DE2302246C3 - Dralldurchflußmesser zur Messung des Massenstromes eines gasförmigen oder flüssigen Mediums - Google Patents

Description

so gewählt ist, daß der Differenzdruck zur Dichte des Mediums proportional ist, worin K den aus der Volumenstrommessung bekannten Kalibrierfaktor bedeutet.

2. Dralldurchflußmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des den Volumenstrom erfassenden Fühlers (18) im Dralldurchflußmesser (10) und das Ausgangssignal des Differenzdruckmessers (26) gesondert einem Analogrechner zur Meßsignalbildung proportional dem Massenstrom zugeführt sind.

messer über je eine Rohrleitung mit dem Umfang des zylindrischen Abschnitts so verbunden, daß sich beide Rohrleitungen diametral gegenüberliegen. Auf diese Weise wird erreicht, daß nur die von der Präzession abhängigen phasenverschobenen Drucksignale wirksam werden. Die für die Ermittlung der Dichte des Mediums maßgebliche Amplitude der Drucksignale ist aber von der Fühlerkonstanten und den Eigenschaften des strömenden Mediums abhängig. Außerdem haben

ίο alle Fühler einen unvermeidlichen Frequenzgang, so daß die Amplitudenmessung des Drucksignals mit zunehmender Abweichung von einer Bezugsfrequenz der Präzession des Wirbelkerns ungenauer wird.

Es sind auch den Massenstrom messende Einrichtungen mit einem nach dem Stimmgabel-Prinzip unter Berücksichtigung des realen Gaseffektes direkt die Dichte erfassenden Dichtemesser, einem volumetrischen Durchflußmesser und einem Rechner bekanntgeworden, die eine sehr genaue Messung des Massenstromes solcher Medien erlauben, jedoch ist der zusätzliche Aufwand für den Dichteinesser hierbei erheblich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Dralldurchflußmesser der eingangs genannten Art zu schaffen, der in Flüssigkeiten und Gasen einsetzbar ist, speziell in gasförmigen Medien jedoch den schwer zu erfassenden realen Gaseffekt berücksichtigt und die Dichte des strömenden Mediums ohne einen stoff- und zustandsgrößenabhängigen Frequenzgang des der Dichte proportionalen Ausgangssignals zu erfassen gestattet, wobei dessen Amplitude über den ganzen Arbeitsbereich (Frequenzbereich) des Dralldurchflußmessers allein der Dichte proportional bleibt

Die Lösung der Aufgabe gelingt nach der Erfindung dadurch, daß stromaufwärts vor der Verwirbelungsvorrichtung eine Einlaufdüse angeordnet ist mit einem zylindrischen Abschnitt, daß der zylindrische Abschnitt der Einlaufdüse mit einer im Bereich stationärer rotationssymmetrischer Strömung im zylindrischen Abschnitt stromabwärts hinter der Verwirbelungsvorrichtung liegenden Meßstelle über eine den Differenzdruckmesser enthaltende Rohrleitung verbunden ist und daß der Radius des zylindrischen Abschnittes der Einlaufdüse in bezug zum Radius des zylindrischen Abschnittes hinter der Verwirbelungsvorrichtung gemaß der Gleichung

Die Erfindung bezieht sich auf einen DralldurchflußiTKöser zur Messung des Massenstromes eines gasförmigen oder flüssigen Mediums mit wenigstens zwei Rohrabschnitten unterschiedlichen Durchmessers und einer eingangsseitig angeordneten ruhenden Verwirbelungsvorrichtung für das hindurchströmende Medium sowie einem von der Präzession des Wirbelkernes des Mediums beeinflußten und vom Druck in dem an die Verwirbelungsvorrichtung sich anschließenden zylindrischen Abschnitt des Dralldurchflußmessers beaufschlagten Differenzdruckmesser, wobei die Amplitude des Drucksignals zur Berücksichtigung der Dichte des Mediums herangezogen wird und dessen Strömungsgeschwindigkeit durch die Frequenz der Präzession bestimmt ist.

Bei einem aus der DIi-AS 14 98 271 (Fig. 6) bekanntgewordenen Dralldurchflußmesser der genannten Art ist der als Meßfühler benutzte Differenzdruck- r_E = r_D l^/cos[arctg(2.-r²r^-X)]

so gewählt ist, daß der Differenzdruck zur Dichte des Mediums proportional ist, worin K den aus der Volumenstrommessung bekannten Kalibrierfaktor bedeutet.

