß Fig. 11 haben die Kapillaren 102 im wesentlichen kreisförmigen, aber unregelmäßigen Querschnitt. Der Umfang 1c22 der Kapillaren 102 kann mit. einem Planimeter gemessen werden und der Querschnittsbereich für jede Kapillare kann berechnet werden. Wenn die Abesung der Kapillaren außerordentlich klein ist, können fotografische Vergrößerungen zur Bestimmung des Flächenbereiches verwendet werden. Wenn der berechnete Bereich der Kapillare nach der, mathematischen Gleichung für einen echten Kreism A = # r² bestimmt ist, wobei der Radius des Kreises ist, kann der Radius für einen genauen Kreis für Jede Kapillare 1o2 berechnet werden, wobei dieser Radius der wirksame Radius r ist.
Für Kapillaren mit allgemein kreisförmige@ Querschnitt ist der wirksame Radius r A = # r² gültig. Bei anderen geometrischen Formen ist Jedoch der wirksame Radius r eine Funktion der Abmessung des geometrischen Querschnittes.
Für laminare Strömungen dig in einem Durchflussmesser auftreten, müssen bestinte grundsätzliche Bedingungen berüokschtigt werden. Diese Bedingungen werden durch die physikalischen Eigenschaften des durch das System strömenden Mediums die maximale Durchflussmenge des Mediums und den maximalen Druckabfall im Medium, der für dieses System zulässig ist, bestimmt. Die Strömungsmenge Q für ein inkompressibles Medium das durch eine Kapillare strömt, kann leicht durch die Formel berechnet werden, worin P P der Druckabfall durch den Durchflussmesser, r der Effektivradius dci gapillarquersohnietsa, die Viskosität des durch den Durchflussmesser etrömunden Mediums und L die Länge der Kapillaren iet, wobei Gleichung 11 der Poiseuille'schen Gleichung (Gleichung 1) entspricht.
Durch Umsetzen der Gleichung 11 wird der Radius der Kapillare eine Funktion und in Beziehung gesetzt zur Lange L. Die Viskosität µ für ein gegebenes Medium ist bekannt und die Strömungsmenge Q und der Druckabfall # P sind gerätebedingte Parameter. Um jedoch eine laminare Stromung durch die Kapillarstruktur 101 des Durchflussmessers sicherzustellen, darf eine maximale Reynold' sche Zahl, die die laminare Strömung im System sicherstellt, für die Kapillaren nicht überschrietten werden. Wie oben erläutert, lautet die Gleichung 2 fÜr die Reynold'sche Zahl und umgeordnet die laminar Strömung sicherstellt, wobei die Reynold' sehe Zahl unterhalb der maximalen Reynold'schen Zahl liegen muß, die laminare Strömung erzeigt (Rmlf).
Wenn Rmlf für Re eingesetzt wird, ergibt sich da V " # (Gleichung 3) und für im wesentlichen runde Kapillaren (Gleichung' 14) und daher bei Einsetzen des V-Wertes in die Gleichung 13 Daduroh wird zur Sicherstellung einer laminaren Strömung: Die Ungleichung 1 ergibt daher ein Mittel um laminare Strömung in dem laminaren Strömungselement, welches in der Vorrichtung vorgesehen ist, sicherzustellen.
Darüberhinaus ist es notwendig, daß wobei r der Kapillardurchmesser und L die Kapillarlänge ist. Durch Verwendung des Mindestwertes der Ungleichung wird r Wenn die Gleichung 16 für den Wert L als Austausch für r in die Gleichung 12 eingesetzt wird, ergibt sich folgende Gleichung (Gleichung 17) wobei r eine Funktion der Charakteristik des Mediums, des Druckabfalls und der Durohflussmenge ist. Durch die Verwendung des aus der Gleichung 17 und der Gleichung 16 berechneten Wertes für r kann der erforderliche Wert für L leicht bestimmt werden. Ea muß Jedoch festgestellt werden, daß das Verhältnis von r-vs.-L wie oben bestimmt duroh Verwendung der Gleichung 16 das minimale Verhältnis von L/2r darstellt. Werte für L/2r bis zu und über 100 können verwendet werden, Z.B. wo ein Hochdruckfall undZoder eine sehr geringe Strömungsmonge erforderlich sind, da die Vergrößerung der länge einer Kapillare eines gegebenen Durchmessers den Strömungswiderstand erhöht.
