DE2512644C3

DE2512644C3 - Vorrichtung zum Bestimmen des Mengenstroms und/oder der Viskosität eines Fluids

Info

Publication number: DE2512644C3
Application number: DE2512644A
Authority: DE
Inventors: William F. Hayes; John W. Tanney; Helen G. Orleans Tucker
Original assignee: CANADIAN PATENTS AND DEVELOPMENT Ltd OTTAWA
Current assignee: CANADIAN PATENTS AND DEVELOPMENT Ltd OTTAWA
Priority date: 1974-03-22
Filing date: 1975-03-21
Publication date: 1979-10-18
Also published as: DE2512644B2; FR2274910A1; DE2512644A1; CA992348A; NL7503314A; US3952577A; JPS512453A; JPS5654564B2; FR2274910B1; GB1459983A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bestimmen des Mengenstroms und/oder der Viskosität eines Fluids, bestehend aus mindestens einem von einem Fluid laminar durchströmten Kanal mit einem Huideinlaß an einem Ende und einen Fluidauslaß am anderen Ende für eine senkrecht zur Strömungsnchtung ungehinderte Fluidzu- und -abführung und mit wenigstens zwei in Strömungsrichtung im Abstand angeordneten Einrichtungen zum Messen des Fluiddrucks, wobei wenigstens zwischen diesen beiden Meßstellen die mittlere Breite des Kanals mindestens zehnmal so groß ist wie seine mittlere Höhe.

Aus der US-PS 30 71 160 ist ein Mengenstrommeßgerät bekannt, das aus einem Zylinder besteht, der auf der einen Stirnseite einen Anschlußstutzen für die Fluidzu· führung und an der gegenüberliegenden Seite einen weiteren Stutzen für die Fluidabführung eufweist. Im Innenraum des Zylinders sind achsparallele Kanäle angeordnet, die in einem relativ großen Abstand von den Stirnwänden enden. Im Einstrombereich und im Abströmbereich dieser Kanäle mit geringem Querschnitt sind Druckmeßsonden angeordnet. Auf Grund der mit diesen Sonden festgestellten Druckdifferenz läßt sich bei laminarer Strömung der Mengenstrom oder die Viskosität des die Vorrichtung durchströmten Fluids bestimmen. Bei diesem Gerät herrscht die laminare Strömung nur bis zu einer Reynoldschen Zahl von 2100 vor, wobei für die Bestimmung der Reynoldschen Zahl der hydraulische Radius herangezogen wird, der aus der Kanalquerschnittsiläche dividiert durch den Kanalumfang bestimmt wird.

Aus der US-PS 33 49 619 ist ein Fluid-Mengenslrommesser bekannt, dessen Strömungskanäle dreieckig sind, wobei bei diesem Meßgerät die laminare Strömung in den Kanälen nur bis zu einer Reynoldschen Zahl von 2000 vorliegt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Vorrichtung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß sich mit ihr Mengenströme und Viskosität von Flüssigkeiten mit äußerst unterschiedlichem Schubspan· nungsverhalten über einen sehr großen Bereich von Reynoldschen Zahlen genau und reproduzierbar bestimmen lassen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentan-Spruchs 1 gelöst.

In vorteilhafter Weise wird durch die Geometrie des sich verjüngenden Strömungskanals eine laminare Strömung und eine Schubspannungsenergieumwandlung derart erfolgen, daß noch bei Reynoldschen Zahlen von 8000 für reines Wasser eine laminare Strömung vorliegt, so daß Mengenströme und Viskositätseigenschaften von Fluiden über einen Reynoldschen Zahlenbereich gemessen werden können, dessen Breite bisher nicht erreicht werden konnte, wobei es auch nicht zu erwarten war, daß diese Breite überhaupt erreicht werden konnte.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die gewünschten Messungen genau und reproduzierbar

mit konstruktiv einfachen Mitteln durchgeführt werden können.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung wird nachfolgend mit Ausführungsbeispielen an Hand der Zeichnung näher c.-iäutert Es zeigt

F i g. 1 eine gräfliche Darstellung, in welcher die Fluidschubspannung über eine Fluidschubrate für verschiedene Fluide aufgetragen ist,

Fig. 2 eujon Schnitt entlang der linie IMI in der Fig. 3. welcher eine Vorrichtung /ur Messung des Mengenstromes und/oder der Viskosität eines Fluids darstellt.

Fig. 3 einen Schnitt entlang der linie Ul-III in der Fig. 2.

Fig.4 eine grafische Darstellung des statischen Ausgangsdifferenzdruckes der in den Fig.2 und 3 dargestellten Vorrichtung, aufgetragen über dem Wasserdurchfluß durch die Vorrichtung.

F i g. 5 eine grafische Darstellung der Ausgangsgesamtdruckdifferenz der in den F i g. 2 und 3 dargestellten Vorrichtung, aufgetragen über dem Wasserdurchfluß durch die Vorrichtung.

F i g. 6 einen Schnitt durch eine ähnliche Vorrichtung wie in den F i g. 2 und 3, welche jedoch zwei Fluiddurchgänge aufweist,

F i g. 7 einen Schnitt durch einen Teil der in der F i g. 6 dargestellten Vorrichtung, wobei eine Gesamtdrucknießsonde dargestellt ist,

F i g. 8 einen Schnitt entlang der Linie VHI-VIII in der F i g. 7. und zwar durch die Gesamtdruckmeßsonde,

F i g. 9 einen Schnitt durch eine ähnliche Vorrichtung, wie sie in den F i g 2 und 3 dargestellt ist. jedoch mit Abgriffen für den statischen Druck,

F i g. 10 einen Schnitt durch eine ähnliche Vorrichtung wie in den F i g. 2 und 3, jedoch mit einer Vielzahl von Sonden für den Gesamtdruck.

F i g. 11 eine schematische Darstellung einer Signalanpaßeinrichtung zur Verwendung in Verbindung mit der Vorrichtung gemäß Fig. 10,

Fig. 12 einen Grundriß einer scheibenförmigen Vorrichtung zur Messung des Mengenstromes und/oder der Viskosität eines Fluids.

Fig. 13 einen Schnitt entlang der Linie XIII-XIlI in der F ig. 12.

Fig. 14 einen Riß entlang der Linie XIV-XIV in der F i g. 15, wobei eine ähnliche Vorrichtung dargestellt ist wie in den Fig. i2 und 13, jedoch mit mehr als einem Fluiddurchgang,

Fig. 15 einen Schnitt entlang der Linie XV-XV in der Fig. 14.

Fig. 16 einen Schnitt entlang der Linie XVI-XVI in der Fig. 17, wobei eine ähnliche Vorrichtung dargestellt ist wie in den Fig. 14 und 15, jedoch mit einer Vielzahl von radialen Abstandstücken innerhalb der Fluiddurchgänge.

F i g. 17 einen Schnitt entlang der Linie XVII-XVII in der Fig. 16.

F i g. 18 einen Schnitt durch eine ähnliche Vorrichtung wie in den F i g. 16 und 17, wobei jedoch ein Fluideinlaß ι koaxial zu einem Fluidauslaß vorhanden ist,

Fig. 19 einen Grundriß einer Scheibe bzw. eines Ringes zur Verwendung bei einer scheibenförmigen Vorrichtung, wie sie in Fig. 13 dargestellt ist und zur Messung des Mengenstromes und/oder der Viskosität < eines Fluids dient,

F i g. 20 einen Schnitt entlang der Linie XX-XX in der Fig. 19, wobei ein Teil einer scheibenförmigen Vorrichtung zur Messung des Mengenitromes und/oder der Viskosität eines Fluics dargestellt ist und wobei eine Mehrzahl von Scheiben bzw. Ringen verwendet sind, die ähnlich ausgebildet sind wie die in der Fig. 1*) dargestellte Einrichtung.

F i g. 2! einen Schnitt durch einen Teil der scheiben förmigen Vorrichtung zur Messung des Mengenstronies und/oder der Viskosität, wobei ein radialer Ring bzw eine radiale Scheibe dargestellt ist,

F i g. 22 einen Schnitt durch eine ähnliche Vorrichtung wie in den Fig. 12 und 13, wobei jedoch ein Fluiddurchgang vorhanden ist, der sich in seiner Dicke verjüngt.

F i g. 23 einen Schnitt durch eine scheibenförmige Vorrichtung zur Messung des Mengenstromes und/oder der Viskosität eines Fluids mit einer flexiblen Wand zur Abtastung der radialen statischen Druckverteilung und

F i g. 24 einen Schnitt durch eine ähnliche Vorrichtung wie in der Fig.23, bei welcher jedoch durch eine Membranverschiebungseinrichtung die Fluiddurchgangsgeometrie eingestellt wird.

