DE2521952C3 - Durchflußmesser - Google Patents
DurchflußmesserInfo
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- G01F1/22—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using mechanical effects by detection of dynamic effects of the flow by variable-area meters, e.g. rotameters
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Description
= -y- = Ai - A[
Meßkammer (13) befindlichen Ringfläche proportional zur Quadratwurzel der Kolbenauslenkung Ar ist.
mit
Ar-
Ar-
A2: ■■
Flächeninhalt anströmseitigen Fläche des Primärkolbens (12),
Flächeninhalt der abströmseitigen Fläche des Primärkolbens (12),
Flächeninhalt der anströmseitigen Fläche des Sekundärkolbens (16),
Flächeninhalt der abströmseitigen Fläche des Sekundärkolbens (16).
2. Durchflußmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundäröffnung (26) der
Bohrung (24) an der Seitenwand des Schaftes (15) angeordnet ist
3. Durchflußmesser nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch ein den Doppel-T-Kolben (12,
16) gegen die Strömungsrichtung vorspannendes elastisches Organ.
4. Durchflußmesser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das elastische Organ eine sich
an der abströmseitigen Fläche des Sekundärkolbens (16) sowie am äußeren Ende (36) im Zylinder (21)
abstützende Spiralfeder (18) ist.
5. Durchflußmesser nach Anspruch 1 oder folgende, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßkammer
(13) anströmseitig in ein sich verjüngendes, dem Außenumfang des Primärkolbens (12) angepaßtes
Ende (34) übergeht.
6. Durchflußmesser nach Anspruch 1 oder folgende, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen
dem Sekundärkolben (16) und der Innenwand des Zylinders (21) wenigstens ein Dichtungsring (17)
angeordnet ist.
7. Durchflußmesser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Dichtungsringe (17) im
Abstand nacheinander angeordnet sind.
8. Durchflußmesser nach Anspruch 1 oder folgende, dadurch gekennzeichnet, daß der Konuswinkel
der Meßkammer (13) so gewählt ist, daß der Flächeninhalt A(x)der zwischen der Seitenwand des
Primärkolbens (12) und der Innenwand (25) der Die Erfindung bezieht sich auf einen Schwebekörper-Durchflußmesser
gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die Messung einer Fluidströmung ist in zahlreichen BetriebsfäHen erforderlich, bei welchen die Durchflußrate
bekannt sein muß, um einen Prozeß, ein Produkt oder irgendeinen anderen Vorgang, der eine vorgegebene
Durchflußrate erfordert, einwandfrei regeln zu können. Eine genaue Messung ist besonders dann
schwierig, wenn das zu messende Fluid hohe Viskosität hat und zusätzlich starken Temperaturschwankungen
unterworfen ist In diesen Fällen wirken sich temperaturbedingte Viskositätsänderungen nachteilig auf die
Genauigkeit der Durchflußratenanzeige aus. Gegebenenfalls können hierbei Meßfehler auftreten, welche den
für den jeweiligen Anwendungsfall zulässigen Toleranzbereich überschreiten.
Die Viskosität eines Fluids wird oft als innere Reibung
bezeichnet und läßt sich allgemein als die Leichtigkeit beschreiben, mit welcher die Moleküle einer Flüssigkeit
über- und/oder durcheinandergleiten. Die physikalischen Eigenschaften eines Fluides ermöglichen es, in
diesen; eine von der Strömungsgeschwindigkeit abhängende gewisse Schubspannung aufzubauen, aufrechtzu-
jo erhalten und dadurch der Strömung einen ständigen
Widerstand entgegenzusetzen.
In denjenigen Anwendungsfällen, in denen unterschiedliche Fluide durch die gleiche Leitung zu
verschiedenen Zeiten transportiert werden, wäre es von großem Vorteil, einen Durchflußmesser zu haben, der
Viskositätsänderungen kompensieren kann. Je nach den Eigenschaften des zu transportierenden Fluides muß
besondere Sorgfalt auf die Wahl des richtigen Durchflußmessers gelegt werden.
