DE2055650A1

DE2055650A1 - Stromungsmeßvorrichtung

Info

Publication number: DE2055650A1
Application number: DE19702055650
Authority: DE
Inventors: James Miller Easter Edmond Hampton Va Benson (V St A ) P
Original assignee: Teledyne Inc
Current assignee: Teledyne Inc
Priority date: 1969-11-26
Filing date: 1970-11-12
Publication date: 1971-06-24
Also published as: DE7041864U; US3613448A; DE2055650C3; GB1319160A; DE2055650B2; JPS5113590B1

Description

PATENTANWÄLTE DlPL-ING. HANS BEGRICH · DIPL-ING. ALFONS WASMEIER

REGENSBURG 3 · LESSINGSTRASSE 10

Patentanwälte Begrich · Wasmeier, 8400 Regensburg 3, Postfach Π

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T/p 7005

^T°9 10. Nov. 1970 B/We

TELEDYNE, INC., 19Ol Avenue of the Stars/ Los Angeles, Calif.90067,

USA '

Strömungsmeßvorr ichtung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Strömungsineßvorr ichtung, insbesondere auf eine solche, welche eine Hauptzuführungsleitung, durch welche das Strömungsmedium fließt, dessen Strömungsgeschwindigkeit gemessen werden soll, ein Druckabfallelement in der Hauptzuführungsleitung, über welchem ein in der Hauptzuführungsleitung fließendes Strömungsmedium einem Druckabfall unterworfen ist, einen mit der Hauptzuführungsleitung auf jeder Seite des Druckabfallelementes verbundenen Parallelweg zum Umgehen des Druckabfallelementes und einen Strömungsmesser in dem Parallelweg aufweist.

in dem US-Patent 3,443.434 ist eine Strömungsmeßvorrichtung beschrieben, bei welcher ein Parallelweg ein Druckabfallelement in der Hauptzuführungsleitung umgeht. Das Strömungsmedium, dessen Strömung geinössen wer-lon soll, fließt durch die Hauptleitung,

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und ein Teil dieses Strömungsmediums wird durch den Parallelweg abgelenkt. Der Parallelweg enthält einen thermischen Strömungsmesser von einer der Arten,, die im einzelnen in den US-Patent-3.181.357 und 3.229.522 beschrieben sind.

©ei Vorrichtungen dieser Art ergeben sich Nachteile, welclie durch die vorliegende Erfindung überwunden werden sollen» Mehr im einzelnen kann der Strömungsmesser durch das Ablenken des zu messenden Strömungsmediums durch den thermalen Strömungsmesser in dem Nebenweg durch von der Hauptzuführungsleitung mitgeführtem Absatz und Verunreinigungen verstopft werden. Auch wenn das zu messende Strömungsmedium aus einer korrodierenden Flüssigkeit besteht» ist der Strömungs»esser einem Angriff durch das abgelenkte StrOAUngseedium nA&terworfen. Eine Gefahr für eine Sicherheit ist außerdem dann gegeben, wenn das Strömungsmedium brenn*- bar ist, da das Einführen eines solchen Strömuiigsmediums zu dem thermischen Strömungsmesser eine Zündung hervorrufen kann, weldh© sich auf die Hauptzuführungsleitung ausbreiten kann.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Ströaungsme&vorrichtuaaf vorgesehen, welche eine Hauptzüfüharungsleitung enthält» durch welche das Strömungsmedium fließt, dessen Strömungsgeschwindigkeit gemessen werden soll. Ein Druckabfall ist in der HauptzufuTirungüleitung vorgesehen, über welchem jedes Strömungsmedium eine Reduktion im Druck erfährt. Ein Parallelweg ist mit der· Zuführungsleitung auf jeder Seite des Druckabfallelententes verbunden, wodurch das .Druckelement uagangen wird, und ein Stxftmmtgm* messer ist in dem Nebenweg eingeschlossen. Ein analoges Meiströmungsmedium von hohe» Druck wird in dem Parallelweg auf jeder Seite des Strömungsmesser eingeführt, wodurch das Strömung!;?* medium von hohem Druck durch den Strömungsmesser bei einer Geschwindigkeit fließtv welche eine Funktion der Strömungsgeschwindigkeit des Strömungsmediuias in der Hauptzuführungsleitung ist.