In der F i g. 1 sind die Kennlinien für verschiedene Fluide dargestellt, deren Mengenstrom und/oder Viskositäten mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemessen werden können. In der F i g. 1 ist die Fluidschubspannung auf der vertikalen Achse aufgetragen, und die Fluidschubrate auf der horizontalen Achse aufgetragen. Die Kurven 1 bis 4 zeigen die Kennlinien von vier allgemein angegebene Typen von nicht Newtonschen Fluiden. Die Kurve 1 stellt ein Ausdehnungsfluid dar, die Kurve 2 zeigt ein pseudoplastisches Fluid. Die Kurve 3 stellt ein Fluid dar, welches als Bingham-Plastikfluid zu bezeichnen ist. und die Kurve 4 stellt ein Fluid dar, welches eine begrenzte Fließspannung aufweist und eine nichtlineare Schubspannung-Schubrate-Kurve aufweist. Zum Vergleich ist ein Beispiel einer Kennlinie der entsprechenden Schubspannung über der Schubrate für ein Newtonsches Fluid in der Kurve 5 dargestellt.

In den F i g. 2 und 3 ist eine Vorrichtung dargestellt, welche zur Messung des Mengenstromes und/oder der Viskosität eines Fluides dient. Diese Vorrichtung weist ein Gehäuse 6 mit einem Kanal 8 auf. Ein Fluideinlaßraum 10 steht mit einer Quelle 40 für Druckfluid in Verbindung und bildet einen im wesentlichen unbehinderten Strömungsweg für Fluid zu der gesamten Fläche eines Einlaßendes 12 des Kanals 8, und zwar senkrecht zu der Richtung für die Strömung des Fluides in dem Kanal 8. Ferner ist ein Fluidauslaßraum 14 vorhanden, der einen im wesentlichen ungehinderten Strömungsweg für das Fluid von dem gesamten Bereich eines Auslaßendes 16 des Kanals 8 senkrecht zu der Richtung für die Strömung des Fluides in dem Kanal 8 bildet.

Am Anfang und am Ende der Meßstrecke sind Drucksonden 18 und 20 in dem Gehäuse 6 für die Ermittlung der Druckdifferenz zwischen im Abstand voneinander angeordneten Punkten in dem Kanal 8 vorgesehen, die mit Druckmeßinstrumenten 22 und 24 verbunden sind. Die Drucksonden 18 und 20 sind Gesamtdrucksonden, und sind vorzugsweise im Kanal 8 im Bereich des Fluideinlaßraumes 10 bzw. des Fluidauslaßraumes 14 angeordnet, und sie sind vorzugsweise an Stellen entlang der Symmetrieachse des Kanals 8 in der Richtung der Fluidströmung angebracht.

Das Gehäuse 6 weist eine Deckplatte 26, eine Bodenplatte 28, obere und untere Abstandsstücke 30 und 32, sowie eine dünne, mit Profil versehene Platte 34 auf, welche sowohl die Höhe als auch die Verminderung in der Querschnittsfläche des Kanals 8 festlegt. Die

Abstandsslückc 30 und 32, sowie die mit Profil versehene Platte 34 sind starr in bezug auf die und zwischen den Platten 26 und 28 mittels Schrauben 36 befestigt, und die Befestigung kann gegebenenfalls auch mit Hilfe von (nicht dargestellten) Stiften erfolgen. Der , FluideinlaUraum 10 ist durch ein Rohr 38 mit der Quelle 40 für Druckfluid verbunden.

In der Praxis hat es sich bewährt, wenn das Verhältnis zwischen der mittleren Breite x(F i g. 3) zu der mittleren Tiefe y (Fig. 2) des Querschnitts des konvergierenden in Kanals 8 wenigstens innerhalb der Meßslrccke mindestens 10 :1 beträgt. Hiermit wird die Strömung durch den Kanal 8 im wesentlichen zweidimensional gehalten und eine laminare Strömung über einen größeren Reynold-Zahlenbereich aufrechterhalten als mit einem ι · parallelen Strömungskanal.

Dies ist an Hand der Druckdifferenzabhängigkeit der Strömungsrate von reinem Wasser festzustellen, beispielsweise mit destilliertem Wasser mit einer Temperatur von etwa 21,2°C, -Μ

AP = KiG.

und zwar über einen Bereich von Mengenströmen mit maximalen Reynold-Zahien in der Meßstrecke zwischen 0 und 8000, wobei G der Mengenstrom und K_t ein :> Koeffizient ist, welcher von der Fluiddichte, der Fluidviskosität und der Geometrie des Kanals 8 abhängt.

Line solche Beziehung zwischen Druckdifferenz (AP) und dem Mengenstrom (G)ist in der F i g. 5 veranschau- m licht, wo die Beziehungsparameter entsprechend bezeichnet sind.

Es hat sich in der Praxis als zweckmäßig erwiesen, die Begrenzungskriterien für die Geometrie des Kanals 8 numerisch nach folgendem Verfahren zu ermitteln: r>

Es wird der Mengenstrom von Wasser bestimmt, der innerhalb der Meßstrecke bei etwa 21,2°C einer maximalen Reynold-Zahl von 3500 und 8000 entspricht, indem irgendeine bekannte Meßeinrichtung, wie beispielsweise ein Schwebekörperdurchflußmesser ver- -in wendet wird. Die Druckdifferenzen für Wassermengenströme, weiche bei maximalen Strömungsdurchgängen Reynoldschen Zahlen von 3500 und 8000 entsprechen, werden gemessen.

Der oben definierte Koeffizient Kj wird zahlenmäßig 4-aus der Druckdifferenz und dem entsprechenden Massendurchfluß gemäß der folgenden Beziehung in den entsprechenden Einheiten prmittelt:

wobei der Index 1 sich auf den entsprechenden gemessenen Mengenstrom oder die Druckdifferenz in einem Kanal 8 bei einer maximalen Reynoldschen Zahl von 8000 bezieht, wie es in der Fig.5 veranschaulicht ist.

Die Druckdifferenz, welche bei einem Wassermengenstrom gemessen wurde, welcher einer maximalen Reynoldzahl von 3500 entspricht wird verglichen mit der Druckdifferenz, welche in entsprechenden Einheiten aus folgender Beziehung zu ermitteln ist:

AP₂= K₃G₂,

wobei G₂ der gemessene Wassermengenstrom bei einer maximalen Reynoldzahl von 3500 and K₃ der nach der oben gegebenen Vorschrift ermittelte Koeffizient ist Das Kriterium für eine laminare Strömung hinsichtlich der die Geometrie festlegenden Voraussetzung, die oben für den Kanal 8 angegeben wurde, ist dann erfüllt, wenn die berechneten und gemessenen Druckdifferenzen voneinander nicht um mehr als den üblichen Meßfehler abweichen.

Sollte dii- Abweichung den üblichen Meßfehler überschreiten, so muß die initiiere Tiefe oder die mittlere Breite oder aber auch sowohl die mittlere Tiefe als auch die mittlere Hreite des Kanals vermindert werden.

Das Arbcitsprinzip des konvergenten Fluiddurchgangsfühlers kann am leichtesten verstanden werden, wenn ein dünner rechteckiger Fluiddurchgang konstan tor liefe betrachtet wird, in welchem die Durchgangs breite linear mit der Durchgangsströmungslänge mit einer Rate abnimmt, welche die oben definierten Geometriebegrcn/ungsvoraussetzungen erfüllt.

Eine Fluidströmung durch einen solchen konvergcn ton Fluiddurchgang erfährt einen F.nergieverlust. was durch einen Gradienten im Gesamtdruck in der Ströniungstichtung zum Ausdruck kommt. Dieser Energieverlust ist das F.rgcbnis der viskosen Schubwirkung zwischen den Fluid und den Fluiddurchgangswan den.

In dem besonderen Fall eines Newton'schen Fluids führt die Verteilung der viskosen Energieverluste zu einem Abfall des Gesamtdruckes entlang der Fluid durchgangsslrömungslänge, welcher von der Geometrie des Kanals 8 und der Dichte, der Viskosität und dem Durchfluß des Fluids gemäß der folgenden Beziehung abhängt:

I/'

K U (l

wobei K ein Koeffizient ist, der nur von der Geometrie des Fluiddurchganges 8 abhängt, und wobei μ die Viskosität ist.

Wenn kein nennenswerter statischer Druckgradient in der Strömungsrichtung vorhanden ist ist diese Beziehung auf Reynoldzahlen von weniger als etwa 7000 für eine zweidimensionale Strömung begrenzt.

Wenn der Gradient des statischen Druckes (d.h. Gesamtdruck minus dynamischen Druck) in Strömungsrichtung abnimmt wobei in dem konvergenten Fluiddurchgang ein Beschleunigungsströmungsfeld vorhanden ist ist die Aufrechterhaltung einer laminaren Strömung nicht auf Reynoldzahlen von weniger als etwa 7000 begrenzt wie bei zweidimensionaler paralleler Strömung, sondern kann auf erheblich höherer Reynoldzahlen ausgedehnt werden.

