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Die
Erfindung betrifft ein Meßsystem
für lufttechnische
Anlagen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung bezieht sich auf eine Volumenstromregelanordnung,
die ein solches Meßsystem
umfaßt.
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Ein
Prinzip der Volumenstrommessung geht davon aus, daß aus einer
Druckdifferenz zwischen einem Wirkdruck vor einer Drosselstelle
und dem Wirkdruck hinter einer Drosselstelle der Volumenstrom aus
einer einfachen Beziehung ermittelt werden kann, in welche eine
geometrische Konstante der Drosselstelle eingeht. Eine solche Drosselstelle kann
durch eine Blende, eine Düse,
ein Venturirohr oder eine feste Drosselklappe realisiert sein. Das Meßprinzip
hat jedoch eine Beschränkung
darin, daß eine
Wirkdruckdifferenz für
geringe Volumenströme nicht
oder nur ungenau ermittelt werden kann, so daß mit handelsüblichen
dynamischen oder statischen Druckmeßsensoren zur Differenzdruckbestimmung nur
ein Volumenstrombereich von 1 zu maximal 5 bestimmt werden kann.
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Um
den Differenzdruck bei einem großen Signalhub mit der gewünschten
Genauigkeit zu messen und damit gewünschtenfalls auch eine Regelung des Gasvolumenstroms
durchzuführen,
ist bereits ein Meßsystem
der eingangs genannten Gattung bekannt, welches zwei im Strömungskanal
in Richtung des Gasstroms hintereinander angeordnete Drosselstellen,
von denen eine einen verstellbaren Drosselfaktor, beispielsweise
in Form einer Drosselklappe, deren Stellwinkel einstellbar ist,
umfaßt
(
DE 195 45 948 C2 ).
Das Meßsystem
beinhaltet weiterhin Druckabnahmestellen vor der vorderen, zwischen der
vorderen und der hinteren und hinter der hinteren Drosselstelle,
einen Drucksensor, an dem eine Druckdifferenz liegt, und eine Einrichtung,
welche die Stärke
des Gasvolumenstroms nach der Gleichung
bestimmt, wobei V den Gasvolumenstrom,
C den Drosselfaktor der Meßanordnung
und Δp die
am Drucksensor liegende Druckdifferenz ist. Im einzelnen ist die
Drosselstelle mit verstellbarem Drosselfaktor die hintere Drosselstelle.
Die Druckabnahmestellen zwischen der vorderen und der hinteren Drosselstelle
sowie hinter der hinteren Drosselstelle sind miteinander verbunden.
Demgemäß wird mit
dem Drucksensor die Druckdifferenz zwischen der Druckabnahmestelle
vor der vorderen Drosselstelle und an den miteinander verbundenen
Druckabnahmestellen erfaßt. – Mit dieser
Ausbildung soll erreicht werden, daß die gemessene Druckdifferenz Δp über im wesentlichen
den gesamten Bereich der zu messenden Gasvolumenströme nahezu
konstant bleibt und einen Wert annimmt, bei dem handelsübliche Sensoren
in einem höchsten
Genauigkeitsbereich eingesetzt werden können. – Als Nachteil kann jedoch
empfunden werden, daß das
Meßsystem
zwei im Strömungskanal
angeordnete Drosselstellen sowie wenigstens drei Druckabnahmestellen
benötigt. Die
unveränderliche
dieser Drosselstellen kann durch eine definierte Anströmstrecke
für die
zweite, variable Drosselstelle, insbesondere durch eine Abzugshaube,
realisiert sein. Das bekannte Meßsystem bedingt für eine hohe
Meßgenauigkeit
weiterhin eine definierte Ausgangsstrecke entsprechend dem zwei- bis
dreifachen des Durchmessers der variablen Drosselstelle bzw. einstellbaren
Drosselklappe. Das bekannte Meßsystem
ist somit nicht in beliebiger Umgebung einer lufttechnischen Anlage Anlage
einsetzbar. Darüber
hinaus ruft die variable Drosselstelle im Falle einer Realisierung
durch eine übliche
Drosselklappe, deren Stellwinkel einstellbar ist, eine erhebliche
Geräuscherzeugung,
insbesondere in dem tiefen, schwer zu dämpfenden Frequenzbereich hervor.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Meßsystem
für lufttechnische Anlagen
zum Bestimmen der Stärke
eines Gasvolumenstroms in einem Strömungskanal der eingangs genannten
Gattung zu schaffen, welches universeller, d.h. unabhängiger von
der Ausbildung des Strömungskanals
einsetzbar ist und hinsichtlich der Druckentnahmestellen sowie deren
Verbindung zu einem Differenzdrucksensor einfacher ausgebildet ist, jedoch
gleichwohl in der Lage ist, in einem großen Volumenstrombereich mit
handelsüblichen
dynamischen oder statischen Druckmeßsensoren genau zu messen.