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Auf der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise dargestellt.

Figur 1 zeigt schematisch eine erste Ausführungsform der Erfindung.

Figur 2 zeigt ebenfalls schematisch eine weitere Ausführungsform.

In Figur 1 ist eine Vorrichtung zum Messen des Strömungsflusses in einer Hauptzuführungsleitung 10 dargestellt. Das Strömungsmedium, dessen Strömung gemessen werden soll, fließt in der durch die Pfeile angezeigten Richtung. Ein Druckabfallelement 12, welches aus einer Platte mit einer Öffnung bestehen kann, ist in der Zuführungsleitung 10 angeordnet und entwickelt einen Druckabfall, welcher eine bekannte Funktion der Strömung des Strömungsmediums ist. Wenn beispielsweise das Druckabfallelement 12 aus einer Platte mit einer Öffnung besteht, ist der Druckabfall darüber der ersten Kraft der Strömungsmediumdichte und der zweiten Kraft oder dem Quadrat der Geschwindigkeit des Strömungsmediums proportional. Obgleich das Druckabfallelement als eine Platte mit einer Öffnung dargestellt ist, können auch andere Vorrichtungen wie beispielsweise Pitot¹s statische Saugrohre, Düsen, venturigeformte Verengungen usw. verwendet werden.

Ein Parallelweg 14 umgeht das Druckabfallelement 12. Der Parallelweg 14 enthält einen Mengenströmungsmesser 16, beispielsweise einen thermischen Mengenstromungsmesser von der Art, wie er in den genannten US-Patentschriften 3.181.357 und 3.229.522 beschrieben ist. Wie dargestellt ist, enthält der Strömungsmesser 16 einen elektrisch und thermisch leitenden Leitungsabschnitt 18, welcher einen Teil des Nebenweges 14 bildet. Der Leitungsabschnitt 18 ist an seinen Enden mit Hitzeabsenkvorrichtungen

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oder Hitzesenken 20 und 22 gekuppelt. Die Hitzeabsenkvorrichtungen sind Materialmassen, welche im wesentlichen bei der Umgebungstemperatur bleiben/ selbst wenn ein Heizstrom durch die Absenkvorrichtungen und durch den Leitungsabschnitt 18 geschickt, wird. Der Leitungsabschnitt 18 ist jedoch von geringerer Masse als die Hitzeabsenkvorrichtungen und wird deshalb auf eine Temperatur oberhalb der Umgebung erwärmt, wenn Strom hindurchgeschickt wird. Ein Transformator 24 ist mit den Hitzabsenkungsvorrichtungen 20 und 22 verbunden und schickt Heizstrom durch den Leitungsabschnitt 18, wenn der Transformator angeschlossen wird. Der Leitungsabschnitt 18 wird durch die Strömung des hindurchgehenden Strömungsmediums gekühlt. Eine Temperaturmessvorrichtung 26 wie beispielsweise ein thermoelektrisches Element ist in dem Leitungsabschnitt 18 angeordnet. Das thermoelektrische Element ist durch einen Messer M mit einer Stelle 28 an der Sekundärwicklung des Transformators 24 verbunden. In der Annahme, daß die Sekundärwicklung aus dem gleichen Material wie die Wärmeabsenkvorrichtungen besteht, an welche die Wicklung an ihren Enden angeschlossen ist, entspricht der Messer M der Temperaturdifferenz zwischen dem Anschlußpunkt des thermoelektrischen Elementes und der Hitzeabsenkvorrichtungen. Die durch die thermoelektrische Vorrichtung 26 abgefühlte Temperatur ist der Strömung in dem Leitungsabschnitt 18 proportional. Solche Strömungsmesser sind bekannt und ihre Arbeitsweise wird deshalb nicht weiter beschrieben.