Aus der obigen Gesamtdruckbeziehung geht hervor. daß die ermittelte Gesamtdruckdifferenz direkt proportional ist zu dem Massendurchfluß, und zwar für eine feste Fluidviskosität und eine Standarddichte oder proportional zu dem volumetrischen Durchfluß für eine feste Fluidviskosität Der Ausdruck »Standarddichte« bedeutet hier ein spezifisches Gewicht des Fluids. welches auf eine feste Fluidtemperatur und einen festen Fluiddruck bezogen ist Weiterhin ist ersichtlich, daß die ermittelte Gesamtdruckdifferenz direkt proportional zu der absoluten Viskosität des Fluids für einen vorgegebenen volumetrischen Durchfluß ist vorausgesetzt daß das Fluid tatsächlich ein Newton'sches Fluid ist

In der Praxis kann es zweckmäßig sein, den Energieverlust entlang der Meßstrecke in Form des statischen Druckes anstatt des Gesamtdruckes auszu-

drücken, wobei statische Drucksonden oder bündig in die Fluiddurchgangswand eingesetzte Druckübertrager verwendet werden.

Die Beziehung zwischen dem von der Viskosität verursachten Energieverlust in dem Fluiddurchgang, ausgedrückt durch die Geamtdruckdifferenz, die ermittelte statische Druckdifferenz und die Veränderung im dynamischen Druck ist durch die hinreichend bekannte Bernoullische Gleichung festgelegt:

P = Ip/ !(' ₂n U²) = Ip + I

C²

wobei Δ Ρ, Δ ρ, ρ, G und U den obigen Definitionen entsprechen und wobei:

U²) = Veränderung dynamischen Druckes in dem Fluiddurchgang zwischen den Meßstellen der Detektoren und
= Fluiddurchgangsquerschnittsfiäche senkrecht zu der Strömungsrichtung.

Demgemäß enthält der gemessene statische Druckabfall entlang dem Fluiddurchgang Auswirkungen von Geschwindigkeitsveränderungen entlang dem Fluiddurchgang ebenso wie Auswirkungen der Viskosität, nämlich einen durch die Viskosität verursachten Energieverlust, der von der obigen Beziehung festgelegt ist.

Das Ausmaß, in welchem die von der Viskosität verursachte Druckdifferenz ΚμΘ/ρ im Verhältnis zu der Bernoulli-Druckdifferenz A(^xIiq U²) dominiert, hängt von der speziellen geometrischen Konfiguration des Fluiddurchganges ab.

Es ist ersichtlich, daß für ein Newton'sches Fluid dort, wo die Tendenz besteht, daß die von der Viskosität verursachte Druckdifferenz dominiert, die statische Druckdifferenz sich der direkten Proportionalität zu dem Massendurchfluß für eine feste Fluidviskosität und eine Standarddichte oder zu dem volumetrischen Durchfluß für eine feste Fluidviskosität nähert

Weiterhin ist ersichtlich, daß für ein Newton'sches Fluid dort, wo die Tendenz besteht, daß der Bernoulli-Effekt dominiert, die statische Druckdifferenz sich der direkten Proportionalität zu dem Quadrat des Massendurchflusses für eine feste Fluidviskosität und eine Standarddichte oder zu dem Quadrat des volumetrischen Durchflusses für eine feste Fluidviskosität nähert.

Es ist weiterhin ersichtlich, daß für ein Newton'sches Fluid dort, wo die Tendenz besteht, daß die durch die Viskosität verursachte Druckdifferenz dominiert, die statische Druckdifferenz sich der direkten Proportionalität zu der absoluten Viskosität des Fluids für einen volumetrischen Durchfluß nähert und sich einer direkten Proportionalität zu dem Massendurchfluß für eine feste Fluidviskosität und eine Standarddichte nähert.

Aus den obigen Betrachtungen geht hervor, daß durch eine geeignete Verminderung der Querschnittsfläche des Fluiddurchganges Veränderungen im statischen Druck in der Richtung der Strömung, welche sich aus Veränderungen in der örtlichen Fluidviskositätsschubverteilung ergeben, einen weiten Bereich der Betriebskennlinien bewirken.

In dem besonderen FaDe eines nicht-Newton'schen Fluides ist die Verteilung des Viskositätsenergieverlustes entlang dem Fluiddurchgang eine eindeutige Funktion der absoluten Schubspannung-Schabdehnung-Beziehung des Fluides, und zwar für einen vorgegebenen Massendurchfluß, wobei diese eindeutige Funktion einen erheblichen Bereich aufweist, wenn die Fluiddurchgangsgeometrie derart gewählt ist, daß eine erhebliche Veränderung der Fluidviskositätsschubrate durch den Fluiddurchgang hervorgerufen wird. Ein allgemein verwendetes Modell, welches sich auf die Schubspannung und die Schubrate eines zeitabhängigen nicht-Newton'schen Fluids ohne Fließspannung oder ι» Streckspannung bezieht, ist das »Energiegesetzmodell«, welches durch die folgende Beziehung angegeben wird:

wobei g, U und h den obigen Definitionen entsprechen und wobei

thx = die Fluidschubspannung, welche entlang dem Fluiddurchgang in seiner Längsausdehnung auf die Durchgangsgrenzfläche senkrecht zum mittleren Durchgangsquerschnitt wirkt,
μ* = offensichtliche Viskosität,

2¹S dt'

Fluidviskoxitätsschubrate (d. h. Neigung der

radialen Gcschwindigkcitsvcrtcilung über die

Strömungskammerhöhe),

dimensionsloser Fluidindex.

Aus dieser Schubspannungsgleichung ist ersichtlich, daß durch geeignete Auswahl der Fluiddurchgangsquerschnittsflächenverminderung die Verteilung der mittleren Fluidschubrate »dU/dk« entlang der Meßstrecke erheblich geändert werden kann. Ein entsprechender schubspannungsabhängiger Viskositätsenergieverlust erzeugt eine Druckverteilung entlang der Meßstrecke, die ihrerseits eine eindeutige Abhängigkeit von den Eigenschaften eines nicht-Newton'schen Fluides zeigt, wie es durch die offensichtliche Viskosität »μ^< und den Fluidindex »/i« gekennzeichnet ist Es sei darauf hingewiesen, daß nicht-Newton'sche Fluide, welche durch komplexere Modelle beschrieben werden, und zwar in bezug auf die Fluidschubspannung und die Schubrate, beispielsweise solche Modelle, wie das Ellis-Modell, das DeHaven-Modell, das Prandtl-Eyring-Modell usw. ebenfalls günstige Bereiche der Druckverteilung entlang der Ruiddurchgangslängsausdehnung zeigen, welche eindeutig von den entsprechenden das

Modell festlegenden Parameters abhängig sind, wenn

die Fluiddurchgangsquerschnittsflächenverminderung derart gewählt ist daß eine erhebliche Fluidschubratenveränderung in der Strömungsrichtung erreicht wird.

Es kann also auch eine kontinuierliche Überwachung

si der statischen Druckverteilung oder der Gesamtdruckverteilung entlang der Meßstrecke bei nicht-Newton'schen Fluiden zweckmäßig sein, beispielsweise bei Schmiermitteln, bei Nahrungsmitteln, bei Holzbreiaufschlämmungen usw, wo die Beziehung zwischen der

w Schubspannung und der Schubrate ein kritischer Leistungsparameter ist Irgendein spezifiziertes Toleranzband, welches auf die Schubspannung/Schubrate-Beziehung solcher nicht-Newton'scher Fluide angewandt wird, kann auf analytischem Weg in ein entsprechendes, für die Längsrichtung der Vorrichtung gehendes Druckverteilungstoleranzband umgeformt werden, wobei die spezifizierte Toleranz direkt in Form der Vorrichtungsausgangsdruckverteilung überwacht

werden kann. Die Vorrichtung kann entweder intermittierend mit einem Fluid versorgt werden, und zwar für eine individuelle Probenprüfung, oder sie kann kontinuierlich für on-line-Überwachungsvorgänge mit Fluid versorgt werden.

Es ist somit mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung möglich, den Durchfluß von Fluiden oder die Viskosität von Newton'schen Fluiden oder die Viskositätseigenschaften bzw. die Viskositätskennlinien von nicht-Newton'schen Fluiden zu messen, und zwar entweder als iu Einzelmessungen oder in Kombination mit der Messung von anderen Eigenschaften, um eine nützliche Information zu liefern, welche die Eigenschaften solcher Fluide betrifft.

Im Vergleich zu vorhandenen Einrichtungen zur Durchführung ähnlicher Messungen der Strömung bzw. des Durchflusses oder der Viskosität oder von nicht-Newton'schen Eigenschaften oder Kennlinien weist die Erfindung zahlreiche Vorteile auf. Einige dieser Vorteile, welche aus den nachfolgenden Erläuterungen von Ausführungsbeispielen in zunehmenden Maß deutlicher werden, sind unten für solche erfindungsgemäßen Einrichtungen angegeben, welche im wesentlichen rechteckige Fluiddurchgangsquerschnitte senkrecht zu der Strömungsrichtung aufweisen. 2^r>

Es kann ein sehr weiter Betriebsbereich für Flüssigkeiten und Gase erreicht werden, und zwar im Hinblick auf die Ausgangsempfmdlichkeit, die Strömungskapazität und den Viskositätsbereich, wobei die Anordnung in einem einzigen Gehäuse oder Bauele- jo ment untergebracht werden kann, durch Hinzufügen, Herausnehmen oder Ersetzen von preiswerten, den Fluiddurchgang festlegenden Elementen bei einer Planarströmung. Diese weitere Vereinheitlichung bringt die Lagerhaltungskosten für die Fühler auf ein « Minimum.

