DE2702816A1 - Numerische messvorrichtung fuer den volumendurchfluss eines fluids - Google Patents

Description

CROUZET, 128 avenue de la Republique, 75001 Paris - Frankreich Numerische Meßvorrichtung für den Volumendurchfluß eines Fluids

Die vorliegende Erfindung betrifft eine numerische Meßvorrichtung zur Durchflußmessung eines Fluids in einem im wesentlichen röhrenförmigen Gehäuse, in dem mittels eines Wirbelflußerzeugers ein Wirbelstrom des Fluids verursacht wird, mit einer Einrichtung, die ein periodisches Signal mit variabler, von der Bewegung des Fluidumdurchflusses abhängiger Frequenz erzeugt, wobei die signalerzeugende Einrichtung mit einer logischen Schaltung zur Umrichtung der Frequenz verbunden ist.

Das Problem der Durchflußmessung ist heute dank verschiedener mechanischer, elektromechanischer oder elektronischer Techniken gelöst.

Unter den bekanntesten Durchflußmessern sind Turbinendurchflußmesser, Druckdifferenz-Durchflußmesser, Ultraschalldurchfluß-

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messer und elektromagnetische Durchflußmesser erwähnenswert. Alle bisherigen Lösungen besitzen mindestens einen der folgenden Nachteile:

Reibungskräfte und Abnutzung durch das Vorhandensein beweglicher mechanischer Teile; hieraus resultiert eine Nicht-Linearität der Ansprache der Vorrichtung unter Nichtkenntnis und Nicht-Stabilität der Reibungskräfte, wobei letztere die Vorrichtung für Gasdurchflußmessungen unbenutzbar machen; weiter ergibt sich mit der Zeit eine Leistungserniedrigung wegen der Abnutzung der beweglichen mechanischen Teile;

die Notwendigkeit eines Schließens in einem wohldefinierten Bereich, wobei eine Veränderung des Fließbereichs (turbulent oder laminar) beispielsweise im Fall eines Turbinen-Durchflußmessers die Linearität der Vorrichtung beeinflußt und die Nicht-Uniformität des Geschwindigkeitsprofils in der Leitung des Meßelements eine Quelle großer Irrtümer in den Vorrichtungen zur Messung des differentiellen Drucks ist;

Begrenzung der Anwendungsbereiche machen die Vorrichtung zur Messung von Druckunterschieden unbrauchbar für schwache Durchflüsse;

Ausgestaltung und Dimensionierung haben einen großen Einfluß auf die Qualität der Messungen;

relativ lange Ansprechzeiten (bei Dux-chflußmessern für differentiellen Druck oder bei Turbinendurchflußmessern);

Ausgangssignale in analoger Form sind wenig vereinbar mit Übertragungen über große Strecken;

Herstellungsschwierigkeiten, de;n die Ultraschalldurchflußmesser

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und die elektromagnetischen Durchflußmesser besitzen komplizierte und raumfüllende Verarbeitungseinheiten, was ein höheres Ausfallrisiko, erhöhte Kosten,schwierige Reparatur und einen bedeutenden Energieverbrauch verursacht;

Schwierigkeiten bei der Meßauswertung, da die mittels differentieller Druckmessung von den Durchflußmessern erhaltene Information über den Durchfluß auf einer Druckmessung beruht, die schwer auszuführen ist;

die Bedeutung der Fluidart, da die Benutzung elektromagnetischer Durchflußmesser eine gute Kenntnis und eine gute Stabilität der Leitungseigenschaften des Fluids verlangen.

Um diese Nachteile zu beseitigen, hat man Vorrichtungen zur numerischen Messung des Volumendurchflusses eines Fluids in einem im wesentlichen röhrenförmigen Hohlraum vorgeschalgen, in dem man mittels einer Erzeugungseinrichtung über das Fortschreiten des Wirbelflusses des Fluids einen Wirbelstrom verursacht, wobei die Vorrichtung weiter eine Einrichtung zur Erzeugung eines periodischen Signals variabler Frequenz in Abhängigkeit von der Bewegung des Fluids aufweist, womit wiederum eine Logikeinrichtung zur Umrichtung dieser Frequenz verbunden ist.

Diese letzteren Vorrichtungen, in deren Hohlraum der Druck und die Flüssigkeit des Flusses an jedem Punkü dex· Wand des Hohlraums in periodischer Weise veränderbar sind, sind sicherlich für alle homogen Fluide und beliebige Fließbereiche nutzbar; sie besitzen kein einziges bewegliches mechanisches Teil und garantieren in Zeitverlauf eine gute Eichstabilität; sie können

für einen großen Durchflußbereich arbeiten und bilden ein zur Übertragung über größere Distanzen geeignetes numerisches

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Signal.