Zur Zeit ist es noch erforderlich, für Fluide mit unterschiedlicher Viskosität unterschiedliche Modelle
und Bauformen von Durchflußmessern mit bestimmten Eichungen für bestimmte, beschränkte Viskositätsbereiche
zu verwenden.
Ein Durchflußmesser gemäß der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Gattung ist aus der US-PS
37 89 644 bekannt. Mit dem bekannten Durchflußmesser soll die Aufgabe gelöst werden, unter Verwendung
lediglich hydraulischer Hilfsmittel eine Anzeige der zu messenden Strömung auch an einem entfernt liegenden
Ort darüber zu gestatten, ob ein vorgegebener Durchflußratenbereich eingehalten wird oder nicht.
Eine Viskositätskompensation ist hierbei nicht vorgesehen. Das gleiche gilt für den aus der US-PS 34 15 119
bekannten Schwebekörper-Durchflußmesser.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, den Schwebekörper-Durchflußmesser der eingangs genannten
Gattung derart weiterzuentwickeln, daß er ggf. eintretende Viskositätsänderungen des zu messenden
Fluides kompensiert.
Diese Aufgabe wird durch das Kennzeichen des Anspruchs 1 gelöst.
Diese Lösung hat den Vorteil, daß ein einziges Meßgerät für viele unterschiedliche Arten von Fluiden
verwendbar ist und demgemäß — nicht wie früher — mehrere Durchflußmesser mit bestimmten Eichungen
für bestimmte, beschränkte Viskositätsbereiche auf Lager gehalten werden müssen.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die in den Zylinder mündende Sekundäröffnung der
Bohrung an der Seitenwand des Schaftes angeordnet Hierdurch kann die Länge der Bohrung auf ein
Mindestmaß reduziert werden.
Um die auf den Doppel-T-Kolben einwirkende
Gegenkraft unabhängig von \er sonst wirksamen
Schwerkraft je nach Bedarf auswählen zu können, ist ein den Doppel-T-Kolben gegen die Strömur.igsrichtung
vorspannendes elastisches Organ, vorzugsweise eine sich an der abströmseitigen Fläche des Sekundärkolbens
sowie am äußeren Ende am Zylinder abstützende Spiralfeder vorgesehen.
Eine derartige Gegenfeder ist zwar an sich aus der GB-PS 12 82 353 bekannt Hierbei handelt es sich aber
nicht um einen Durchflußmesser mit Viskasitätskompensation.
Eine automatische Zentrierung und Haluerung des
Doppel-T-Kolbens wird dadurch bewirkt, daß die Meßkammer anströmseitig in ein sich verjüngendes,
dem Außenumfang des Primärkolbens angepaßtes Ende übergeht.
Zur weiteren Erhöhung der Zentrierwirkung, guten Führung des Doppel-T-Kolbens und Gewiihrleistung
einer sicheren Trennung der unterschiedlichen Druckbereiche in der Meßkammer und im Zylinder sind
zwischen dem Sekundärkolben und der Innenwand des Zylinders wenigstens ein, vorzugsweise zwei Dichtungsringe
im Abstand nacheinander angeordnet
Für eine lineare Beziehung zwischen der Durchfluß- jo
rate und der auf den Doppel-T-Kolben w.i-kenden resultierenden Kraft wird dadurch gesorgt, daß der
Konuswinkel der Meßkammer so gewählt ist, daß der Flächeninhalt der zwischen der Seitenwand des
Primärkolbens und der Innenwand der Meßkammer befindlichen Ringfläche proportional zur Quadratwurzel
der Kolbenauslenkung ist.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der schematischen Darstellungen näher erläutert.
In den Zeichnungen zeigt
Fig. 1 eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt, des Ausführungsbeispiels und
Fig.2 eine graphische Darstellung deir Relation
zwischen den verschiedenen Druckdifferenzen und Durchflußraten.