Der leichte Ausbau und/oder die leichte Austauschmöglichkeit für die den Fluiddurchgang festlegenden Elemente erleichtert die Inspektion, die Reinigung und die Wartung.

Die große Oberfläche im Vergleich zu der Querschnittsfläche senkrecht zu der Strömungsrichtung innerhalb des Fluiddurchganges erleichtert die Kompensation der durch Wärme hervorgerufenen Strömungsverluste und die Regulierung der Fluidtemperatür.

Zusätzlich zu den oben angegebenen Vorteilen für die erfindungsgemäße Einrichtung können zusätzliche Vorteile genannt werden, wenn die Einrichtung einstellbare oder flexible Strömungsbegrenzungselemente aufweist:

An Ort und Stelle kann der Bereich im Hinblick auf die Ausgangsempfindlichkeit innerhalb von Grenzen eingestellt werden, und zwar durch eine Einteilung, die von außen vorgenommen werden kann.

Die Verwendung von teilweise oder ganz flexiblen « Platten zur Festlegung des Fluiddurchganges ermöglicht eine Anzeige der Verteilung des statischen Druckes innerhalb des Fluiddurchganges durch direkte Messung der Dehnung oder Durchbiegung der flexiblen Platten mit Hilfe von bekannten Einrichtungen und Verfahren, f>o beispielsweise mit Hilfe von Widerstandsdehnungsmeßstreifen oder entsprechenden Luftmeßeinrichtungen.

Bei einem Fluid veränderlicher Dichte, bei welchem die Dichte sowohl von der Fluidtemperatur als auch vom Fluiddruck abhängt und mit einer Druckfluidqueue « 40, welche derart geregelt ist daß an der Einlaßseite 12 des Fluiddurchganges 8 ein konstanter Gesamtdruck and eine konstante Temperatur herrschen, wobei der Auslaßhohlraum 14 einen festen Bezugsdruck liefert, beispielsweise atmosphärischen Druck, arbeitet die Vorrichtung als Viskosimeter, vorausgesetzt, daß der Detektor 20 eine Gesamtdrucksonde ist und zwischen dem Fluiddurchgangseinlaß 12 und dem Fluiddurchgangsauslaß 16 angeordnet ist, vorzugsweise auf der Symmetrieachse des Strömungsdurchganges und vorzugsweise an einer solchen Stelle in der Längsrichtung des Kanals, daß die Empfindlichkeit des ermittelten Gesamtdruckes in bezug auf die Fluidviskositätsveränderung meßbar und vorzugsweise ein Maximum ist. Der Gesamtdruck, welcher durch einen solchen Detektor ermittelt wird, ist eine eindeutige, jedoch typischerweise nichtlineare Funktion der Fluidviskosität vorausgesetzt, daß die Strömung in dem Fluiddurchgang 8 laminar ist. Das Ausmaß der Nichtlinearität der Gesamtdruckabhängigkeit von der Fluidviskosität ist eine komplexe Funktion der Höhe, des Gradienten der Querschnittsflächenverminderung, des Fluideinlaßdruckes und des Durchflusses durch den Fluiddurchgang 8, was aus experimentellen Untersuchungen an der Einrichtung oder aus analytischen Vorhersagen des Leistungsverhaltens abzuleiten ist.

In der F i g. 6 sind ähnliche Teile wie in den F i g. 2 und 3 durch dieselben Bezugszahlen bezeichnet und es wird zu ihrer Beschreibung auf die obigen Ausführungen Bezug genommen.

Die in F i g. 6 ist ein Querschnitt durch eine ähnliche Vorrichtung, wie sie in den F i g. 2 und 3 dargestellt ist mit der Ausnahme, daß zwei identische Fiuiddurchgänge 46 und 48 vorhanden sind, die in ihrer Querschnittsfläche in der Richtung der Fluidströmung abnehmen, wobei aus dem Einlaßhohlraum 50 Fluid in die zwei Strömungsdurchgänge 46 und 48 eingeführt wird und in einen gemeinsamen Fluidauslaßraum 52 austritt wobei die Räume 50 und 52 sowie die Fluiddurchgänge 46 und 48 durch die Abstandsstücke 30 und 32 sowie ein Abstandsstück 54 und zwei mit Profil versehene Platten 56 und 58 festgelegt sind, die abwechselnd zwischen einer Deckplatte 26 und einer Bodenplatte 28 angeordnet sind. Die Abstandsstücke 30,32 und 54 sind identisch. Die Gesamtdrucksonden 60 und 62 sind als die zwei Fluiddruckdetektoren ausgebildet und sie sind in dem Fluiddurchgang 46 in der Nähe des Fluiddurchgangeinlaßendes 64 und des -auslaßendes 66 angeordnet

Im Betrieb arbeitet die in der Fig.6 dargestellte Vorrichtung in derselben Weise wie die in den F i g. 2 und 3 dargestellte Vorrichtung, mit der Ausnahme, daß Fluid entlang beiden Fluiddurchgängen 46 und 48 strömt und daß die Druckdifferenz nur in dem Fluiddurchgang 46 gemessen wird Diese Vorrichtung kann größere Durchflüsse aufnehmen.

Fs ist ersichtlich, daß mit einer Vorrichtung gemäß F i g. 6 oder mit einer ähnlichen Vorrichtung mit mehr als zwei parallelen miteinander gekoppelten identischen Kanälen Gesamtdrucksonden in einer beliebigen Anzahl oder in jedem der Fluiddurchgänge angeordnet sein könnten, da die Gesamtdruckverteilung in Strömungsrichtung innerhalb aller Fluiddurchgänge gleich ist

In den Fig. 7 und 8 sind ähnliche Teile wie bei der Vorrichtung in der F i g. 6 mit denselben Bezugszeichen bezeichnet und es wird auf die obige Beschreibung Bezug genommen.

Eine spezielle Meßsondenkonfiguration für den Gesamtdruck ist in den F i g. 7 und 8 dargestellt wo zwei dieser Sonden besonders nützlich sind, um die

Gesamtdruckdifferenz zwischen beliebigen vorgegebenen Stellen innerhalb von einem oder mehreren identischen Strömungsdurchgängen bei Konfigurationen der Vorrichtung wie in den F i g. 2 und 3 oder 6 oder in ähnlichen Konfigurationen wie in der F i g. 6 zu '> ermitteln, wobei jedoch mehr als zwei identische Fluiddurchgänge vorhanden sind. Gemäß F i g. 7 ist ein Gesamtdruckmeßrohr 68 in der Vorrichtung durch eine geeignete Einrichtung wie einen Schraubenbolzen 70 angebracht, welcher in eine öffnung 72 in der Deckplatte 26 eingeschraubt ist und dieses Rohr ist' durch einen O-Ring 71 darin abgedichtet und geht durch die Abstandsstücke 30,32 und 54 hindurch, so daß es die zwei Fluiddurchgänge 46 und 48 durchquert. Ein schmaler Längsschlitz 74 ist entlang einem Teil der r> Längsausdehnung des Rohres 68 eingeschnitten, und ein Schnitt durch das geschlitzte Rohr ist in der Fig.8 dargestellt. Das Sondenrohr 68 ist derart angeordnet, daß der Schlitz 74 in Strömungsrichtung angeordnet ist und im wesentlichen senkrecht zu der Strömungsrich- >o tung innerhalb der Fluiddurchgänge 46 und 48 verläuft, wie es durch die Pfeile in der F i g. 7 dargestellt ist.

Es ist zu bemerken, daß sowohl bei der Ausführungsform mit einem einzigen Fluiddurchgang als auch bei der Ausführungsform mit mehreren Fluiddurchgängen die in den F i g. 2 und 3 oder 6 dargestellte Vorrichtung, wobei die Platten bzw. Scheiben mit 34 (siehe F i g. 2 und 3) und mit 56 und 58 (siehe Fig.6) bezeichnet sind, Fluiddurchgangsprofile vorgesehen sein könnten, welche sich im Grundriß von den geraden, sich verjüngenden Profilen unterscheiden, wie sie dargestellt sind, vorausgesetzt daß die Fluiddurchgangsquerschnittsfläche senkrecht zu der Fluidströmungsrichtung in der Strömungsrichtung über wenigstens den Teil des Fluiddurchganges kontinuierlich abnimmt der zwischen den Gesamtdruckmeßsonden liegt