Wenn r nach einer der vorstehend geschilderten Verfahren bestimmt istt kann die Ungleichung 1 verwendet werden, um sicherzustellen, daß die Strömung in Jedem Fall laminar bleibt.
Es ist für den Fachmann klar, daß bei einer Vielzahl von Kapillaren im Durchfluasmesser verwendet wird, der Wert für den Gesamtdurchfluß Qt die Summe aller Qs für Jede einzelne Kapillare ist.
Um das lineare Verhältnis von Flüssigkeiten unter hohem Druck sicherzustellen oder wenn sehr genau arbeitende lineare Durchflußmossor gewünscht werden, wurde festgestellt, daß die vorzugweise Ausführungsform nach Fig. 25 die größere gewünschte Genauigkeit ergibt. Der Durchflußmesser lloo besteht aus einem Gehäuse 1105, einer Kapillarkonstruktion 1101 mit einer Anzahl von im wesentlichen parallelem Kapillaren 1102, zwei Meßstellen 1103 und 1104, die durch das Gehäuse 1105 in die Kapillarstruktur 1101 hineinragen. Ein Meßgerät 11o6 ist zwischen die Meßstellen 1103 und 1104 eingeschaltet und zeigt den Druokabfall zwischen beiden an. Das Gehäuse 1105 hat Stirnflansche 1108 zum Einbau des Durchflußmessers 1101 in ein beliebiges Rohrsystem.
Um einen sehr genau arbeitenden Durchflußmesser herzustellen, ist es notwendig, die Kapillarstruktur derart herzustellen, daß das Medium das in eder Kapillare 11o2 strömt, vollständig laminar bleibt. Zusätzlich wurde als notwendig festgestellt, daß die oberstromige Meßstelle 1104 eo im Durchflußmesser liegt, daß bereits eine völlig laminare Strömung an dieser Meßstelle besteht. Die Stelle der unterstromigen Meßstelle 1103 ist zwar nicht kritisch, soll Jedoch so liegen, daß unmittelbar ober strom von der Meßstelle eine absolut laminare Strömung besteht. Es wurde festgestellt, daßl um ein derartiges sehr genau arbeitendes laminar Durchflußgerät für Flüssigkeiten zu schaffen, bei dem die Druckdifferenz zwischen den Meßstellen direkt proportional dem Wert Q für die Flüssigkeitsmenge ist, es notwendig ist, daß ein Verhältnis L/2r von etwa 80 oder sehr gegeben ist.
Bei der vorzugsweiion Ausführungsform kann die Kapillatstruktur 101 mit Kapillaren versegen sein, die bis zu 90 % des Querschnitts der Leitung des Mediums einnehmen. Dadurch kann die Struktur 101 eine hochdurchlässige Bahn bilden, die nur einen geringen Strömungswiderstand bildet und daher nur einen geringen Druckabfall bewirkt. Die Porosität kann von dem Maximum von 90 % auch bis zu jeder gewünschten Höhe vermindert werden, um die genauen Arbeitscharakteristika des Durchflusmessers zu erhalten.
Ein Verfahren zur Verminderung der Porosität ist es, einen Teil der Kapillaren zu verstopfen.
Diese Art von Durchflußmesser ist unabhängig von empirischen Korrekturfaktoren wie dem Faktor oder G, wie sein bei bekannten Durchflußmessern, wie oben erläutert, erforderlich sind. Entsprechend ist der Druckabfall zwischen den Meßstellen direkt proportional in einem linearen Verhältnis zur Durchflußmenge. Es daher gleich, die Skala eines Druckmessgerätes nach der Durchflußmenge, z.B. in Litern je Minute oder in com je Sekunde usw. zu eichen, anstatt der Druckmeslung in atU, mm WS oder dergl.
