DE2044407A1

DE2044407A1 - Arrangement for measuring the flow rate of a gas

Info

Publication number: DE2044407A1
Application number: DE19702044407
Authority: DE
Inventors: Joachim-Friedrich Dipl.-Phys. 1000 Berlin Hammann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1970-09-02
Filing date: 1970-09-02
Publication date: 1972-03-09

Description

Anordnun zur Messung der Strömungsgeschwinaigkeit eines Gases Bei physikalischen oder chemischen Untersuchungen, beispielsweise in der Gaschromatographie, tritt die Aufgabe auf, die Geschwindigkeit eines Gasmengenstromes sehr genau zu messen. Die verlangten Genauigkeiten können dabei wesentlich unter 1 tXo liegen, damit beispielsweise bei einer quantitativen Analyse noch eine Genauigkeit von etwa 1 fo erzielt werden kann.Arrangement for measuring the flow velocity of a gas physical or chemical investigations, for example in gas chromatography, occurs the task of controlling the speed of a gas flow very precisely measure up. The required accuracies can be significantly below 1 tXo, thus, for example, with a quantitative analysis still an accuracy of about 1 fo can be achieved.

Für Zwecke der genannten Art sind mehrere Verfahren bekannt geworden, die auf unterschiedliche Prinzipien beruhen. Beispielsweise kann die Geschwindigkeit einer Gasströmung mit Hilfe eines sogenannten otameters gemessen werden, bei dem die Gasströmung auf einen Schwebekörper eine Kraft ausübt. Die Meßgenauigkeit nimmt mit fallender Strömungsgeschwindigkeit des gases jedoch stark ab.Several methods have become known for purposes of the type mentioned, based on different principles. For example, the speed a gas flow can be measured with the help of a so-called otameter, in which the gas flow exerts a force on a float. The measurement accuracy decreases however, as the flow rate of the gas falls, it drops sharply.

Deshalb eignet sich dieses Verfahren nicht für geringe Strömungsgeschwindigkeiten und große Genauigkeiten.Therefore this method is not suitable for low flow velocities and great accuracies.

Ferner verwendet man zur ueschwindigkeitsmessung Hitzdraht-Anemometer, deren Wirkunosweise auf der Abkühlung eines elektrisch beheizten Drahtes durch den Gasstrom beruht. Auch hierbei besteht die Schwierigkeit, daß mit abnehmender Strömungsgeschwindigkeit die MeBgenautgkeit sehr gering wird, Eine andere Methode zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit eine arbeitet mit dem Druckabfall s Kapillare ausgebildeten Drosselstelle. Damit jedoch die Messung bei geringer Strömungsgeschwindigkeit ausreichend genau wird, muß die Kapillare sehr eng sein, wodurch die Einrichtung empfindlich gegen Wremdeinflüsse, z.B. Verschmutzung, wird.In addition, hot-wire anemometers are used to measure speed, their mode of action on the cooling of an electrically heated wire through the Gas flow is based. Here, too, there is the problem that with decreasing flow velocity the accuracy of the measurement becomes very low, Another method of measuring the flow velocity one works with the pressure drop s capillary formed throttle point. In order to however, the measurement at a low flow velocity sufficient is accurate, the capillary must be very narrow, making the device delicate against external influences, e.g. pollution.

Ein weiteres bekanntes Verfahren zur Bestimmung cer Strömungsgeschwindigkeit (Zeitschrift "Nucleonics", Band 13, Seite 18, 1955) sieht vor, daß dem zu messenden Gasmengenstrom eine IJarkierung in der Gestalt eines Hadioisotops aufgedrückt wird. Da-das LWadioisotop von dem Tragergas deutlich urterschJeidEare physikalische Sigenschaften aufweist, kann die laufzeit der Markierung zwischen zwei Stellen einer Meßstrecke bestimmt werden. Dieses Verfahren eignet sich aber wegen der Verwendung radioaktiver Stoffe nur für Anlagen der chemischen Industrie, dagegen nicht für laboratorien, in denen der Bedienende in unmittelbarer ähe der Versuchseinrichtung arbeitet. Mit der Erfindung wird angestrebt, die Verwendung eines Markierungsmittels zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit eines Gases auch für den labormäßigen Gebrauch zu erschließen.Another known method for determining the flow velocity (Journal "Nucleonics", Volume 13, Page 18, 1955) provides that the to be measured Gas flow rate a marking in the form of a Hadioisotope is pressed. Since the LW radio isotope of the carrier gas is clearly different from its physical properties has, the running time of the marking between two points of a measuring section to be determined. However, this method is suitable because of the use of radioactive substances Substances only for plants in the chemical industry, but not for laboratories, in which the operator works in the immediate vicinity of the test facility. With The invention seeks to use a marking agent for determination the flow rate of a gas for laboratory use.

