DE2211694C2

DE2211694C2 -

Info

Publication number: DE2211694C2
Application number: DE2211694A
Authority: DE
Inventors: Albert 5812 Herbede Tertilt
Original assignee: PAUL PLEIGER MASCHINENFABRIK 5812 HERBEDE
Current assignee: PAUL PLEIGER MASCHINENFABRIK 5812 HERBEDE
Priority date: 1972-03-10
Filing date: 1972-03-10
Publication date: 1974-03-21
Also published as: US3915000A; CH559368A5; DE2211694B1; NL161262C; NL161262B; BE796444A; SE408669B; GB1427043A; FR2175793B1; JPS543742B2; NL7303216A; JPS491263A; FR2175793A1; IT981267B

Description

an der sich ein im wesentlichen konstanter Temperaturverlauf eingestellt hat bzw. die Strömung wieder ungestört ist.

Nach einer Weiterbildung des Verfahrens wird die Temperatur des Fluids vor einer Drossel im Bereich der Normalströmung und nahe dem Austritt der Drosselöffnung in dem Strahlbereich gemessen, in dem eine verstärkte Temperaturänderung bzw. -erhöhung auftritt. Es wurde festgestellt, daß unmittelbar am Austritt einer Drosselöffnung bei Flüssigkeiten eine Temperaturerhöhung auftritt, die je nach Druckdifferenz und Eigenschaften der Flüssigkeit erheblich über der Temperaturerhöhung liegen kann, die im Bereich der nach der Drossel wieder normalisierten Strömung festgestellt wird. Wie Versuche ergaben, ist diese verstärkte Temperaturerhöhung unmittelbar am Austritt der Drossel ähniich dem Druckglied der BernoulIi-Gleichung von der kinetischen Energie der Strömung abhängig, so daß über Eichkurven unter Berücksichtigung der verschiedenen Einflußgrößen die Strömungsgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der festgestellten Temperaturdifferenz ermittelt werden kann.

Während bei Flüssigkeiten am Austritt einer Drossel eine Temperaturerhöhung festzustellen ist, tritt bei Gasen durch die Expansion ein Temperaturabfall auf, der ebenso zur Messung verwendet werden kann.

Es ist weiterhin möglich, die Temperatur des Fluids nahe dem Austritt der Drosselöffnung bzw. nahe der Erweiterung des Strömungsquerschnitts und in dem Bereich der Querschnittserweiterung zu messen, in dem sich ein im wesentlichen konstanter Temperaturverlauf wieder eingestellt hat. Auch bei dieser Anordnung der Meßstellen kann eine Temperaturdifferenz zwischen verstärkter Temperaturänderung unmittelbar am Austritt der Drossel und in dem Bereich festgestellt werden, in dem die Temperatur über dem Strömungsquerschnitt im wesentlichen wieder ausgeglichen ir*..

Zur Kompensation eventuell auftretender Unsymmetrien der Temperaturverteilung tonn die Temperatur des Fluids an mehreren Stellen im Bereich der Querschnittsänderung gemessen werden, wodurch man auch eine Vergrößerung des absoluten Meßwertes erhalten kann. Solche Unsy.mmetrien der Temperaturverteilung können beispielsweise am Rand einer Drossel auftreten.

Nach einer anderen Weiterbildung wird durch eine oder auch mehrere zusätzliche Meßstellen der Einfluß der Temperatur auf die Viskosität des Fluids kompensiert. Di.2 durch die Umgebungstemperatur veränderte Viskosität wird als Korrekturfaktor bei der Meßwertermittlung verwendet.

Bei einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens werden zweckmäßigerweise in der Achse der Strömungsbahin wenigstens zwei temperaturempfindliche Meßelemente in der Form von Thermoelementen oder anderen geeigneten Meßwertgebern wie Halbleitern angeordnet, deren Anschlußleitungen zur Weitergabe der Meßwerte an ein Ablese- oder Aufzeichnungsgerät durch die Wand der Rohrleitung geführt sind. Derartige Meßelemente können sehr klein ausgebildet und an bisher nicht zugänglichen Stellen sowie in sehr kleinen Drosselbohrungen angeordnet sein. Die Meßwerte in der Form von Spannungssignalen können in einfacher Weise, an ein Ablese- oder Aufzeichnungsgerät weitergegeben werden, das an einer beliebigen Stelle entfernt von der Meßstclle angeordnet werden kann. Zudem sprechen derartige Meßelemente auch bei geringen Temperaturänderungen schnell an, so daß man praktisch eine augenblickliche MeSwertanzeige erhält. Dies ist beispielsweise bei ei-

ner kurzzeitigen Beaufschlagung eines Elementes oder bei kurzzeitigem öffnen eines Ventils in der Hochdruckhydraulik vorteilhaft.

