DE2626450B2 - Vorrichtung zur MassendurchfluBmessung - Google Patents
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Description
M =
wobei m und C Apparatekonstanten sind, eine dem Massendurchsatz pro Zeiteinheit proportionale
Ausgangsspannung erzeugt.
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Massendurchflußmessung
von Flüssiggas, das aus einem Vorratstank od. dgl. über eine Meßstelle zu einem Verbraucher, gegebenenfalls in Form eines Speicherbehälters
od. dgl., gepumpt wird, mit einer zwischen Meßstelle und Verbraucher abzweigenden Kurzschlußleitung,
die über ein Ventil an den Vorratstank anschließbar ist zum Abkühlen des Leitungsbereiches
mit der Meßstelie mittels Umwälzen des Flüssiggases vor der Messung unter die Siedetemperatur.
Die Behandlung von Flüssiggasen wird grundsätzlich durch den Umstand erschwert, daß sie bei Umgebungs-
-) temperatur bereits einen erheblich über Atmosphärendruck
liegenden Dampfdruck erzeugen und daher bestrebt sind, in die dampfförmige Phase überzugehen.
Sie müssen deshalb bei sehr tiefen Temperaturen gehalten werden, im Falle von Kohlensäure bei etwa
ι ο - 30° C, im Falle von Stickstoff bei etwa -180° C.
Durch die DE-OS 22 57 582 ist ein Durchflußmesser mit einem verschiebbaren Meßkörper bekanntgeworden.
Der Meßkörper wird von der Strömung ausgelenkt und verstellt dabei einen Schiebewiderstand. Für sehr
i) tiefe Temperaturen des zu messenden Mediums ist
dieses Prinzip allerdings nicht anwendbar, denn die verschiebbare Anordnung des Meßkörpers ist von der
Werkstoffseite her nur mit aufwendigen Konstruktionen zu lösen. Durch die direkte Verbindung des
Meßkörpers mit dem Schiebewiderstand wird außerdem der Bewegungswiderstand erhöht und die
Ansprechgenauigkeit verringert. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß das elektrische Widerstandselement
für die Temperaturkompensation in der Rohrwand sitzt und durch Wärmeleitung von der Wand starken
Temperaturverfälschungen ausgesetzt ist.
Durch die DE-AS 10 34 875 ist eine Einrichtung zur Berücksichtigung schwankender Temperatur und
schwankenden Druckes bei der Messung des Gewichtsdurchflusses gasförmiger Stoffe bekanntgeworden, wo
der Temperatur-Meßwiderstand als Spule in der Strömung sitzt. Dabei wird die Strömung gestört und
verwirbelt; die Spule muß daher einen erheblichen Abstand zur Meßblende aufweisen, damit die dortigen
j) Druckverhältnisse nicht verfälscht werden. Man hat
dabei allerdings keine Kontrolle, inwieweit sich die Temperatur des Mediums zwischen der Temperaturmcßstcüc
und der Druckmeßstelle geändert hat.
Die DE-OS 25 49 002 betrifft einen Massenstrommesser für gasförmige Medien mit einer Drossel aus einem
System von parallelen engen Kanälen und zusätzlichen Hilfsdrosseln. Die Druckmessung erfolgt über Halbleitermembranen,
deren elektrischer Widerstand der Absolutteinperatur des zu messenden Mediums proportional
ist. Ein separater Temperaturfühler erübrigt sich daher. Dieses System ist jedoch wegen der zahlreichen
Strömungskanäle relativ aufwendig in der Herstellung und im übrigen nur für laminare Strömungsverhältnisse
geeignet.
Die GB-PS 6 37 738 betrifft einen Feuchtemesser, bei dem die Temperaturkompensation mit Hilfe eines
Widerstandes mit negativer Kennlinie erfolgt.