Wie oben erläutert, sind die Werte für r und L Minimalwsrte, um laminare Strömung sicherzustellen. Es ist daher lediglioh notwendig, daß das laminare Verhältnis zwischen L und r aus der Gleichung 16 aufrechterhalten wird. Es ist daher möglioh, den Effektivradius oder die Länge der Kapillare zu ändern, vorausgesetzt, daß die grundsätzlichen Voraussetzungen für laminare Strömungen äufrechterhalten werden. So können nebeneinanderliegende Kapillaren in der gleichen Kapillarstruktur unterschiedliche Längen und/ oder unterschiedliche Radien haben. Einige der möglichen geometrischen Ausbildungen sind in Fig. 18 bis 22 dargestellt. In Fig. 17 und 18, die einen Axialschnitt durch die Kapillarstruktur lol zeigen, kann die Struktur entweder die laminaren Schichten von gebündelten Kapillaren aufweisen, in denen eine Lage eine unterschiedliche Länge von der anderen Lage aufweist oder die Lagen können, wie dargestellt, konzentrische Kreise, Quadrate o.ä. Ausbildungen haben, in denen alle Lagen koaxial angeordnet sind.
In Fig. 19 ist die Stirnfläche der Kapillarstruktur als konkave Fläche 101A bzw. konvexe Fläche 101B dargestellt. Eine Stirnfläche 101C der Struktur 101 ist konisch in Fig. SO dargestellt, In Fig. 21 ist eine Stirnfläche 101 H keilförmig, während die andere Stirnfläche 101 G eine schräg verlaufende Fläche ist. Beide Stirnflächen gemäß Fig. 22 sind konisch mit konischen Flächen 1618 nach innen ausgebildet. Viele andere geometrische Ausbildungen können innerhalb des Schutzbereiches der Erfindung verwendet werden und sind dem Fachmann bekannt.
Darüber hinaus kann, da unterschiedliche Medien, sowohl Flüssigkeiten, als auch Gase, einen weiten Bereich von physikalischen Eigenschaften haben innerhalb der Kapillarstruktur eines Durchflussmessers die Kapillaren unterschiedliche geometrische Querschnitte, z.B.
kreisförmig, hexagonal oder unregelmäßig geformte Querschnitte usw. sowie Jede Kombination davon aufweisen. Die Querschnittkombinationsanordnung kann unterschiedliche wirksame Rad ion und Längen für jede Kapillare haben, jedoch müssen nach dem Zusammenstellen in Jeder Kapillare die Vorbedingungen für laminare Strömungen erreicht sein.
Das Gehäuse des Durchflussmessers kann Jede beliebige Form z.B. Kreisform gemäß Fig. 12 haben.
Jedoch sind die Eintritts- und Austrittsquerschnitte des Gehäuses nur durch die Querschnittsform der Leitung des Mediums bestimmt. Die Kapillarstruktur 101 kann in Gruppen zusammengebündelt sein, wie in Fig. 24 dargestellt. in welcher sechs Lapillarstrukturen 101 mit im wesentlichem quadratischen Querschnitt eine zusammengestzte Kapillarstruktur bilden. Die Art und die Lage oberatrom und unter strom der Meßstellen ist nicht kritisch. Wie in Fig. 10 dargestellt, können die Meßstellen 103 und io4 einfach einzelne Kapillarrohre sein. Die ließ stellen können aber auch, wie in Fig. 23 dargestellt, Rohre 1033 und 1044 sein, die an Bohrungen des Gehäuses 105 dicht angesetzt sind. Diese Art von Durchflußmessern vermeidet die Notwendigkeit einer genauen Anordnung der unterstromigen Druckmeßstelle in der Vena Conctracta, wie es bei anderen Durchflussmessern notwendig ist.
Die erfindungsgemäße Kapillarstruktur bewirkt, daß die Flüssigkeit darin laminar strömt. Dies bedeutet, daß die Moleküle des Mediums in geraden Reihen durch die Kapillarrohre gehen.
