DE2115364B2

DE2115364B2 - Mengenstrommeßgerät nach dem Differenzdruckprinzip

Info

Publication number: DE2115364B2
Application number: DE2115364A
Authority: DE
Inventors: Walter Cedar Grove N.J. Masnik (V.St.A.)
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1970-03-31
Filing date: 1971-03-30
Publication date: 1978-05-03
Also published as: JPS5534363B1; GB1307659A; DE2115364C3; FR2083685B1; JPS51128558A; US3662599A; FR2083685A1; DE2115364A1; CA918958A

Description

Die Erfindung betrifft ein Mengenstrommeßgerät nach dem Differenzdruckprinzip gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Ein derartiges Meßgerät ist in der US-PS 32 32 105 beschrieben. Bei ihm sind in den Zweigen der Brückenschaltung jeweils zwei genau gleiches Strömungsverhalten aufweisende Drosseln in Form von Blenden angeordnet. Die Blenden des ersten Brückenzweiges haben aber ein anderes Strömungsverhalten als die des zweiten Brückenzweiges.

Wird der Durchsatz sehr viskoser Flüssigkeiten gemessen oder arbeitet man mit niedrigen Reynolds-Zahlen, so ändern sich die Strömungskoeffizienten der Blenden, und hierdurch wird die Genauigkeit der Durchsatzmessung beeinträchtigt. Durch genaue Wahl der Größe und Form der Blenden ist es jedoch möglich, bei geeigneter Wahl der Blendenpaare über einen großen Bereich der Viskosität hinweg durch Differenzdruckmessung eine lineare Messung des Durchsatzes durchzuführen. Hierzu kann z. B. ein Blendenpaar abgerundete Kanten aufweisen, während das zweite Blendenpaar mit scharfen Kanten ausgebildet ist.

In der US-PS 32 32 105 sind zwei verschiedene Ausführungsformen eines Mengenstrommeßgerätes offenbart. Diese sind linear arbeitend für einen Meßstrom Q verwendbar, der bei der ersten Ausführungsform größer als der konstant von der Pumpe umgewälzte Hilfsstrom q sein muß und bei der zweiten Ausführungsform kleiner als dieser Hilfsstrom sein muß. Bei der ersten Ausführungsform ist ein Differenzdruckmesser mit der Einlaßleitung und der Auslaßleitung der Brückenschaltung verbunden; bei der zweiten Ausführungsform ist ein Differenzdruckmesser mit den zwischen den Blenden liegenden Punkten der beiden Brückenzweige verbunden. Diese bekannten Mengenstrommesser können daher nur dadurch auf den anderen Arbeitsbereich umgestellt werden, daß neben

der Änderung der Anschlüsse zum Differenzdruckmesser auch die Blenden aus der Brückenschaltung ausgebaut und umgesetzt werden, die in den beiden Arbeitsbereichen in entgegengesetzter Richtung durchströmt werden.

Durch die Erfindung soll dagegen ein Mengenstrommesser der oben geschilderten Art geschaffen werden, der ohne Eingriffe in die Brückenschaltung in beiden Arbeitsbereichen Q> qund Q< qlinear arbeitet
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch ein Mengenstrommeßgerät mit den im Kennzeichen des Anspruches 1 angegebenen Merkmalen.

In der US-PS 32 32 104 ist ein ähnliches Mengenstrommeßgerät beschrieben, bei dem die Blenden der Brückenschaltung alle vier dasselbe Strömungsverhalten aufweisen. Zum Umschalten zwischen den Meßbereichen Q>q und Q<q brauchen hier nur die Anschlüsse des Differenzdruckmessers verändert zu werden. Man benötigt dann aber vier symmetrische Blenden von untereinander genau gleichem Strömungsverhalten unabhängig von der Strömungsrichtung. Deshalb ist schon bei dem eingangs beschriebenen, eine Verbesserung des Mengenstrommeßgerätes nach der US-PS 32 32 104 darstellenden Mengenstrommeßgerät die Verwendung nur paarweise gleicher Blenden vorgesehen.