Die Erfindung geht von einer Anordnung zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit eines Gases aus, bei der-einem Gasstrom beim Durchströnen einer Meßstrecke eine Markierung aufgedrückt und die Laufzeit der Markierung entlang der '^eßstrecke gemessen wird. Gemäß der Erfindung dient als Mittel zur Markierung des Gasstromes ein anderes Gas (trkierungsgas). Zur Erfassung des ISrkierungsgases in der Meßstrecke können die vom Trägergas verschiedenen physikalischen Eigenschaften herangezogen werden. Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, zur Erfassung des Markierungsgases einen auf die Wärmeleitfähigkeit von Gasen ansprechenden Empfänger vorzusehen. Hierzu kann der Empfänger mit einem elektrisch beheizten Widerstandsdraht ausgerüstet sein, dessen Widerstand gemessen wird.The invention is based on an arrangement for measuring the flow velocity of a gas, in the case of a gas flow when flowing through a measuring section a Marking pressed on and the running time of the marking measured along the length of the path will. According to the invention, another means serves as the means for marking the gas flow Gas (turkey gas). To detect the blocking gas in the measuring section, you can the different physical properties of the carrier gas are used. It has proven to be particularly advantageous for detecting the marking gas to provide a receiver responsive to the thermal conductivity of gases. For this the receiver can be equipped with an electrically heated resistance wire, whose resistance is measured.

In Weiterbildung der Erfindung kann das Markierungsgas impulsartig in den zu messenden Gasstrom eingeführt werden, und im Abstand von der Einführungsstelle kann ein Empfänger zur Erfassung des Markierungsgases angeordnet sein. Bei dieser Anordnung liefert der Empfänger in zeitlichem Abstand zwei gut auswertbare Signale, deren erstes von der Druckwelle verursacht wird, die bei der Einführung des Markierungsgases entsteht. Das zweite Signal wird von dem Markierungsgas selbst hervorgerufen.In a further development of the invention, the marking gas can be pulsed are introduced into the gas flow to be measured, and at a distance of the A receiver for detecting the marking gas can be arranged at the introduction point be. With this arrangement, the receiver delivers two good at a time interval evaluable signals, the first of which is caused by the pressure wave that occurs during the Introduction of the marking gas arises. The second signal is from the tracer gas evoked itself.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele nähererläutert.The invention is illustrated below with reference to the figures Embodiments explained in more detail.

Fig. 1 zeigt die prinzipielle Anordnung zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit In Fig. 2 ist ein Empfänger für das Markierungsgas im Schnitt dargestellt.Fig. 1 shows the basic arrangement for measuring the flow rate In Fig. 2, a receiver for the marking gas is shown in section.

Wie Fig. 1 zeigt, umfaßt die Meßanordnung ein Rohr 1, in welches das Gas, dessen Geschwindigkeit bestimmt werden soll, in Richtung des Pfeiles 2 eintritt. Durch ein Ventil 3 wird dem Gas eJne bestimmte Menge eines Markierungsgases be gegeben. Im Abstand von dem Ventil 3 sind zwei Empfänger 4 und 5 angeordnet, die nacheinander von den Markierungsgas überstrichen werden.As Fig. 1 shows, the measuring arrangement comprises a tube 1 into which the Gas, the speed of which is to be determined, enters in the direction of arrow 2. A certain amount of a marking gas is added to the gas through a valve 3. At a distance from the valve 3, two receivers 4 and 5 are arranged, one after the other be swept over by the marking gas.