Die in Reihe gehenden Moleküle bewegen sich gegebenenfalls aneinander vorbei. Es wurde festgestellt, daß, da die Kapillarstruktur eo ausgebildet ist, daß laminare Strömung sichergestellt ist, bei Anordnung dieser Struktur in einer Leitung, in welcher turbulentes Medium in die Struktur eintritt, dieses Medium Kapillarstruktur in laminarer Strömung verläßt. Es kann daher eine derartige Kapillaretruktur auch in Leitungen mit turbulenter Strömung verwendet werden und die Kapillarstruktur kann als Vorriohtung zur Erzielung einer laminaren Strömung verwendet werden, da die die Kapillaren verlassende Strömung laminar ist. Daraus ergibt sich, daß der Kapillardurchflussmesser in den Durchflusemcaser eintretende turbulente Strömung in laminare Strömung umwandeln kann und dabei das Medium in laminarer Strömung in dem Durchflussmesser misst, während das Medium an der Einlaßseito turbulent etrömt. Es ist außerdem möglich, daß das austretende Medium in turbulente Strömung kommt, nachdem es den Durchflussmesser verlassen hat, Jedoch beeinflußt dies die Wirkungsweise des Meßgerätes nicht.
Zum besseren Verständnis der Einfachheit dieser Anordnung sind im folgenden Beipiele für spezielle Strömung bedingungen angeführt.
Beispiel I Es soll ein Durchflussmesser gemäß der Erfindung geschaffen werden, um Wasser zu messen, welches durch eine 1/2 - Leitung mit einer Temperatur von 2100 und einer Maximalströmungsmenge von 17 m3/h und einen' Maximalsdruckabfall durch den Durchflussmesser von 1,4 at strömt. Von den benötigten Parametern sind folgende Werte bekannt: Dichte p = 1gm/cm³ Viskosität µ = 1 centipoise Q = 17 m³/h oder Q - 4,71 lit/ sec P 1,4 at Um Q in in3/seo. zu verwenden, muß die Gleichung 11 einen Korrekturfaktor erhalten, der in Verwendung obiger Einheiten ermöglicht. Daher lautet die Gleichung 11 jetzt: Da L/2r wenigstens 5 ist, ist L = lo r und die Gleichung 11 wird Daher wird die Gleichung 17 geändert in (Gleichung 20) Wenn angenommen wird, daß 5000 Kapillaren in dem Durchflussmesser angeordnet sind, kann die Gleichung 20 und 11 für r und L gelöst werden. Da die Strömung durch eine Kapillare 1/5000 des gesamten Wertes Q sind, ist: r= 0.0022" oder 2,2 mils und L w o,o22" or 22 milde.
Um festzustellen, ob laminare Strömung besteht, wird die Gleichung für die Reynoldts¢he Zahl verwendet, wobei Qo in cm3/sec. und r in cm³ eingesetzt werden muss. Es ist daher: Der Wert von 1o6,4 für die Reynold'sche Zahl liegt gut innerhalb der laminaren Strömungsbedingungen.
Wenn der Radius einer Kapillare o,oo22" ist, dann ist der Gesamtbereich für 5000 Kapillaren mit diesem Wert für r etwa 0,684 cm3, welches weniger als der Querschnittsbereich des Rohres von 1,28 cm3 beträgt. Mit anderen Worten, der Bereich der Kapillare durchgänge beträgt nur 54 ffi des Querschnittsbereiches des Rohres und der geschlossene Querschnittsbereioh der Kapillarstruktur ist 46 . Wie oben angezeigt, kann die Porosität der Kapillarstruktur bis zu 90 % betragen.
Wenn looo Kapillaren für die gleiche Aufgabe angenommen werden, dann ist der Radius der Kapillaren o,oo375" oder 3,75 mils. Die Reynola'sohe Zahl für die Kapillaren werde dann mit 311 festgestellt und liegt innerhalb des. Bereiches für laminare Strömung.
Wenn 100 Kapillaren für die gleiche Aufgabe vorausgesetzt werden, dann ist der Radius für die Kapillaren o,oo81" oder 8,1 mils und die Länge ist o,o81" oder 81 mils. Die Reynold'sche Zahl für jeae Kapillare ist 1440 und liegt noch innerhalb des Bereiches für laminare Strömung.
Wenn jedoch die Reynolds'sche Zahl für die maximale Durchflussmenge im Rohr durch Verwendung der Gleichung 15 eingesetzt wird, ergibt sich: Daher wird, wenn das Wasser in das Rohr am uebergang zwischen laminarer und turbulenter Strömung eintritt (Re zwischen 3000 und 10 000) das gleiche Wasser aus dem Durchflussmesser in laminarer Strömung auftreten.
Es kann daher gesagt werden, daß der Durchflussmesser gemäß der Erfindung auch die Fähigkeit hat, turbulente Strömung in laminare Strömung umzuwandeln.
