DE2626450A1 - Verfahren zur massendurchflussmessung - Google Patents

Verfahren zur massendurchflussmessung

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Description

Verfahren zur MassendurchfluBmessung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur MassendurchfluBmessung νση Flüssiggas, das aus einem Vorratstank oder dergleichen über eine MeB-ntelle zu einem Verbraucher, gegebenenfalls in Farm eines Speicherbehülters ader dergleichen, gepumpt wird, wobei mindestens der Leitungsbereich bis einschließlich der Meßstelle durch vor der Messung erfolgendes Umwälzen des Flüssiggases durch die Meßstelle und eine dahinter abzweigende Kurzschlußleitung zum Vorratstank zurück auf eine Temperatur heruntergekühlt wird, die unterhalb der Siedetemperatur des Flüssiggases liegt und bei Erreichen dieser Temperatur die Kurzschlußleitung blockiert und die zum Verbraucher führende Leitung geöffnet wird und die Durchflußmessung beginnt.
Die Behandlung von Flüssiggasen wird grundsätzlich durch den Umstand erschwert, daß sie bei Umgebungstemperatur bereits einen erheblich Γ tie r Atmasphärendruck liegenden Dampfdruck erzeugen und daher bestrebt sind, in die dampfförmige Phase überzugehen. Sie müssen deshalb bei Gehr tiefen Temperaturen gehalten werden, im Falle von Kohlensäure bei etuia -30 DC, im Falle von Stickstoff bei etwa -1BG°C.
Am wirtschaftlich bedeutsamsten ist die Mengenmessung beim Abfüllen verschiedener stationärer Speicherbehälter aus Tankwagen heraus. Hierbei ist es üblich, die umgepumpte Flüssiggasmenge durch bliegen des Speicherbehälters vor und nach dem Füllvorgang zu ermitteln.
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4 DOtMldorf, Konrcd-AdwMUM-Platz 11, Τ·Ι·(οη: 3 W<1 HandetengMtrDOtMMorfNr.: HRBtIS · QM*itt»lühr»r: DIpl.-Kfm. Karl Htlnz SOhlk· · Oarhard BMkw-WsM
Diese Methode ist allerdings recht kostspielig, da für jeden Speicherbehälter eine eigene Waage bereitgestellt und diese Waage in bestimmten Zeitabständen geeicht werden muß. Daher sind neuerdings auch Meßverfahren entwickelt worden, die nach dem eingangs beschriebenen Prinzip arbeiten und in der Meßstelle einen Flügelrad- oder Turbinenzähler zur kontinuierlichen Durchflußmessung enthalten. Diese Zähler dürfen aber nicht bei Beginn des Pumpvorganges der Flüssiggasströmung ausgesetzt werden, denn diese befindet sich aufgrund der noch warmen Uerbindungsleitungen vorwiegend in der Dampfphase und uieist deshalb wesentlich höhere Strömungsgeschwindigkeiten auf. Die für die Flüssigkeitsströmung ausgelegten Zähler würden dadurch überdreht. Um diese Gefahr zu beseitigen, ist es bekannt geworden, den Zähler während des Anfahrvorganges zu überbrücken und durch Umwälzen des Flüssiggases in geschlossenem Kreislauf die Leitungen und insbesondere die Meßstelle so weit herunterzukühlen, daß keine Dampfbildung mehr möglich ist. Erst dann wird das Flüssiggas unter Passieren der Meß- :;telle zum Verbraucher geleitet.
Problematisch an dieser bekannten Einrichtung ist der hohe Lagerverschleiß an der Flügelrad- bzw. der Turbinenwelle aufgrund der tiefen Temperatur. Es müssen deshalb besonders kostspielige Lagermetalle eingesetzt werden. Bei der Förderung von flüssigem Stickstoff läßt sich aber auch hierdurch noch keine befriedigende Betriebssicherheit und Lebensdauer erzielen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Meßverfahren für Flüssiggas zu entwickeln, das auch bei besonders tiefsiedenden Flüssigkeiten wie beispielsweise Luft oder Stickstoff mit absoluter Betriebssicherheit eingesetzt werden kann. Weiterhin soll sich das erfindungsgemäße Meßverfahren durch hohe Genauigkeit und einfachen sowie kastengünstigen Aufbau auszeichnen.