In der Fig.9 ist ein Seitenschnitt einer weiteren Ausführungsform dargestellt und ähnliche Bauelemente wie in den F i g. 2 und 3 sind mit denselben Bezugszahlen bezeichnet Bei dieser Ausführungsform weisen die Detektoren die Form von Abgriffen 76 und 78 für den statischen Druck auf, welche im Bereich des Fluideinlaßraumes 10 bzw. des Fluidauslaßraumes 14 angeordnet sind. Es ist zu bemerken, daß im Rahmen der Erfindung auch eine Anordnung liegt bei welcher der eine oder beide der Abgriffe 76 und 78 für den statischen Druck anstatt in dem Fluiddurchgang 8 an der Wand der Räume 10 oder 14 angebracht sind, welche mit dem Fluiddurchgang 8 verbunden ist wie es bei dem Abgriff 80 für den statischen Druck der Fall ist welcher in dem Fluideinlaßraum 10 angeordnet ist und wie es weiterhin für den Abgriff 82 für den Statischen Druck der Fall ist welcher in dem Fluidauslaßraum 14 angeordnet ist vorausgesetzt daß irgendeine Veränderung des statischen Druckes in der Strömung in den Räumen 10 und 14 zwischen den Abgriffen 80 und 82 für den statischen Druck sowie für den Fluiddurchgangseinlaß bzw. -auslaß in bezug auf die statische Druckdifferenz entlang dem Fluiddurchgang 8 für einen bestimmten Betriebsmodus der Vorrichtung nicht erheblich ist Das bo Vorhandensein einer solchen Veränderung des statischen Druckes in der Strömung für einen vorgegebenen Betriebsmodus der Vorrichtung kann experimentell bestimmt werden oder kann aufgrund der in der Literatur bekannten Verfahren ermittelt werden. b5

Es ist zu bemerken, daß in der Konfiguration der in der Fig.9 dargestellten Vorrichtung ebenso wie in weiteren in der vorliegenden Beschreibung beschriebenen Ausführungsformen der Druck, welcher durch einen Abgriff für den statischen Druck entweder im Einlaßoder im Auslaßraum ermittelt wird, im wesentlichen mit demjenigen Druck identisch ist welcher durch eine Gesamtdrucksonde ermittelt wird, vorausgesetzt daß die Fluidgeschwindigkeit in unmittelbarer Nachbarschaft der Druckmeßstelle im Raum im Verhältnis zu der minimalen Geschwindigkeit innerhalb des Fluidsirömungsdurchganges niedrig ist. Somit kann ein Abgriff für den statischen Druck im Einlaß- oder im Auslaßraum der Vorrichtung als äquivalent zu einer Gesamtdrucksonde angesehen werden, und zwar innerhalb der Grenzen der spezifizierten Raumgeschwindigkeitsgrenzen. Somit kann ein Abgriff oder können mehrere Abgriffe für den statischen Druck mit einer oder mit mehreren Gesamtdrucksonden verwendet werden.

Für die Ausführungsform gemäß Fig.9 können Druckabgriffe zur Messung des statischen Druckes in der Wand des Fluiddurchganges 8 so interpretiert werden, daß damit irgendein bekanntes Verfahren der statischen Druckmessung angesprochen ist Bei solchen Verfahren könnten bündig in die Wand eingesetzte Druckübertrager oder öffnungen in dem Abstandsstükke 30 ausgebildet sein, welche von dessen Oberfläche hinwegführen, durch welche der Fluiddurchgang 8 begrenzt wird und mit einem geeigneten Druckmeßinstrument 22 oder 24 verbunden sind, wobei die öffnungen auch in der Bodenplatte 28 angebracht sein könnten, welche von deren Oberfläche hinwegführen, die den Fluideinlaßraum 10 und den Fluidauslaßraum 14 begrenzt wobei die öffnungen an ein geeignetes Druckmeßsinstrument 84 oder 86 angeschlossen sind. Ein solches Instrument könnte beispielsweise ein Manometer sein, eine Druckmeßeinrichtung, eine elektrische, pneumatische oder mechanische Druckübertragungseinrichtung oder eine ähnliche Einrichtung.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel, welches insbesondere bei der Messung der Schubspannung/Schubrate-Charakteristik von viskosen nicht-Newton'schen Fluiden eine Anwendung findet ist in der Fig. 10 dargestellt in welcher ähnliche Teile wie in den F i g. 2 und 3 mit denselben Bezugszahlen bezeichnet sind, und es wird auf die obige Beschreibung Bezug genommen. Eine Vielzahl von Gesamtdrucksonden 90 bis 95 sind in dem Fluiddurchgang 8 in der Richtung der Strömung des Fluids und zwischen dem Einlaßraum 10 und der Auslaßraum 14 verteilt Jede Gesamtdrucksonde 90 bis 95 ist jeweils mit einem Druckmeßinstrument 98 bis 103 verbunden, beispielsweise mit einem Manometer, mit einer Druckmeßzelle oder einer ähnlichen Einrichtung, so daß eine Einrichtung vorhanden ist mit welcher die Verteilung des Gesamtdruckes über den Fluiddurchgang 8 ermittelt werden kann.

Eine solche Gesamtdruckverteilung ist eine eindeutige Funktion der absoluten Beziehung zwischen Spannung und Dehnung in einem nicht-Newton'schen Fluid, welches innerhalb des Fluiddurchganges 8 strömt wenn die Druckfluidquelle 40 derart geregelt ist daß der Massendurchfluß durch die Vorrichtung konstant ist Die Quelle für einen konstanten Massendurchfluß kann eine Förderpumpe wie eine hydraulische Axialkolbenpumpe sein, die mit konstanter Umfangsgeschwindigkeit arbeitet da die Dichte von nicht-Newton'schen Fluiden konstant ist

Es ist ersichtlich, daß diese gemessene Gesamtdruckverteflung für die Ermittlung des Ausmaßes an Obereinstimmung der Spannungs-Schub-Raten-Zähig-

keitscharakteristika eines speziellen nicht-Newton'schen Fiuides mit denjenigen eines nicht-Newton'schen Bezugsfluids wertvoll ist, wenn die Querschnittsverminderung des Fluiddurchganges 8 derart gewählt ist, daß eine wesentliche verteilte Veränderung der Fluidzähig- > keksschubrate entlang der Meßstrecke erzeugt wird, da nämlich die Gesamtdruckverteilung in dem Fluiddurchgang 8 aus den bekannten nicht-Newton'schen Eigenschaften des Bezugsfluides vorhersagbar ist oder experimentell bestimmt werden kann, indem das "> Bezugsfluid in der Vorrichtung verwendet wird.

In der F i g. 11 sind ähnliche Teile wie in der F i g. 10 mit denselben Bezugszahlen bezeichnet, und auf die obige Beschreibung wird Bezug genommen.

Eine Verbesserung in der Interpretation der Gesamt- ι > druckverteilung in dem Fluiddurchgang 8 in bezug auf die absoluten Spannungs-Dehnungs-Charakteristika des dem Fluiddurchgang 8 entlang strömenden Fluids kann gemäß Fig. 11 dadurch erreicht werden, daß eine Signalanpaßeinrichtung wie eine digitale Datenverarbeitungsanlage 106 und eine entsprechende Anzeigeeinrichtung wie ein X- V-Schreiber 108 verwendet werden. Die Datenverarbeitungsanlage 106 ist Ober die Druckmeßeinrichtungen 98 bis 103 angeschlossen, welche in dieser Ausführungsform Fluiddruckübertrager sind, und 2 j zwar an die (nicht dargestellten) Gesamtdrucksonden innerhalb des (nicht dargestellten) Fluiddurchganges.

Es ist zu bemerken, daß in einer anderen Ausführungsform die Gesamtdrucksonden 90 bis 95 auch durch Abgriffe für den statischen Druck an der Wand des so Kanals 8, beispielsweise durch statische Druckabgriffe gemäß Fig.9 ersetzt werden können. In dieser Ausführungsform dient die Vorrichtung ebenfalls zur Ermittlung der Charakteristika bzw. Kennlinien eines nicht-Newton'schen Fluids. j->

In den Fig. 12 und 13 ist ein zylindrisches Gehäuse 110 dargestellt, welches einen äußeren, ringförmig ausgebildeten Fluideinlaßi aum 112 aufweist, welcher einen im wesentlichen unbehinderten Strömungsweg für das Fluid bildet, welches in radialer Richtung nach innen zu dem gesamten äußeren Umfang des Einlaßendes 114 eines ringförmig ausgebildeten Fluidzwischendurchganges 116 strömt, und das Gehäuse weist weiterhin einen ringförmig ausgebildeten Fluidauslaßraum 118 auf, der einen im wesentlichen unbehinderten 4> Strömungsweg für das Fluid darstellt, welches in radialer Richtung nach innen von dem gesamten inneren Umfang des Auslaßendes 120 des Fluiddurchganges 116 strömt. Das Gehäuse 110 weist eine obere Deckplatte 122 auf, weiterhin eine Bodenplatte 124, wobei die v) Platten scheibenförmig ausgebildet sind, weiterhin ein oberes und ein unteres Abstandsstück 126 bzw. 128 und einen äußeren Umfangsring 130. Der Einlaßraum 112 ist über ein Einlaßrohr oder über mehrere Einlaßrohre angeschlossen, von denen eines bei 332 dargestellt ist, v-, und zwar an eine Druckfluidquelle 134. Die Platten 122 und 124, die Abstandsstücke 126 und 128 sowie der äußere Ring 130 sind fest aneinander mittels Schrauben 136 und 138 befestigt, und es können gegebenenfalls (nicht dargestellte) Stifte verwendet werden, um die wi Befestigung zu unterstützen, so daß der Einlaßraum 112, der Fluiddurchgang 116 und der Auslaßraum 118 damit festgelegt sind. Die Gesamtdrucksonden 140 und 142, welche den Sonden 18 und 20 gemäß F i g. 2 ähnlich sind, sind in der Nähe des Einlaßendes 114 bzw. des μ Auslaßendes 120 des Fluiddurchganges 116 angeordnet. Fluiddruckübertrager 144 und 146 sind mit den Sonden 140 bzw. 142 verbunden.