Insbesondere soll das Meßsystem
keine spezielle Anström-
und Abströmstrecke
bedingen. Das durch die verbleibende variable Drosselstelle erzeugte
Geräuschniveau
soll niedrig sein.
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Analog
dazu soll eine Volumenstromregelanordnung mit einem solchen Meßsystem
Volumenstromschwankungen in einem großen Volumenstrombereich innerhalb
enger Toleranzen ausregeln, und zwar unabhängig von Druckschwankungen
oder sonstigen Störgrößen in der
Anlage. Die guten Eigenschaften der Volumenstromregelung sollen
auch bei ungünstiger
Gestaltung von An- und Abströmstrecken
erhalten bleiben. Insbesondere soll auch mit kurzen, einfachen Anström- und Abströmstrecken
die trotz einfachen Einbaus der Volumenstromregler mit hoher Regelgenauigkeit
arbeiten. Des weiteren soll der durch den Volumenstromregler verursachte Druckverlust
möglichst
gering sein. Nicht zuletzt sollen auch anspruchsvolle Schallwertvorgaben,
z.B. in Laboratorien, mit einfachen Maßnahmen zu erfüllen sein,
indem die Geräuscherzeugung
des Volumenstromreglers systematisch gering ist.
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Die
auf ein Meßsystem
der eingangs genannten Gattung bezogene Aufgabenstellung wird durch
dessen Ausbildung mit den Merkmalen gemäß dem kennzeichnenden Teil
des Anspruchs 1 gelöst.
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Wesentlicher
Bestandteil des Meßsystems ist
die aus zwei plattenförmigen
Drosselklappenhälften
bestehende Drosselklappe, die mit je einer Stellwelle synchron symmetrisch
zu einer Mittelachse in dem Strömungskanal
verstellbar sind, beispielsweise durch einen Stellmotor. Die beiden
plattenförmigen Drosselklappenhälften bilden
somit eine variable Drosselstelle. Vor dieser variablen Drosselstelle
ist in an sich üblicher
Weise eine erste Druckentnahmestelle angeordnet. Eine zweite Druckentnahmestelle befindet
sich in Strömungsrichtung
hinter den beiden Stellwellen, und zwar in einem Bereich, der seitlich durch
die Drosselklappenhälften
in Offenstellung begrenzt ist. In Schließstellung können sich die Drosselklappenhälften noch
vor der zweiten Druckentnahmestelle in Strömungsrichtung befinden. Der
Bereich, in dem die zweite Druckentnahmestelle angeordnet ist, wird
zwischen den beiden Stellwellen zweckmäßig durch eine Abdeckung bzw.
Abdichtung begrenzt, so daß die
zweite Druckentnahmestelle nicht direkt durch den Gasstrom angeströmt wird.
Dadurch ist bei jeder Klappenstellung eine strömungsgünstige und wirbelfreie An-
und Abströmung
der beiden Druckentnahmestellen, die auch als Meßstellen bezeichnet werden
können,
gewährleistet.
Hieraus ergibt sich eine genaue Messung des Volumenstroms über den
gesamten Stellbereich der Drosselklappenhälften. Die beiden Drosselklappenhälften können in
einem mit Flanschenden versehenen Rohr angeordnet sein, welches
einerseits mit einem Laborabzug und andererseits mit einem Lüftungskanal verbunden
ist. Die Drosselklappenhälften
sind so in dem Rohr angeordnet, daß sie sich stromabwärts von
den Stellwellen wegerstrecken. Damit wird in allen Stellungen der
Drosselklappenhälften
eine strömungsgünstige An-
und Abströmung
zu bzw. von den Drosselklappen hälften
erzielt. Die Geräuscherzeugung
durch die Drosselklappen ist so gering, daß zusätzliche, aufwendige Schalldämpfungsmaßnahmen entfallen
können,
um beispielsweise nach den Laborrichtlinien geforderte Schallpegel
einzuhalten. Die Anordnung der Drosselklappenhälften kann auch als "Butterfly-Prinzip" bezeichnet werden.