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e Aufgabe uird ausgehend von dem eingangs beschriebenen Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Strömung in der Meßstelle gedrosselt uiird und die Messung gemäß der bekannten Gesetzmäßigkeit
M =m . *. An yZ$ .Ap,
ωά3ei M
4p
Massendurchsatz pro Zeiteinheit, Öffnungsverhältnis der DrDSselstelle, Strömungsquerschnitt an der Drosselstelle, Durchflußzahl,
Flüssigkeitsdichte und
Wirkdruck an der Drossel
erfolgt, daß der Förderdruck der Flüssigkeit höher ist als ihr Dampfdruck zuzüglich des maximalen üJirkdruckes an der Drossel und daß die TemperaturabhMngigkeit der Flüssigkeitsdichte durch Temperaturmessung mit einem Halbleiter berücksichtigt uird, dessen Uiderstandscharakteristik über der Temperatur auf den Dichteverlauf der Meßflüssigkeit abgestimmt uird.
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß der Massendurchfluß bei flüssig-dampfförmigen Mischphasen mit dem bekannten Meßprinzip der üJirkdruckmessung an Drosselstellen ermittelt werden kann, uenn man durch ausreichende Druckerhöhung in der Strömung dafür sargt, clfjü keine Dampfphase vorliegt und daß auch die an der Drosselstelle sich momentan einstellende Druckerniedrigung nicht zum örtlichen Ausdampfen führt. Weiterhin beruht die Erfindung auf der Erkenntnis, daß es zur Erzielung einer hohen Meßgenauigkeit unerläßlich ist, die Dichteänderung der Flüssigkeit in Abhängigkeit von der Temperatur zu berücksichtigen. Indem hierfür ein Halbleiter verujendet uird, dessen Uiderstandscharakteristik direkt der Dichte
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-M-
oder einer hiervon abgeleiteten Größe, beispielsweise ihres Kehrwertes, proportional ist, ergibt sich ein besonders geringer meßtechnischer Aufwand.
Der l/orteil der Erfindung besteht darin, daß man keinerlei bewegliche Teile in der Meßstelle benötigt. Dadurch sind die bei tiefen Temperaturen auftretenden üJerkstoffprobleme, insbesondere an den Lagerstellen rotierender Elemente, völlig beseitigt. Zugleich liegt die Meßgenauigkeit und die Betriebssicherheit solcher statischer Meßverfahren höher als bei den bisherigen Verfahren.
Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung des Erfindungsgedankens besteht darin, daß die Drossel die Form eines Kolbens aufweist, der radial in die Strömung ragt und in einer Kugeikappe ausläuft. Dadurch weist die Drossel keine scharfen Kanten auf, an denen sich während des Umpumpens Dampfblasen festsetzen und zu Kavitation führen können. Die Geometrie des Kalbens wird daher auch bei langer Betriebszeit nicht verfälscht. Darüberhinaus stellt der erfindungsgemäße Kolben einen guten Kompromiß zwischen den üblichen Blenden, die ausschließlich Beschleunigungsdruckverlust verursachen, und den auch merklichen Reibungsdruckverlust verursachenden Düsen dar. Der Radius der Kugelkappe und damit auch der Radius des Kolbens wird zweckmäßigerweise etwa gleich dem Rohrradius gewählt.
Bezüglich der Anordnung der Queroahrungen für die Messung des Uirkdruckverlustes ist es vorteilhaft, die eine Querbohrung im engsten Rohrqusrschnitt der Drosselstelle, die andere Querbohrung zumindest um die Größe des Rohrdurchmessers in Strömungsrichtung davor anzuordnen. Dadurch läßt sich der l/erlauf der Durchflußzahl oCals glätte Funktion der Reynoldszahl und damit des Massendurchsatzes M darstellen. Hieraus resultiert eine Vereinfachung des Auswerteverfahrens und bezogen auf den Rechenaufwand eine erhöhte Meßgenauigkeit.