Der Parallelweg 14a zwischen dem Strömungsmesser 16 und der Zuführungsleitung 10 vor dem Druckabfallelement 12 ist an eine Leitung 30 angeschlossen, welche ein analoges Meßströmungsmedium führt, wie beispielsweise Stickstoffgas unter hohem Druck von einer nicht dargestellten Quelle durch ein Ventil 32 zu dem Parallelweg. In gleicher Weise verbindet zwischen dem Strömungsmesser 16 und der Zuführungsleitung 10 hinter dem Druckabfallelement 12 eine weitere Leitung 36 ein ähnliches, analoges Meß-

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strömungsmedium von "hohem Druqk durch ein Ventil 38 mit dem Parallelweg 14b.

Die Ventile 32 und 38 sind so eingestellt, daß, wenn kein Strömungsfluß in der Zuführungsleitung 10 vorhanden ist, keine Strömung eines analogen MeßstrÖmungsmediums durch den Strömungsmesser 16 vorhanden ist. Das analoge Meßströmungsmedium entleert sich langsam und gleichmäßig in die Zuführungsleitung 10 auf den gegenüberliegenden Seiten des Druckabfallelementes 12. Wenn jedoch eine Strömung von dem zu messenden Strömungsmedium in der Zuführungsleitung 10 vorhanden ist, verursacht der über dem Druckabfallelement 12 entwickelte Druckabfall,daß das Ventil 32 passierende analoge Meßströmmedium sich in Richtung der Pfeile durch den Nebenweg 14a zu der Zuführungsleitung 10 und auch durch ein zweites Druckabfallelement 16 und durch den Nebenweg 14 zu der Zuführungsleitung 10 au bewegt . Der Druckabfall über dem Druckabfallelement 34 stellt eine bekannte Punktion der Strömung des hindurchfließenden Strömungsmediums dar. Wenn beispielsweise das Druckabfallelement 34 eine Kapillarität ist, ändert sich der Druckabfall wie die erste Kraft der mengenmäßigen Strömungsgeschwindigkeit. Das analoge, in die Zuführungsleitung 10 eintretende Meßströmungsmedium oberhalb und unterhalb des Druckabfallelementes 12 ist ein vernachlässigbares Verdünnungsmittel für das Strömungsmedium in der Zuführungsleitung 10.

Wie bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel festgestellt, ändert sich der Druckabfall über dem Druckabfallelement 12 als das Quadrat der Strömungsgeschwindigkeit in der Zuführungsleitung 10. Der Druckabfall in dem Nebenweg 14 über dem Druckabfall-. element 34, welche im wesentlichen dem Druckabfall über dem , Druckabfallelement 12 gleich ist, ändert sich als die erste Kraft der Strömungsgeschwindigkeit in dem Nebenweg 14. Somit ändert sich das von dem Strömungsmesser 16 entwickelte Signal als das Quadrat der Strömungsgeschwindigkeit in der Strömungsleitung 10. Bei Verwendung als Messer M bei Verwendung einer der

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vielen Arten von wirtschaftlich zur Verfügung stehenden Instrumenten als Messer M, die dazu bestimmt sind, ein Signal aufzunehmen und die Quadratwurzel daraus zu ziehen, wird eine Darstellung der linearisierten Funktion des Zuführungsleitungsflusses erreicht.

Ein bemerkenswertes Merkmal der beschriebenen Anordnung besteht darin, daß eine Messung des Mengenflusses in der Hauptzuführungsleitung von dem Leitungsdruck unabhängig ist. Dieses kann mathematisch folgendermaßen dargestellt werden: Angenommen, daß im wesentlichen der gesamte Druckabfall in dem Nebenweg 14 über dem Druckabfallelement 34 eintritt, dann ist

=Δρ

₂-

worin /^ P der Druckabfall über dem Druckabfallelement 12 und ^ P2 der Druckabfall über dem Druckabfallelement 34 ist. Aber

Λ P₁ = C₁ ρ ^₁ ² und

Λ P₂ = C₂^ ₂v₂

worin C, und C„ Konstante sind, P. die Dichte des Strömungsmediums in der Zuführungsleitung 10, ^CC 2 die Viskosität des analogen Strömungsmediums in dem Nebenweg 14 ist und V, und V₂ die entsprechenden Strömungsgeschwindigkeiten"^jeder Leitung sind.