Allerdings ist die Herstellung dieser Vorrichtung sehr schwierig und verlangt eine große Präzision in der Ausführung der Formen. Veiter erlaubt die Form der das periodische Signal variabler Frequenz bildenden Einrichtung nicht immer die Nutzung der Signale in optimaler Weise.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde die bekannten Vorrichtungen der eingangs beschriebenen Gattung unter Vermeidung ihrer Nachteile zu verbessern und eine Vorrichtung einfacher Konstruktion zu schaffen, deren Abhängigkeitskurbe streng linear ist und die eine kurze Ansprechzeit besitzt.

Als Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die durchflußabhängige wirbelerzeugende Einrichtung in Durchflußrichtung des Fluids eine erste zylindrische Leitung enthält, die mit einer axialen zylindrisch-konisch konvergierenden Kammer über eine zweite Leitung verbunden ist, deren Achse versetzt und abgewinkelt zur Achse der Kammer liegt, wobei letztere koaxial mit einer zylindrischen Endleitung über eine dritte zylindrische Leitung mit vermindertem Durchmesser verbunden ist, die wiederum an die Endleitung mittels einer konisch divergierenden Erweiterung angepaßt ist.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung, in der ein Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung im einzelnen beschrieben ist. Dabei zeigt:

Fig. 1 den mechanischen Teil der erfindungsgemäßen

Vorrichtung zur Durchflußmessung; ·

Fig. 2 eine schematische Darstellung des Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen durchfluß-

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messenden Vorrichtung; und

Fig. 3 verschiedene durch die erfindungsgemäße

Vorrichtung erzeugte elektrische Signale.

Fig. 1 stellt den mechanischen Teil 10 der Durchflußmessungsvorrichtung, kurz des Durchflußmessers, dar, wobei das Gehäuse in üblicher Weise, also durch Gießen oder Spritzgießen hergestellt ist.

Der Durchflußmesser 10 besitzt:

Einen Wirbelerzeuger, in den die Flüssigkeit durch eine Zuleitung 11 eintritt, durch eine Leitung 13 abgelenkt wird und dann in eine zylindrisch-konische Kammer 14 mit bezüglich der Kammerachse bestimmtem Einfall eintritt, was am Ausgang der Kammer 14- einen von einer Wirbelbewegung überlagerten Fluß verursacht; eine im wesentlichen divergierende, stufenförmige Leitung, die aus zwei aufeinanderfolgenden zylindrischen Teilleitungen 15 und 17 mit verschiedenen Durchmessern besteht; die mittels einer konischen Erweiterung zusammengefaßt sind;

eine wirbelunterdrückende Einrichtung 13, die aus einem festen, zur Beendigung der Wirbelbewegung der Flüssigkeit dienenden Kreuz besteht;

ein Filter 12, das aus einem festen Bündel kleiner paralleler Leitungen bestehen kann, im wesentlichen dazu bestimmt ist, durch die Flüssigkeit mitgeführte Unreinheiten aufzuhalten, und das zusätzlich dazu dient, gegebenenfalls vorhandene Störungen des Flusses oberhalb des Durchflußmessers zu unterdrücken;

und einen Meßsensor, der im wesentlichen aus einem piezoelektrischen oder einem kinetisch-elektrischen Element, wie z.B.

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einem Heißfadenelement, besteht, wobei weiter periphere Organe zur Auswertung der durch den Meßsensor 19 erhaltenen Signale vorgesehen sind.

Fig. 2 stellt schematisch die erfindungsgemäße, durchflußmessende Vorrichtung dar. Ein auf dem Gehäuse des Durchflußmessers 10 angebrachter Meßsensor 19 liefert ein periodisches elektrisches Signal 3·1 (Fig. 3) mit der Frequenz, die gemäß folgender Funktion linear mit dem Durchfluß verbunden ist:

^f - V - V

k und k,. sind zwei positive Konstanten.

Ein Umrichter 20 verarbeitet mit einem üblichen Skalenfaktor die Frenquenz f in eine dem Durchfluß direkt proportioneile Frequenz F.

Der Umrichter 20 umfaßt einen Umformer 21, der das vom Meßsensor 19 gelieferte Signal 3*1 in ein zinnenförmiges Rechtecksignal 3.2 umformt. Ein Taktgeber 22 erzeugt ein periodisches Signal 3.3 (Fig. 3). Ein Schaltkreis 23 realisiert auf der Grundlage der Signale 3·2 und 3·3 die logische Operation "ausschließendes Oder" (d.h entweder-oder), wobei die Signale 3.2 und 3·3 vom Umformer 21 bzw. Taktgeber 22 geliefert werden; das so erarbeitete Signal 3-4- befindet sich im logischen Schaltzustand 1, wenn eines und nur eines der Signale 3·2 und 3·3 im logischen Schaltzustand 1 ist. Ein Zähler 24 wertet die Mittelfrequenz F des vom Schaltkreis 23 gelieferten pseudo-periodischen Signals 3-^ numerisch aus.

