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Massendurchflußmesser
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontinuierlichen verlustarmen
Pressung des Massenstromes von Gasen oder Flüssigkeiten in Rohrleitungen. Die Messung
beruht auf einem neuen Prinzip, wobei die von dem strömenden Medium, im folgenden
auch Fluid genannt, bei Richtungsänderung der Strömung auf die Rohrwand ausgeübte
Kraft zur Massenstrommessung ausgenutzt wird.
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Für viele Aufgaben der Technik ist es erforderlich, durch ein Rohr
fließende Mengenströme von Flüssigkeiten oder Gasen zu bestimmen. Dies erfolgt bei
bekannter Dichte des Fluides meist durch Bestimmung des Volumenstromes. Für den
Fall einer Dichteänderung des strömenden Mediums ist es jedoch vorteilhaft, den
Massenstrom zu messen, da sonst, etwa bei zwei in einem bestimmten Massenverhältnis
zu mischen den Stoffen, Abweichungen vom Sollwert auftreten können.
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Die Massendurchflußmessung soll möglichst ohne eingriff in die Strömung
selbst, mit möglichst geringem Druckverlust und ohne Zufuhr von Fremdenergie in
die Strömung erfolgen. Ein solches Gerät ist bisher nicht bekannt.
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Bisherige Geräte, wie z.B. der Schwingungsdurchflußmesser (Deutsches
Patent 1 498 438) oder der Turbinenmassendurchflußmesser oder der Coriolisdurchflußmesser
oder der gyroskopische Durchflußmesser arbeiten mit Zufuhr von Fremdenergie, üblicherweise
Dreh- oder Schwingbewegungen, die auf das Fluid einwirken.
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Ein anderes Gerät, der Durchflußmesser mit beweglichem Rohr (Deutsches
Fatent 1 648 115), mißt das auf ein doppelt gebogenes Rohr wirkende Drehmoment;
Druckverluste treten auf in den beweglichen Zuführunen und an zwei Umlenkstellen.
Bei veränderlicher Dichte des Fluids wird ein massenstromproportionales Signal nicht
gewonnen.
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Das erfindungsgemaße Nassendurchflußmeßverfahren weist diese nachteile
nicht auf. Es ist dadurch gekennzeichnet, daß die von der Strömung ausgeübte Kraft
auf die Rohrwand bei Umlenkung der Strömungsrichtung mithilfe einer beweglich gelagerten
Fläche , deren von der Strömung beaufschlagte Oberfläche dichteabhängig veränderlich
ist, erfaßt wird und daß diese Kraft durch geeignete Meßumformer in ein massenstromproportionales
Signal umgewandelt wird.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen kontinuierlich arbeitenden, auch
bei pulsierender Strömung und bei beliebigem Geschwindigkeitsprofil der Strömung
arbeitenden, viskositätsunabhängi gen Sassendurchflußmesser mit einfacher Gewinnung
des Meßsignals bereitzlstellen.
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Die Erfindung beruht auf folgender Erscheinung: Bei Umlenkung der
Strömungsrichtung eines strömenden ediums (Gas oder Flüssigkeit oder rhasengemisch)
übt dieses nach dem Impulssatz der Hydrodynamik eine Kraft auf die Rohrwand aus
(bei Rohrströmung), diese Kraft wird im folenden Reaktionskraft genannt. Fig. 1
zeigt den Fall einer Umlenkung um 90° bei einem Rohr mit der konstanten Querschnittsfläche
F und konstantem statischem Druck p.
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Das in Fig. 1 mit (2) bezeichnete Rohrstück, im folenden auch Meßfühler
genannt, ist beweglich gelagert und erfährt seitens der Flüssigkeit eine Kraft,
die Reaktionskraft R.
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.;ach dem Impulssatz gilt für die Reaktionskraft R bei Umlenkung des
Rohres um 90° in x-Richtung : Rx= mv -pF /1/ in y-Richtung : Ryw mv -pF /2/ m =
Massenstrom des Fluids v = Geschwindifkeit des Fluids
Die Gleichungen
/1/ bis /5/ gelten für den Fall, daß die gesamte Umlenkarbeit vom Meßfühler geleistet
wird.