In der DT-OS 15 73 044 ist ferner schon vorgeschlagen worden, bei einer normalen Brückenschaltung ohne eine einen Hilfsstrom erzeugende Pumpe den Einfluß der Viskosität des Strömungsmittels durch Zuschalten geeigneter Parallelwiclerstände zu den Blenden auszuräumen. Damit kann jedoch der Meßbereich der Brückenschaltung nicht vergrößert werden, und zudem sind stets zeitraubende Eingriffe in die Brückenschaltung selbst erforderlich.

In der US-PS 33 71530 ist ein weiteres Mengenstrommeßgerät mit einer einen Hilfsstrom erzeugenden Pumpe beschrieben, bei dem in den Brückenzweigen jeweils zwei Venturi-Rohre vorgesehen sind und ein erster Differenzdruckmesser mit den engen Durch-Strömquerschnitten und ein zweiter Differenzdruckmesser mit halb so großer Empfindlichkeit mit den weiten Durchströmquerschnitten der Venturi-Rohre verbunden ist und bei dem aus den Ausgangssignalen beider Differenzdruckmesser durch Addition das Meßsignal

bo gewonnen wird. Diese Anordnung hat zwar einen nicht durch die konstante Förderleistung der den Hilfsstrom erzeugenden Pumpe begrenzten Meßbereich, sie hat aber einen sehr komplizierten Aufbau und eignet sich wegen der Verwendung von Venturi-Rohren schlecht zur Messung viskoser Flüssigkeiten.

Schließlich ist in der FR-PS 14 27 971 ein Mengenstrommesser für gasförmige Strömungsmittel beschrieben, der einen in den Nullzweig der Brückenschaltung

geschalteten Differenzdruckmesser aufweist. Zur Einstellung eines Nettostromes durch den Nullzweig sind in den Brückenzweigen über Kreuz paarweise gleiche Widerstände angeordnet. Diese Anordnung 'jignet sich jedoch nicht zur Messung geringer Durchsätze viskoser Flüssigkeiten.

Das erfindungsgemäße Mengenstrommeßgerät mißt dagegen in einem großen Bereich linear den Durchsatz an viskosem Strömungsmittel. Kurzzeitige oder pulsierende Änderungen in dem zu messenden Strom haben keinen Einfluß auf das Meßergebnis. Das erfindungsgemäße Mengenstrommeßgerät läßt sich auch billig und einfach herstellen und benötigt nur sehr wenig Wartung.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist nur ein einziger Differenzdruckmesser vorgesehen, der automatisch durchsatzabhängig mit den jeweils zu verwendenden Anschlüssen der Brückenschaltung verbunden wird.

Bei einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind zwei Differenzdruckmesser vorgesehen, diese arbeiten aber auf eine gemeinsame Anzeigeeinrichtung, wobei die Umschaltung zwischen den beiden Differenzdruckmessern durchsatzabhängig erfolgt.

Nachstehend wird die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. In dieser zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Mengenstrommeßgerätes,

Fig.2 die Anordnung der Blenden und die Strömungsverhältnisse in der Brückenschaltung des Mengenstrommeßgerätes von Fig. 1,

F i g. 3 verschiedene Blendenformen,

F i g. 4 eine graphische Darstellung des Strömungskoeffizienten der in F i g. 3 gezeigten Blenden in Abhängigkeit von der Reynolds-Zahl,

F i g. 5 ein abgewandeltes Mengenstrommeßgerät mit automatischer Anschlußumschalturig eines einzigen Differenzdruckmessers und

F i g. 6 ein abgewandeltes Mengenstrommeßgerät mit automatischer Umschaltung einer einzigen Anzeigeeinrichtung.

In F i g. 1 ist eine Quelle 5 für Strömungsmittel und ein Verbraucher 7 für Strömungsmittel gezeigt. Ein insgesamt mit 6 bezeichnetes Mengenstrommeßgerät ist über eine Einlaßleitung 10 mit der Quelle 5 und mit einer Auslaßleitung 11 mit dem Verbraucher 7 verbunden und dient zur Messung des gleichermaßen durch die Einlaßleitung 10 und die Auslaßleitung 11 fließenden Stromes Q.