F i g. 1 zeigt den inneren Aufbau des Durchflußmessers und die äußere Ableseskala, welche die Durchflußrate
des Fluides anzeigt. Der Durchflußmesser ist zum Einbau in eine das Fluid fördernde Leitung (nicht
gezeigt) bestimmt. Das Fluid tritt in den Durchflußmesser in eine Eintrittsöffnung 11 ein, fließt dann um einen
Primärkolben 12 und gelangt in eine Meßkammer 13 im Hauptkörper 30 des Durchflußmessers. Der Fluidaustritt
aus der Meßkammer 13 erfolgt durch eine Austrittsöffnung 14, an welcher eine Verblndungsleitung
(nicht gezeigt) angeschlossen ist. Die Pfeile zeigen die Durchflußrichtung des Fluides an.
Der einzige sich bewegende Teil im Durchflußmesser ist ein aus dem Primärkolben 12 und einem Sekundärkolben
16 bestehender Doppelkolben. Die Kolben 12 und 16 sind durch einen Schaft 15 miteinander
verbunden. Der Scha' ;ΐ ieicht bis in einen Ablesebzw.
Anzeigebereich 32, in welchem er den Durchfluß auf einem Durchflußanzeiger 20 anzeigt. Eine Spiralfeder
18 hält den Primärkolben 12 in einem sich verjüngenden Ende 34 der Meßkammer 13. Wenn kein
Fluid strömt, sitzt der Primärkolben 12 im konturierten Hals bzw. sich verjüngenden Ende 34 der Meßkammer
13; der Durchflußmesser zeigt dann einen Nulldurchfluß an. Die Spiralfeder 18 stützt sich zwischen dem äußeren
Ende 36 eines den Sekundärkolben 16 aufnehmenden Zylinders 21 und dem Sekundärkolben 16 ab. Ferner ist
am äußeren Ende 36 des Zylinders 21 ein Entlüftungsventil IS vorgesehen.
Zwischen dem Sekundärkolben 16 und der Wand des Zylinders 21 sind Dichtungsringe 17 vorgesehen, die
verhindern, daß Fluid vom Zylinder 21 in die Meßkammer 13 gelangt Die Dichtungsringe 17 wirken
ferner als Lagerungslemente zwischen dem Zylinder 21 und dem Sekundärkolben 16.
Die Innenwandung 25 der Meßkammer 13 ist so gestaltet, daß das den Primärkolben 12 umströmende
Fluid eine direkte Anzeige der Durchflußrate als Funktion des Kolbenhubes innerhalb der Meßkammer
13 zur Folge hat. Im dargestellten Ausführungsbeispiel hat die anströmseitige Fläche A 1 des Primärkolbens 12
einen kleineren Durchmesser als die abströmseitige Fläche A 1'. Hierdurch wird erreicht daß sich der
Primärkolben 12 im verjüngenden Ende 34 selbst zentriert und einen einwandfreien Sitz hat, wenn kein
Fluid strömt Strömt das Fluid, hat die auf den Primärkolben 12 wirkende Druckdifferenz zur Folge,
daß sich dieser in Richtung der Fluidströmung gegen die Spiralfeder 18 bewegt Die Federkonstante K der
Spiralfeder 18 ist auf die gewünschte Vorbelastung des Primärkolbens 12 abgestimmt Wenn der Vorbelastungsfaktor,
der Druckabfall über den Primärkolben 12, die Federeichung und die Wandkontur des der
Meßkammer 13 bekannt sind, können die Strömungsparameter des Fluides bestimmt werden.
Die Fluidströmung hängt von der dimensionslosen Reynolds-Zahl ab. Für diese gilt:
wobei gilt
Reynolds-Zahl = ω^
d = Durchmesser des Rohres [cm],
ω = Durchflußgeschwindigkeit [cm/sec],
ρ = Dichte des Fluides in Masseneinheiten [g/cm3],
μ = absolute Viskosität [Poise].