Im Betrieb tritt Druckfluid von der Quelle 134 durch das Einlaßrohr 132 in den Einlaßraum 112 ein und strömt in radialer Richtung nach innen durch den Fluiddurchgang 116, und zwar in einer laminaren Strömung, welche den Fluiddurchgang 116 durch den Fluidauslaßraum 118 verläßt, wie es durch die Pfeile in der F i g. 13 dargestellt ist Die Gesamtdrucksonden 140 und 142 werden dazu verwendet, den Durchfluß und/oder die Viskositätscharakteristika des Fluids zu bestimmen, welches in dem Fluiddiuchgang 116 strömt

In den F i g. 14 und 15 sind ähnliche Teile wie in den Fig. 12 und 13 mit denselben Bezugszahlen bezeichnet, und es wird auf die obige Beschreibung hingewiesen.

In den Fig. 14 und 15 ist eine ähnliche Vorrichtung wie in den Fig. 12 und 13 beschrieben, mit der Ausnahme, daß sie eine Vielzahl von identischen Fluiddurchgängen aufweist, von den zwei Durchgänge 116 und 148 in der F ig. 15 dargestellt sind, wobei jedoch zu bemerken ist, daß mehr als zwei Fiuiddurchgänge verwendet werden können. Beide Fluiddurchgänge 116 und 148 nehmen Fluid aus dem Einlaßraum 112 auf und liefern Fluid an den Auslaßraum 118. Der Fluideinlaßraum 112 bildet einen im wesentlichen ungehinderten Strömungsweg fur das Fluid zu der gesamten Fläche der Einlaßseite jedes Fluiddurchganges senkrecht zu der Richtung für die Strömung des Fluids in den Fluiddurchgängen 116 und 148, und der Fluidauslaßraum bildet einen im wesentlichen ungehinderten Strömungsweg für das Entweichen von Fluid aus dem gesamten Bereich der Auslaßseite jedes Fluiddurchganges senkrecht zu der Richtung für die Strömung des Fluides in den Fluiddurchgängen 116 und 148.

Die zwei Fluiddurchgänge 116 und 148 sind durch den oberen und den unteren Abstandsring 126 bzw. 128 festgelegt sowie weiterhin durch den mittleren Abstandsring 150. Die Abstandsringe 126 und 128 sind fest in bezug auf die scheibenförmigen Platten 122 und 124 jeweils durch Schrauben 136 gehalten. Der mittlere Abstandsring 150 weist eine ringförmige mittlere Scheibe 149 und einen koaxialen äußeren Ring 154 auf. wobei diese beiden Bauteile durch eine Anzahl von dünnen radialen Speichen 151 miteinander verbunden sind, von denen vier Speichen 151 in der Fig. 14 dargestellt sind. Die Scheibenplatten 122 und 124, die zwei äußeren Gehäuseringe 152 und 153 sowie der äußere Ring 154 des mittleren Abstandsringes 150 sind fest miteinander verbunden und gegeneinander mittels Schrauben 138 derart verklemmt, daß der Abstandsring 150 äquidistant zwischen den Abstandsringen 126 und 128 angeordnet ist, ohne daß die Fluidströmung zu den Fluiddurchgängen 116 und 148 nennenswert beeinträchtigt wird.

Die zwei Gesamtdrucksonden 140 und 142 sind in dem Fluiddurchgang 116 angeordnet, vorzugsweise im Bereich des Einlasses bzw. des Auslasses des Fluiddurchganges 116.

Im Betrieb der in den Fig. 14 und 15 dargestellten Ausführungsform arbeitet die Vorrichtung ebenso wie bei der Ausführungsform gemäß F i g. 12 und 13 mit der Ausnahme, daß der zusätzliche Fluiddurchgang 148 für die Vorrichtung die Möglichkeit schafft, daß in einer vorgegebenen Zeitperiode ein größeres Fluidvolumen hindurchströmen kann.

In den Fig. 16 und 17 sind ähnliche Teile wie in den Fig. 12 und 13 mit denselben Bezugszeichen bezeichnet, und es wird auf die obige Beschreibung hingewiesen.

Die Fig. 16 und 17 veranschaulichen eine ähnliche

IS

Vorrichtung wie in den Fig. 14 und 15. mit der Ausnahüae, daß sie zwei Sätze von sich mit im wesentlichen konstanter Breite in radialer Richtung erstreckenden Platten 155 bis 160 aufweist, wobei ein Satz zwischen den Abstandsringen 126 und 150 und der andere Satz zwischen den Abstandsringen 150 und 128 angeordnet ist. welche jeden der Fluiddurchgänge 116 und 148 in sechs voneinander getrennte, jedoch ähnliche radiale Strömungsdurchgänge unterteilt, von denen wiederum jeder Fluid aus dem Einlaßraum 112 aufnimmt und Fluid an den Auslaßraum 118 abgibt Die sich in radialer Richtung erstreckenden Platten 155 bis 160 dehnen sich vorzugsweise fiber eine im wesentlichen raidale Länge der Fluiddurchgänge 116 und 148 aus. wie es in der F i g. 14 dargestellt ist Die Scheibenplatten 122 und 124, die Abstandsringe 126,128 und 150 sowie beide Sätze von Platten 155 bis 160 sind fest angebracht und gegeneinander mittels Schrauben 161 verklemmt und es kann erforderlichenfalls die Anordnung durch Stifte weiter gehalten sein, welche vorzugsweise durch öffnungen in den Platten 155 bis 160 hindurchgehen, so daß die Fluiddurchgänge 116 und 148 festgelegt sind, während der äußere Ring 130 und die Scheibenplatten 122 und 124 gegeneinander fest mittels Schrauben 138 gehalten sind. Die zwei Gesamtdrucksonden 140 und 142 sind in dem Fluiddurchgang 116 angeordnet, und zwar vorzugsweise im Bereich des Einlasses bzw. des Auslasses des Fluiddurchganges 116.

Im Betrieb arbeitet die Ausführungsform gemäß F i g. 16 und 17 in derselben Weise wie die Ausführungsformen, welche anhand der F i g. 12 und 13 sowie 14 und 15 beschrieben wurden, mit der Ausnahme, daß durch den zusätzlichen Fluiddurchgang 148 die Vorrichtung gemäß Fig. 14 und 15 sowie 16 und 17 in die Lage versetzt wird, daß ein größeres Fluidvolumen in einer vorgegebenen Zeitperiode durchgesetzt werden kann.

Die Fig. 18 veranschaulicht eine ähnliche Vorrichiung wie in den F i g. 14 und 15 sowie 16 und 17, mit der Ausnahme, daß die Vorrichtung einen Fluideinlaßraum 162 aufweist der koaxial zu dem Fluidauslaßraum 164 angeordnet ist, so daß die Vorrichtung symmetrisch in bezug auf eine Mittelachse XX aufgebaut ist. Die in der Zeichnung dargestellte Vorrichtung weist eine obere Scheibenplatte 166 auf, hat weiterhin eine untere Scheibenplatte 168 sowie Abstandsringe 170 und 172 und zwei Sätze von sich in radialer Richtung erstreckenden Platten 174 und 176, welche zwei Fluiddurchgänge 178 und 180 festlegen, welche zwei Gesamtdrucksonden enthalten, welche den Sonden 140 und 142 gemäß Fig. 15 und 17 ähnlich sind, welche jedoch im Hinblick auf eine übersichtliche Darstellung in der Fig. 18 nicht eingezeichnet sind. Ein konischer Cinlaßdurchgang 182, welcher sich zwischen einem Einlaßrohr 184 und dem Fluiueiniauiaum i62 erstreckt, ist durch einen konischen Mittelkörper 188 und eine konische äußere Hülle 190 festgelegt. Aus der Fig. 18 ist ersichtlich, daß zahlreiche andere Einlaß- und Auslaßrohrkonfigurationen in der Vorrichtung in Verbindung mit entweder einem einzigen Fluiddurchgang 116 gemäß Fig. 13 oder mit einer Vielzahl von Fluiddurchgängen wie den Fluiddurchgängen 116 und 148 gemäß F i g. 15 und 17 vorgesehen sein können.

