DE2630771B2 - Venturikanal-Sonde - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Venturikanal-Sonde zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit in einem strömenden Medium, mit einem in einem an beiden Enden offenen Rohrkörper gebildeten Venturikanal, der zwischen Ein- und Ausgang eine Querschnittsverengung aufweist, mit einer Minusdruckentnahme am oder unmittelbar hinter dem engsten Querschnitt und einer Plusdruckentnahme, an die ein Differenzdruck-Wandler angeschlossen ist.

Das durch einen Venturikanal strömende flüssige oder gasförmige Medium wird durch die Verengung auf höhere Geschwindigkeit und niedrigeren Druck, in dem als Diffusor wirkenden, sich erweiternden Rohrteil aber nahezu wieder zurück in den ursprünglichen Zustand gebracht. Die Strömungsgeschwindigkeit ergibt sich aus der Bernoulli-Gleichung. Sie ist der Wurzel aus dem Druckunterschied zwischen dem Druck in der vorderen öffnung, dem sogenannten Plusdruck, und dem Druck im engsten Querschnitt, dem sogenannten Minusdruck, proportional. Diese Druckdifferenz kann mit einem U-Rohr-Manometer gemessen werden und ist ihrerseits proportional zu der sich einstellenden Differenzhöhe multipliziert mit der Dichte des im U-Rohr zur Messung verwendeten Mediums. Da der Diffusorteil den Zulaufdruck nicht völlig wieder herstellt, tritt im Venturi-Rohr ein Druckverlust auf, der über durch Eichung ermittelte Korrekturfaktoren berücksichtigt wird. Bei der Ermittlung dieses Korrekturfaktors wird davon ausgegangen, daß im Bei eich der Druckentnahmen ein turbulenter Strömungszustand herrscht, d. h. bei Wasser als Medium die Reynolds-Zahl größer als 2300 ist. Bekanntlich kann die Druckentnahme durch Ringkammern oder Einzelanbohrungen erfolgen.

Nach dem Stand der Technik hat man zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit in großen Wassertiefen Propeller oder schaufelradartige Rotoren verwendet, um aus der Anzahl der Umdrehungen pro Zeiteinheit nach Eichung die Strömungsgeschwindigkeit zu ermitteln. Bei diesen Meßvorrichtungen kann die Umdrehungszahl und Richtung des Meßgerätes durch Impulse registriert und in für die Computerauswertung geeigneter Weise gespeichert werden. Allerdings lassen sich mit derartigen Vorrichtungen niedrige Strömungsgeschwindigkeiten in der Größenordnung von einigen Zentimetern pro Sekunde nicht mehr erfassen.

Andere Strömungsmeßsonden arbeiten nach dem Prinzipderelektromagnetischen Induktion, wobei das Seewasser als elektrischer Leiter benutzt wird. Dabei wird jedoch ein konstanter Elektrolytgehalt des Sccwassers vorausgesetzt. Eine andere Meßsonde arbeitet nach dem Verfahren des akustischen Mitführungs-

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Seewassers auf der Meßstrecke voraussetzt. Außerdem muß die Achse der Meßstrecke mit der Strömungsrichtung übereinstimmen, d. b. dieses Verfahren ist stark richtungsempfindlich.

In der FR-PS 1407151 ist eine Venturikanal-Sondeneinheit der eingangs genannten Gattung beschrieben, die als Windgeschwindigkeitsmesser für Kräne ausgebildet ist. Sie weist ein Venturirohr auf, an dessen Einschnürung ein Kanal abgezweigt ist, der mit einer Barometerdose in Verbindung steht. Die Barometerdose ist von einem Gehäuse umschlossen, in welchem der statische Druck der umgebenden Luft herrscht, das also gewissermaßen als Plusdruckentnahrne wirkt. Somit wird die Barometerdose mit dem Differenzdruck zwischen dieser Plusdruckentnahme und der als Minusdruckentnahme anzusehenden Anzapfung des Venturirohrs beaufschlagt und gibt durch Ausdehnung oder Kontraktion eine Anzeige des Differenzdruckes, der ein Maß für die Windgeschwindigkeit darstellt. Wegen der räumlichen Trennung der Minusdruckentnahme und der Plusdruckentnahme ist eine derartige Einrichtung zwangsläufig mit erheblichen Meßfehlern behaftet.

