DE2055650B2

DE2055650B2 - Stromungsmeßvornchtung

Info

Publication number: DE2055650B2
Application number: DE2055650A
Authority: DE
Inventors: James Miller Benson; Edmond Easter
Original assignee: Teledyne Inc
Current assignee: Teledyne Inc
Priority date: 1969-11-26
Filing date: 1970-11-12
Publication date: 1973-11-29
Also published as: GB1319160A; JPS5113590B1; DE2055650C3; US3613448A; DE2055650A1; DE7041864U

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eins Strömungsmeßvorrichtung, welche eine Hauptzuführungsleitung, durch welche das Strömungsmedium fließt, dessen Strömungsgeschwindigkeit gemessen werden soll, ein Drosselelement in der Hauptzuführungsleitung, an welchem das in der Hauptzuführungsleitung fließende Strömungsmedium einem Druckabfall unterworfen ist, einen mit der Hauptzuführungsleitung auf jede»· Seite des Drosselelementes verbundenen das Drosselelement umgehenden Nebenströmungsweg und einen Strömungsmesser in dem Nebenströmungsweg aufweist, welcher die Geschwindigkeit des in dem Nebenströmungsweg fließenden Strömungsmediums mißt.

Es sind Strömungsmeßvorrichtungen bekannt (deutsche Auslegeschrift 1 041 706, deutsche Patentschrift 907 487, deutsche Patentschrift 944 632), bei denen das Hilfsströmungsmedium, dessen Strömung gemessen wird, auf einen vollständig isolierten Strömungsweg begrenzt wird, welcher zu keinem Zeitpunkt mit der Hauptzuführungsleitung in Verbindung steht. Es sind Mittel zum Messen des statischen Drukkes auf jeder Seite des Drosselelementes vorgesehen und verschiedenartige mechanische Vorrichtungen aufgezeigt, welche auf den Druckunterschied auf jeder Seite des Drosselelementes ansprechen, um den Fluß des Hilfsströmungsmediums auf seinem getrennten und unabhängigen Weg zu regeln. Dabei ist eine Leitung vor dem Drosselelement zum Messen des statischen Druckes vor diesem Drosselelement und eine Leitung hinter dem Drosselelement zum Messen des statischen Druckes hinter diesem Drosselelement vorgesehen. Weiterhin sind verschiedene mechanische Vorrichtungen, wie z. B. Hebelgestänge und Doppelbalgen vorgesehen, um den Fluß des Hilfsströ-

mungsmediums in ihrer besonderen und getrennten Bahn entsprechend dem relativen Druckunterschied vor und hinter dem Drosselelement zu regeln. Obgleich somit bei diesen bekannten Vorschlägen eine Druckmeßvorrichtung dargestellt und beschrieben ist,

xo bei der die Strömung eines gewünschten Strömungsmediums durch Messung der Strömung eines anderen Strömungsmediums gemessen wird, ist die Gattung derartiger Strömungsmeßvorrichtungen nicht der eingangs erörterten Gattung von Strömungsmeßvorrich-

tungen, auf die sich die Erfindung bezieht, unterzuordnen.

Des weiteren ist eine Strömungsmeßvorrichtung bekannt (USA.-Patentschrift 3443434), bei der ein Nebenströmungsweg ein Drosselelement in der

Hauptzuführungsleitung umgeht. Das Strömungsmedium, dessen Strömung gemessen werden soll, fließt durch die Hauptleitung, und ein Teil dieses Strömungsmediums wird durch den Nebenströmungsweg abgelenkt. Der Nebenströmungsweg enthält einen

thermischen Strömungsmesser, wie er z. B. in den USA.-Patentschriften 3 181357 und 3 229 522 beschrieben ist.