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Gemäß Anspruch
2 sind für
das Meßsystem außer der
ersten Druckentnahmestelle in Strömungsrichtung vor den beiden
Drosselklappenhälften
und der zweiten Druckentnahmestelle in Strömungsrichtung hinter den beiden
Stellwellen keine weiteren Druckentnahmestellen und keine weiteren
Drosselstellen erforderlich.
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Gemäß Anspruch
3 sind die beiden vorgesehenen Druckentnahmestellen in einem Strömungskanal
mit in Strömungsrichtung
konstantem Querschnitt angeordnet, der sich am einfachsten realisieren
läßt.
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Gemäß Anspruch
4 ist die Form der Drosselklappenhälften an die Querschnittsform
des Strömungskanals
dergestalt angepaßt,
daß sie
in Schließstellung
den lichten Querschnitt des Strömungskanals
im wesentlichen ausfüllen.
Die Querschnittsform des Strömungskanals
kann somit weitgehend beliebig sein, beispielsweise auch rechteckig.
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Bevorzugt
sind die Doppelklappenhälften
annähernd
halbkreisförmig,
da in einem runden Rohr angeordnet, wobei sie sich von den Stellwellen
wegerstrecken, die quer in dem Rohr parallel zueinander angeordnet
sind.
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Bevorzugt
sind die Druckentnahmestellen gemäß Anspruch 6 in Meßstäben ausgebildet,
die in den Strömungskanal
einschiebbar und aus diesem herausziehbar sind. Damit ist eine leichte
Reinigung oder auch ein Austausch der Druckentnahmestellen unkompliziert
möglich.
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Im
einzelnen sind die Meßstäbe zweckmäßig gemäß Anspruch
7 zueinander und zu den Stellwellen parallel quer in dem Strömungskanal
angeordnet. Diese Anordnung erlaubt die Unterbringung des Meßstabs,
welcher die zweite Druckentnahmestelle beinhaltet, in dem Bereich
zwischen den Drosselklappenhälften
in Offenstellung. Die Anordnung des ersten Meßstabs vor den Drosselklappenhälften ist zweckmäßig in gleicher
Weise gewählt,
so daß die beiden
Meßstäbe parallel
zueinander liegen und von außerhalb
des Strömungskanals
einfach erreichbar sind.
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Gemäß Anspruch
8 ist die Einrichtung, welche die Stärke des Gasvolumens bestimmt,
mit einem Speicher des in Abhängigkeit
von der Drosselklappenstellung variablen Drosselfaktors ausgerüstet, der
in Abhängigkeit
von der Position der Drosselklappenhälften auslesbar ist. Damit
wird die Bestimmung des Volumenstroms aus der Druckdifferenz unter
Berücksichtigung
des Drosselklappenfaktors realisiert.
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Besonders
vorteilhaft ist die beschriebene Meßeinrichtung Bestandteil einer
Volumenstromregelanordnung gemäß Anspruch
9. Mit ihr wird die Funktion der beiden verstellbaren Drosselklappenhälften des
Meßsystems
zweifach genutzt, nämlich zur
Bestimmung der Stärke
des Gasvolumenstroms als variable Drosselstelle, an der die Druckdifferenz entsteht,
sowie zur Regelung als Stellglied, mit dem der Volumenstrom eingestellt
wird, bzw. mehr oder weniger gedrosselt wird. Die Vorteile des Meßsystems
wirken sich dabei auf einen großen,
genauen Regelbereich des Gasvolumenstroms aus. Dies beruht darauf,
daß je
weiter die Drosselklappe geschlossen ist und je geringer damit der
Volumenstrom ist, das meßbare
Nutzsignal über
der variablen Drosselstelle bzw. den Drosselklappenhälften um
so größer ist.
Damit lassen sich Volumenstrombereiche von 1:15 erreichen, d.h.
z.B. Volumenströme
zwischen 100 m3/h bis 1500 m3/h.
Solche Volumenstromregler werden in lufttechnischen Anlagen in großer Anzahl
benötigt.