Bekanntlich ist durch den Wert der Reynolds-Zahl die Strömungsart festlegbar. Oberhalb eines kritischen
Wertes der Reynolds-Zahl wird die Strömung als turbulent bezeichnet, unterhalb dieses Wertes wird die
Strömung als laminar oder viskos bezeichnet. Der erfindungsgemäße Durchflußmesser ist unabhängig
vom jeweiligen Wert der Reynolds-Zahl.
Die Kontur der Meßkammer 13 und die scharfe Hinterkante des Primärkolbens 12 sollen mögliche
Auswirkungen einer Veränderung der Reynolds-Zahl weiter herabsetzen. Diese baulichen Merkmale bewirken
darüber hinaus eine lineare und zuverlässige Anzeige der Fluiddurchflußrate.
Zur Erläuterung der zur Durchflußrate direkt proportionalen Auslenkung des Doppel-T-Kolbens in
Abhängigkeit von der Ausgestaltung des Primärkolbens 12 und der Meßkammer 13 dienen die folgenden
Ausführungen.
Es sei zunächst eine Fluidströmung mit hoher Reynolds-Zahl durch den Durchflußmesser angenommen.
Unter dieser Bedingung ist der Strömungsaustrittskoeffizient Cd der zwischen dem Primärkolben 12
und der Wandkontur der Meßkammer 13 fließenden
Strömung im wesentlichen konstant. Das Verhältnis von Durchflußrate zur Auslenkung ergibt sich aus den
folgenden Überlegungen:
Q = CdA(x)
2 IP
wobei gilt:
C = | Durchflußrate, |
cd = | Austrittskoeffizient, |
A(x) = | Ringfläche zwischen dem Primärkolben 12 und |
der Meßkammer 13; diese Größe ist eine | |
Funktion der Kolbenauslenkung x, | |
χ = | Kolbenauslenkung, |
Q = | Fluiddichte, |
AP = | Druckdifferenz am Kolben. |
Ferner sei angenommen, daß die Beziehung zwischen der effektiven Druckdifferenz P und der Kolbenauslenkung
* folgender Gleichung genügt:
Fr,su„ =(
wobei gilt:
Ap = effektiver Flächeninhalt des Kolbens,
AP — effektive Druckdifferenz,
K = Federkonstante,
χ = Kolbenauslenkung.
Aufgrund der Formgebung der Innenwand 25 der Meßkammer 13 und der Außenwandung des Primärkolbens
12 gilt folgende Gleichung:
A(X) = C1 I .γ. (3)
wobei gilt:
Ci = willkürliche Konstante.
Ci = willkürliche Konstante.
Einsetzen der Gleichungen (2) und (3) in die Gleichung 1 ergibt:
2K
„AP
Gemäß Gleichung (4) ist Q, d. h. also die Durchflußrate,
direkt proportional zur Kolbenauslenkung x, falls Cd
konstant ist
Die Faktoren Ci, Ap und K sind Parameter, die so
gewählt werden können, daß die gewünschte Auslenkung des Durchflußmessers erhalten wird. Diese
Information in Kombination mit der Dichte und der Reynolds-Zahl der Strömung wird zur Bestimmung der
für eine besondere Durchflußgeschwindigkeit erforderliche Kolbenauslenkung verwendet Die Durchfluß-Ableseskala
20 ist so geeicht, daß der Durchfluß unmittelbar abgelesen werden kann.
Entscheidend für die Viskositätskompensation des erfmdungsgemäßen Durchflußmessers ist nun eine
Bohrung 24, welche den Zylinder 21 mit dem Rand des Primärkolbens 12 verbindet Die Bohrung 24 mündet an
einer Sekundäröffnung 26 im Schaft 15 innerhalb des Zylinders 21. Von der Sekundäröffnung 26 verläuft die
Bohrung 24 über den Schaft 15 zum Primärkolben 12 in welchen sie abgewinkelt ist und an einer Primäröffnung
23 im ringförmigen Teil des Primärkolbens 12 endet.
Im folgenden wird nun die Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Durchflußmessers beschrieben.