Da beide Strömungsmedien denselben bekannten Gasgesetzen gehörchen:

Λ. ^=C3^2

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worin C eine Konstante und /O„ die Dichte des Strömungsmediums in dem Nebenweg ist. Somit:

Wird jede Seite durch ρ-^ multipliziert :

Wird p-, auf der rechten Seite der Gleichung ersetzt:

ι ^i ι ~ 9 "^,U οZ³ ο y

JL XJ. £. JI £*' *~ £λ

Da die Viskosität über praktische Druckbereiche konstant ists

worin Cj. = C₃C₃^u „ ist. Somit bestätigt diese Gleichung, was früher festgestellt worden ist, daß sich die Mengenströmung in der Parallelleitung 14 als Quadrat der Massenströmung in der Zuführungsleitung 10 unabhängig von dem Zuführungsleitungsdruck ändert. Die von dem Strömungsmesser 16 gemessene Strömung ändert sich wie die Viskosität des analogen Meßströmungsmediums, sie wird aber nicht durch die Viskosität oder eine spezifische Wärme des Strömungsmediums in der Zuführungsleitung lO beeinflußt.

Obgleich die beschrüaene Aus fuhrungsform das Druckabfallelement 34 als getrennt von dem Strömungsmesser 16 darstellt, ist klar, daß, wenn der Leitungsabschnitt 18 des Strömungsmesser die Dimensionen einer Kapillarität hat, das getrennte Druckabfallelement 34 ausgelassen werden kann.

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Die Ausführungsform nach Figur 2 ist der nach Figur 1 mit der Ausnahme gleich, daß das Druckabfallelement 34 als eine Lochplatte dargestellt ist. Das Druckabfallelement 34 begrenzt wie das Druckabfallelement 12 in der Zuführungsleitung 10 die Strömung derart, daß der Druckabfall darüber proportional der ersten Kraft der Dichte des hindurchfließenden Strömungsmediums und der Quadratwurzel der Strömungsgeschwindigkeit ist. Demgemäß ist die Mengenströmung des MeßStrömungsmediums durch den Strömungsmesser 16 der Mengenströmung des durch die Zuführungsleitung 10 hindurchfließenden Strömungsmediums direkt proportional. Somit kann der Messer M geeicht werden, so daß er eine direkte Ablesung des Mengenflusses der Zuführungsleitung vorsieht.

Es ist somit ersichtlich, daß die Strömung des Strömungsmediums in der Zuführungsleitung 10 der N-ten Kraft der Strömung des Strömungsmediums in dem Parallelweg 14 proportional ist, worin N gleich η,/η», η die Kraft darstellt, zu welcher die Strömung des analogen MeßStrömungsmediums von hohem Druck angenommen wird, proportional dem Druckabfall über dem Druckabfallelement 34 zu sein, und n~ die Kraft darstellt, zu welcher die Strömung des Strömungsmediums in der Zuführungsleitung 10 angenommen wird, propotional dem Druckabfall über dem Druckabfallelement 12 zu sein.

Bei beiden beschriebenen Ausführungsformen bringt die Verwendung der dargestellten Ordnung erheblich Vorteile mit sich. Insbesondere verhindert das Vorhandensein eines analogen Meßströmungsmediums unter hohem Druck, daß korrodierende Strömungsmedien und Flüssigkeiten und Verunreinigungen und Absätze die Zuführungsleitung 10 verlassen und durch den Strömungsmesser 16 über den Parallelweg 14 gehen. Somit wird ein Verschmutzen des Strömungsmesser 16 verzögert. Ein weiteres vorteilhaftes Ergebnis der Erfindung besteht in der Herabsetzung der Möglichkeit einer Zündung, wenn ein brennbares Strömungsmedium wie beispielsweise , natürliches Gas in der Zuführungsleitung jlO geführt wird. Wenn ein nichtbrennbares, analoges Meßströmungsmedium verwendet wird,