Es ist zu bemerken, daß bei einer solchen Vorrichtung, wie sie in den F i g. 15,17 oder 18 dargestellt ist, oder bei einer ähnlichen Vorrichtung, welche jedoch mehr als zwei Fluiddurchgänge aufweist, eine beliebige geeignete Konfiguration von Gesamtdrucksonden einschließlich der in den Fig. 7 und 8 dargestellten Anordnung in radialer Richtung auf Abständen voneinander in wenigstens einem der Fluiddurchgänge angeordnet werden könnte, weil die radiale Verteilung des Geamtdmckes innerhalb von allen Fluiddurchgängen s dieselbe ist

Es ist weiterhin zu bemerken, daß in den Ausführungsformen mit einem Mehrfachfluiddurchgang der Vorrichtung, wie es in den F i g. 16,17 und 18 dargestellt ist die in der Fig. 16 mit 155 bis 160 bezeichneten

ία Platten im Grundriß Profile aufweisen könnten, welche sich von denjenigen unterscheiden, die zu dem ZwecK dargestellt wurden, eine bestimmte Fluiddurchgangsflächenabhängigkeit von dem Fluiddurchgangsradius festzulegen, gemessen von dem Zentrum des Auslaßraumes

is 118, wie es in speziellen Anwendungsfällen erforderlich sein kann.

In der Praxis ist es insbesondere zweckmäßig, die einzelnen Platten mit konstante; Dicke, welche in radialer Richtung angeordnet sind, und zwar in einem

yg beliebigen vorgegebenen Fluiddurchgang, beispielsweise die Platten 155 bis 160 gemäß Fig. 16, zu einer einzigen Platte konstanter Dicke mit einem Profil im Grundriß zusammenzufassen, wie es in der Fig. 19 dargestellt ist. In der Fig. 19 ist eine Platte 191 dargestellt welche eine Anzahl von identischen Fingern 192 aufweist die in radialer Richtung von einem Umfangsring 194 aus nach innen ragen, wobei die Finger im Grundriß ein beliebiges Profil aufweisen, welches für eine spezielle Anwendung der Vorrichtung

so erforderlich ist vorausgesetzt dasß die Fluiddurchgänge 1%. welche auf diese Weise festgelegt sind, sich im Querschnittsflächenbereich in der Richtung der Strömung des darin strömenden Fluids kontinuierlich vermindern.

j5 In der F i g. 20 sind ähnliche Teile wie in den F i g. 17 und 19 mit denselben Bezugszahlen bezeichnet, und es wird auf die obige Beschreibung hingewiesen. Ein Querschnitt durch den Umfangsring 194 und zwischen den Fingern 192 der zwei Scheiben 191 hindurch, und zwar gemäß der obigen Beschreibung anhand der Fig. 19, ist zum Teil in der Fig. 20 dargestellt wo die Scheiben bzw. Platten 191 starr an Bauelementen angebracht und zwischen diesen festgeklemmt sind, welche zwei Fluiddurchgänge 116 und 148 festlegen, und zwar mittels Schrauben 198, welche vorzugsweise durch Öffnungen 200 in den Fingern 192 jeder Scheibe bzw. Platte 191 gemäß F i g. 19 hindurchgehen. In der F i g. 20 überschreitet der innere Radius des Umfangsringteiles 194 jeder mit Profil ausgestatteten Platte bzw. Scheibe 191 den äußeren Radius der Abstandsringe 126,128 und 150, welche zusammen die Fluiddurchgänge 116 und 148 festlegen, so daß ein im wesentlichen ungehinderter Strömungsdurchgang von dem Einlaßraum 112 zu den Fiuiddurchgängen 116 und i46 gebildet wird, wie es durch die Fluidströmungsrichtungspfeile angedeutet ist.

Es ist zu bemerken, daß die Konfiguration mit einem

einzigen Fluiddurchgang wie dem Fluiddurchgang 116 gemäß F i g. 12 und 13 ebenfalls eine Platte bzw. Scheibe 191 aufweisen kann, welche gemäß Fig. 19 ausgebildet

M) ist, wobei auch eine beliebige Grundrißvariation dieser Scheibe vorgesehen sein kann, die den Zwecken zur Festlegung von geeigneten Fluidströmungsdurchgangs-

geometrien entspricht.

Es ist zu bemerken, daß die Betriebsarten, welche in

h^r> den F i g. 2 und 3, der F i g. 6 sowie in den F i g. 10 und 11 dargestellt sind, wobei die Vorrichtung eine Anordnung aufweist, die als segmetrische radiale Strömung anzusehen ist, und eine Gesamtdruckmeßeinrichtung

hat, direkt auf die in den F ig. 12 und 13, den Fig. Hund 15,denFig. 16und 17 sowie in der F ig. 18 dargestellten Vorrichtungen anwendbar sind, wobei eine Anordnung vorgesehen ist, die als eine achsensymmetrische radiale Einströmung anzusehen ist wobei weiterhin eine Gesamtdruckmeßeinrichtung vorhanden ist.

Weiterhin ist ersichtlich, daß die Betriebsweise, die bezüglich der in den Fi g. 4,5,6,10 und 11 dargestellten Vorrichtung erläutert wurde, wobei eine Anordnung vorgesehen ist. die als eine in mehrere Abschnitte aufgeteilte radiale Strömung zu bezeichnen ist wobei jedoch die Gesamtdrucksonden durch Abgriffe IiQr den statischen Druck ersetzt sind, wie es in der Fig.9 dargestellt ist direkt auf die in den Fig. 12 und 13, 14 und 15, 16 und 17 sowie 18 anwendbar ist wobei eine >' Anordnung vorhanden ist die als achsensymmetrische radiale Einströmung zu bezeichne ist vorausgesetzt daß die für eine solche Vorrichtung vorgesehenen Gesamtdrucksonden durch Abgriffe für den statischen Druck ersetzt werden. Weiterhin ist ersichtlich, daß solche Abgriffe für den statischen Druck, welche in sogenannten achsensymmetrischen Fluiddurchgängen der Vorrichtung angeordnet sind, ähnlich wie in den Fig. 12 und 13,14 und 15,16 und 17 sowie 18.entweder stromaufwärts oder stromabwärts in bezug auf den Fluiddurchgang verlagert werden könnten, vorausgesetzt daß irgendwelche Änderungen im statischen Druck in der Strömung zwischen den ursprünglichen Abgriffstellen und den Abgriffstellen nach der Verlagerung im Verhältnis zu der statischen Druckdifferenz entlang dem Fluiddurchgang für irgendeine Betriebsart der Vorrichtung nicht wesentlich sind.

Ein weiteres Ausführungsbebpiel ist in der Fig.21 dargestellt bei dem einzelne radiale Scheiben oder Platten vorhanden sind, von denen eine dargestellt und js mit 202 bezeichnet ist und diese Scheiben oder Flatten sind zwischen den den Fluiddurchgang festlegenden Abstandsringen 204 und 206 angeordnet welche den Abstandsstücken 126 und 128 gemäß Fig. 13 entsprechen können. Jede Scheibe oder Platte 202 ist im Querschnitt gebogen oder gewölbt und zwischen den Abstandsstücken 204 und 206 gebogen eingesetzt. Platten oder Scheiben wie die Platte bzw. Scheibe 202 ermöglichen eine Einstellung der Höhe des Fluiddurchganges zwischen dem oberen Abstandsstück 2(>4 und dem unteren Abstandsstück 206, zwischen einer Grenze gleich der Dicke der Platte 202, wenn diese vollständig abgeflacht ist zwischen den Abstandsstücken 2IM und 206, und einer Grenze gleich dem maximalen Abstand zwischen den Abstandsstücken 204 und 206, derart daß die Platte 202 in dichtender Berührung mit beiden Abstandsstücken bleibt

In der F i g. 22 sind ähnliche Teile wie in den F" i g. 12 und 13 mit denselben Bezugszahlen bezeichnet und es wird auf die obige Beschreibung Bezug genommen.

In der Fig.22 sind ein ringförmiges oberes Abstandsstück 208 und ein ringförmiges unteres Abstandsstück 210 derart konisch ausgebildet, bzw. verjüngen sich derart, daU sie in ihrer Dicke zu der Mitte hin derart abnehmen, daß sie einen ringförmigen ω achsensymmetrischen Fluiddurchgang 212 festlegen, der in seiner Tiefe in Richtung auf den Fluidauslaßraum 118 hin zunimmt. Durch die Verjüngung der Abstandsstücke 208 und 210 in dieser Weise kann eine spezielle Querschnittsflächenverminderung des Fluiddurchgan- e>* ges 212 in der Strömungsrichtung für spezielle Anwendungsfälle der Vorrichtung vorgesehen werden. Während gemäß F i g. 22 beide Abstandsstücke 298 und 210 in ihrer Dicke abnehmen, ist es auch möglich, nur eines dieser Abstandsstücke 208 oder 210 auf diese Weise abnehmen zu lassen, um die gewünschte Verminderung im Querschnitt des Fluiddurchganges 212 zu erreichen. Die Abstandsstücke 208 und 210 sind in der Weise dargestellt daß sie in ihrer Dicke zu dem Fluidauslaßraum 118 hin abnehmen und modifizieren somit den natürlichen Verjüngungseffekt bei der Querschnittsfläche des Fluiddurchganges 212, welcher durch den Strömungsweg erzeugt wird, der in radialer Richtung zwischen zwei ringförmigen Abs.tandsstücken 208 und 210 nach innen geht In einigen Fällen kann die gewünschte Verminderung in der Querschnittsfläche des Fluiddurchganges 212 dadurch erreicht werden, daß entweder das eine oder beide ringförmigen Abstandsstücke 208 und 210 sich verjüngen, um deren jeweilige Dicke in Richtung auf die Mitte hin zunehmen zu lassea Obwohl sie nicht dargestellt sind, können eine oder mehrere Drucksonden und eine entsprechende Anzahl von Fluiddruckübertragern vorgesehen sein, die ähnlich aufgebaut sein können wie die in den Fig.9 oder 13 dargestellten Einrichtungen, und solche Drucksonden sind für die Ausführungsform gemäß Fig.22 dazu erforderlich, die Druckdifferenz in dem Fluiddurchgang 212 zu messen.