In der deutschen Patentanmeldung E 65 25 IX/42e ist bereits ein Differenzdruckmesser zur Ermittlung des Druckunterschiedes vor und hinter einer Drosselöffnung in einer Rohrleitung beschriebei.. Die Meßeinrichtung weist in einem Gehäuse zwei miteinander starr gekoppelte Membranen auf, die von je einer Druckentnahme der Leitung beaufschlagt sind und deren Auslenkung zur Ermittlung des. Differenzdrukkes elektromagnetisch kompensiert ist, wobei der Kompensationsstrom als Maß für den Differenzdruck gewertet wird.

Aus der DE-OS 2 162658 ist auch bereits ein Differenzdruck-Meßgerät bekanntgeworden, das zwei miteinander verkoppelte Membranen und eine elektrische Meßeinrichtung für deren Auslenkung aufweist, wobei zur Temperaturkompensation zwischen die gekoppelten Membranen eine Füllflüssigkeit eingebracht ist.

In der DE-OS 2051829 ist die besondere geometrische Ausbildung eines Venturirohrs mit zwei Druckentnahmen dargestellt, wobei jedoch die Auswertung der Drücke dieser Druckentnahmen nicht erläutert ist.

Schließlich ist in der DE-AS 1 110892 bereits ein Durchflußmesser für Gase und Flüssigkeiten beschrieben, bei dem die Plusdruckentnahme und die Minusdruckentnahme an einem Venturirohr mit einer entfernt gelegenen, elektromagnetisch kompensierenden Differenzdruck-Meßeinrichtung verbunden sind.

In der Praxis ergeben sich mit einer Venturikanal-Sonde der eingangs genannten Gattung besondere Probleme dann, wenn einerseits eine besonders hohe Meßgenauigkeit in einem weiten Bereich von Strömungsgeschwindigkeiten gefordert wird und zudem andererseits der Einsatz in Strömungsbereichen mit sehr stark unterschiedlichem statischem Druck vorgesehen ist, also beispielsweise bei der Strömungsmessung in unterschiedlichen Wassertiefen. Dabei ist nämlich zu fordern, daß die Meßsonde unabhängig von dem herrschenden statischen Druck einwandfrei arbeitet und zugleich eine Störung der Wasserströmung durch die Sonde selbst weitgehendst vermieden wird.

Die der Erfindung /Zugrundeliegende Aufgabe besteht somit darin, eine Venturikanal-Sonde der eingangs genannten Gattung zu schaffen, die eine hohe Meßgenauigkeit in einem weiten Bereich von Strömungsgeschwindigkeiten aufweist und zudem für den Einsatz bei stark unterschiedlichem statischem Druck geeignet ist.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst,

- daß die Plusdruckentnahme im Venturikanal vor der Verengung in einem Bereich mit größerem Querschnitt vorgesehen ist,

- daß der Wandler innerhalb des Rohrkörpers angeordnet ist,

- daß der Wandler zwei starr miteinander verbundene Membranen aufweist, von denen die eine Membran von der Plusdruckentnahme und die andere Membran von der Minusdrurkentnahme beaufschlagt ist,

- daß die Membranen eine Kammer einschließen, welche mit einem Medium gefüllt ist, dessen Eigenschaften denen des strömenden Mediums entsprechen, und

- daß die Membranen mit einer Einrichtung zur elektromagnetischen Kompensation ihrer Auslenkung in Wirkverbindung stehen.

Bei dieser erfindungsgemäßen Ausbildung einer Venturikanal-Sonde ist es möglich, ohne Verwendung beweglicher Teile einen weiten Bereich von Strömungsgeschwindigkeiten genau zu erfassen, ohne daß die Einsatztiefe beispielsweise in Wasser begrenzt ist. Durch die Verwendung der elektromagnetischen Kraftkompensation kann der Differenzdruck mit hoher Auflösung bestimmt werden. Das Meßsignal steht dabei direkt als elektrischer Strom zur Verfügung, so daß es über entsprechende Leitungen zu einer Auswertstelle geführt oder bei Langzeitmessungen periodisch abgefragt und für eine spätere Auswertung gespeichert werden kann.