In einer ausgeführten Versuchsanordnung hatte das Rohr 1 einen Durchmesser von 3 mm mit einem Abstand von etwa 2Ua mm zwischen dem Ventil 3 und dem Empfänger 4. Es wurde die Strörnungsgeschwindigkeit von Helium bestimmt, wobei als Erkierungsgas Argon bzw.In an experimental arrangement carried out, the pipe 1 had a diameter of 3 mm with a distance of about 2Ua mm between the valve 3 and the receiver 4. The flow rate of helium was determined, using as detection gas Argon or

Stickstoff verwendet wurde, so daß nur inerte Gase durch die Anordnung strömen. Das Ventil 3 wurde jeweils für die Dauer von 30 ms geöffnet. Wesentlich für die Wahl des Sohrquerschnittes ist die Bedingung, daß die Strömung in dem Rohr 1 laminar sein soll.Nitrogen was used so only inert gases passed through the assembly stream. The valve 3 was opened for a duration of 30 ms each time. Essential for the choice of the pipe cross-section, the condition is that the flow in the pipe 1 should be laminar.

Diese Bedingung kann mit Hilfe der bekannten Berechnungsmethoden leicht eingehalten werden.This condition can easily be set with the help of the known calculation methods be respected.

Als Empfänger diente bei dem Versuch die Wolframwendel einer Zwergglühlampe, die an einer stabilisierten Gleichspannungsquelle betrieben wurde. Der Widerstand der Wolframwendel wurde in einer Brückenschaltung gemessen Die Wirkungsweise der Anordnung nach Fig. 1 ist folgende: Nach der Einführung des Markierungsgases durch das Ventil 3 breitet sich in dem Rohr 1 eine Druckwelle mit Schallgeschwindigkeit aus, die nach sehr kurzer Zeit den Empfänger 4 erreicht. Die Druckwelle verursacht eine kurzzeitige Abkühlung der Wolframwendelt so daß man einen Spannungsimpuls in der Meßschaltung erhält. Gelangt nun das Markierungsgas mit dem durch das Rohr 1 strömenden Gas zu dem Empfänger 4, so erhält man ein weiteres Signal infolge der Widerstandsänderung der Wolframwendel, die durch die abweichende Wärmeleitfähigkeit des Mbrkierungsgases hervorgerufen wird. Da im vorliegenden Fall die Wärmeleitfähigkeit von Argon Ezw. Stickstoff geringer als die Wärmeleitfähigkeit von Helium ist, erwärmt sich die Yiolframwendel kurzzeitig, so daß ein weiterer Spannungsimpulsvon dem Empfänger 4 abgenommen werden kann. Damit liegen zwei Signale vor, deren zeitlicher Abstand mit den üblichen Mitteln' der elektronischen Schaltungstechnik ausgewertet werden kann.The tungsten filament of a dwarf incandescent lamp served as the receiver in the experiment, which was operated on a stabilized DC voltage source. The resistance the tungsten filament was measured in a bridge circuit The arrangement according to FIG. 1 is as follows: After the introduction of the marking gas through the valve 3 propagates in the pipe 1 a pressure wave at the speed of sound which reaches the receiver 4 after a very short time. The shock wave caused a short-term cooling of the tungsten filament so that a voltage pulse in the measuring circuit receives. If the marking gas now comes through the pipe 1 flowing gas to the receiver 4, a further signal is obtained as a result of the Change in resistance of the tungsten filament caused by the deviating thermal conductivity of the Mbrkierungsgases is caused. Since in the present case the thermal conductivity from Argon Ezw. Nitrogen is less than the thermal conductivity of helium when heated the Yiolframwendel for a short time, so that another voltage pulse from the receiver 4 can be removed. This means that there are two signals, their time interval can be evaluated with the usual means of electronic circuit technology can.

Bei dem vorstehend beschriebenen Verfahren wird nur ein Empfänger benutzt, wobei als Beginn der Messung ein durch die Druckwelle des Markierungsgases hervorgerufenes Signal herangezogen wird. Man kann jedoch auch die an den hintereinander angeordneten Empfängern 4 und 5 sntstehenden Signale auswerten.In the method described above, there is only one recipient used, with a pressure wave of the marking gas as the start of the measurement generated signal is used. However, you can also do the one after the other arranged receivers 4 and 5 evaluate the resulting signals.