Bei derartigen Strömungsmeßvorrichtüngen treten verschiedene Nachteile auf. Wenn in der Hauptzuführungsleitung Schmutzstoffe oder feste Bestandteile mitgenommen werden, verstopft sich häufig der Nebenströmungsweg mit derartigen Schmutzstoffen oder festen Bestandteilen, da dieser Nebenströmungsweg einen verhältnismäßig kleinen Durchmesser haben

muß. Des weiteren werden bei einer solchen Strömungsmeßvorrichtung üblicherweise thermische Strömungsmesser in den Nebenströmungsweg zum Messen des in diesem Nebenströmungsweg fließenden Strömungsmediums verwendet. Wenn das zu mes-

sende Strömungsmedium brennbar ist, wie dies häufig der Fall ist, ergibt sich daraus eine Gefahrenquelle, da sich das durch den thermischen Strömungsmesser fließende brennbare Strömungsmedium entzünden kann und sich die dadurch entstehende Flamme leicht auf die Hauptleitung ausbreiten kann. Weiterhin darf das zu messende Strömungsmedium keine korrodierende Flüssigkeit sein, da sonst der Strömungsmesser einem Angriff durch das abgelenkte Strömungsmedium ausgesetzt ist.

Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, bei einer Strömungsmeßvorrichtung der eingangs geschilderten Art die Nachteile bekannter Vorrichtungen zu vermeiden und eine entsprechende Strömungsmessung aut einfache, zuverlässige und sichere Weise zu bewirken.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch den Anschluß je einer Zuführungsleitung für ein zum Hauptströmungsmedium analoges Meßströmungsmedium an den Nebenströmungsweg auf jeder Seite des Geschwindigkeitsmessers.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist ein zweites Drosselelement in dem Nebenströinungsweg zwischen dem Geschwindigkeitsmesser und einer der Einführungsstellen eines analogen Meßströmungsmediums in den Nebenströmungsweg vorgesehen. Dabei können Ventile zum Steuern der Einführung des analogen Meßströmungsmediums in den Nebenströmungsweg vorgesehen sein.

Mit diesem Vorschlag werden die Nachteile der bekannten Strömungsmeßvorrichtung dadurch vermieden, daß das analoge Meßströmungsmedium in den Nebenströmungsweg durch den Geschwindigkeitsmesser mit einer Geschwindigkeit strömt, welche eine Funktion der Geschwindigkeit des in der Hauptzuführungsleitung fließenden Strömungsmediums ist. Auf diese Weise geht nichts von dem in der Hauptzuführungsleitung fließenden Strömungsmedium durch den Nebenströmungsweg, obgleich der Nebenströmungsweg an seinen beiden Enden zui Hauptzuführungsleitung offen ist. Statt dessen fließt lediglich das analoge Meßströmurtgsmedium in den Nebenströmungsweg, das den Nebenströmungsweg und den Geschwindigkeitsmesser reinigt und die Leitungen sauberhält. Damit ergibt sich auch die Brauchbarkeit für nicht brennbares Strömungsmedium, wie beispielsweise Stickstoff oder andere inerte Gase, so daß die Anforderungen an die Sicherheitsvorkehrungen erfüllt sind. Es besteht bei einer Strömungsmeßvorrichtung nach vorliegender Erfindung die Möglichkeit, daß ganz geringe Beträge analogen Strömungsmediums in die Hauptzuführleitung eingeführt werden; dies ergibt aber lediglich eine sehr geringe Verdünnung des darin fließenden Strömungsmediums, die vernachlässigbar ist.

Nachstehend wird die Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung an Hand zweier Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigt

F i g. 1 schematisch eine erste Ausführungsform der Erfindung, und

Fig. 2 ebenfalls schematisch eine zweite Ausführungsform.

In Fig. 1 ist eine Vorrichtung zum Messen des Strömungsflusses in einer Hauptzuführungsleitung 10 dargestellt. Das Strömungsmedium, dessen Strömung bzw. Geschwindigkeit gemessen werden soll, fließt in der durch die Pfeile angezeigten Richtung. Ein Drosselelement 12, das aus einer Platte mit einer Öffnung bestehen kann, ist in der Zuführungsleitung 10 angeordnet und ergibt einen Druckabfall, der eine bekannte Funktion der Strömung des Strömungsmediums ist. Wenn beispielsweise das Drosselelement 12 aus einer Platte mit einer Öffnung besteht, ist der Druckabfall am Drosselelement der Strömungsmediumdichte direkt und der Geschwindigkeit des Strömungsmediums im Quadrat proportional. Obgleich das Drosselelement als Platte mit Öffnung dargestellt ist, können auch andere Vorrichtungen, wie z. B. Staudruckdüsen, Venturidüsen usw. verwendet werden.