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-Sr-
Die Temperaturmessung zur Berücksichtigung der sich ändernden Flüssigkeitsdichte erfolgt am günstigsten, indem der Temperaturfühler im Drosselkolben angeordnet wird. Um ohne großen Rechenaufwand aus den gemessenen Temperaturwerten auf die zugehörige FlüsGigkeitadichte schließen zu können, hat es sich als besonders zweckmäßig eruiesen, zu dem Halbleiter für die Temperaturmessung ein Potentiometer parallel und ein weiteres Potentiometer in Reihe zu schalten. Dem parallelgeschalteten Potentiometer kommt dabei die Aufgabe zu, die Kennliniensteigung des Halbleiters an die Steigung des Dichteverlaufs über die Temperatur anzugleichen, wohingegen mit dem in Reihe geschalteten Potentiometer eine etuia bestehende Drdinatendifferenz zwischen der Halbleitercharakteristik und dem Dichteverlauf ausgeglichen wird. Selbstverständlich ist es hierbei möglich, nicht direkt die Dichte, sondern eine mit ihr in linearem Zusammenhang stehende Größe wie etwa den Kehrwert als Bezugsgröße zu verwenden. Als geeigneter Halbleiter kommt beispielsweise ein Heißleiter in Betracht.
Schließlich ist es noch vorteilhaft, an der Meßstelle einen Druckschalter mit Zeitrelais und hinter der Meßstelle einen Strömungswiderstand einzubauen, wobei der Druckschalter nach Überschreiten eines vorbestimmten Mindestdruckes an der Msßstelle und Uerstreichen einer gewissen Sicherheitsspanne die Leitung zum Verbraucher freigibt. Auf diese LJeise ist automatisch sichergestellt, daß die durch die Meßstelle strömende Flüssigkeit nur in der flüssigen Phase vorliegt.
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles anhand von Zeichnungen; darin zeigt:
Fig. 1 ein Fließschema;
Fig. 2 ein Zustandsdiagramm im Zweiphasenbereich;
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Fig. 3 die Schaltung des Halbleiters für die Temperaturmessung und
Fig. k den Verlauf des Ohmschen Widerstandes und des Dichtekehrwertes über der Temperatur.
In dem Vorratstank 1 befindet sich Flüssiggas im Sättigungszustand, d. h., seine Druck- und Temperaturwerte liegen auf der in Fig. 2 eingezeichneten Grenzkurve. Eine Entnahmeleitung 2 führt über eine Pumpe 3 zur Meßstelle k. Hinter der Meßstelle ist ein Dreiwege-Ventil 5 angeordnet, welches das Flüssiggas entweder über die Kurzschlußleitung 6 zurück in den Tank 1 oder über die Leitung 7 in den verbraucherseitigen Speicherbehälter B leitet. Das Dreiwege-Ventil 5 wird durch einen an der Meßstelle angeordneten Druckschalter 9 und ein nicht dargestelltes Zeitrelais gesteuert.
Die Meßstelle k ist zur besseren Erläuterung vergrößert dargestellt. Sie besteht aus einem zylindrischen Rohrstück, an dessen Einlauf ein Strömungsgleichrichter 10 zur Vergleichmäßigung der Strömung angeordnet ist. Am Ende ist ein Strömungswiderstand 11 angeordnet. Dazwischen sitzt ein in Radialrichtung justierter Kolben 12, der an seinem in die Strömung ragenden Ende in einer Kugelkappe ausläuft. Im Inneren des Kolbens 12 sitzt ein Temperaturfühler in Form eines Heißleiters 13.
Zwei Querbahrungen Ik und 15 sind an eine Differenzdruckdose 16 angeschlossen, die ein dem ülirkdruckverlust entsprechendes Signal erzeugt. LJährend die eine Querbohrung 15 im engsten Strömungsquerschnitt angeordnet ist, richtet sich die Positionierung der davor liegenden Querbohrung 1*t nach dem Leitungsdurchmesser.