Schließlich ist durch die DE-OS 23 13 099 ein Durchflußmeßgerät für siedende Flüssigkeiten bekanntgeworden,
das eine Drosselstelle mit variablem Querschnitt aufweist. Dabei isi ein Verdrängungskörper
über eine Spindel mehr oder weniger weit radial in das Rohr einfahrbar. Durch ein Schauglas wird festgestellt,
ob an der Drosselstelle Verdampfung stattfindet. Bei bo diesem Gerät handelt es sich um ein Laborgerät, das für
den betrieblichen Einsatz zu unsicher ist. Denn es fehlt vor allem an einer zuverlässigen Temperaturkompensation,
und außerdem ist die Abdichtung der Spindel mittels der Stopfbuchse bei den auftretenden Temperaturunterschieden
einem raschen Verschleiß ausgesetzt.
Die Massendurchflußmessung von Flüssiggasen erfolgt daher üblicherweise dadurch, daß man die
umgepumpte Flüssiggasmenge durch Wiegen des
Speicherbehälters vor und nach dem Füllvorgang ermittelt. 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 in der
Meßstelle einen Flügelrad- oder Turbinenzähler zur kontinuierlichen Durchflußmessung enthalten. Problematisch
an dieser bekannten Einrichtung ist der hohe Lagerverschleiß an der Flügelrad- bzw. der Turbinenwelle
aufgrund der tiefen Temperatur. Es müssen deshalb sühr 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, eine Meß vorrichtung für Flüssiggas zu entwickeln, die auch
bei besonders tiefsiedenden Flüssigkeiten wie beispielsweise Luft oder Stickstoff mit absoluter Sicherheit
eingesetzt werden kann. Weiterhin soll sich die erfindungsgemäße Vorrichtung durch hohe Genauigkeit
und einfachen sowie kostengünstigen Aufbau auszeichnen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Drossel in Form eines Kolbens, der radial in die
Strömung ragt und in einer Kugelkappe ausläuft, als Differenzdruckgeber vorgesehen ist, daß vor der
Meßstelle ein Druckschalter und hinter der Meßstelle ein Druckwiderstand eingebaut ist und daß der
Druckschalter nach Überschreiten eines bestimmten Mindestdruckes und Verstreichen einer gewissen
Sicherheitszeitspanne die Leitung zum Verbraucher freigibt und daß ein Halbleiter zur Berücksichtigung der
Flüssigkeitsdichte im Drosselkolben angeordnet ist, dessen Widerstandscharakteristik bezüglich der Temperatur
auf den Dichteverlauf der Meßflüssigkeit abstimmbar ist, wozu ein Potentiometer parallel und ein weiteres
Potentiometer in Reihe zu dem Halbleiter geschaltet ist.
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß der Massendurchfluß bei flüssig-dampfförmigen Mischphasen
mit dem bekannten Meßprinzip der Wirkdruckmessung an Drosselstellen ermittelt werden kann, wenn
man durch ausreichende Druckerhöhung in der Strömung dafür sorgt, daß keine Dampfphase vorliegt
und daß auch durch die Ausbildung des Kolbens ohne scharfe Kanten oder vorspringende Teile kein lokales
Ausdampfen zu befürchten ist. Da man keinerlei bewegliche Teile in der Meßstelle benötigt, ergibt sich
der weitere Vorteil, daß die Temperaturmessung unmittelbar im Drosselkolben erfolgen kann. Dieser ist
aufgrund seiner der Strömung ausgesetzten Position keinen Temperaturverfälschungen durch Wärmeleitung
von außen unterworfen und vermag auch schneller auf Temperaturänderungen des Mediums anzusprechen.
Außerdem wird die Meßgenauigkeit noch dadurch erhöht, daß der Ort für die Druck- und die
Temperaturmessung derselbe ist und man keine unkontrollierten Strömungswege zwischen beiden
Meßpunkten in Kauf nehmen muß.
Der Radius der Kugelkappe des Meßkolbens und damit auch der Radius des Meßkolbens selbst wird
zweckmäßigerweise etwa gleich dem Rohrradius gewählt. Dies hat sich bei Probemessungen als
besonders günstige Dimensionierung erwiesen.
