DE2318279B1 - Verfahren und Vorrichtung zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids - Google Patents

Description

• Um den Einfluß der Temperatur auf die Viskosität beispielsweise von Hydrauliköl und anderen flüssigen Medien und damit auf eine verstärkte oder geringere Temperaturänderung zu kompensieren, wird im Bereich der Meßelemente wenigstens ein weiteres temperaturabhängiges Meßelement angeordnet, das zusammen mit den Meßelementen an eine Kompensationsschaltung angeschlossen ist. Hierbei wird im Bereich der Meßelemente wenigstens ein temperaturabhängiger Eingangswiderstand vorgesehen, der in Parallelschaltung zu einem Abgleichwiderstand an einen Verstärker angeschlossen ist, wobei ein weiterer Widerstand für die Einstellung der Viskosität vorgesehen ist.
• Die Erfindung wird nachfolgend an Hand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert.
• F i g. 1 zeigt eine Meßstellenanordnung in einer engen Fluidleitung sowie im Bereich einer Erweiterung des Strömungsquerschnitts; F i g. 2 erläutert die Messung an einer Störstelle in einer Fluidströmung, wobei die Störstelle durch scharfe Kanten in der Fluidleitung gebildet wird; Fig.3 zeigt eine Meßanordnung bei einer anderen, schematisch dargestellten Störstelle in der Fluidströmung; Fig.4 zeigt die Anordnung eines Meßgerätes in einer engen Fluidleitung; F i g. 5 zeigt einen Querschnitt durch eine Fluidleitung, in der eine Blende mit mehreren Drosselbohrungen zur Vergrößerung des Strömungsquerschnitts angeordnet ist; F i g. 6 zeigt die elektrische Schaltung der Meßanordnung und eines Verstärkers zur Kompensation der Viskosität; F i g. 7 zeigt die Schaltung eines Differenz-Verstärkers.
• In F i g. 1 ist mit 1 eine enge Leitung bezeichnet, längs deren Achse ein Draht3 aus Konstanten angeordnet ist, der an den Verbindungsstellen mit zwei Fe-Drähten 4 Thermoelemente 14 und 15 bildet. Die beiden Fe-Drähte sind zur Weitergabe der Meßwerte an ein nicht dargestelltes Ablese- oder Aufzeichnungsgerät durch die Wand der Leitung 1 führt.
• Strömt durch diese Leitungl Hydrauliköl, so steigt die Temperatur des Öls auf Grund der inneren Reibung an, so daß bei der in F i g. 1 durch einen Pfeil angedeuteten Strömungsrichtung an der Meßstelle 15 eine höhere Temperatur gemessen wird als an der Meßstelle 14. Diese Temperaturänderung kann als Bezugsgröße für die Strömungsgeschwindigkeit verwendet werden; eine derartige Meß stellen anordnung ist aber vor allem dazu geeignet, festzustellen, ob in der Leitung 1 eine Strömung vorhanden ist.
• In F i g. 1 ist eine weitere Meßstellenanordnung schematisch dargestellt. Im Bereich der Erweiterung des Strömungsquerschnitts der Leitung 1 sind in einem Abstand voneinander zwei Meßstellen 6 und 8 in der Form von Thermoelementen angeordnet, die an der Mündung der Leitungl in einen größeren Raum zur Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeit die an diesen Meßstellen vorhandene Temperaturdifferenz feststellen. Eine derartige Meßstellenanordnung ist vor allem für Gase geeignet, bei denen im Bereich einer Querschnittserweiterung durch Expansion ein beträchtlicher Temperaturabfall eintritt. In entsprechender Weise kann im Bereich einer Querschnittskontraktion gemessen werden, in der auf Grund der Umsetzung von kinetischer in potentielle Energie eine Temperaturerhöhung auftritt. Die Querschnittserweiterung oder -kontraktion kann dabei auch stetig sein, es ist nicht erforderlich, daß - wie in F i g. 1 dargestellt - eine plötzliche Querschnittsänderung vorhanden ist.