Gegenüber einer getrennten Anordnung der Meßstellen ist es vorteilhafter, längs der Mittelachse der

ίο Strömungsbahn einen elektrisch !leitenden Draht mit Thermoelementen anzuordnen, der zur Führung der Strömung in der Drosselbohrung dient und die Stabilität der Meßstellen in der Strömung verbessert. Die Meßelemente können längs der Achse der Strömungsbahn beiderseits einer Drosselstelle oder hinter der Drosselstelle bzw. im Bereich der Erweiterung des Strömungsquerschnitts angeordnet werden. Um eine Strömung in beiden Richtungen durch die Drossel feststellen und messen zu können, werden die Meßstellen vor und hinter der Drosselstelle symmetrisch zu dieser angeordnet.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand der

Zeichnungen beispielsweise näher erläutert. Es zeigt Fig. 1 schematisch einen Querschnitt durch eine Drosselstelle in der zur Temperaturmessung zwei Thermoelemente angeordnet sind,

Fig. 2 den Temperaturverlauf des Fluids in der Achse der Drosselbohrung bei der in Fig. 1 dargestellten Drossel,

Fig. 3 schematisch die verschiedenen möglichen Anordnungen der Meßstellen,

F i g. 4 zeigt die Anordnung einer Drosselstelle mit Temperaturmessung zur Ermittlung des in einer Leitung aufgebauten Drucks.

In Fig. 1 ist mit 1 eine Rohrleitung bezeichnet, in der eine blendenförmige Drossel 2 angeordnet ist. Längs der Achse der Drosselbohrung verläuft ein Konstantandraht 3, der an den Verbindungsstellen mit zwei Fe-Drähten 4 Thermoelemente 5 und 6 bildet, die beispielsweise 0,8 mm vor bzw. hinter der zugeordneten Fläche der Blendenscheibe angeordnet sind. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt der Durchmesser der Drosselbohrung 0,5 mm und der Durchmesser des Konstantandrahtes 0,2 mm.

Die beiden Fe-Drähte 4 sind zur Weitergabe der Meßwerte durch die Rohrwandung geführt. Sie können beispielsweise - wie in Fig. 1 angedeutet - an Leitungen angeschlossen sein, die auf der Bllendenscheibe in bekannter Weise aufgedruckt sind.

Wird durch die Rohrleitung 1 Hydrauliköl geleitet, wobei an der Drosselstelle 2 ein Druckabfall in der Größenordnung von 50 atü auftritt, so erhält man längs dci Achse der Drosselbohrung den in Fig. 2 schematisch dargestellten Temperaturverlauf. Bei einer Temperatur des Hydrauliköls von 20° C im Bereich der Normalströmung vor der Drossel am Meßpunkt 5 tri't bei der angegebenen Auslegung der Drossel am Meßpunkt 6 eine Temperatur von 47° C auf, so daß sich eine Temperaturerhöhung von 27° C

ergibt. Im weiteren Verlauf der Strömung längs der Achse der Drosselbohrung sinkt die Temperatur relativ steil ab, worauf sie nach einer geringfügigen Erhöhung im weiteren Verlauf der Strömung im wesentlichen konstant bleibt. Diese konstante Temperatur im Bereich der wieder normalisierten Strömung liegt nach den Meßwerten bei etwa 25° C, also 5° C über der Temperatur im Bereich der Normalströmung vor der Drossel. Die Durchflußmenge beträgt dabei

0,7 l/min.