Das Mengenstrommeßgerät weist eine Brückenschaltung mit zwei Zweigleitungen 12 und 13 auf, durch die die Einlaßleitung 10 mit der Auslaßleitung 11 verbunden ist. In der Zweigleitung 12 ist eine erste Drossel in Form einer Blende 14 und eine zweite Drossel in Form einer Blende 15 angeordnet. Entsprechend enthält die Zweigleitung 13 eine dritte Blende 16 und eine vierte Blende 17.

Ein zwischen den Blenden 14 und 15 liegender Punkt der Zweigleitung 12 ist über eine Umwälzleitung 18 mit einem zwischen den Blenden 16 und 17 liegenden Punkt der Zweigleitung 13 verbunden. In der Umwälzleitung 18 ist eine Pumpe 19 angeordnet, die pro Zeiteinheit eine konstante Strömungsmittelmenge q umwälzt, die größer oder kleiner als der Strom Q sein kann.

Ein Differenzdruckmesser 20 mit einem Anzeigegerät 21 ist an die Verbindungsstelle zwischen den Zweigleitungen 12 und 13 und die Einiaßleitung 10 und an die Verbindungsstelle zwischen den Zweigleitungen 12 und 13 und der Auslaßleitung 11 angeschlossen. Diese stromauf bzw. stromab der Pumpe 19 liegenden Punkte sind in der Zeichnung mit P1 bzw. P 4 bezeichnet. Ein zweiter Differenzdruckmesser 20a mit einem Anzeigegerät 21a ist mit den Punkten verbunden, an denen die Umwälzleitung 18 in die Zweigleitungen 12 und 13 einmündet. Diese Punkte sind in der Zeichnung mit P2 und P3 bezeichnet.

ist der von der Pumpe 19 erzeugte konstante Strom q

ίο größer als der zu messende Strom Q, so wird zur Messung der Differenzdruckmesser 20 verwendet, da sich bei diesen Arbeitsbedingungen der Druck zwischen den Punkten P2 und P3 nicht linear mit dem Durchsatz ändert, so daß auch der vom Anzeigegerät 21a angezeigte Wert nicht linear dem Durchsatz von Strömungsmittel durch das Mengenstrommeßgerät zugeordnet ist.

Ist umgekehrt der von der Pumpe 19 erzeugte konstante Strom q kleiner als der zu messende Strom Q, so wird der Differenzdruckmesser 20a verwendet, der mit dem Druck bei den Punkten P2 und P3 beaufschlagt ist. Der am Differenzdruckmesser 20a anliegende Druckunterschied ändert sich unter diesen Arbeitsbedingungen linear mit dem Strom Q, während jetzt der vom Anzeigegerät 21 angezeigte Wert nicht linear vom Strom Q abhängt.

Es läßt sich allgemein zeigen, daß für die beiden Arbeitsbereiche q>Q und q<Q die nachstehenden linearen Beziehungen zwischen dem Druckunterschied an dem jeweils verwendeten Differenzdruckmesser und dem Durchsatz bestehen:

.IP₁-4 =

Dabei bedeuten:

2«?

2*7

C = Strömungsdrosselkoeffizient,

A = Durchströmquerschnitt der Blende,

AP = Druckunterschied,

s = Dichte,

g — Erdbeschleunigung,

Q — zu messender Strom,

q = von der Pumpe 19 erzeugter konstanter Hilfsstrom,

K = Gerätekonstante,

so M = Mengenstrom.

Aus den obigen Darlegungen ist ersichtlich, daß man bei Verwendung des Mengenstrommeßgerätes in einem Bereich von q>Q bis zu q<Q nur die Ablesung an verschiedenen Anzeigegeräten vorzunehmen braucht. Bei Verwendung nur eines einzigen Differenzdruckmessers braucht dieser nur an verschiedene Anschlüsse der Brückenschaltung angeschlossen zu werden, wie nachstehend unter Bezugnahme auf F i g. 5 noch genauer beschrieben wird.