• In F i g. 2 sind mit 1 Schmiermittelbohrungen eines Schmiersystems bezeichnet, die senkrecht zueinander liegen und an ihren Blindenden ineinander übergehen. Hierzu bilden die Kanten 19 der beiden Bohrungen eine Störstelle für das Schmiermittel, die zu einer verstärkten Temperaturerhöhung führt. Vor und hinter dieser Störstelle 19 sind Thermoelemente 20 und 21 angeordnet, durch welche die auftretende Temperaturänderung gemessen wird und deren Anschlußdrähte nach außen geführt sind. Dieses Ausführungsbeispiel verdeutlicht, in welcher Weise konstruktive Gegebenheiten auch an unzugänglichen Stellen zum Feststellen einer vorhandenen Strömung ausgenutzt werden können.
• In Fig.3 ist schematisch eine weitere Störstelle dargestellt, die aus einem in eine Fluidleitung 22 ragenden Stift 23 bestehen kann. In Strömungsrichtung hinter diesem Stift 23 tritt durch die Erhöhung der inneren Reibung auf Grund von Wirbelbildung eine Temperaturänderung des Fluids auf, die an der Meßstelle 21 gegenüber der Temperatur an der Meßstelle 20 festgestellt werden kann. Die Meßstelle 21 kann dabei so angeordnet werden, daß sie bei einer bestimmten geringen Strömungsgeschwindigkeit außerhalb des Wirbelbereichs und bei höherer Strömungsgeschwindigkeit innerhalb dieses Bereichs liegt, wenn nur eine bestimmte Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit gemessen werden soll.
• Ein weiteres Ausführungsbeispiel nach der Erfindung ist in Fig.4 schematisch dargestellt. In einer engen Fluidleitung 1 ist ein Meßgerät eingesetzt, das aus einer Kammer 16 mit einer darin angeordneten Blende 2 und Thermoelementen 5 und 6 besteht. Die Bohrung in dieser Blende 2 kann den gleichen Strömungsquerschnitt wie die Leitungl haben, so daß durch dieses Meßgerät der Durchsatz der Leitungl nicht eingeschränkt wird. Durch eine solche Ausgestaltung wird die Herstellung der Meßvorrichtung erleichtert und die Montage in einer engen Leitung vereinfacht.
• Zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit in einer Fluidleitung mit größerem Durchmesser, in der an der Drosselstelle ein bestimmter Druckabfall nicht überschritten werden darf, kann - wie F i g. 5 zeigt - eine Blende 17 mit mehreren Drosselbohrungen 18 angeordnet werden, die so ausgelegt sind, daß die gesamte Querschnittsfläche dieser Bohrungen 18 dem erforderlichen Durchsatz entspricht. Die Meßstellen 5 und 6 können dabei in einer dieser Bohrungen 18, in mehreren oder allen Bohrungen angeordnet werden, wodurch man eine Vergrößerung des Signals erhalten kann. Eine Meßanordnung nach Fig.5 kann beispielsweise zur Verbrauchsmessung in der Kraftstoffleitung eines Fahrzeugs angeordnet werden, in der ein bestimmter Durchsatz nicht unterschritten werden darf, damit die Motorleistung nicht beeinträchtigt wird.
• Bei Hydrauliköl und anderen flüssigen Medien wird die Viskosität durch die Umgebungstemperatur verändert. Bei höherer Umgebungstemperatur und damit geringerer Viskosität wird auch der Reibungsverlust und somit die Temperaturerhöhung geringer als bei hoher Viskosität bzw. niedriger Umgebungstemperatur. Dieser Einfluß der Viskositätsänderung, die je nach Ölsorte etwa 2 bis 3 O/o/O C beträgt, kann bei der Strömungsmessung kompensiert werden. Die Gleichung des Temperatureinflusses auf die Viskosität bei Ölen ist relativ komplizeirt und erfordert für die exakte Temperaturkompensation einen relativ hohen schaltungstechnischen Aufwand. In erster Näherung kann die Viskositätsänderung aber relativ einfach für zwei Temperaturen kompensiert werden.