Geschwindigkeits- oder Druckänderungen erscheinen nur in klarer Form und sind nur feststellbar, wenn die geometrischen und

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strukturellen Charakteristiken des Durchflußmessers 10 die folgenden technologischen Bedingungen erfüllen:

Der Ablenkwinkel der Achse der Leitung 13 des Wirbelstromerzeugers auf der Basis des zylindrischen Teils der Kammer 14 liegt zwischen 40 und 50°; der Konvergenzwinkel des konischen Teils der Kammer 14-, der mit der Teilleitung 15 verbunden ist, liegt zwischen 45 und 55 ; der Durchmesser des zylindrischen Teils der Kammer 14 ist im wesentlichen doppelt so groß wie der der folgenden Teilleitung 15;

die Form der Teilleitung 15 ist zylindrisch mit kreisförmigem Querschnitt; das Verhältnis seiner Länge zu seinem Durchmesser liegt zwischen 1 und 2;

der Meßsensor liegt normalerweise über der Achse der Teilleitung 15, wobei die Projektion der Achse des Heßsensors 19 auf die Basis des zylindrischen Teils der Kammer 14 einen Winkel von 120 bis 130° umfaßt, wobei die Senkrechte der Basis durch das Zentrum der öffnung führt, mit der die Leitung 13 in der Kammer 14 mündet;

das empfindliche Ende des Meßsensors 19 mündet in das Innere der Leitung 15 in einem Abstand zv/ischen 1/10 und 1/20 des Durchmessers der Leitung 15·

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Claims (1)

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   C 709

   Ansprüche

   1. Numerische Meßvorrichtung zur Durchflußmessung eines Fluids in einem im wesentlichen röhrenförmigen Gehäuse, in dem nittels eines Wirbelflußerzeugers ein Wirbelstrom des Fluids verursacht wird, mit einer Einrichtung, die ein periodisches Signal mit variabler, von der Bewegung des Fluidumdurchflusses abhängiger Frequenz erzeugt, wobei die signalerzeugende Einrichtung mit einer logischen Schaltung zur Umrichtung der Frequenz verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die durchflußabhängige wirbelerzeugende Einrichtung (10) in Durchflußrichtung des Fluids eine erste zylindrische Leitung (11) enthält, die mit einer axialen zylindrisch-konisch konvergierenden Kammer (14·) über eine zweite Leitung (13) verbunden ist, deren Achse versetzt und abgewinkelt zur Achse der Kammer (14·) liegt, wobei letztere koaxial mit einer zylindrischen Endleitung (17) über eine dritte zylindrische Leitung (15) mit vermindertem Durchmesser verbunden ist, die wiederum an die Endleitung (17) mittels einer konisch divergierenden Erweiterung (16) angepaßt ist.

   2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ablenkwinkel der Achse der zweiten Leitung (13) zur Basis des zylindrischen Teils der Kammer (14·) zwischen 4O° und 50° liegt.

   3. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des zylindrischen Teils der

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   ORIGINAL INSPECTED

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   Kammer (14) das Doppelte des Durchmessers der dritten zylindrischen Leitung (15) beträgt.

   4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Konvergenzwinkel des konischen Teils der an die dritte zylindrische Leitung (15) angepaßten Kannner (14) zwischen 45 und 50° liegt.

   5· Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Länge der dritten zylindrischen Leitung (15) zu ihrem Durchmesser zwischen eins und. zwei liegt.

   6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Meßsensor (19) für den Fluiddruck oder die Fluidgeschwindigkeit, der ein periodisches Signal mit variabler Frequenz mißt und über der Achse der dritten zylindrischen Leitung (15) liegt, wobei die Projektion der Achse des Meßsensors (19) auf die Basis des zylindrischen Teils der Kammer (14) mit der Senkrechten der Basis der Kammer (14) durch den Mittelpunkt der Öffnung, mit der die zweite Leitung (13) in die Kammer (14) mündet, einen Winkel zwischen 120 und. 130° einschließt.

   7- Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Fühlende des Meßsensors (19) in einem Abstand zwischen 1/10 und 1/20 des Durchmessers der Leitung (15) in das Innere dieser dritten zylindrischen Leitung (15) mündet.

   8- Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Umrichter (20) aus einem logischen Erzeuger (22) eines periodischen Signals konstanter Frequenz und einen logischen "nicht-auschließenden - Oder" -Element

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   (23) besteht, welches die Summe des periodischen Signals konstanter Frequenz mit dem über einen Umformer (21) gebildeten periodischen Signal variabler Frequenz bildet, wobei das durch die Summemoperation entstehende logische pseudoperiodische Signal auf ein Endelement (24) zur numerischen Auswertung der mittleren Frequenz des resultierenden Signals anwendbar ist.

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