Wie sich aus dem beschriebenen Beispiel ergibt, sind die an den Empfängern 4 und 5 entstehenden Signale unabhängig von der Strömungsgeschwindigkeit des Gases, da die von der Strömungsgeschwindigkeit des Gasmengenstromes unbeeinflußte Wärmeleitfähigkeit des Markierungsgases ausgewertet wird. Deshalb gestattet das Verfahren gemäß der Erfindung auch die Messung von geringen StrömunZsgeschwindigkeiten mit großer Genauigkeit. In Versuchen konnten Gasmengenströme in der Größenordnung von 1 cm3/s mit einer Genauigkeit von 1 Ao gemessen werden.As can be seen from the example described, they are at the recipients 4 and 5 resulting signals independent of the gas flow rate, because the thermal conductivity unaffected by the flow velocity of the gas flow of Marking gas is evaluated. Therefore the method allows according to the invention also the measurement of low flow velocities with great accuracy. In experiments, gas flows in the order of magnitude of 1 cm3 / s can be measured with an accuracy of 1 Ao.

In Fig. 2 ist der Empfänger 4 im Schnitt gezeigt. Er besteht im wesentlichen aus einem Rohr 10, das' beispielsweise Bestandteil des Rohres 1 sein kann oder als gesondertes Bauelement zwischen zwei Abschnitte des Rohres 1 eingefügt wird. In das Rohr 10 ragt eine Wolframwendel 11 hinein, die beispielsweise die Wendel einer Zwergglühlampe 12 sein kann. Die Glühlampe 12 ist in einen zylindrischen ilalter 13 eingesetzt, in dem die Anschlußdrähte 14 durch eine Gießharzmasse 15 festgelegt sind. Durch eine Flanschanordnung 16 wird der Halt er t3 gegenüber dem Rohr 10 abgedichtet.In Fig. 2, the receiver 4 is shown in section. It essentially consists from a tube 10, which 'can for example be part of the tube 1 or as separate component is inserted between two sections of the tube 1. In the tube 10 protrudes into a tungsten coil 11, for example the coil of a Dwarf incandescent lamp 12 can be. The incandescent lamp 12 is in a cylindrical ilalter 13 is used, in which the connecting wires 14 are fixed by a cast resin compound 15 are. The holder is sealed off from the pipe 10 by a flange arrangement 16.

Das Markierungsgas kann in das Rohr 1 (Fig. 1) mit Hilfe eines Magnetventils eingeführt werden. Dieses Ventil kann zweckmäßig derart ausgebildet sein, daß das Markierungsgas axial in den zu messenden Gasmengenstrom eingeführt wird, damit die laminare Strömung in dem Rohr 1 möglichst wenig gestört wird. Die Zeitdauer, während der das Markierungsgas in das Rohr 1 strömt, läßt sich durch entsprechende Steuerung des Magnetventils durch einen elektronischen Schaltverstärker erreichen.The marking gas can be in the tube 1 (Fig. 1) with the help of a solenoid valve to be introduced. This valve can expediently be designed such that the Marking gas is introduced axially into the gas flow to be measured so that the laminar flow in the pipe 1 is disturbed as little as possible. The length of time during which the marking gas flows into the tube 1 can be controlled by an appropriate control of the solenoid valve through an electronic switching amplifier.

4 Ansprüche 2 Figuren4 claims 2 figures

Claims

Claims arrangement for measuring the flow velocity of a gas, in which a gas stream when flowing through a measuring section a marking pressed on and the running time of the marking is measured, characterized in that that another gas (} detection gas) serves as a means for marking the gas flow.

2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the thermal conductivity of the marking gas is measured.

3. Arrangement according to claim 1, characterized in that the receiver (4) an electrically heated resistance wire (11) is used, the resistance of which is measured will.

4. Arrangement according to claim 1, characterized in that the marking gas is introduced pulsed into the gas stream and that at a distance from the introduction point (3) a receiver (4) is arranged for detecting the marking gas.