Da bei Messungen im tiefen Wasser mit einer Temperatur von ca. 1 ° C bei einem Durchmesser des Rohrkörpers von d = 8 cm die Reynoldszahlen bei Geschwindigkeiten von 5 cm/s noch im laminaren Bereich liegen, wird zweckmäßigerweise zur Vermeidung eines Umschlages der Strömung vor der Meßstrecke eine Beschleunigungsdüse angeordnet, die bewirkt, daß im Meßbereich turbulente Bedingungen herrschen. Eine Strömungsablösung stellt sich dabei nicht ein. Die sich durch die Beschleunigungsdüse ergebenden zusätzlichen Wandreibungsverluste sind vernachlässigbar, wenn die Rohrwand entsprechend glatt ausgebildet wird.

Um in der Einlaufströmung schon frühzeitig eine Verwirbelung und eine Erhöhung des Turbulenzgrades zu erreichen, wird zweckmäßigerweise in der Beschleunigungsdüse ein grobmaschiges Netz aus dünnem Draht angeordnet.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Venturikanal-Sonde sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; •:s zeigt

Fig. I schematisch eine Ausführungsform der Sonde im Längsschnitt, und

Fig. 2 schematisch den Differenzdruck-Wandler der in Fig. 1 dargestellten Sonde.

Die in Fig. 1 gezeigte Ausführungsform der Sonde

Rohrkörper 1 mit einer einströmseitigen Beschleunigungsdüse 3, einem Abschnitt 4 mit konstantem Querschnitt, dem eine aus liinzelbohrungen bestehende Plusdruckentnahme zugeordnet ist, die in eine Ringkammer 8 münden, aus einem sich in Strömungsrichtung daran anschließenden konvergenten Abschnitt 5, auf den der Abschnitt 6 mit dem engsten Querschnitt folgt, dem die Minusdruckentnahme in Form von Einzelbohrungen zugeordnet ist, die in eine Ringkammer 9 münden. An den Abschnitt 6 mit dem engsten Querschnitt schließt sich ein Diffusorabschnitt 7 an, auf dessen Außenseite Leitflossen 10 sitzen.

Die Ringkammer 8 ist über einen Plusdruckentnahmeanschluß 21 an die eine Stirnseite, die Ringkammer 9 über einen Minusdruckanschluß 22 an die gegenüberliegende Stirnseite eines zylindrischen Hohlraumes 2 angeschlossen, der sich innerhalb der Wand des Rohrkörpers 1 befindet. Dem Plusdruckentnahmeanschluß 21 gegenüberliegend ist im Hohlraum 2 eine kreisförmige Membran 23, dem Minusdruckentnahmeanschluß 22 gegenüberliegend eine weitere kreisförmige Membran 24 vorgesehen. Die Membranen 23 und 24 bilden mit der zylindrischen Wand 31 des Hohlraums 2 eine umschlossene Kammer 32. Die Membranen 23 und 24 sind durch eine in der Achse des Hohlraums 2 verlaufende Stange 26 verbunden. An der Stange 26 sitzt ein rotationssymmetrischer Spulenträger 28 mit einer Spule 29. In der Kammer 32 ist ein Topfmagnet 27 mit einem ringförmigen Spalt 30 angeordnet, der der Spule 29 des Spulenträgers 28 so zugeordnet ist, daß eine Auslenkung der Stange 26 infolge einer Druckdifferenz zwischen den Membranen 23 und 24 elektromagnetisch kompensiert wird, wobei der dabei erforderliche elektrische Strom das Meßsignal für die Strömungsgeschwindigkeit bildet.

Wie aus Fig. 2 zu ersehen ist. ist in der zylindrisehen Wand 31 des Hohlraums 2 eine dritte Mem bran 25 eingesetzt, wobei die Kammer32 ir, dem Hohl raum 2 mit einer Flüssigkeit, wie Wasser oder öl, ge füllt ist.