Auf diese Weise läßt sich eine einwandfreie und genaue Messung der Masse strömender Medien in gasförmigem oder flüssigem Zustand erreichen, die die Meßgenauigkeit der bekannten Massenstrommessung mit volumetrischen, druck- und temperaturkompensierten Durchflußmessern ohne Mehraufwand weit übertrifft. Bei diesen Meßeinrichtungen werden bekanntlich in der Nähe des Durchflußmessers gesondert der Druck und die Temperatur des Mediums gemessen und daraus nach der Zustandsgieichung für ideale Gase der Massenstrom berechnet, wobei aber je nach Betriebsdruck und Größe der betriebsmäßigen Druck- und

(15 Temperaturschwankungen wegen der Vernachlässigung des Kompressibilitätsfaktors bei der Berechnung unzulässig große Meßfehler von einigen Prozenten auftreten können.

Die Erfindung wird mit einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung nachfolgend näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 einen Längsschnitt durch eine Meßeinrichtung nach der Erfindung und

F i g. 2 ein Detail des Gegenstandes nach F i g 1.

Ein volumetrischer Dralldurchflußmesser 30 bekannter Art bestehend aus einem einlaufseitigen konischen Teil 13 mit einer ruhenden Verwirbelungsvorrichtung 11, 12, einem mittleren zylindrischen Abschnitt 14 mit dem Radius ro sowie einem auslaufseitigen konischen Teil 15 mit eirer Entwirbelungsvorrichtung 16 und einem den Wirbelkern 31 stabilisierenden Widerstandskörper 17, weist im Bereich der Präzesdon des Wirbelkernes 31 um die Längsachse 30 einen druck- oder temperaturempfindiichen Fühler 18 auf und außerdem ist der zylindrische Abschnitt 14 in einem Bereich rotationssymmetrischer Strömung an seinem Umfang mit einer Meßstelle 19 versehen, die über eine Rohrleitung 28 mit dem Durchmesser a an einen Differenzdruckmesser 26 angeschlossen ist Stiomaufwärts ist dem Dralldurchflußmesser fO eine Einlaufdüse 20 vorgeschaltet die aus einem einlaufseitigen konischen Teil 21, einem zylindrischen Abschnitt 22 mit dem Radius r_E und einem auslaufseitigen konischen Teil 23 besteht, der an die Verwirbelungsvorrichtung 11 angrenzt Der Umfang des zylindrischen Abschnittes 22 weist eine Meßstelle 24 a-f. die über eine Rohrleitung 25 mit dem Differenzdruckmesser 26 verbunden ist

Von turbulenten Schwankungsgeschwindigkeiten abgesehen, treten an der Meßstelle 24 nur axial gerichtete Geschwindigkeitskomponenten auf, wogegen an der Meßstelle 19 eine rotationssymmetrische Strömung vorliegt. Der Differenzdruckmesser 26 wird daher über die Rohrleitung 25 von einem rein statischen Druck p_E und über die Rohrleitung 28 von der Summe aus einem statischen Druck p_D und der Fliehkraft Z beaufschlagt. Wenn man erreicht, daß die beiden statischen Drücke p_E und Pd an den Meßstelien 24 und 19 gleich groß bleiben, so mißt der Differenzdruckmesser 26 den bei der Meßstelle 19 vorliegenden Fliehkraftanteil.

Per Definition gilt für die Zentrifugalkraft

Z = mr_Dw² = i>Vr_Dw².

Darin bedeutet rp den Radius des zylindrischen Abschnittes 14 des Dralldurchflußmessers 10 und ω die Winkelgeschwindigkeit des strömenden Mediums in der Düse des Dralldurchflußmessers ld unter der Annahme, daß das strömende Medium sich bei der Rotation verhält wie ein fester Körper, d.h. to Φ f(r). Die Dichte ρ steht für den Mittelwert ρ = ρ (r), und für das zylinderförmige Volumen über der Meßstelle 19 kann man mit a als Bohrungsdurchmesser der Rohrleitung 28 gemäß F i g. 2 schreiben

V =

Damit gilt für die Zentrifugalkraft

= ρ

r_Dr_Du>

₄ 'd'd<

bzw. mit ω = 2 π /'für die Dichte

Der Meßwert Z wird an dem Ausgang 27 des Differenzdruckmessers 26 abgenommen, / entspricht der Meßfrequenz des volumetrischen Dralldurchflußmessers 10. Die Dichte ρ ist von der Strömungsgeschwindigkeit wegen der Proportionalität

7 ■ f² ~

*-n Jm ~

■ f²

Jn

unabhängig, d. h., man muß sich, wie oben bereits ίο angedeutet nur noch überlegen, wie die statischen Drücke an den Meßstellen 24 und 19 gleich zu halten sind bzw. wie man unter dieser Voraussetzung den Radius γε des zylindrischen Abschnittes 22 der Einlaufdüse 20 bestimmt