Das auf Grund der Temperalurdifferenz zwischen den Thermoelementen 5 und 6 entstehende Signal kann direkt an ein herkömmliches Meßinstrument gegeben und zur Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeit verwendet werden. Es wurde festgestellt, daß die Abhängigkeit der Strömungsgeschwindigkeit von der Temperaturdifferenz an den Meßpunkten 5 und 6 in etwa der Abhängigkeit von der Druckdifferenz nath der Bernoulli-Gleichung entspricht. Die verschiedenen Einflußgrößen wie Viskosität, Wärmeinhalt, Kenngrößen der Drossel usw. können dabei in einem Faktor berücksichtigt werden, der experimentell ermittelt werden kann. Durch eine entsprechende Eichung der Meßvorrichtung ist es damit möglich, an Hand der gemessenen Temperaturdifferenz die Strömungsgeschwindigkeit und den Durchsatz zu ermitteln. Die Temperaturerhöhung an dem Meßpunkt 6 ist beispielsweise auch bei einer Druckdifferenz von 1,5 atü noch deutlich feststellbar, so daß mit dieser Vorrichtung auch sehr geringe Durchflußmengen gemessen werden können.

Auf Grund der sehr kurzen Ansprechzeit der Thermoelemente 5 und 6 ist es auch möglich, innerhalb von Millisekunden extreme kleine Strömungsmengen festzustellen, was mit den bekannten Meßverfahren nicht möglich ist. Durch die symmetrische Anordnung der Meßpunkte relativ zur Drosselstelle kann die Strömungsgeschwindigkeit richtungsunabhängig gemessen und durch die Polarität die Durchflußrichtung festgestellt werden. Die Temperatur des Fluids wird durch die sehr nahe (beispielsweise 2 mm) nebeneinander liegenden Meßpunkte automatisch kompensiert, wodurch sich bei Verwendung von Thermoelementen der Einsatz einer zusätzlichen Vergleichsstelle erübrigt. Gegebenenfalls kann durch Reihenschaltung mehrerer Meßstellen das abgegebene Signal entsprechend vergrößert werden. Durch nachgeschaltete integrierende Geräte wie Zähler kann der Gesamtdurchfluß über eine bestimmte Zeit in beide Richtungen ermittelt werden, auch wenn die Strömungsgeschwindigkeit nicht konstant ist.

Die F i g. 3 zeigt weitere Möglichkeiten der Anordnung der Meßpunkte. SO kann beispielsweise das Thermoelement 6 nahe am Austritt der Drosselbohrung im Bereich der verstärkten Temperaturerhöhung und ein weiterei Thermoelement 8 im Bereich der wieder normalisierten Strömung angeordnet werden, wodurch man gleichfalls eine Temperaturdifferenz er-■ hält, wie aus Fig. 2 hervorgeht. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, dem Thermoelement 5 das Thermoelement 8 zuzuordnen, wodurch man die durch innere Reibung hervorgerufene Temperaturerhöhung in der Normälströmung erhält. Zur Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeit in beiden Richtungen werden die Meßstellen symmetrisch zur Drosselstelle angeordnet, wie es durch ein zusätzliches Thermoelement 9 in Fi g. 3 dargestellt ist. Durch eine weitere zusätzliche, nicht dargestellte Meßstelle kann gegebenenfalls der Einfluß der Umgebungstemperatur kompensiert werden.

Vorzugsweise wird für die Durchflußmessung eine Meßstellenanordnung nach Fig. 1 gewählt, da man hierdurch eine auch bei geringer Druckdifferenz deutlich feststellbare Temperaturdifferenz erhält, aus der die Strömungsgeschwindigkeit ermittelt werden kann. Da bei dem erfindungsgemäßen Temperaturmeßverfahren die Meßpunkte sehr einfach und platzsparend angeordnet und die Meßergebnisse auch über größere Entfernungen ohne Schwierigkeiten weitergeleitet sowie aufgezeichnet werden können und schließlich selbst ein sehr geringer Durchsatz (beispielsweise 0.1 l/min) praktisch augenblicklich festgestellt werden kann, ergehen sich vielfältige Anwendungsmöglichkeiten. So ist beispielsweise eine Fernmessung des Durchflusses auf dem Gebiet der Hochdruckhydraulik möglich, wobei Druck, Drehmoment und Drehzahl aus den erhaltenen Meßwerten ermittelt werden können. Am Steuerpult können diese Meßwerte in einfacher Weise übersichtlich angezeigt werden. Die Registrierung der Meßwerte ist ohne Schwierigkeiten möglich, da die Meßgrößen, bei Thermoelementen einige mV, ohne zusätzliche

so Transmitter direkt an herkömmliche Geräte angeschlossen werden können. Wegen der relativ geringen Meßspannung ist in einfacher Weise eine Explosionssicherheit zu realisieren, wie sie beispielsweise bei Tankschiffen gefordert wird. Vor allem ist es durch