Beim Übergang vom Bereich q>Q zu q<Q ändert sich jedoch der Gesamtstrom in Abschnitten der Zweigleitungen, wie aus F i g. 2 deutlich ersichtlich ist, in der die Teilströme des zu messenden Stromes Q durch ausgezogene Pfeile angedeutet sind und die Teilströme des durch die Pumpe 19 erzeugten Hilfsstromes durch gestrichelte Pfeile dargestellt sind. Man sieht, daß eine Strömungsumkehr beim Übergang zwischen den beiden

Arbeitsbereichen in der ersten Blende 14 und der vierten Blende 17 erhalten wird.

Um im gesamten Meßbereich, d. h. q< Q bis zu q> Q, eine lineare Messung des Stromes Q zu erhalten, müssen die Strömungskoeffizienten der Blenden 14 und 17 für beide Strömungsrichtungen richtig gewählt sein. Bildet man jedoch die Blenden 14 und 17 so aus, daß sie in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung denselben Strömungskoeffizienten aufweisen, so ist die Brückenschaltung unsymmetrisch, wenn der Druckunterschied zwischen den Punkten P2 und P3 gemessen wird.

Wie aus der Fig.2 ersichtlich ist, weist jede der Blenden 14 bis 17 eine Drosselöffnung auf, die an einem Ende eine abgerundete Kante und am anderen Ende eine scharfe Kante hat.

Derartige Blenden haben einen Strömungskoeffizienlen, der über einen großen Bereich der Reynolds-Zahl konstant ist. In Fig.4 ist zusätzlich die Abhängigkeit des Strömungskoeffizienten von der Reynolds-Zahl für andere Blenden gezeigt, die an beiden Enden der Drosselöffnung durch gerundete Kanten bzw. scharfe Kanten begrenzt sind, also einen Querschnitt aufweisen, wie dies in den F i g. 3C bzw. 3A gezeigt ist. Eine Blende, wie sie bei der in F i g. 2 gezeigten Brückenschaltung verwendet wird, ist dort in F i g. 3B gezeigt.

Während durch Blenden, deren Drosselöffnung am einen Ende durch eine abgerundete Kante und am anderen Ende durch eine scharfe Kante begrenzt ist, die Konstanz des Strömungskoeffizienten zu niederen Reynolds-Zahlen hin wesentlich erweitert werden kann, haben diese Blenden unterschiedliches Strömungsverhalten in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung. Dieses unterschiedliche Verhalten mittelt sich jedoch bei einer Anordnung der Blenden gemäß F i g. 2 heraus, da die Teilströme des zu messenden Stromes Q und die Teilströme des von der Pumpe 19 erzeugten Hilfsstromes ς jeweils eine Blende bei der scharfen Kante der Drosselöffnung anströmen und bei der abgerundeten Kante der Drosselöffnung verlassen und eine zweite Blende bei der abgerundeten Kante der Drosselöffnung anströmen und bei der scharfen Kante der Drosselöffnung verlassen.

Anders gesagt: Ist der Hilfsstrom q kleiner als der zu messende Strom Q, so wird der Differenzdruck zwischen den Punkten P2 und P3 gemessen. Die Gesamtströmung durch die Blenden 14 und 16 verläuft von der abgerundeten Kante zur scharfen Kante der Drosselöffnung, die Gesamtströmung durch die Blenden 15 und 17 von der scharfen Kante zur abgerundeten Kante der Drosselöffnung. Ist dagegen der Hilfsstrom q als der Strom Q, so wird der Differenzdruck zwischen

ί den. Punkten PX und P4 gemessen, und die Gesamtströmung durch die Blenden 14 und 15 läuft von den scharfen Kanten zu den abgerundeten Kanten der Drosselöffnungen, während die Gesamtströmung durch die Blenden 16 und 17 von den abgerundeten Kanten zu

K) den scharfen Kanten der Drosselöffnungen gerichtet ist.

