DE2724028C2 - Differenzdruck-Meßgerät - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Diiferenzdruck-Meßgerät bei dem ein Rollkörper, vorzugsweise eine Kugel, in einem in einer vertikalen Ebene gekrümmten Kanal eine vom Differenzdruck bestimmte Lage einnimmt

Die Messung des Differenzdruckes ist eine sehr häufige Meßaufgabe, wobei die Messung jedoch meistens nicht dem Differenzdruck selbst gilt sondern einer anderen Größe, die entsprechend den Gesetzen der Strömungstechnik mit dem Differenzdruck verknüpft ist

Ein Beispiel für die unmittelbare Differenzdruckmessung ist die Messung des Druckabfalles an Filtern. Soll aber zum Beispiel eine Strömungsgeschwindigkeit ermittelt werden, dann kann dies durch eine Druckdifferenz-Messung geschehen, nämlich durch Messung der Differenz aus Staudruck und statischem Druck, und durch anschließendes Berechnen der Strömungsgeschwindigkeit nach dem Gesetz von Bernoulli. Ein Problem dieser Methode besteht darin, daß bei turbulenter Strömung der Differenzdruck mit dem Quadrat der Strömungsgeschwindigkeit steigt Soll zum ss Beispiel eine turbulente Luftströmung im Bereich 1 m/s bis 25 m/s ermittelt werden, dann umfaßt die Druckdifferenz aus Staudruck minus statischem Druck den Bereich von ca. 0,006 mbar bis 39 mbar. Das Problem dieser Messung liegt zum einen in dem sehr kleinen unteren Meßwert von ca, 0,006 mbar und zum anderen in dem sehr großen Meßbereich von 1 :625.

Bekannte Differenzdruckmeßgeräte arbeiten z. B. nach dem Prinzip des Kraft- oder des Wegvergleiches.

Der Differenzdruck wirkt beispielsweise auf die Fläche einer Membran und erzeugt somit eine Meßkraft - Differenzdruck· Membranfläche; diese Meßkraft versucht die Membran senkrecht zu ihrer Fläche zu verformen.

Bei der Kraftvergleichsmethode wird entsprechend der Verformung eine Kompensationskraft erzeugt, die der Meßkraft entgegenwirkt und die Verformung bis auf einen sehr kleinen Restbetrag rückgängig macht

Bei der Wegvergleichsmethode wirkt die Meßkraft auf ein elastisches Element, meist eine Stahlfeder, wobei entsprechend dem Differenzdruck ein von der Steifigkeit des elastischen Elementes bestimmter Meßweg zurückgelegt wird.

Anstelle der Membran werden auch Kolben benutzt die in einer zylindrischen Bohrung gleiten. Der Vorteil im Vergleich zur Membran ist die exakt bestimmbare Kolbenfläche, nachteilig ist die Reibung zwischen Kolben und Zylinder. Zur Minderung der Reibung wurde anstelle des Kolbens eine Kugel verwendet (US 35 66 694).

Ein Nachteil dieser bekannten Geräte ist die durch Reibung verursachte Hysterese und damit verbunden die Grenzen bezüglich kleinstem Meßwert und Meßbereich.

Es ist auch bekannt zur Erzielung minimaler Reibung eine Kugel zu benutzen, deren Durchmesser etwas kleiner als der Zylinder-Durchmesser ist (DE-Gbm 19 63 985). Der Leckstrom zwischen Kugel und Zylinder soll bewirken, daß die Kugel ohne mechanische Berührung der Zylinderwand schwebt

Um eine mit dem Meßweg zunehmende Rückstellkraft zu erhalten, wird bei einem Diiferenzdruck-Meßgerät der eingangs genannten Art eine in einem vertikal gekrümmten Rohr befindliche Kugel benutzt (DE-Gbm 19 63 985). Die Rückstellkraft resultiert aus dem Gewicht der Kugel, multipliziert mit dem Sinus des Winkels zwischen der Waagerechten und der Steigung des gekrümmten Rohres. Der Differenzdruck-Meßbereich errechnet sich aus dem Sinus des größten Steigungswinkels geteilt durch den Sinus des kleinsten Steigungswinkels. Praktisch erreichbar ist ein Meßbereich von ca. 10 : 1.