Wenn die Fluidströmung durch die Eintrittsöffnung
Wenn die Fluidströmung durch die Eintrittsöffnung
(1) 11 anwächst, hat die zwischen dem Fluid in der Eintrittsöffnung 11 und in der Meßkammer 13
bestehende Druckdifferenz zu Folge, daß sich der Primärkolben 12 entgegen der Spiralfeder 18 bewegt.
ίο Bei zunehmendem Fluiddurchfluß bewegt sich der
Primärkolben 12 in Richtung zur Austrittsöffnung 14. Demgemäß bewegt sich der Sekundärkolben 16 weiter
in den Zylinder 21 hinein. Das Ende 38 des Schaftes 15 dient zur Anzeige der Durchflußrate an der geeichten
Ableseskala 20. Die Ableseskala 20 befindet sich an einem Fenster, das in der Wand des Zylinders 21
vorgesehen und durch welches das Ende 38 des Schaftes 15 beobachtbar ist. Ferner kann eine geeignete
Einrichtung zur Fernablesung vorgesehen werden.
In Fig.2 wird mit P1 der Druck oberstromseitig des
Primärkolbens 12 in der Eintrittsöffnung 11, mit Pi der
Druck unterstromseitig des Primärkolbens 12 innerhalb der Meßkammer 13 und mit Pj der Druck im
(2) ringförmigen Bereich um den Primärkolben 12 bzw. an der Primäröffnung 23 bezeichnet. Der Druck Pj am
ringförmigen Bereich des Primärkolbens 12 ist gleich dem im Zylinder 21 herrschenden Druck, da beide
Bereiche durch die Bohrung 24 miteinander verbunden sind.
Die graphische Darstellung gemäß Fig.2 zeigt die
Relation zwischen zunehmender Druckdifferenz und Durchflußrate für Fluide hoher und niedriger Viskosität.
Durch Laboratoriumsversuche wurde ermittelt, daß sich die Druckdifferenzen (Px - P2) und (Px - P3) gemäß den
Kurven in F i g. 2 verhalten. Im allgemeinen verändern sich bei Fluiden niedriger Viskosität die Werte
(Px - Pl)Nv. und (Pi - Pj)nv proportional zur Durchflußrate;
die Differenz zwischen den beiden Druckdifferenzen ist klein; also (Px-P2)N ν etwa gleich (P\-P3)Nv-Dies
ist dadurch bedingt, daß sich die Strömung eines Fluides niedriger Viskosität innerhalb der konturierten
Meßkammerwandung 25 im ringförmigen Bereich um den Primärkolben 12, in welchem sich die Öffnung 23
befindet, im wesentlichen wie eine Eintrittsströmung durch eine öffnung mit einer scharfen Endkante verhält,
und daß P3^P2 ist, und zwar unabhängig vom
(4) Durchfluß. Im Gegensatz hierzu besteht bei strömenden
Fluiden hoher Viskosität ein beachtlicher Unterschied zwischen den Druckdifferenzen (Px-P2)Hv und
(px _ P3)HV. Der Druck P3 an der Eintrittsöffnung 23 ist
größer als der Druck P2 innerhalb der Meßkammer 13.
Die Druckdifferenz ("P3 - P2)H. ν sei mit Δ Pc bezeichnet
Wie F ig. 2 zeigt gilt:
Wie F ig. 2 zeigt gilt:
(Λ - P3)h ν - (
Man erhält also bei hoher Viskosität die gleiche Auslenkung des Kolbens wie bei niedriger Viskosität
wenn man dafür sorgt, daß die auf den Kolben wirkende Kraft der folgenden Gleichung genügt:
F = IB(P1 -P3) -B(P3 -P2)]. (6)
Hierbei muß B eine Konstante sein. Denn wegen
P3=P2, also P3-P2=O für Fluide niedriger
Viskosität und wegen Gleichung (5) bei hoher
7 8
Viskosität erhält man dann die gleiche wirksame ausgebildet, daß gilt:
Druckdifferenz.