Ein Nebenströmungsweg 14 umgeht das Drosselelement 12. Der Nebenströmungsweg 14 enthält einen Geschwindigkeitsmesser 16, beispielsweise einen thermischen Mengenströmungsmesser der Art, wie er in den vorgenannten USA.-Patentschriften 3 181 357 und 3 229 522 beschrieben ist. Wie dargestellt, enthält der Geschwindigkeitsmesser 16 einen elektrisch und thermisch leitenden Leitungsabschnitt 18, der einen Teil des Nebenströmungsweges 14 bildet. Der Leitungsabschnitt 18 ist an seinen Enden mit Wärmesenken 20 und 22 gekoppelt. Die Wärmesenken sind Materialmassen, welche im wesentlichen auf Umgebungstemperatur bleiben, selbst wenn ein Heizstrom durch die Wärmesenken und durch den Leitungsabschnitt 18 geschickt wird. Der Leitungsabschnitt 18 weist jedoch eine geringere Masse als die Wärmesenken auf und wird deshalb auf eine Temperatur über der Umgebungstemperatur erwärmt, wenn er stromdurchflossen ist. Ein Transformator 24 ist mit den Wärmesenken 20 und 22 verbunden und schickt Heizstrom durch den Leitungsabschnitt 18, wenn er eingeschaltet ist. Der Leitungsabschnitt 18 wird durch die Strömung des hindurchströmenden Strömungsmediums gekühlt. Eine Temperaturmeßvorrichtung 26, ζ. B. ein Thermoelement, ist im Leitungsabschnitt 18 angeordnet. Das Thermoelement ist über ein Meßgerät M mit einer Stelle 28 auf der Sekundärwicklung

ίο des Transformators 24 angeschlossen. Nimmt man an, daß die Sekundärwicklung aus dem gleichen Material wie die Wärmesenken besteht, an die die Wicklung an den Enden angeschlossen ist, spricht das Meßgerät M auf die Temperaturdifferenz zwischen dem An-

>5 Schlußpunkt des Thermoelementes und den Wärmesenken an. Die von dem Thermoelement 26

• festgestellte Temperatur ist proportional der Strömung im Leitungsabschnitt 18. Derartige Strömungsmesser sind bekannt und ihre Arbeitsweise wird des-

*o halb nicht weiter beschrieben.

Der Nebenströmungsweg 14a zwischen dem Geschwindigkeitsmesser 16 der Zuführungsleitung 10 vor dem Drosselelement 12 ist an eine Leitung 30 angeschlossen, die ein ana'oges Meßströmungsme-

*5 dium führt, z. B. Stickstoffgas unter hohem Druck von einer nicht dargestellten Speisequelle durch ein Ventil 32 zum Nebenströmungsweg. In gleicher Weise verbindet zwischen dem Geschwindigkeitsmesser 16 und der Zuführungsleitung 10 hinter dem Drosselelement 12 eine weitere Leitung 36 ein ähnliches, analoges Meßströmungsmedium hohen Druckes durch ein Ventil 38 mit dem Nebenströmungsweg 14b.

Die Ventile 32 und 38 sind so eingestellt, daß dann, wenn kein Strömungsfluß in der Zuführungsleitung vorhanden ist, keine Strömung eines analogen Meßströmungsmediums durch den Geschwindigkeitsmesser 16 erfolgi. Das analoge Meßströmungsmedium entleert sich langsam und gleichmäßig in die Zuführungsleitung 10 auf den gegenüberliegenden Seiten des Drosselelementes 12. Wenn jedoch eine Strömung von dem zu messenden Strömungsmedium in der Zuführungsleitung 10 vorhanden ist, verursacht der an dem Drosselelement 12 entstandene Druckabfall, daß das durch das Ventil 32 strömende analoge Meßströmungsmedium sich in Pfeilrichtung durch den Nebenströmungsweg 14a zur Zuführleitung 10 und auch durch ein zweites Drosselelement 16 und durch den Nebenströmungsweg 14 zur Zuführungsleitung 10 bewegt. Der Druckabfall am Drosselelement 34 stellt eine bekannte Funktion der Strömung des hindurchströmenden Strömungsmediums dar. Wenn beispielsweise das Drosselelement 34 kapillarer Art ist, ändert sich der Druckabfall linear mit der Volumendurchflußgeschwindigkeit. Das analoge, in die Zuführungsleitung 10 eintretende Meßströmungsmedium oberhalb und unterhalb des Drosselelementes 12 ist ein vernachlässigbares Verdünnungsmittel für das Strömungsmedium in der Zuführungsleitung 10.