Bezüglich der Anordnung der Querbohrungen für die Messung des Wirkdruckverlustes ist es vorteilhaft, die
eine Querbohrung im engsten Rohrquerschnitt der Drosselstelle, die andere Qrierbohrung zumindest um
die Größe des Rohrdurchmessers in Strömungsrichtung davor anzuordnen. Dadurch läßt sich der Verlauf der
Durchflußzahl als glatte Funktion der Reynoldszahl und damit des Massendurchsatzes M darstellen. Das
-, Auswerteverfahren wird hierdurch vereinfacht, und bezogen auf den Rechenaufwand ergibt sich eine
erhöhte Meßgenauigkeit.
Für die Auswertung ist es schließlich zweckmäßig, die
dem Differenzdruck proportionale Spannung und die
κι dem spezifischen Volumen proportionale Spannung
einem Analogrechner einzugeben, der entsprechend der Gleichung
M =
wobei m und C Apparatekonstanten sind, eine dem
Massendurchsatz pro Zeiteinheit proportionale Ausgangsspannung erzeugt.
jo Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen
näher beschrieben; dabei zeigt
F i g. 1 ein Fließschema,
F i g. 1 ein Fließschema,
F i g. 2 ein Zustandsdiagramm im Zweiphasenbereich,
Fig.3 die Schaltung des Halbleiters für die
_>-, Temperaturmessung und
F i g. 4 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 Temperatur-
Hi werte liegen auf der in F i g. 2 eingezeichneten
Grenzkurve. Eine Entnahmeleitung 2 führt über eine Pumpe 3 zur Meßstelle 4. Hinter der Meßstelle ist ein
Dreiwege-Ventil 5 angeordnet, welches das Flüssiggas entweder über die Kurzschlußleitung 6 zurück in den
ι-, Tank 1 oder über die Leitung 7 in den verbraucherseitigen
Speicherbehälter 8 leitet. Das Dreiwege-Ventil 5 wird durch einen an der Meßstelle angeordneten
Druckschalter 9 und ein nicht dargestelltes Zeitrelais gesteuert.
4(i Die Meßstelle 4 ist zur besseren Erläuterung
vergrößert dargestellt. Sie besteht aus einem zylindrischen Rohrstück, an dessen Einlauf ein Strömungsgleichrichter 10 zur Vergieichmäßigung der Strömung
angeordnet ist. Am Ende ist ein Strömungswiderstand
4-, 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 I icißleiters 13.
Zwei Querbohrungen 14 und 15 sind an eine Differenzdruckdose 16 angeschlossen, die ein dem
Wirkdruckverlust entsprechendes Signal erzeugt. Während die eine Querbohrung 15 im engsten Strömungsquerschnitt angeordnet ist, richtet sich die Positionie-
rung der davor liegenden Querbohrung 14 nach dem Leitungsdurchmesser.
Die Funktion ist folgende: Sobald die Leitung 7 an den Verbraucherbehälter 8 angeschlossen ist, gibt ein
nicht dargestelltes Ventil die Leitung 2 frei. Der
bo Druckschalter 9 hält dabei die Leitung 7 blockiert, die
Kurzschlußleitung 6 hingegen auf. Das Flüssiggas entspannt sich zunächst im Leitungssystem und
zirkuliert von 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-Ventil 5 lastende Sperre frei, so daß nun nach Bedarf dieses
Ventil umgeschaltet und der Verbraucherbehälter 8 gefüllt werden kann. Zugleich mit dem Umschalten des
Ventils 5 wird auch der Durchflußzähler in Gang gesetzt.
Durch das Zeitrelais wird sichergestellt, daß der Temperaturfühler für die Dichtekorrektur seinen
Betriebszustand erreicht.
F i g. 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 Δ ρ 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 IV.
Fig. 3 zeigt die Schaltung des beispielshalber als Heißleiter R11 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, wie sie die durchgezogene Linie in F i g. 4 zeigt. Durch entsprechendes Verstellen 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 o, entsprechend der strichpunktierten Linie.