Druckdifferenz.
Ai-A[^Ax (9)
Für die auf den Doppel-T-Kolben resultierende und
Fluidkraft gilt: 5 A2^lA1, (10)
Fluidkraft gilt: 5 A2^lA1, (10)
F = P1Zl1 +P2Ai-P2AI-P3A2, [I) erhält man durch Einsetzender Gleichungen (9) und (10)
in Gleichung (8) für die gegen die Spiralfeder 18
wobei gilt: wirkende Kraft folgende Beziehung:
in
F = resultierende, gegen die Spiralfeder 18 wirkende F = P1Zl1 + P2Zl1 — - PjZl1
Fluidkraft; ' (H)
P, = Fluiddruck in der Eintrittsöffnung 11; = [Zl1(Pi - P3) - Ax(P2, - P2)] .
P2 = Fluiddruck in der Meßkammer 13;
P2 = Fluiddruck in der Meßkammer 13;
P3 = Fluiddruck im Zylinder 21; 15 Aus einem Vergleich der Gleichungen (11) und (6)
!i| z\i= Flächeninhalt des Primärkolbens, auf weichen ergibt sich, daß Gleichung (II) in Gleichung (6)
■Ά der Fluiddruck innerhalb der Eintrittsöffnung 11 überführt werden kann, wenn man die Konstante B
wirkt; gleich der Konstanten Zl| setzt.
Zl2 = Flächeninhalt des Sekundärkolbens, auf weichen Hieraus folgt, daß der erfindungsgemäße Durchfluß-
der Fluiddruck innerhalb des Zylinders 21 wirkt; 20 messer automatisch Viskositätsänderungen kompen-
j! A'\ = Flächeninhalt des Primärkolbens 12, auf welchen siert.
der Fluiddruck innerhalb der Meßkammer 13 Das Kompensationsverhalten sowie die lineare
wirkt; Funktion zwischen Durchflußrate und Auslenkung
A'2 = Flächeninhalt des Sekundärkolbens 16, auf machen den erfindungsgemäßen Durchflußmesser zu-
welchen der Fluiddruck innerhalb der Meßkam- 25 sätzlich zu den normalen Strömungsüberwachungsfunk-
mer 13 wirkt. tionen für zahlreiche Anwendungsfälle geeignet. Beispielsweise
ist er zur Drehzahlregelung eines Hydromo-
Durch Ordnen der vorangehenden Gleichung ergibt tors mit geschlossener Schleife und Fernanzeige
sich: verwendbar, wobei die Druckdifferenz oder ein hiervon
30 abgeleitetes elektrisches Signal als Steuersignal für ein
ρ = P^1 + p,(/l,' - Zl1') - P3Zl, . (8) Regelventil dienen kann. Bei Verwendung des Durchflußmessers
als Strömungsrückkopplungselement ist es möglich, eine genaue Strömungsregelung von unter-
Wird nun der Doppel-T-Kolben erfindungsgemäß so schiedlichen Verfahrensfluiden aufrechtzuerhalten.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (1)
1. Schwebekörper-Durchflußmesser mit einer sich in Strömungsrichtung konisch erweiternden Meßkammer,
einem der Meßkammer nachgeordneten, gleichförmigen Zylinder, und zwei über einen Schaft
starr miteinander verbundenen, im wesentlichen doppelt-T-förmig zueinander angeordneten Kolben,
wobei der Primärkolben in der Meßkammer angeordnet, der Sekundärkolben im Zylinder eingepaßt
und die Meßkammer mit dem oberhalb des Sekundärkolbens befindlichen Abschnitt des Zylinders
über eine vom Primärkolben durch den Schaft zum Sekundärkolben geführte Bohrung verbunden
ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Primäröffnung (23) der Bohrung (24) im Bereich der
Seitenwandung des Primä>-kolbens (12) angeordnet ist und die an- und abströmseitigen Flächen des
Primär- (12) und Sekundärkolbens (16) folgender Beziehung genügen:
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