• Verwendet man beispielsweise NTC-Widerstände, d. h. Widerstände mit einem negativen Temperaturkoeffizienten, die eine Widerstands änderung von 2 bis 6 O/o/O C haben, für die Beschaltung von Verstärkern und ordnet man den Widerstand im Fluid an, so kann man entsprechend der Widerständsänderung den Verstärkungsfaktor beeinflussen.
• In Fig.6 ist als Beispiel eine derartige Schaltung dargestellt. Mit 24 ist die Meßanordnung in einer Rohrleitung 1 bezeichnet, wobei Ue die Eingangsspannung, 5 und 6 die Thermoelemente und Rl NTC-Widerstände sind. In dem außerhalb der Rohrleitungl angeordneten Verstärkerteil 25 sind mit R Widerstände, mit V, der Verstärker und mit Ua die Ausgangsspannung bezeichnet, die an ein Meßgerät oder ein Aufzeichnungsgerät angelegt werden kann.
• Mit dem Widerstand R3 wird der Temperatureinfluß der Viskosität eingestellt, während mit dem Widerstand R4 die Viskosität selbst nach einer Eichtabelle eingestellt wird. Dieser Verstärker nach F i g. 6 hat z. B. die Verstärkung: Danach ist die Verstärkung proportional dem Rückführwiderstand R4 + R und umgekehrt proportional dem Eingangswiderstand, bestehend aus der Parallelschaltung der NTC-Widerstände R1 zu den Widerständen R2 + R5. Mit dem Abgleichwiderstand Rs kann der Einfluß der NTC-Widerstände auf z. B. 20/o/OC eingestellt werden. Mit R14 ist ein Schutzwiderstand bezeichnet, der jedoch für die Kompensation selbst nicht wesentlich ist.
• In F i g. 7 ist ein Differenz-Verstärker mit den Verstärkern Vor und V2 dargestellt. Im Gegensatz zu der Schaltung nach F i g. 6 werden mit diesem Diffe- renz-Verstärker automatisch Nullpunktverschiebungen kompensiert, die sich bei einem Verstärker durch Änderung des Eingangswiderstandes (NTC-Widerstände) ergeben können. Damit diese Schaltung symmetrisch (Rt = Rtr) ausgebildet werden kann, wird die Viskosität an dem nachgeschalteten Verstärker V2 mit dem Widerstand R13 eingestellt. Rt6 ist ein R14in F i g. 6 entsprechender Widerstand.
• Bei Verwendung einer Drosselstelle oder Störstelle zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit kann der Viskositätseinfluß mit je einem NTC-Widerstand Rs (Fig. 6) vor und hinter der Drossel bzw. Störstelle kompensiert werden. Bei einem geringen Meßeffekt von z.B. 0,1 oder 0,010 C brauchen jedoch nicht unbedingt zwei Meßelemente zur Kompensation der Viskosität eingesetzt zu werden.
• Wie die Ausführungsbeispiele zeigen, kann die beschriebene Meßvorrichtung auf den verschiedensten Gebieten eingesetzt werden, beispielsweise zur Stellungsanzeige. Bei einer Hohnmaschine z.B. sind in der Ahle Bohrungen für das Schmiermittel ausgebildet. In einer solchen Schmiermittelbohrung können - wie oben beschrieben - Meßstellen zur Temperaturmessung angeordnet werden. Wenn die Ahle aus der zu hohnenden Bohrung herausgezogen wird oder am anderen Ende der Bohrung hinausfährt, so wird der Querschnitt der Schmiermittelbohrung plötzlich frei, so daß ein erhöhter Durchfluß auftritt, der durch die Meßelemente festgestellt wird. Das Signal kann an eine Einrichtung gegeben werden, welche die Schmiermittelzufuhr abschaltet, so daß kein unnötiger Verlust an Schmiermittel auftritt.
• Das Meßverfahren ist für flüssige wie gasförmige Medien anwendbar. Die Messung kann in einer einfachen Leitung oder im Bereich einer Störstelle vorgenommen werden, die durch konstruktive Gegebenheiten in irgendeiner Weise, beispielsweise als Querschnittskontraktion oder -erweiterung, als Kante od. dgl. ausgebildet oder durch ein in die Fluidströmung eingesetztes Teil vorgesehen werden kann.