Darüberhinaus kann beim ausgeführten Beispiel die Verwendung der Kapillarstruktur mit einer beliebigen Anzahl zwischen loo bis zu wenigstens 500 Kapilaren laminare Strömung sicherstellen, die für den Durchflussmesser notwendig ist. Vom ökonomischen Standpunkt aus ermöglicht dies dem Hersteller und Benutzer des Durchflussmessers gemäß der Erfindung relativ wenige Kapillarstrukturen, z.B. mit einer Anzahl von Durchgängen von 100, 500, 1000, 2500, 5000 usw. in langen Längen zu stapeln und dadurch ein Meßgerät für die meisten Anwendungsfälle zu schaffen, einfach durch Abschneiden der Kapillarstrukturen auf die gewünschte Länge. Dieses wirtschaftliche Merkmal zeigt sich aus den obigen Berechnungen.
Beispiel II Bin Strömungsmesser wird hergestellt durch Verwendung einer Flüssigkeitsleitung mit 1" Innendurchmesser, in welche eine Laminarstruktur mit 1" Aussendurchmesser eingesetzt ist. Die Struktur hat eine ULnge von etwa 0,875 inches. Die Kapillarstruktur hat etwa 14 400 in wesentlichen parallele Kapillardurchgänge und eine Porosität von etwa 50 *, wobei jeder Durchgang .inon wirksamen Durchmesser von etwa 4,5 mil. aufweist.
Eine oberstromige Druckmesstelle liegt in der Kapillatstruktur etwa 3/8" hinter der oborstromigen Stirnfläche der Struktur. Die unterstromige Druckmeßstelle liegt etwa 3/8" von der oberstromigen Druokmeßstelle und ebenfalls in der Kapillarstruktur. Ein linear anneigendes Druckmeßgerät ist mit den Enden der Meßrohre vetinden. Das Meßgerät ist mit einem System verbunden, in welchem die Strömungszeit, das Strömungsgewicht in pd, der Druckabfall durch jeden Durchgang und die Strömungsmenge in Gallonen / min.
für Jede Änderung der Strömungsmeng gemessen wird.
Das verwendete Medium war Wasser mit einer Temperatur von etwa 2500.
Die Strömungsmenge Q in Gallonen/min. wurde aufgetragen gegen den Druckabfall in psi durch die Kapillare struktur und die sich ergebende Kurve ist in Fig. 26 dargestellt. Dieses Diagramm zeigt das geradlinige Verhältnis zwischen der Strömungsmenge und dem Druckabfall und beweist die Geradlinigkeit des Durchfluasmessers.
Da die Berechnungen für diesen Durchflussmesser gleich dem empirischen' Versuch waren, wurde festgestellt, daß es möglich ist, die Durchflussmenge Q durch den Durchflussmesser-am Druckabfall abzulesen, ohne daß empirische testreihe erforderlich sind, wie bei anderen Durchflussmessern und dabei ein vorbestimmbarer laminarer Durchflussmesser geschaffen werden kann.
Infolge des weiten Bereiches der Radien und Längen derartiger Kapillarstrukturen, die für einen derartigen Durchflussmesser verwendet werden können, können Kapillaren mit unterschiedlichen Radien und Längen in einer Struktur kombiniert werden und trotzdem als Durchflussmesser dienen. Da kein Korrekturfaktor für den Durchflussmesser, wie z.B. ein Wert für Q usw. erforderlich ist, können Kombinationen von unterschiedlichen Radius-Längenanordnungen nicht die Einfachheit der Konstruktion eines laminaren Durchflussmessers ändern.
Es wurde festgestellt, daß in einem vorzugsweisen Bereich für die Kapillarstruktur gemäß der Erfindung die Anzahl der Kapillaren zwischen 2 bis 1o6 ändert und der effektive wirksame Radius der Kapillaren zwischon o,o1 Mikron und 75 mils sich ändern kann. Wie in Fig. 11 A dargestellt, ist der wirksame Radius gleich einem Radius eine genauen Kreises mit dem gleichen Flächenbereich wie der etwas abweichende Querschnitt der Kapillare 102. Wie oben beschrieben, können Kombinationen von Querschnittsbereichen oder unter schiedlichen Radien in Jeder beliebigen Kapillarkonstruktion verwendet werden, so lange die Bedingungen für laminare Strömung eingehalten werden.