Die beiden Membranen 23 und 24 haben dif gleiche Größe und sind durch die starre Verbindungs stange 26 mechanisch reibungsfrei miteinander ge koppelt. In der mit Flüssigkeit gefüllten Kammer 31 stellt sich über die schlaffe Membran 25 oder übe die durchlöcherte Membran 23 oder 24 der Außen druck ein. Die sich an den beiden Membranen 23 um 24 ergebende Druckdifferenz wird durch das elektro magnetische Kraftglied, bestehend aus der Spule 2} und dem Permanentmagneten 27, kompensiert. Die zugehörige Elektronik ist in der Zeichnung der Über sichtlichkeit halber weggelassen. Beispielsweise kön nen bei Verwendung eines Rohrkörpers 1 mit einen Austrittsdurchmesser von 16 cm, einem Eintritts durchmesser von 10 cm und einem Durchmesser an engsten Querschnitt von 6 cm, ohne daß sich ein lami narer Strömungszustand einstellt, noch Strömungsge schwindigkeiten von 1,6 cm/s gemessen wird. Bei ei ner Strömungsgeschwindigkeit von 70 cm/s ergebei sich an der Plusdruckentnahme eine Strömungsge schwindigkeit von 180 cm/s und an der Minusdruck entnahme von 500 cm/s. Dadurch ergibt sich eini Druckdifferenz von 11 X 10~³N/m². Bei einer Mem branfläche von 3 cm² ergibt dies eine Kraft von 340 ρ Nimmt man einen Meßumfang von 1:50 an, wöbe die minimal zulässige Strömungsgeschwindigkei 1,5 cm/s ist, muß wegen der quadratischen Abhängig keit die elektromagnetische Kraftkompensation einei Meßumfang von 2,5 X K)³ besitzen, was ohne weitere verwirklichbar ist.

Zwischen der Beschleunigungsdüse 3 und dem siel daran anschließenden Abschnitt 4 des Venturikanal ist ein grobmaschiges Netz 11 aus dünnem Draht an geordnet.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Ventwikanal-Sonde zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit in einem strömenden Medium, mit einem in einem an beiden Enden offenen Rohrkörper gebildeten Venturikanal, der zwischen Ein- und Ausgang eine Querschnittsverengung aufweist, mit einer Minusdruckentnahme am oder unmittelbar hinter dem engsten Querschnitt und einer Plusdruckentnahme, an die ein Differenzdruck-Wandler angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet,

a) daß die Plusdruckentnahme (21) im Venturikanal (4 bis 7) vor der Verengung (6) in einem Bereich mit größerem Querschnitt (4) vorgesehen ist,

b) daß der Wandler (23 bis 31) innerhalb des Rohrkörpers (1) angeordnet ist,

c) daß der Wandler (23 bis 31) zwei starr miteinander verbundene Membranen (23, 24) aufweist, von denen die eine Membran (23) von der Plusdruckentnahme (21) und die andere Membran (24) von der Minusdruckentnahme (22) beaufschlagt ist,

d) daß die Membranen (23, 24) eine Kammer (32) einschließen, welche mit einem Medium gefüllt ist, dessen Eigenschaften denen des strömenden Mediums entsprechen, und

e) daß die Membranen (23, 24) mit einer Einrichtung (27 bis 31) zur elektromagnetischen Kompensation ihrer Auslenkung in Wirkverbindung stehen.

2. Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (27 bis 31) zur elektromagnetischen Kompensation der Auslenkung aus einem Spulenträger (28) mit Spule (29), der an der von einer Stange ^ 26) gebildeten starren Verbindung der Membranen (23,24) befestigt ist. und aus einem Permanentmagneten (27) besteht, dereinen Schlitz (30) aufweist, dem die Spule (29) am Spulenträger (28) zugeordnet ist.

3. Sonde nach Anrpruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (27 bis 31) zur elektromagnetischen Kompensation der Auslenkung in einem Hohlraum (2) angeordnet ist, an den auf gegenüberliegenden Seiten die Druckentnahmen (21, 22) angeschlossen sind, und daß die Membranen (23, 24) jeweils zwischen der Einrichtung (27 bis 31) und den Anschlüssen der Druckentnahmen (21, 22) im Hohlraum (2) angeordnet sind.

4. Sonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum (2), die Membranen (23,24), der Spulenträger (28) mit Spule (29) und der Permanentmagnet (27) mit Spalt (30) rotationssymmetrisch ausgebildet und koaxia! angeordnet sind.

5. Sonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine dritte, wenigstens einen Teil einer Außenwand des Hohlraums (2) bildenden Membran (25).

(i. Sonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Membranen (23, 24, 25) schlaff sind.

7. Sonde nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine der beiden

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weist.

8. Sonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine dem Venturikanal (4 bis 7) zugeordnete Beschleunigungsdüse (3).

9. Sonde nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß in der Beschleunigungsdüse (3) ein grobmaschiges Netz (U) aus dünnem Draht angeordnet ist.