Bekannt ist auch die Differenzdruckmessung mit Hilfe eines U-förmig geformten Rohres, das mit einer Flüssigkeit gefüllt ist Dieses als U-Rohr bekannte Meßgerät kann bei direkter Ablesung für Druckdifferenzen ab ca. 1 mbar benutzt werden. Nachteilig ist neben diesem relativ hohen unteren Meßwert, daß die vertikale Abmessung des Gerätes zum Beispiel bei Füllung mit Wasser und einem Differenzdruckbereich bis 0,1 bar bereits über 1000 mm beträgt Schwierigkeiten bereitet außerdem das Problem der Absicherung des U-Rohres gegen hohe statische Drücke und gegen hohe Differenzdrücke.

Eine Variante des U-Rohres besteht darin, daß ein Schenkel halbkreisförmig ausgebildet ist (DE-PS 5 34 153), und daß auf der darin befindlichen Flüssigkeit ein magnetischer Schwimmer aufliegt der einen Außenmagneten mitnimmt

Ein anderes bekanntes Meßgerät für Differenzdrücke ist die sogenannte Ringwaage, bestehend aus einem mit Sperrflüssigkeit gefülltem, kreisförmigen Rohr. Das Rohr ist drehbar gelagert Der Differenzdruck erzeugt ein Drehmoment, dem das Rückstellmoment eines Gewichtes entgegenwirkt

Des weiteren sind sogenannte Schwebekörper-Durchflußmesser bekannt die aus einem vertikalen, nach oben sich erweiternden Rohr bestehen, worin sich ein Schwebekörper befindet

Der Schwebekörper nimmt eine Höhenlage ein, die im wesentlichen vom Durchfluß, vom Gewicht des

Scbwebekörpers abzüglich Auftrieb und von der mit der Höhe veränderlichen Spaltfläche zwischen Rohr und Schwebekörper abhängt Beim kleinsten meßbaren Durchfluß befindet sich der Schwebekörper am unteren Ende des Rohres, beim größten Durchfluß am oberen Ende. Der Meßbereich, das heißt der Quotient aus größtem Durchfluß : kleinstem Durchfluß beträgt ca. 12:1,

Der Schwebekörper-Durchflußmesser kann auch für Differenzdruck-Messungen benutzt werden. Der Be- ι ο reich des meßbaren Differenzdruckes hängt von der Höhe der Strömungswiderstände im Eingang und/oder Ausgang ab. Ist der Strömungswiderstand hoch, zum Beispiel eine Düse oder ein Drosselventil mit im Verhältnis zur Spaltfläche kleiner freier Querschnittsfläehe, dann kann der Differenzdruck-Meßbereich bis zum Quadrat des Durchfluß-Meßbereiches betragen, das heißtbisca.l44:l.

Darüber hinaus gibt es mehrere elektrische Differenzdruck-Meßmethoden, vergl. zum Beispiel Rohrbach. Chr.: Handbuch für elektrisches Messen mechanischer Größen, VDI-Verlag.

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, ein einfaches und reibungsarmes DifferenzdruckmeBgerät zu schaffen, das auf sehr kleine Druckdifferenzen reagiert und einen großen Differenzdruckbereich zu messen in der Lage ist

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß aufgrund der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung liegt in dem extrem hohen meßbaren Differenzdruck-Bereich von über 1000 :1. Die Gründe dafür sind folgende:

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— Wenn sich der Rollkörper in der Nähe des Kanaleingangs befindet, dann ist der Widerstandswert der kleinen Spaltfläche zwischen Rollkörper und Kanal hoch; der Differenzdruck wirkt voll auf den Rollkörper ein. Da der Kanalsteigungswinkel am Kanaleingang klein gemacht werden kann und die Rückstellkraft damit ebenfalls schwach, bewirkt eine kleine Zunahme des Differenzdruckes eine große Lageänderung des Rollkörpers, das heißt einen großen Meßweg,

— Befinde; sich der Rollkörper in der Nähe des Kanalausganges, so sind die Verhältnisse umgekehrt Der Widerstandswert der jetzt großen Spaltfläche zwischen Rollkörper und Kanal ist niedrig im Verhältnis zu den Widerstandswerten der vor- und/oder nachgeschalteten Strömungswiderstände, so daß von dem Differenzdruck nur ein kleiner Anteil auf den Rollkörper einwirkt Da aber jetzt der Kanalsteigungswinkel und damit die Rückstellkraft groß ist bewirkt eine Zunahme des Differenzdruckes eine nur geringe Lageänderung des Rollkörpers.

Wenn man das erfindungsgemäße Differenzdruck-Meßgerät zum Beispiel zur Messung des Wirkdruckes einer Meßblende benutzt dann gestattet der hohe Differenzdruckbereich von > 1000:1 eine Durchflußmessung im Bereich der Quadratwurzel aus dem Differenzdruckbereich, das heißt im Bereich von >30 :1. Mit einem erfindungsgemäßen Difierenzdruckmeßgerät lassen sich somit Meßaufgaben bewältigen, für die man bisher zwei Meßgeräte in paralleler Anordnung benötigte. Wenn der vor- und/oder nachgesclialtete Strömungswiderstand mit einem so hohen Widerstandswert ausgeführt ist daß dort ein wesentlicher Teil des Differenzdruckes bereits dann abgebaut wird, wenn sich der Rollkörper noch in der Nähe des Kanaleinganges befindet dann wird der Meßbereich auf höhere Differenzdrücke angehoben.

Zur Erläuterung der Erfindung dienen die Figuren.

F i g. 1 zeigt den Kanal (1) mit dem Kanaleingang (2) und dem Kanalausgang (3), den Rollkörper (4), hier dargestellt als Kugel, und den Strömungswiderstand (5), hier dargestellt als eine vor dem Kanaleingang (2) angeordnete Düse. In der dargestellten Ausführungsform ist der höhere Druck bei (6) zuzuführen, der niedrigere Druck bei (3).

F i g. 2 zeigt im Querschnitt die Ausführungsform des Kanals (1), der zur Erzielung minimaler Rollreibung mit Rollkanten (7) versehen ist

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

1. Patentansprüche;

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   \, Differenzdruckmeßgerät, bei dem ein Rollkörper, vorzugsweise eine Kugel, in einem in einer vertikalen Ebene gekrümmten Kanal eine vom Differenzdruck bestimmte Lage einnimmt, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanalquerschnittsfläche mit der Höhe zunimmt und daß vor dem Eingang (2) des Kanals (1) und/oder hinter seinem Ausgang (3) ein Strömungswiderstand (5) angeordnet ist
2. 2. Differenzdruckmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (1) mit Rollkanten (7) versehen ist.
3. 3. Differenzdruckmeßgerät nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanalneigung und/oder der Kanalquerschnitt und/oder der Strömungswiderstand in Abhängigkeit vom Weg des Rollkörpers steuerbar sind, derart, daß der Rollkörper nach dem Kompensationsprinzip in die Ausgangslage rödcstellbar ist
4. 4. Differenzdruckmeßgeräl nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet daß der Kanal von seinem tiefsten Punkt ausgehend nach zwei Seiten ansteigt und daß die Querschnittsfläche des Kanals nach beiden Seiten mit der Höhe zunimmt
5. 5. Differenzdruckmeßgerät npch Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet daß die Krümmung des Kanals (1) derart gewählt ist daß sich eine gleichmäßige Skalenteilung ergibt