Claims

Patentansprüche

1.) Durchflussmesser zum Messen der Strömungsmenge eines Mediums mit einer Dichter und einer Viskosität µ, das sich mit einer Strömungsmenge Q durch den Durchflussmesser bewegt, wobei der Durchflussmesser eine Reynold'sch Zahl für maximale laminare Strömung nicht grösser als Rmlf hat und P der Druckabfall des Mediums durch den Durchflussmesser ist, gekennzeichnet durch ein Gehäuse (loS, 1105), eine Kapillarstruktur (101, 1101) in dem Gehäuse (105, 1105) mit einer Anzahl von im wesentlichen parallelen Kapillaren (1o2, t1o2), wobei die Kapillarstruktur und die Kapillaren eine Länge L aufweisen und jede Japillare einen wirksamen Radius r hat, der grösser als L ist, wobei größer als 5 Z v ist und durch eine Messanordnung (103, 104, 106; 1103, 11o4, 1106; 1o33, 1o44, 1o6) im Gehäuse für die Strömung des Mediums.

2.) Durchflussmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchflussmenge durch Jede Kapillare (1o2, 1102) durch das Verhältnis bestimmt ist.

3.) Durchflussmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapillarstruktur (101, 1101) eine homogene Zellstruktur ist.

4.) Durchflussmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Kaptillaren in der gleichen Kapillare struktur (lol, 1101) unterschiedliche Radien ausweisen.

5.) Durchflussmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapillaren in der gleichen Kapillarstruktur (101, Ilol) unterschiedliche Längen haben (Fig. 17 - 24) 6.) Durchflussmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßanordnung Druckmeßstellen ( 103, 104; 1033, 1044, 1103, 11o4) oberstrom und unterstrom der Kapillarstruktur (101, 1101) einschließt.

7.) Durchflussmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßanordnung ein Meßgerät (1c6, 1106) einscHEeßt, welches den Druckabfall im Medium durch die Kapillarstruktur (101, 1101) anzeigt.

8.) Durchflussmesser nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckmessgerät (106, 1106) nach Durchflussmenge geeicht ist.

9.) Durchflussmesser nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Umformer, der in ein elektrisches Signal umwandelt.

1o.) Durchflussmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapillarstruktur (101, 1101) unterschiedliche Wandstärken zwischen den Kapillaren (102, 1102) aufweist.

11.) Durchflussmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapillaren (102, 1102) teilweise verstopft sind.

12.) Durchflussmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapillarstruktur aus einem Bündel von Kapillarstrukturen (101) besteht (Fig, 17,18,24).

13.) Durchflussmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der wirksame Radius jeder Kapillare (102, 11o2) kleiner als 75 mils ist.

14) Durchflussmesser nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnflächen (101 A - O) der Kapillarstruktur (lot) eine vorbestimmte geometische Form haben. (Fig. 17 - 24 ) 15.) Meßsystem, in welchem ein Medium in turbulenter Strömung durch eine Leitung strömt, wobei das Medium eine Viskosität µ, eine Dichte P, und eine Durchflussmenge Q aufweist und eine Vorrichtung in dieser Leitung vorgesehen ist, welche die eintretende turbulente Strömung in eine laminare Strömung beim Verlassen der Strömung umwandelt, wobei das Medium eine Reynolds'sche Zahl für maximale laminare Strömung nicht über Rmlf in der Vorrichtung aufweist, gekennzeichnet durch eine Kapillarstruktur mit einer Anzahl von im wesentlichen parallelen Kapillaren, wobei die Struktur und die Kapillaren eine Länge L haben und jede Kapillare einen wirksamen Radius r aufweist, der größer ist als L wobei das Verhältnis von größer als 5 ist 2r 16.) Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch getennzeichnet, daß die Kapillarstruktur eine homogene Zellstruktur ist.

17.) Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapillaren in der gleichen Struktur unterschiedliche Radien aufweisen.

18.) Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapillaren in der gleichen Struktur im wesentlichen die gleichen Radien aufweisen.