»5 die Erfindung möglich, Durchfluß- und Druckmessungen an Strömungswiderständen vorzunehmen, die bisher beispielsweise auf Grund konstruktiver Schwierigkeiten nicht möglich waren. Beispielsweise ist in wichtigen Schmiersystemen durch die erfindungsgemäßc Temperaturmessung ohne weiteres eire Rückmeldung möglich, durch welche die Funktion des Schmiersystems überwacht werden kann. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, dieses Verfahren für die Linearisierung und Stabilisierung hydraulischer Steuerelemente zur Bildung einer Rückführgröße einzusetzen. Für die Konstruktion präziser Servoventile ergeben sich vor allem sehr kostengünstige Möglichkeiten.

Eine beispielsweise Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in Fig. 4 schsmatisch dargestellt. In einer Bypassleitung 10, die an die Verbindungsleitung eines Druckerzeugers P und eines Verbrauchers M angeschlossen ist, ist eine Drosselstelle 2 mit Temperaturmessung vorgesehen. Mit Il ist ein Druckbegrenzerventil bezeichnet. Durch das oben beschriebene Temperaturmeßverfahren an der Drosselstelle 2 kann bei dieser Anordnung der in der Leitung zwischen Druckerzeuger und Verbraucher aufgebaute Druck festgestellt und überwacht werden,

so indem der aufgebaute Druck beispielsweise über eine

Eichkurve ermittelt wird, welche die Abhängigkeit der Druckdifferenz von der festgestellten Tetnperaturdif-

ferenz an der gegebenen DrosselsteBe wiedergibt.

Das erfindungsgemäße Temperatunneßverfahren

ist für Gase und Flüssigkeiten anwendbar. Für die Temperaturmessung können entsprechend den jeweiligen Gegebenheiten verschiedene Meßwertgeber verwendet werden, beispielsweise Ausdehnungsthermometer, Widerstandsmessung metallischer Leiter und Halbleiter und dgl. Vorzugsweise wird wegen der einfachen Meßwertübermittlung eine 'Widerstandsmessung vorgesehen. An die MeBstellen können bekannte elektronische Meßwertüberwachungsanlagen angeschlossen werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

22Π 694 Patentansprüche:

1. Verfahren zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit, eines Fluids durch temperaturempfindliche Meßelemente, die im Bereich einer Änderung des Strömungsquerschnitts an beabstandeten Stellen angeordnet werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Fluids an diesen Stellen gemessen und aus der gemessenen Temperaturdifferenz die Strömungsgeschwindigkeit ermittelt wird,

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Fluids im Bereich der Normalströmung vor einer Drossel und an einer Stelle hinter der Drossel gemessen wird, an der sich ein im wesentlichen konstanter Temperaturverlauf eingestellt hat.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Fluids vor einer Drossel im Bereich der Normalströmung und nahe dem Austritt der Drosselöffnung in dem Strahlbereich gemessen wird, in dem eine verstärkte Temperaturänderung bzw. -erhöhung auftriu.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Fluids nahe dem Austritt der Drosselöffnung bzw. nahe der Erweiterung des Strömungsquerschnitts und in dem Bereich der Querschnittserweiterung gemessen wird, in dem sich ein im wesentlichen konstanter Temperaturverlauf wieder eingestellt hat.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Fluids an mehreren Stellen im Bereich der Querschnittsänderung zur Kompensation evtl. auftretender Unsymmetrien der Temperaturverteilung gemessen wird.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine zusätzliche Meßstelle der Einfluß der Temperatur auf die Vis.-kosität des Fluids kompensiert wird.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in der Achse der Strömungsbahn wenigstens zwei temperaturempfindliche Meßelemente (S, 6) in der Form von Thermoelementen oder anderen geeigneten Meßwertgebern wie Halbleitern angeordnet sind, deren Anschluilleitungen zur Weitergabe der Meßwerte an ein Ablese- oder Aufzeichnungsgerät durch die Wand der Rohrleitung (1) geführt sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß längs der Mittelachse der Strömungsbahn ein elektrisch leitender Draht (3, 4) mit Thermoelementen (5, 6) angeordnet ist.