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Wirkt, wie in Fig. 1 gezeigt, der statische Druck p auf beiden eiten
des beweglichen Rohrstücks, hängt die Reaktionskraft nur noch von mv ab. s gilt
dann: R = ru = mv /3/ Für den Massenstrom gilt mit # = Dichte des strömenden mediums
: m = Fv /4/ Mit Gl. /3/ ergibt dies : Ry = Rx = 9 Fv² /5/ Die gemessene Kraft wird
kleiner, wenn nur ein Teil der Strömung vom Neßfühler umgelenkt wird. Wählt man
eine Richtung, in der der Meßfühler wirkt, z.B. die y-Richtung, so ist die in der
dazu senkrechten ebene, hier der x-z-Obere, projizierte Fläche des Neßfühlers maßgebend
für die Größe der gemessenen Kraft. Diese Flächenabhänmig keit kann zur Dichtekorrektur
des Meßsignals genutzt werden. Die oben beschriebene projizierte Fläche des Meßfühlers
wird mit A bezeichnet. Geht man von der geringsten bei der Messung vorkommenden
Dichte des Fluids aus und ordnet dieser eine Fläche Ao so zu, daß bei maximaler
vorkommender Dichte
und für Zwischenwerte A = Ao # gilt, so ergibt sich für die vom Meßfühler erfaßte
Kraft RA :
Da Ao konstant ist, ist die Kraft RA proportional zum Quadrat des durch das Rohr
strömenden Massenstromes.
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Durch Radizierung ergibt sich eine massenstromproportionale Anzeige
Da bei der -lerleitung keine Aussagen über Strömungsart, Strömungsprofil und Viskosität
benötigt wurden, ist auch das Meßsignal von diesen Größen unabhängig.
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Das Meßsignal kann auf einfache eise, beispielsweise mit Hilfe einer
Feder mit quadratischer Kennlinie zur Radizierung, in ein massenstromproportionales
#egsignal unOewandelt werden.
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Das Korrekturglied zur dichteabhängigen Anpassung der wirksamen Meßfläche
A kann in der Weise verwi@klicht werden, daß proportional zur Dichteänderunm des
strömenden mediums ein an dem festen Teil des Rohres angebrachtes Flächenstück so
vor den Meßfühler Geschoben wird, daß ein Teil der Strömung von dem vorgeschobenen
Flächenstück umgelenkt wird und somit keine Kraft auf den Meßfühler ausübt. Dieses
Flächenstück (8), dargestellt in Fig. 2, kann von einem dichteabhängigen Dehnkörper
(10) gesteuert werden. Selbstverständlich sind auch andere Korrekturmöglichkeiten
denkbar, ohne daß das erfindungsgemäße Neßprinzip davon berührt wird.
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Die mit der erfindung erzielten Vorteile bestehen darin, daß unter
Verzicht auf Energie zufuhr von außen und ohne Eingriff in die Rohrströmung selbst
der massenstrom eines strömenden mediums bei geringem Druckverlust, mit geringem
meßtechnischem Aufwand kontinuierlich bestimmt werden kann; die Messung ist unabhängig
von Viskosität des Fluids, Strömungsart und -profil.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 2 dargestellt. Es
zeigt einen tlassenstrom-durchflußmesser mit Umlenkung der Strömung um 1800; ein
solches Gerät eignet sich besonders zur Nassenstrombestimmung von Gasen, da bei
diesen sinke die Umlenkkraft am Iieß fühler 2mv als maximalwert erreicht, während
bei kleineren Winkeln diese Kraft entsprechend abnimmt. Entsprechend Fig. a ist
ein Rohrteilstück (2) beweglich in eine weiche Membran(3)eingespannt. hine oeffnung
dient zur Herstellung des statischen Druckausgleichs (4). Die Außenwand (1) dichtet
das Meßgerät zur Umgebung hin ab. Die von der Strömung ausgeübte Kraft
auf
den Meßfühler wird von der auf Druck beanspruchten Feder (5) im Gleichgewicht gehalten.
Bei quadratischer Federkennlinie ergibt sich eine lineare Beziehung zwischen l-;assenstrom
und Federweg, der beispielsweise mit einem Potentiometer (6), aber auch einem ardern
eJgeber erfaßt werden kann. Bei pulsierender Strömung kann die Druckausg-leichsöffnung(4)
als Drossel stelle zur Schwingungsdämpfung ausgeführt werden, sofern dies nicht
genügt, wird ein zeschwindigkeitsproportionaler Dämpfer vorgesehen (7). Vor dem
Meßfühler (2) liegt das Dichtekorrekturglied (8), das bei (9) an der festen Rohrwand(1)
befestigt ist und von dem Dichtefühler (10) gesteuert wird.
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Fig. 3 zeigt die Dichtekorrektureinrichtung allein. Han erkennt zwei
symmetrisch angeordnete , vom Dichtefühler (10) gesteuerte Flächenstücke(8), die
von zwei Seiten her auf die Strömung einwirken, um bessere Symnetrie der Eraftverteilung
auf dem Meßfühler (2) zu gewährleisten.
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L e e r s e i t e