19.) Vorrichtung naoh Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapillaren in der gleichen Kapillarstruktur unterschiedliche Länge aufweisen.

2o) Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennt zeichnet, daß die Kapillarstruktur untersohiedllohe Wandstärken zwischen den Kapillaren aufweist.

21.) Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapillaren wahlweise verstopft sind.

22.) Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapillarstruktur aus einem Bündel von Kapillaratrukturen besteht.

23.) Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Effektivradius für jede Kapillare unter 75 mils beträgt.

24.) Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnseiten der Struktur eine orbestimmte geometrische Form aufweisen.

25.) Durchflussmesser zum Messen der Strömungsmenge eines Mediums, gekennzeichnet durch ein Gehäuse, eine in dem Gehäuse liegende Kapillarstruktur mit einer Vielzahl von im wesentlichen parallelen Kapillaren, wobei die Kapillarstruktur und die Kapillaren eine Länge L und jede Kapillare einen wirksamen Radius r aufweisen und die Struktur die Bedingungen für laminare Strömung durch eine entsprechende Anzahl von Kapillaren mit einem entsprechend kleinen Radius r und einen Verhältnis L/2r größer als 5 aufrecht erhält und eine Vorrichtung, die auf die Durchströmmenge des Mediums durch den Durchflussmesser anspricht, wobei die Einrichtung im Gehäuse liegt.

26.) Durchflussmesser nach Anspruch 1 oder 28, dadurch gekennzetchnet, daß die Anzahl der Kapillaren ( 1o2, 1102) zwischen 2 und 106 beträgt.

27.) Durchflußmesser nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß der Radius der Kapillaren zwischen o,ol Mikron und 75 Mils liegt.

28.) Durchflussmesser zum Messen der Strömung eines Mediumstrcmes, gekennzeichnet durch einen Durchgang,.

der eine Vielzahl von im wesentlichen parallelen Kapillardurchgängen einschließt, deren Effektivradius und deren Länge so vorbestimmt ist, daß die Strömung durch jeden der Durchgänge laminar ist und das Ver-L hältnis größer als 5 ist und daß eine Meßvorrich-2r tung zum Anzeigen der Durchflußmenge an Medium durch die Durchgänge als Funktion des Druckabfalles durch die Durchgänge vorgesehen ist.

29.) Durchflußmesser zur genauen Messung der Menge einer Strömung von Flüssigkeit, wobei die Flüssigkeit eine Dichte Ç und eine Viskosität µ aufweist und die Flüssigkeit sich durch das Messgerät mit einer Strömungsmenge Q bewegt, gekennzeichnet durch ein Gehäuse, eine Kapillarstruktur in dem Gehäuse mit einer Vielzahl von im wesentlichen parallelen und einer oberstromigen Stirnbegrenzung am Eintritt der Flüssigkeit und einer unterstromigen Stirnbegrenzung am Austritt der Flüssigkeit, wobei die Kapillarstruktur und die Kapillaren eine Länge L und jede Kapillare einen wirksamen Radius r aufweist und wobei oberstromige und unterstromige Druckmeßstellen in der Kapillarstruktur vorgesehen sind, die durch das Gehäuse verlaufen, wobei die oberstromige Druckmeßstelle (1104) in einem solchen Abstand von der oberstromigen Stirnbewegung liegt, daß die durch die Kapillaren (11o2) gehende Flüssig-,keit eine voll ausgebildete laminare Strömung erhält, mit einer Reynolds'schen Zahl Rc unter 1000, während die unterstromige Druckmeßstelle (1103) im Abstand von der oberstromigen Druckmeßstelle in einer Lage liegt, an welcher die Flüssigkeit noch in voller laminarer Strömung ist, wobei zwischen den Druckmeßstellen ein Druckdlfferentialz5.P herrscht, ferner gekennzeichnet durch eine Meßeinrichtung (11o6) in Verbindung mit der oberstromigen und der unterstromigon Druckmeßstelle außerhalb des Gehäuses, welche auf die Strömung der Flüssigkeit ansprioht, wobei das L Verhältnis größer als etwa 80 ist und r größer als 2 Q # Rc µ # ist, so daß die Flüssigkeitsmenge direkt proportional dem Druckdifferential über den ganzen Bereich des Durchflußmessers ist.

L e e r s e i t e