Wie vorstehend festgestellt, ändert sich bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Druckabfall am Drosselelement 12 proportional dem Quadrat der Strömungsgeschwindigkeit in der Zuführungsleitung 10. Der Druckabfall im Nebenströmungsweg 14 am Drosselelement 34, der etwa gleich dem Druckabfall am Drosselelement 12 ist, ändert sich linear proportional der Strömungsgeschwindigkeit im Nebenströmungsweg 14. Somit ändert sich das von dem Geschwindigkeitsmesser 16 erzeugte Signal proportional

dem Quadrat der Strömungsgeschwindigkeit in der Strömungsleitung 10. Verwendet man als Meßgerät M eine der vielen Ausfiihrungsformen von kornmerziell zur Verfügung stehenden Geräten, die so ausgelegt sind, daß sie ein Signal aufnehmen und die Quadratwurzel daraus ziehen, läßt sich eine Sichtanzeige der linearisierten Funktion der Strömung in der Zuführungsleitung erreichen.

Ein entscheidendes Merkmal der eben beschriebenen Anordnung wird darin gesehen, daß die Messung des Massenflusses in der Hauptzuführungsleitung von dem Leitungsdruck unabhängig ist. Dies kann mathematisch wie folgt gezeigt werden: Nimmt man an, daß der gesamte Druckabfall im Nebenströmungsweg 14 am Drosselelement 34 auftritt, dann gilt

&P\ ⁼ AP₂,

wobei AP₁ der Druckabfall am Drosselelement 12 und /IP₂ der Druckabfall am Drosselelement 34 ist. Es gilt aber

K₁ und
^Pi ⁼ ^₂μ₂ν₂,

wobei C, und C₂ Konstanten sind, ρ, die Dichte des Strömungsmediums in der Zuführungsleitung 10 ist, μ₂ die Viskosität des analogen Strömungsmediums im Nebenströmungsweg 14 ist, und V₁ und V₂ die entsprechenden Strömungsgeschwindigkeiten in jeder Leitung sind.

Da beide Strömungsmedien den gleichen bekannten Gasgesetzen gehorchen, gilt:

wobei C₃ eine Konstante ist und Q₂ die Dichte des Strömungsmediums im Nebenströmungsweg ist. Somit gilt:

^i P1 ^V ⁼ *--₂μ₂ν₂.
Wird jede Seite mit ρ, multipliziert, ergibt sich:

Wird ρ, auf der rechten Seite der Gleichung ersetzt, ergibt sich:

C] (pi^i) = C₂C^₂Q₂V₂.
Da die Viskosität über praktische Druckbereiche konstant ist, gilt:

wobei C₅ = C₂C₃ZX₂. Somit bestätigt diese Gleichung, was früher festgestellt worden ist, daß der Massenfluß in der Zuführungsleitung 10 sich unabhängig von dem Druck in der Zuführungsleitung ändert. Die von dem Geschwindigkeitsmesser 16 gemessene Strömung andert sich wie die Viskosität des analogen Meßströmungsmediums, sie wird aber nicht durch die Viskositat oder spezifische Wärme des Strömungsmediums in der Zuführungsleitung 10 beeinflußt.

Obgleich bei der beschriebenen Ausführungsform das Drosselelement 34 getrennt von dem Geschwindigkeitsmesser 16 dargestellt ist, kann dann, wenn de; Leitungsabschnitt 18 des Geschwindigkeitsmesser die Dimensionen einer Kapillare hat, das getrennt« Drosselelement 34 entfallen.

s Die Ausführungsform nach Fig. 2 ist der nach F i g. 1 gleich, mit der Ausnahme, daß das Drosselelement 34 als Staurand dargestellt ist. Das Drosselelement 34 begrenzt wie das Drosselelement 12 in dei Zuführungsleitung 10 die Strömung derart, daß dei Druckabfall an dem Element direkt proportional dei Dichte des hindurchfließenden Strömungsmedium! und proportional dem Quadrat der Strömungsgeschwindigkeit ist. Demgemäß ist der Massenfluß de; Meßströmungsmediums durch den Geschwindigkeitsmesser 16 direkt proportional dem MassenfluE des durch die Zuführungsleitung 10 strömenden Strömungsmediums. Somit kann das Meßgerät M in dei Weise geeicht werden, daß es eine direkte Ablesung des Massenflusses durch die Zuführungsleitung ergibt.