Sie bewirken, daß der
gewünschte
Volumenstrom gemäß einem
Sollwert innerhalb enger Toleranzen unabhängig von Druckschwankungen
und sonstigen Störgrößen in der
Anlage ausgeregelt wird. Eine bevorzugte Anwendung ist in Laboratorien
in Verbindung mit Laborabzügen bzw.
Digestorien. – Die
Volumenstromregelanordnung kann mit elektrischer Hilfsenergie oder
pneumatisch betrieben werden. Sie umfaßt einen Stellmotor, der die
beiden Stellwellen der Drosselklappenhälften synchron und symmetrisch
zur Mittelachse in dem Strömungskanal
verstellt, und zwar abhängig von
einem Stellsignal, welches von einem elektronischen Regler gebildet
werden kann, der mit einem aus dem Meßsystem gebildeten Istwert
und einem Sollwert entsprechend einer Frontschieberstellung des
Laborabzugs beaufschlagt wird.
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Ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird im folgenden anhand einer Zeichnung mit vier
Figuren näher
beschrieben. Es zeigen:
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1 schematisch im wesentlichen
in einem Längsschnitt
den Aufbau des wesentlichen Teils des Meßsystems bzw. der Regelanordnung,
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2 den wesentlichen Teil
des Meßsystems
bzw. der Regelanordnung gemäß 1, ebenfalls in einem Längsschnitt,
jedoch gegenüber
der Darstellung in 1 um
90° um eine
Mittelachse (Hochachse in der Zeichnung) gedreht,
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3 einen typischen Verlauf
eines Differenzdrucks in dem Meßsystem
gemäß 1 und 2 in Abhängigkeit von dem Öffnungswinkel
einer Klappe bzw. zweier Drosselklappenhälften und
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4 analog zu 3 den Verlauf des Volumenstroms, ebenfalls
abhängig
von dem Öffnungswinkel
der Klappe bzw. der Drosselklappenhälften.
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In
den 1 und 2 ist ein Rohr 1 dargestellt, an
dessen Flanschenden 2 und 3 ein Laborabzug bzw.
ein Lüftungskanal
angeschlossen sind. Eine Mittelachse des Rohrs ist mit 4 bezeichnet.
In dem Rohr sind zwei Stellwellen 5 und 6 quer
zu dem Rohr und symmetrisch zu der Mittelachse 4 angeordnet. Von
jeder der Stellwellen erstreckt sich eine plattenförmige Drosselklappenhälfte 7 bzw. 8,
die in voll geöffneter
Stellung bzw. Offenstellung dargestellt sind. In geschlossener Stellung
verschließen
die beiden Drosselklappenhälften 7, 8 den
lichten Querschnitt des Rohrs 1, wenn sie sich in der Position
der Linie 9 befinden. Die letztere Stellung entspricht
somit einem Öffnungswinkel
von O° und
die vollständig
geöffnete Stellung
bzw. Offenstellung einer Position von 90° der Drosselklappenhälften 7 und 8.
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In
dem Bereich zwischen den beiden Stellwellen 6 und 7 befindet
sich eine Abdichtung 14, so daß in verschlossener Position
der Stellwellen 5, 6 der gesamte lichte Querschnitt
des Rohrs 1 gesperrt ist.
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Zur
Verstellung der Drosselklappenhälften dient
ein Stellantrieb 10 mit einem Stellmotor und einem Getriebe,
mit dem die beiden Stellwellen 5 und 6 zwischen
0° und 90° kontinuierlich
verstellt werden können,
und zwar synchron miteinander symmetrisch zu der Mittelachse 4.
Damit ist eine kontinuierliche Querschnittsveränderung des Rohrs realisiert, mit
der sich der Volumenstrom, der durch das Rohr 1 strömt, beispielsweise
mit einem nicht dargestellten elektronischen Regler einstellen läßt.