In der F i g. 23 sind ähnliche Teile wie ir den F i g. 12 und 13 mi· denselben Bezugszahlen bezeichnet und es wird auf die obige Beschreibung Bezug genommen.

Gemäß Fig.23 sind keine Drucksonden und/oder -abgriffe vorgesehen, und das obere Abstandsstück 216 hat ein flexibles Element in der Form eines flexiblen, scheibenförmigen Abschnittes 218. Der scheibenförmige Abschnitt 218 ist an der Scheibenplatte 122 angebracht und durch ein Randteil 219 auf Abstand davon gehalten. Die Durchbiegung des flexiblen Abschnittes 218 des Abstandsstückes 216 ist eine spezielle Funktion der radialen statischen Druckverteilung innerhalb des Fluiddurchganges 220. Somit wird der Differenzfluiddruck in dem Fluiddurchgang 220 durch Übertrager wie einen Dehnungsmeßstreifen 221 oder eine Luftmeßdüse 223 gemessen, wobei die Dehnung bzw. die Durchbiegung des Abschnittes 218 an radial auf Abstand voneinander angeordneten Stellen ermittelt wird, und die Übertrager sind eigentlich Fluiddurchdetektoren. Es besteht eine Wechselwirkung zwischen dieser Durchbiegung und der statischen Druckverteilung in dem Fluiddurchgang 220, so daß die Tiefe des Fluiddurchganges 220 verändert wird und somit auch die Betriebseigenschaften der Vorrichtung in vorgegebener Weise verändert werden. Es ist weiterhin ersichtlich, daß entweder das gesamte obere Abstandsstück 216 oder ein Teil davon aus einer dünnen Schicht bzw. Platte eines Materials bestehen kann, welches entweder flach oder derart ausgebildet sein kann, wie es bei einer Metail- oder einer Plastikmembran der Fall ist, oder dieses Stück kann aus einem Blech oder einer Platte aus elastischem Material wie Kautschuk bestehen, der verstärkt oder versteift sein kann. Gemäß Fig. 23 erstreckt sich der Fluidauslaßraum 118 nur durch das untere Abstandsstück 128 und die Bodenplatte 124, und eine nicht unbedingt erforderliche Entlüftung 222 ist in der Deckplatte 122 dargestellt.

Diese Einrichtung zur Ermittlung der Durchbiegung und/oder der Dehnung des flexiblen Abschnittes 218, und zwar im Hinblick auf eine Messung bzw. Anzeige der radialen statischen Druckverteilung innerhalb des Fluiddurchganges 220 in bezug auf das Durchbiegungsprofil des Abschnittes 218, kann einen Widerstands-

draht-Dehnungsmeßstreifen 221 aufweisen, welcher an der Oberfläche des flexiblen Abschnittes 218 angebracht ist, oder es können Luftmeßeinrichtungen mit den Düsen 223 vorgesehen sein, welche unmittelbar angrenzend an die Oberfläche der flexiblen Wand 218 angeordnet sind, oder es kann eine beliebige andere bekannte Dehnungsmeßeinrichtung oder Durchbiegungsmeßeinrichtung eingesetzt werden.

In der Fig.24 sind ähnliche Teile wie in der Fig. 23 mit denselben Bezugszahlen bezeichnet, und es wird auf die obige Beschreibung Bezug genommen.

Gemäß Fig.24 ist eine Einrichtung 224 zur Durchbiegung des flexiblen Abschnittes 218 vorgesehen, um eine bestimmte Konfiguration des Fluiddurchganges 220 einzustellen, welche sich von derjenigen unterscheidet, welche durch die radiale Druckverteilung innerhalb des Fluiddurchganges 220 festgelegt wird. Die Durchbiegungseinrichtung 224, welche an dem flexiblen Abschnitt 218 angebracht ist, kann eine servogesteuerte Verschiebeeinrichtung bzw. Hubeinrichtung sein, könnte auch eine Krafterzeugungs- oder Verlagerungseinrichtung sein, beispielsweise ein hydraulischer Zylinder, eine elektrische Spule, eine Spindelwinde oder eine ähnliche Einrichtung, oder es könnte auch irgendeine andere solche Einrichtung verwendet werden, wie sie dem Fachmann hinreichend bekannt sind. Eine solche Komponente, mit welcher eine Kraft oder eine Verlagerung erzeugt wird, kann derart angeordnet werden, daß sie auf die Dehnung oder die Durchbiegung in dem flexiblen Abschnitt 218 anspricht, welche durch eine Einrichtung ermittelt wird, wie sie anhand der Fig.23 beschrieben wurde, und zwar mittels einer (nicht dargestellten) Rückführung zu der Durchbie-

ui gungseinrichtung 224, wobei in geeigneter Weise angepaßte Signale verwendet werden, die aus der Dehnungs- oder der Durchbiegungsmessung abgeleitet wurden, so daß die Wirkung der radialen Druckverteilung auf die Durchbiegung des flexiblen Abschnittes 218 verstärkt oder betont werden kann, indem Regelverfahren angewandt werden, wie es dem Fachmann grundsätzlich bekannt ist Es sei weiterhin darauf hingewiesen, daß eine Verlagerungserzeugungseinrichtung wie die Einrichtung 224 dazu verwendet werden

kann, um eine spezielle Konfiguration des Fluiddurchganges 220 zu erreichen, indem die Einrichtung 224 oder eine Vielzahl solcher Einrichtungen entsprechend eingestellt und/oder gesteuert werden.

Hierzu 13 BIaIl Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Bestimmen des Mengenstrums und/oder der Viskosität eines Fluids, bestehend aus mindestens einem von einem Fluid laminar durchströmten Kanal mit einem Huideinlaß an einem Ende und einem Fluidauslaß am anderen Ende für eine ungehinderte Fluid/u- und -abführung senkrecht zur Strömungsrichtung im Kanal und mit wenigstens zwei in Ströinungsrichtung im Abstand angeordneten Einrichtungen /um Messen des Fluiddrucks. wobei wenigstens zwischen diesen beiden Meßstellen die mittlere Breite des Kanals mindestens zehnmal so groß ist wie seine mittlere Höhe, dadurch gekennzeichnet, daß die QuerschniKsfiäche des Kanals (8, 46, 116, I7iS, 212, 22b) wenigstens zwischen den beiden Meß-stellen (18, 20, 60, 62, 68, 76, 78, 80,82,90 bis 95, 140, 142, 222) in Strömungsrichtung kontinuierlich abnehmend ausgebildet ist, so daß die Aufrechterhaltung einer laminaren Strömung nicht auf Reynoldsche Zahlen unter 7000 begrenzt ist

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Einrichtung zum Messen des Fluiddrucks im Gehäuse (6, HO) jeweils eine Drucksonde (18, 20, 60, 62, 68, 76, 78, 80, 82; 90 bis 95, 140, 142, 222) zum Messen des statischen Druckes und/oder des Gesamtdruckes aufweist.

3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von im Abstand voneinander angeordneten Drucksonden (90 bis 95) zum Messen des Fluiddrucks (Fig. 10).

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanalquerschnitt im wesentlichen rechteckig ist (F % g. 2,3).

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3. dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (116) von zwei kreisförmigen Platten (122, 124, 126, 128) begrenzt wird, die radial so durchströmt werden, daß die Kanalquerschnittsfläche in Strömungsnchtung kontinuierlich abnimmt (F i g. 12 - 19).

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch einen ringförmigen Fluideinlaß (112) am Außenumfang (114) des Kanals (116) und durch einen Fluidauslaß (116) im Zentrum von wenigstens einer Platte (122,124,126,128).

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, gekennzeichnet durch radiale, zwischen den Platten (126, 128) vorgesehene Trennwände (155—160), die die Kanäle seitlich begrenzen und den Plattenabstand festlegen (F ig. 16).

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, gekennzeichnet durch einen mit den ringförmigen Fluideinlaß (162) verbundenen konischen Fluidzuführungskanal(184,182) (F ig. 18).

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Kanalwand ein flexibles Element (218) ist, abhängig von dessen Durchbiegung der Fluiddruck meßbar (222,Fig. 23)ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (224) zum Ausüben von Druck auf das flexible Element (218, F i g. 24).

11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine im Gehäuse (6, 110) vorgesehene Vielzahl von übereinander

und/oder nebeneinander angeordneten Kanälen (46, 48.116,148,178,180).

12. Vorrichtung nach Anspruch II. dadurch gekennzeichnet daß einige Kanäle (48,148,180) frei von Einrichtungen für die Druckmessung sind.