• 5 Im folgenden werden die Indizes E und D zur Kennzeichnung der Vorgänge an den betreffenden Meßstellen 19,24 bzw. den dazugehörigen repräsentativen Querschnitten, Längen, Geschwindigkeiten und Winkeln benutzt

Für die Umfangsgeschwindigkeit c„ an der Meßstelle 19 gilt unter Verwendung der bekannten Dralldurchflußmesserfrequenz f

^cud = ^rD'"D = 2.-rr_D/

und entsprechend für die Axialgeschwindigkeit c_m an der Meßstelle 19

-T ^D

woraus für die Absolutgeschwindigkeit c im zylindrischen Abschnitt 14

c_D = (2nr_Dff + (.-7Γ², · KJ

folgt. K ist der aus der Volumenstrommessung bekannte Kalibrierfaktor.

Unter Vernachlässigung der Reibung gilt für den Gesamtdruck pG

Pe = -y- 4. + Pe = -y- ti + p/>.

Gemäß der Forderung

gilt

oder

Pe = Pd

t'D

= C-^y= 1

c_E.

Bezeichnet man mit <xo den Winkel zwischen der Axialgeschwindigkeit c_mD und der Absolutgeschwindigkeit cd, so läßt sich schreiben

tg«„ = -⁵^ = 2SrIK

^Cm0

und daraus ableiten

^D .τr\ K ■ cos [arc tg(2.τ² r_D/C)] ^Ce '

Aus der Kalibrierkurve des volumetrischen Dralldurchflußmessers ist der Volumenstmm V hp7nupn auf

die Querschnittsebenen an den Meßstellen 24 und 19 bekannt als

mit Ff als Querschnittsfläche des zylindrischen Abschnittes 22 der Einlaufdüse 20.

Daraus ergibt sich für den gesuchten Radius

Kc_K,7'

-τ/

r_F = r_D I cos [arc tg(2.7²ToK)] .

Damit läßt sich der Radius r/_: des zylindrischen Abschnittes der Einlaufdüse berechnen, aufgrund der gegebenen Daten des volumetrischen Dralldurchfiul; messers.

Das Ausgangssignal 27 des Differenzdruckmessers 2 ist dabei der Dichte ρ proportional und kann über eine nicht dargestellten Analogrechner die Vollmenstroman zeige des Fühlers 18 des Dralldurchflußmessers 10
eine Massenstromanzeige umwandeln.

Setzt man die Meßstelle 19 an eine Stelle, die von der ausgelenkten Wirbelkern nicht getroffen wird, d. h. i einen Bereich stationärer rotationssymmetrischer Strö mung, so ist das Ausgangssignal 27 über den gesamte Arbeitsbereich des Dralldurchflußmessers 10 der Dicht ρ proportional. In diesem Umstand liegt der Vorteil de Ausführung nach der Erfindung gegenüber de bekannten Einrichtungen, bei denen die Amplitude de Dichtesignals vom Frequenzgang des Meßfühlers un zusätzlich von Verschmutzungen, d. h. von Änderunge des Wärmeüberganges bzw. der für die Drucktransfor mation repräsentativen Fläche abhängig ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Dralldurchflußmesser zur Messung des Massen-Stromes eines gasförmigen oder flüssigen Mediums mit wenigstens zwei Rohrabschnitten unterschiedlichen Durchmessers und einer eingangsseitig angeordneten ruhenden Verwirbelungsvorrichtung für das hindurchströmende Medium sowie einem von der Präzession des Wirbelkernes des Mediums beeinflußten und vom Druck in dem an die Verwirbelungsvorrichtung sich anschließenden zylindrischen Abschnitt des Dralldurchflußmessers beaufschlagten Differenzdruckmesser, wobei die Amplitude des Drucksignals zur Berücksichtigung der Dichte des Mediums herangezogen wird und dessen Strömungsgeschwindigkeit durch die Frequenz der Präzession bestimmt ist, dadurch gekennzeichnet, daß stromaufwärts vor der Verwirk elungsvorrichtung (11, 12) eine Einlaufdüse (20) angeordnet ist mit einem zylindrischen Abschnitt (22), daß der zylindrische Abschnitt (22) der Einlaufdüse (20) mit einer im Bereich stationärer rotationssymmetrischer Strömung im zylindrischen Abschnitt (14) stromabwärts hinter der Verwirbelungsvorrichtung (11, 12) liegenden Meßstelle (19) über eine den Differenzdruckmesser (26) enthaltende Rohrleitung (25, 28) verbunden ist, und daß der Radius (γε) des zylindrischen Abschnittes (22) der Einlaufdüse (20) in bezug zum Radius (ro) des zylindrischen Abschnittes (14) hinter der Verwirbelungsvorrichtung (11, 12) gemäß der Gleichung