Claims (7)

1. Patentansprüche: 1. Verfahren zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids durch Messung der Temperatur des Fluids an beabstandeten Stellen und Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeit aus der gemessenen Temperaturdifferenz, nach Patent 2211694, dadurch gekennzeichn e t, daß die Temperaturmessung in einer Fluidleitung ohne Beeinträchtigung des Durchsatzes vorgenommen wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturmessung im Bereich einer den Strömungsquerschnitt nur unwesentlich beeinflussenden Störstelle vorgenommen wird.
3. 3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, mit wenigstens zwei in einem Abstand voneinander angeordneten temperaturempfindlichen Meßelementen, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßelemente an einer beliebigen Stelle in der Fluidleitung bzw. im Bereich der Störstelle angeordnet sind.
4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Leitung (1) eine Kammer (16) mit größerem Durchmesser angeordnet ist, in der eine Blende (2) mit einer Drosselbohrung eingesetzt ist, deren Durchmesser dem Leitungsdurchmesser entspricht, und daß die Meßelemente (5, 6) im Bereich dieser Drosselbohrung angeordnet sind.
5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Blende (17) mit mehreren Drosselbohrungen (18) in einer Leitung eingesetzt ist, daß die Querschnittsfläche dieser Drosselbohrungen (18) dem erforderlichen Durchsatz entspricht und daß die Meßelemente (5, 6) im Bereich einer oder mehrerer dieser Drosselbohrungen (18) angeordnet sind.
6. 6. Vorrichtung nach den Ansprüchen3 bis5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kompensation des Einflusses der Temperatur auf die Viskosität des Fluids im Bereich der Meßelemente (5, 6) wenigstens ein weiteres temperaturabhängiges Meßelement (Rt) angeordnet ist, das zusammen mit den Meßelementen an eine Kompensationsschaltung (25) angeschlossen ist.
7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Meßelemente (5, 6) wenigstens ein temperaturabhängiger Eingangswiderstand (Rt) angeordnet ist, der in Parallelschaltung zu einem Abgleichwiderstand (Rs) an einen Verstärker angeschlossen ist, und daß ein weiterer Widerstand (R4) für die Einstellung der Viskosität vorgesehen ist.

   Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids durch Messung der Temperatur des Fluids an beabstandeten Stellen und Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeit aus der gemessenen Temperaturdifferenz, nach Patent 2211694, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

   Nach dem Hauptpatent wird zur Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeit im Bereich einer Anderung des Strömungsquerschnitts, vorzugsweise im Bereich einer Drossel die Temperatur des Fluids gemessen. Auf bestimmten Anwendungsgebieten ist aber eine Änderung, insbesondere Verringerung des Strömungsquerschnitts nicht erwünscht oder nicht möglich.

   Das Verfahren und die Vorrichtung nach dem Hauptpatent sollen deshalb so weitergebildet werden, daß auch in einer normalen Fluidleitung ohne eine Drosselstelle, d. h. ohne eine nennenswerte Verringerung des Strömungsquerschnitts eine Messung möglich ist.

   Dies wird bei dem Verfahren dadurch erreicht, daß die Temperaturmessung in einer Fluidleitung ohne Beeinträchtigung des Durchsatzes vorgenommen wird. Hierbei wird der Temperaturanstieg eines Fluids in einer Leitung, der durch innere Reibung entsteht und von der Strömungsgeschwindigkeit abhängig ist, zu Meßzwecken ausgenutzt.

   Die Temperaturmessung kann im Bereich einer den Strömungsquerschnitt nur unwesentlich beeinflussenden Störstelle vorgenommen werden, da an einer solchen Störstelle z. B. durch Wirbelbildung eine verstärkte innere Reibung und damit eine verstärkte Temperaturänderung auftritt. Hierdurch können vor allem konstruktive Gegebenheiten ausgenutzt werden, um beispielsweise in einem Schmiersystem festzustellen, ob eine Strömung in der betreffenden Schmiermittelleitung vorhanden ist.

   Bei der Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens, bei der wenigstens zwei in einem Abstand voneinander angeordnete temperaturempfindliche Meßelemente vorgesehen sind, werden die Meßelemente an einer beliebigen Stelle in der Fluidleitung bzw. im Bereich der Störstelle angeordnet. Die Meßelemente, die Thermoelemente, Widerstandsthermometer oder andere geeignete Meßwertgeber wie Halbleiter sein können, können sehr klein ausgebildet und damit in einer gegebenen Leitung so angeordnet werden, daß sie den Durchsatz praktisch nicht beeinträchtigen.

   Wenn in einer sehr engen Leitung die Strömungsgeschwindigkeit gemessen werden soll und ausreichend Platz vorhanden ist, so kann in dieser Leitung eine Kammer mit größerem Durchmesser angeordnet werden, in der eine Blende mit einer Drosselbohrung eingesetzt ist, deren Durchmesser dem Leitungsdurchmesser entspricht, wobei die Meßelemente im Bereich dieser Drosselbohrung angeordnet sind, die eine Störstelle für die Fluidströmung bildet.

   Soll in einer Fluidleitung mit größerem Durchmesser die Strömungsgeschwindigkeit ermittelt werden, so kann zur Vergrößerung der Meßwerte in diese Leitung eine Blende mit mehreren Drosselbohrungen eingesetzt werden, wobei die Querschnittsfläche dieser Drosselbohrungen dem erforderlichen Durchsatz entspricht und die Meßelemente im Bereich einer oder mehrerer dieser Drosselbohrungen angeordnet sein können.