Die Funktion ist folgende: Sobald die Leitung 7 an den Verbraucherbehälter β angeschlossen ist, gibt ein nicht dargestelltes Ventil die Leitung 2 frei. Der Druckschalter 9 hält dabei die Leitung 7 blockiert, die Kurzschlußleitung 6 hingegen auf. Das Flüssiggas
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entspannt sich zunächst im Leitungssystem und zirkuliert van der Pumpe 3 angetrieben in zunächst noch gasförmiger Phase. Durch das Umwälzen im geschlossenen Kreislauf wird das Leitungssystem allmählich heruntergekühlt, so daß der Anteil der flüssigen Phase zunimmt und der Förderdruck der Pumpe 3 ansteigt. Dieser Druckanstieg wird durch einen hinter der Meßstrecke eingebauten Strömungswiderstand 17 begünstigt.
Ist der Leitungsdruck um ein vorbestimmtes Maß über den Sättigungsdruck im Tank 1 angestiegen, so spricht der Druckschalter 9 an und schaltet ein nicht dargestelltes Zeitrelais ein. Dieses Zeitrelais gibt nach etwa einer Minute die auf dem Dreiwege-Uentil 5 lastende Sperre frei, so daß nun nach Bedarf dieses V/entil umgeschaltet und der Verbraucherbehälter ß gefüllt werden kann. Zugleich mit dem Umschalten des Ventiles 5 wird auch der Durchflußzähler in Gang gesetzt.
Durch das Zeitrelais wird sichergestellt, daß der Temperaturfühler für die Dichtekorrektur seinen Betriebszustand erreicht.
Fig. 2 verdeutlicht die beim Umpumpen und Messen sich einstellenden Druck- und Enthalpieänderungen. Der auf der Grenzkurve liegende Zustandspunkt I gibt dabei die Werte im Tank 1 wieder. Um zu vermeiden, daß durch den an der Drossel eintretenden Wirkdruckverlust/4p eine Zustandsänderung zur Dampfphase hin erfolgt, entsprechend dem Zustandspunkt II, muß das Flüssiggas durch die Pumpe 3 auf einen höheren Druck, beispielsweise entsprechend dem Zustandspunkt III komprimiert werden. Die Entspannung an der Drosselstelle führt dann zu einem oberhalb der Grenzkurve, also im Flüssigkeitsgebiet liegenden Zustandspunkt IU.
-B-
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Fig. 3 zeigt die Schaltung des beispielshalber als Heißleiter R., dargestellten Temperaturfühlers 13. Er ist mit einem Potentiometer 18 parallel und einem weiteren Potentiometer 19 in Reihe geschaltet. Betrachtet man lediglich den Heißleiter 13, so würde dieser eine Abhängigkeit seines Ohmschen Widerstandes über der Temperatur aufweisen, uiie sie die durchgezogene Linie in Fig. k zeigt. Durch entsprechendes l/erstellen des parallelgeschalteten Potentiometers 18 läßt sich der Verlauf des durch den Potentiometer und den Heißleiter gebildeten Widerstandes in seiner Steigung verändern, so daß sich der gleiche Steigungsverlauf einstellt wie für die Dichte <P , entsprechend der strichpunktierten Linie. Um beide Kurven zur Deckung zu bringen, bedarf es lediglich noch einer Drdinatenverschiebung, die mit Hilfe des in Reihe geschalteten Potentiometers 19 erfolgt. Der Gesamtwiderstand aus beiden Potentiometern und dem Heißleiter zeigt dann exakt dieselbe Temperaturabhängigkeit wie die Dichte oder proportional der Dichte.
Die automatische Auswertung der Meßwerte geht folgendermaßen vor sich: Das Signal der Differenzdruckdose 16 wird in eine dem Differenzdruck/i ρ proportionale Spannung U umgewandelt. Der Heißleiter in Verbindung mit seinen beiden Potentiometern erzeugt eine dem spezifischen Volumen VeP proportionale Spannung U. Beide Spannungen werden einem Analogrechner zugeführt, der entsprechend der Gleichung
A = C Q-^r- ) m,
'wobei m und C Apparatekonstanten sind,
eine dem Massendurchsatz pro Zeiteinheit M proportionale Ausgangsspannung erzeugt. Diese Ausgangsspannung wird mit einem Saannungs/ Frequenzwandler in eine Frequenz umgewandelt. Mit einem elektromechanischen Zähler wird diese Frequenz gezählt, so daß der Zähler den Massendurchsatz, beispielsweise in kg, anzeigt.