9. Vorrichtung nach den Ansprüchen 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßelemente längs der Achse der Strömungsbahn beiderseits einer Drosselstelle oder hinter der Drosselstelle bzw. im Bereich der Erweiterung des Strömungsquerschnitts angeordnet sind.

10. Vorrichtung nach den Ansprüchen 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßstellen vor und hinter der Drosselstelle symmetrisch zu dieser angeordnet sind.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids durch temperaturempfindliche Meßelemente, die im Bereich einer Änderung des 3trömu»gsquerschnitls an

beabstandeten Stellen angeordnet werden, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit eines Gasstromes ist es zum Beispiel aus der deutschen Offenlegungsschrift 1 817 500 oder dem deutschen Ge-

»o brauchsmuster I 876 734 bekannt, im Bereich oder in einer Drosselstelle zwei elektrisch geheizte, wärmeempfindliche Elemente hintereinander anzuordnen, die durch den Gasstrom unterschiedlich abgekühlt werden und in einen elektrischen Meßkreis eingeschaltet sind. Den Meßelementen muß dabei soviel Energie zugeführt werden, daß deren Temperatur immer höher als die des Gases ist. In der Hochdruckhydraulik bei stark erwärmtem Hydrauliköl oder bei feuergefährlichen Fluiden kann eine derartige Meß-

anordnung nicht eingesetzt werden. Die Anv.endungsmöglichkeiten sind weiterhin dadurch beschränkt, daß eine solche Meßvorrichtung vor allem bei geringen Durchflußmengen nicht sehr schnell anspricht und in bestimmten Fällen wegen des erforder-

»5 liehen Platzbedarfes nicht eingebaut werden kann. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs angegebenen Art unter Vermeidung der Nachteile des bekannten Meßverfahrens so auszubilden, daß es universell anwendbar ist und für alle, auch feuergefährliche Fluide sowie bei sehr geringen DurchfluGmengen und in jedem Druckbereich zur schnellen Meßwertermittlung eingesetzt werden kann. Weiterhin soll eine einfache Vorrichtung zum Durchführen dieses Verfahrens vorgesehen werden, die eine Messung an bisher nicht zugänglichen Stellen und eine schnelle Meßwertübermittlung über größere Strecken ermöglicht.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, da3 die Temperatur des F)\iids an diesen Stellen gemessen und aus der gemessenen Temperaturdifferenz die Strömungsgeschwindigkeit ermittelt wird. Während bei den bekannten Verfahren fremde Energie zum Aufheizen der Meßelemente zugeführt werden muß, wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die bei einer Änderung des Strömungsquerschnitts durch innere Reibung oder Expansion auftretende Temperaturänderung des Fluids für Meßzwecke ausgenutzt, so daß keine Zufuhr von Fremdenergie erforderlich ist. Damit kann ohne weiteres auch in feuergefährlichen Fluiden gemessen werden. Durch Verwendung geeigneter Meßelemente, z. B. Thermoelemente, können auch sehr kleine Durchflußmengen schnell und zuverlässig ermittelt werden. Die Strömungsgeschwindigkeit und damit der Durchsatz kann beispielsweise durch Eichkurven festgestellt werden, die für eine bestimmte Meßstelle und das verwendete Fluid die Abhängigkeit dieser zu ermittelnden Werte von der Temperaturänderung wiedergeben.

Bei Flüssigkeiten, beispielsweise Hydrauliköl, tritt beim Durchströmen einer Drosselstelle durch innere Reibung eine Temperaturerhöhung auf, die gewöhnlich unerwünscht ist. Nach der Erfindung wird diese Temperaturerhöhung dadurch als Bezugsgröße für die Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeit und des Durchsatzes verwendet, daß die Temperatur des Fluids im Bereich der Normalströmung vor der Drossel und an einer Stelle hinter der Drossel gemessen wird,