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isoliert dieses Strömungsmedium das brennbare Strömungsmedium der Zuführungsleitung gegenüber dem thermischen Strömungsmesser 16a, wo eine Zündung eintreten kann. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß eine- Eichung oder Kalibrierung des Strömungsmessers 16 weniger durch Änderungen in der Zusammensetzung des Strömungsmediums in der Zuführungsleitung beeinflußt wird, da nur das analoge Meßströmungsmedium durch den Strömungsmesser 16 fließt. Auch ermöglicht die Erfindung, daß die Vorrichtung zweckmäßig und leicht durch Öffnenge» der Ventile 32 und 38 gereinigt und dadurch die ganze Anlage gereinigt wird.

Die beschriebenen Ausführungsformen zeigen die bevorzugten Ausführungsformen nach der Erfindung, ohne daß die Erfindung darauf beschränkt sein soll. Bei einer bestimmten Situation können andere Strömungsmesser als die beschriebenen für die genommen werden, welche besonders dargestellt und beschrieben sind. Auch können andere Beschränkungselemente in der Zuführungsleitung und dem Parallelweg verwendet werden. Die beschriebenen Anordnungen sind Beispiele von Vorrichtungen, in welchen die erfinderischen Merkmale dieser Offenbarung verwendet werden können, und es ist klar, daß bestimmte Abänderungen innerhalb des Umfanges der Erfindung vorgenommen werden können.

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Claims

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Patentansprüche

Strömungsmeßvorrichtung, welche eine Hauptzuführungsleitung, durch welche das Strömungsmedium fließt, dessen Strömungsgeschwindigkeit gemessen werden soll, ein Druckabfallelement' in der Hauptzuführungsleitung, über welchem ein in der Hauptzuführungsleitung fließendes Strömungsmedium einem Druckabfall unterworfen ist, einen mit der Hauptzuführungsleitung auf jeder Seite des Druckabfallelementes verbundenen Parallelweg zum Umgehen des Druckabfallelementes und einen Strömungsmesser in dem Parallelweg aufweist, gekennzeichnet durch das Einführen eines analogen MeßStrömungsmediums in den Parallelweg (14) auf jeder Seite des Strömungsmessers (16), wodurch das analoge Meßströmungsmedium durch den Strömungsmesser (16) bei einer Geschwindigkeit fließt, welche eine Funktion der Geschwindigkeit des in der Hauptzuführungsleitung (10) fließenden Strömungsmediums ist.
2. Strömungsmesser nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein zweites Druckabfallelement (34) in dem Nebenweg (14) zwischen dem Strömungsmesser (16) und einem der Einführungsstellen eines analogen MeßStrömungsmediums in den Parallelweg (14).
3. Strömungsmeßvorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch Ventile (32 und 38) zum Steuern der Einführung des analogen Meßströmungsmediums in den Nebenweg (14).
4. Strömungsmeßvorrichtung nach einem der Ansprüche ? - 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge an durch die Hauptzuführungsleitung (10) fließenden Strömungsmedium parallel der N-ten Kraft der Menge an Strömungsmedium ist, welche in dem Nebenweg (14) fließt, wobei N = n^/n ist, worin η_χ die Kraft darstellt, zu welcher die Menge an in dem Nebenweg (14) fließenden Strömungsmedium als proportional zu dem Druckabfall über dem zweiten Druckabfallelement (34) angenommen wird,

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und n₂ die Kraft darstellt, zu welcher die Menge an durch die Hauptzuführungsleitung (10) fließenden Strömungsmediums als proportional zu dem Druckabfall über dem ersten Druckabfallelement (12) in der Hauptzuführungsleitung (10) angenommen wird.
5. Strömungsmesser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Druckabfallelement (12) aus einer lochplatte und das zweite Druckabfallelement (34) aus einer Kapillarität besteht, wodurch η-^ = 1, n₂ = 2 und N = 1/2 ist.
6. Strömungsmesser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Druckabfallelemente (12 und 34) beide aus Lochplatten bestehen, wodurch n, und n₂ beide gleich 2 und N=I.
7. Strömungsmeßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsmesser (16) aus einem thermischen Strömungsmesser besteht.

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