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Stromausfall, zu frühes Abschalten oder Ansaugen von Dampf bzu. Gas durch die Pumpe bewirken, daß das Dreimege-Uentil 5 umgesteuert ujird und der Zähler stehenbleibt. Erst ωεπη das Zeitrelais das Dreiuege-Uentil mieder entriegelt hat, kann das Umfüllen weitergehen.
Zusammenfassend besteht der Vorteil der vorliegenden Erfindung darin, daß man mit einfachen, kostengünstigen Teilen ein noch für tiefste Temperaturen geeignetes und hochgenaues Uerfahren zur Durchflußmessung von Flüssiggasen gefunden hat.
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Claims (7)

  1. Patentansprüche
    f 1. λ/erfahren zur Massendurchflußmessung von Flüssiggas, das aus einem Vorratstank ader dergleichen über eine Meßstelle zu einem Verbraucher, gegebenenfalls in Farm eines Speicherbehälters ader dergleichen gepumpt wird, uabei zumindest der Leitungsbereich bis einschließlich der Meßstelle durch vor der Messung erfolgendes Umwälzen des Flüssiggases durch die Meßstelle und eine dahinter abzweigende Kurzschlußleitung zum Vorratstank zurück auf eine Temperatur heruntergekühlt uird, die unterhalb der Siedetemperatur des Flüssiggases liegt und bei Erreichen dieser Temperatur die Kurzschlußleitung blockiert und die zum Verbraucher führende Leitung geöffnet uird und die Durchflußmessung beginnt, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömung in der Meßstelle (k) gedrosselt uiird und die Messung gemäß der bekannten Gesetzmäßigkeit
    M = m-oc-AD ~ψ>3. Δρ,
    wobei M
    m
    öC
    AD
    Δρ
    Massendurchsatz pro Zeiteinheit,
    öffnungsverhältnis der Drasselstelle,
    Durchflußzahl,
    Strömungsquerschnitt an der Drosselstelle,
    Flüssigkeitsdichte und
    Idirkdruckverlust
    erfolgt, daß der Förderdruck der Flüssigkeit höher ist als ihr Dampfdruck zuzüglich des maximalen momentanen Druckverlustes an der Drossel und daß die Temperaturabhängigkeit der Flüssigkeitsdichte durch Temperaturmessung mit einem Halbleiter (13) berücksichtigt wird, dessen üJiderstandscharakteristik über der Temperatur auf den
    - 11 -
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    ORIGINAL INSPECTS^
    Dichteverlauf der Meßflüssigkeit abgestimmt uird.
  2. 2. Uarrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, daß die Drossel die Form eines Kolbens (12) aufweist, der radial in die Strömung ragt und in einer Kugelkappe ausläuft.
  3. 3. Uorrichtung nach Anspruch 2., dadurch gekennzeichnet, daß der Radius der Kugelkappe und damit auch des Kalbens (12) etum gleich dem Rahrradius (R) ist.
  4. if. Vorrichtung nach Anspruch 2. oder 3., dadurch gekennzeichnet, daß die eine Querbohrung (15) zur Bestimmung des Druckverlustes Δρ etwa im engsten Rohrquerschnitt der Drosselstelle, die andere Querbohrung (14) zumindest um die Größe des Rohrdurchmessers (R) in Strömungsrichtung davor angeordnet ist.
  5. 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2. bis h., dadurch gekennzeichnet, daß der Fühler (13) für die Temperaturmessung im Drosselkolben angeordnet ist.
  6. 6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2. bis 5., dadurch gekennzeichnet, daß zu dem Halbleiter (13) für die Temperaturmessung ein Potentiometer (18) parallel und ein weiteres Potentiometer (19) in Reihe geschaltet ist.
  7. 7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2. bis G., dadurch gekennzeichnet, daß vor der Meßstelle (4) ein Druckschalter (9) und hinter der Meßstelle ein Druckuiiderstand (17) eingebaut ist und daß der Druckschalter nach Überschreiten eines vorbestimmten Mindestdruckes und Verstreichen einer gewissen Sicherheitszeitspanne die Leitung (7) zum Verbraucher (8) freigibt.
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