Man hat also sowohl für q<Q als auch für q>Q

gleiche Strömungsverhältnisse, da die Drosselöffnungen der Blenden in jedem Blendenpaar gleich orientiert sind, wobei jedoch die scharfe Kante und die abgerundete

i^r> Kante der Drosselöffnung vom Strömungsmittel auf dem Weg von der Einlaßleitung zur Auslaßleitung in entgegengesetzter Reihenfolge durchströmt werden. Damit kann das Mengenstrommeßgerät insgesamt über einen großen Bereich zu messender Ströme (?und über

μ einen großen Bereich der Reynolds-Zahl linear arbeiten.

Das in F i g. 5 gezeigte Mengenstrommeßgerät weist

nur einen einzigen Differenzdruckmesser 20c auf, der über zwei 3/2-Wegeventile 22a und 226 mit den Punkten PX und P 4 bzw. Pl und P3 verbindbar ist. Dem Differenzdruckmesser 20c ist ein Anzeigegerät 21c zugeordnet. Die Betätigung der 3/2-Wegeventile 22a und 226 kann von Hand erfolgen. Bei der in F i g. 5 gezeigten Ausführungsform ist jedoch zusätzlich eine Steuerung 23 vorgesehen, die die 3/2-Wegeventile in

jo Abhängigkeit von der Größe des zu messenden Stroms Q bezüglich des durch die Pumpe 19 erzeugten Hilfsstromes q automatisch so schaltet, daß der Differenzdruckmesser 20c mit dem richtigen Punktepaar P XIPA bzw. P2/P3 verbunden wird. Hierzu ist die Steuerung 23 mit einem vom Differenzdruckmesser 20c bereitgestellten Signal beaufschlagbar.

F i g. 6 zeigt eine Abwandlung des in F i g. 1 gezeigten Mengenstrommeßgerätes mit den beiden Differenzdruckmessern 20 und 20a. Die Ausgangssignale dieser beiden Differenzdruckmesser werden auf einen Umschaltkreis 25 gegeben, der einen Komparator 27 und einen Umschalter 29 aufweist. Der Umschalter 29 ist mit einem Anzeigegerät 24 verbunden. Die Betätigung des Umschalters 29 erfolgt durch den Komparator 27 gemäß dem Unterschied der Ausgangssignale der beiden Differenzdruckmesser.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Nach dem Differenzdruckprinzip arbeitendes Mengenstrommeßgerät mit je einer Blende in den vier Zweigen einer Brückenschaltung, die wenigstens teilweise gleiche Durchflußcharakteristik und scharfe oder runde Öffnungskanten aufweisen, mit je einem Anschluß an zwei gegenüberliegenden Ecken der Brückenschaltung für die Ein- und Auslaßleitung, mit einer zwischen die beiden anderen Eckpunkte angeschlossenen Pumpe mit konstanter Förderleistung und mit einem an zwei gegenüberliegende Eckpunkte angeschlossenen Differenzdruckmesser, dadurch gekennzeichnet, daß jede Blende (14, 15, 16, 17) eine scharfe und eine runde Offnungskante aufweist und daß die Blenden hinsichtlich ihrer beiden Öffnungskanten identisch ausgebildet und mit ihrer runden Öffnungskante in Richtung auf die Anschlüsse (Pi, PA) orientiert sind.

2. Mengenstrommeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein einziger Differenzdruckmesser (20c) über 3/2-Wegeventile (22a, 22b) mit den gegenüberliegenden Ecken der Brückenschaltung für die Ein- und Auslaßleitung bzw. den beiden mit der Pumpe (19) verbundenen Ecken (P 2, P3) der Brückenschaltung verbindbar ist und daß die 3/2-Wegeventile durch eine Steuerung (23) gemäß der Größe des zu messenden Stromes (Q), bezogen auf die Größe des durch die Pumpe (19) erzeugten Hilfsstromes (q), betätigbar sind.

3. Mengenstrommeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Differenzdruckmesser (20, 20a), die mit den gegenüberliegenden Ecken (Pl, P 4) der Brückenschaltung bzw. den beiden anderen, mit der Pumpe (19) verbundenen Eckpunkten (P2, P3) der Brückenschaltung verbunden sind, über einen mit den Ausgangssignalen der Differenzdruckmesser beaufschlagten Umschaltkreis (25) mit einem ihnen gemeinsamen Anzeigegerät (24) verbindbar sind.