Hieraus zeigt sich, daß die Strömung des Strömungsmediums in der Zuführungsleitung 10 proportional der N-ten Potenz der Strömung des Strömungsmediums im Nebenströmungsweg 14 ist, wobei N = (I₁In₂ ist, wobei «, die Potenz darstellt, mit der die Strömung des analogen Meßströmungsmediums hohen Druckes als proportional dem Druckabfall am Drosselelement 34 angenommen wird, und n₂ die Potenz darstellt, mit der die Strömung des Strömungsmediums in der Zuführungsleitung 10 als proportional mit dem Druckabfall am Drosselelement 12 angenommen wird.

Bei beiden Ausführungsformen bringt die Verwendung der dargestellten Anordnung erhebliche Vorteile mit sich. Insbesondere verhindert das Vorhandensein eines analogen Meßströmungsmediums hohen Druckes, daß korrodierende Strömungsmedien und Verunreinigungen die Zuführungsleitung 10 verlassen und durch den Geschwindigkeitsmesser 16 über den Nebenströmungsweg 14 strömen. Dadurch wird _ej_n Verschmutzen des Geschwindigkeitsmessers 16 gehemmt. Weiterhin ergibt sich vorteilhafterweise mit vorliegender Erfindung die Herabsetzung der Entzündbarkeit, wenn ein brennbares Strömungsmedium, ζ. B. Naturgas, in der Zuführungsleitung 10 geführt wird. Wird ein nicht brennbares, analoges Meßströmungsmedium verwendet, isoliert dieses Strömungsmedium das brennbare Strömungsmedium der Zuführungsleitung gegenüber dem thermischen Strömungsmesser 16, wo eine Zündung erfolgen kann. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß eine Eichung des Geschwindigkeitsmessers 16 in geringerem Maße durch Änderungen in der Zusammensetzung des Strömungsmediums in der Zuführungslei-

tung beeinflußt wird, da nur das analoge Meßströmungsmedium durch den Geschwindigkeitsmesser 16 strömt. Auch gestattet die Erfindung, daß die Vorrichtung zweckmäßig und leicht durch Öffnen der Ventile 32 und 38 gereinigt und damit das gesamte

System gesäubert werden kann.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Strömungsmeßvorrichtung, welche eine Hauptzuführungsleitung, durch welche das Strömungsmedium fließt, dessen Strömungsgeschwindigkeit gemessen werden soll, ein Drosselelcment in der Hauptzuführungsleitung, an welchem das in der Hauptzuführungbleitung fließende Strömungsmedium einem Druckabfall unterworfen ist, einen mit der Hauptzuführungsleitung auf jeder Seite des Drosselelementes verbundenen, das Drosselelement umgehenden Nebenströmungsweg und einen Strömungsmesser in dem Nebenströmungsweg aufweist, welcher die Geschwindigkeit des in dem Nebenströmungsweg fließenden Strömungsmediums müßt, gekennzeichnet durch den Anschluß je einer Zuführungsleitung (14a, 14b) für ein zum Hauptströmungsmedium analoges Meßströmungsmedium an den Nebenströmungsweg (14) auf jeder Seite des Geschwindigkeitsmessers (16).

2. Strömungsmeßvorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein zweites Drosselelement (34) im Nebenströmungsweg (14) zwischen Geschwindigkeitsmesser (16) und einer der Einführungsstellen eines analogen Meßströmungsmediums in den Nebenströmungsweg (14).

3. Strömungsmeßvorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch Ventile (32, 38) zum Steuern der Einführung des analogen Meßströmungsmediums in den Nebenströmungsweg (14).