Um beide Kurven zur Deckung zu bringen, bedarf es lediglich noch einer Ordinatenverschiebung, die mil
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 Δ ρ proportionale Spannung ^,,umgewandelt. Der Heißleiter
in Verbindung mit seinen beiden Potentiometern erzeugt eine dem spezifischen Volumen I/o proportionale
Spannung LJ. Beide Spannungen werden einem Analogrechner zugeführt, der entsprechend der Gleichung
Λ/ - C
wobei m und C Apparatekonslanten sind, eine derr
Massendurchsatz pro Zeiteinheit M proportionale Ausgangsspannung erzeugt. Diese Ausgangsspannung
2", wird mit einem Spannungs/Frequenzwandler in eine
Frequenz umgewandelt. Mit einem elektromechanischen Zähler wird diese Frequenz gezählt, so daß der
Zähler den Massendurchsatz, beispielsweise in kg anzeigt.
in Stromausfall, zu frühes Abschalten oder Ansauger
von Dampf bzw. Gas durch die Pumpe bewirken, daß das Dreiwege-Ventil 5 umgesteuert wird und der Zählet
stehenbleibt. Erst wenn das Zeitrelais das Dreiwege-Ventil wieder entriegelt hat, kann das Umfüllen
j-, weitergehen.
Zusammenfassend besteht der Vorteil der vorliegenden Erfindung darin, daß man mit einfachen, kostengünstigen
Teilen ein noch für tiefste Temperaturen geeignetes und hochgenaues Verfahren zur Durchfluß-
4(1 messung von Flüssiggasen gefunden hat.
Hierzu 2 BhUi Zeichnungen
Claims (4)
1. Vorrichtung zur Massendurchflußmessung von Flüssiggas, das aus einem Vorratstank od. dgl. über
eine Meßstelle zu einem Verbraucher, gegebenenfalls in Form eines Speicherbehälters od. dgl.,
gepumpt wird, mit einer zwischen Meßstelle und Verbraucher abzweigenden Kurzschlußleitung, die
über ein Ventil an den Vorratstank anschließbar ist zum Abkühlen des Leitungsbereiches mit der
Meßstelle mittels Umwälzen des Flüssiggases vor der Messung unter die Siedetemperatur, dadurch
gekennzeichnet, daß eine Drossel in Form eines Kolbens (12), der radial in die Strömung ragt
und in einer Kugelkappe ausläuft, als Differenzdruckgeber vorgesehen ist, daß vor der Meßstelle (4)
ein Druckschalter (9) und hinter der Meßstelle ein Druckwiderstand (17) eingebaut ist und daß der
Druckschalter (9) nach Überschreiten eines vorbestimmten Mindestdruckes und Verstreichen einer
gewissen Sicherheitszeitspanne die Leitung (7) zum Verbraucher (8) freigibt und daß ein Halbleiter (13)
zur Berücksichtigung der Flüssigkeitsdichte im Drosselkolben (12) angeordnet ist, dessen Widerstandscharakteristik
bezüglich der Temperatur auf den Dichteverlauf der Meßflüssigkeit abstimmbar ist, wozu ein Potentiometer (18) parallel und ein
weiteres Potentiometer (19) in Reihe zu dem Halbleiter (13) geschalte: ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Radius der Kugelkappe und damit
auch des Kolbens (12) etwa gleich dem Rohrradius ist.
3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die eine
Querbohrung (15) zur Bestimmung des Druckverlustes Δ ρ etwa im engsten Rohrquerschnitt der
Drosselstelle, die andere Querbohrung (14) zumindest um die Größe des Rohrdurchmessers in
Strömungsrichtung davor angeordnet ist.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die dem
Differenzdruck proportionale Spannung und die dem spezifischen Volumen proportionale Spannung
einem Analogrechner eingegeben werden, der entsprechend der Gleichung
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