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Der
durch das Rohr strömende
Volumenstrom kann dabei bestimmt werden, um beispielsweise einen
Istwert für
den Regler zu bilden. Hierzu dienen zwei aus dem Rohr herausziehbare
Meßstäbe
11,
12,
welche zwei Druckentnahmestellen darstellen. Der erste Meßstab
11 ist
in Strömungsrichtung
13 vor
den Stellwellen
5,
6 parallel zu diesen und durch
die Mittelachse
4 des Rohrs angeordnet. Der Meßstab
12 befindet
sich dagegen in Strömungsrichtung
hinter den beiden Stellwellen
5,
6, und zwar in einem
Bereich, der seitlich durch die beiden Drosselklappenhälften
7,
8 in
Offenstellung begrenzt ist, siehe im einzelnen
2. Die beiden Meßstäbe
11,
12 sind
somit parallel zueinander angeordnet. An die beiden Meßstäbe ist ein
nicht dargestellter Drucksensor angeschlossen, der den Differenzdruck
zwischen den Druckentnahmestellen mißt, die durch die Meßstäbe
11 und
12 realisiert
sind. Aus dem Signal des Differenzdrucks, der ein meßbares Nutzsignal
darstellt, wird der Volumenstrom gemäß der Beziehung
bestimmt, wobei V der Gasvolumenstrom
durch den Meßstab
1,
C ein in Abhängigkeit
von der Stellung der Drosselklappenhälften
7 und
8 variabler
Drosselfaktor und Δp
die besagte Druckdifferenz ist. Der variable Drosselfaktor ist abhängig von
der Stellung der Drosselklappenhälften
7,
8 und
kann bei einem Rohr mit einem Nenndurchmesser von 250 mm Werte zwischen
7 (Drosselklappenhälften fast
geschlossen) bis 110 (Drosselklappenhälften in Offenstellung) annehmen,
wobei die Werte bezogen sind auf einen Volumenstrom in m
3/h und einen Differenzdruck in Pascal.
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Die
Werte des variablen Drosselfaktors sind in einem in der Zeichnung
nicht dargestellten Speicher gespeichert, der in Abhängigkeit
von der Stellung der Drosselklappenhälften 7, 8,
beispielsweise durch ein Positionssignal von einem ebenfalls nicht dargestellten
Stellungsgeber an dem Stellantrieb 10 ausgelesen werden
kann, um in die Berechnung des Volumenstroms einzugehen.
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Wesentlich
ist, daß je
weiter die Drosselklappenhälften 7, 8 geschlossen
werden und je geringer damit der Volumenstrom ist, das meßbare Nutzsignal über der
variablen Drosselstelle, welche die beiden Drosselklappenhälften 7, 8 darstellen,
um so größer ist.
Damit lassen sich große
Volumenstrombereiche realisieren.
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Das
meßbare
Nutzsignal bzw. die Druckdifferenz zwischen der ersten Druckentnahmestelle
an dem Meßstab 11,
an dem ein Überdruck
herrscht, und der zweiten Druckentnahmestelle an dem Meßstab 12,
an der ein Unterdruck vorliegt, ist in Abhängigkeit von dem Öffnungswinkel
der Drosselklappenhälften
in 3 dargestellt, wobei
von einem konstanten Volumenstrom ausgegangen wird.
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Aus 4 ergibt sich der sich sonst
abhängig
von dem Öffnungswinkel
einstellende Volumenstrom.
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Durch
die beschriebene Anordnung der ersten Meßstelle und der zweiten Meßstelle
bzw. der Meßstäbe 11 und 12 vor
den beiden Drosselklappenhälften
bzw. in einem Bereich in Strömungsrichtung hinter
den beiden Stellwellen zwischen den Drosselklappenhälften in
Offenstellung ist bei jeder Stellung der Drosselklappenhälften eine
strömungsgünstige, wirbelfreie
An- und Abströmung
der beiden Druckentnahmestellen gewährleistet. Damit wird eine
genaue Messung über
den gesamten Stellbereich der Stellwelle realisiert.
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- 1
- Rohr
- 2
- Flanschende
- 3
- Flanschende
- 4
- Mittelachse
- 5
- Stellwelle
- 6
- Stellwelle
- 7
- Drosselklappenhälfte
- 8
- Drosselklappenhälfte
- 9
- Linie
- 10
- Stellantrieb
- 11
- Meßstab
- 12
- Meßstab
- 13
- Strömungsrichtung
- 14
- Abdichtung
bestimmt, wobei V der Gasvolumenstrom,
C ein in Abhängigkeit
von der Drosselklappenstellung variabler Drosselfaktor und Δp eine Druckdifferenz
zwischen den Druckentnahmestellen ist, dadurch gekennzeichnet, 
