DE3408779A1

DE3408779A1 - Einstellbarer, laminarer durchflussmesser

Info

Publication number: DE3408779A1
Application number: DE19843408779
Authority: DE
Inventors: Richard F. Long Beach Calif. Blair; Charles F. Rolling Hills Estates Calif. Drexel
Original assignee: Tylan Corp
Current assignee: Entegris Inc
Priority date: 1983-09-02
Filing date: 1984-03-09
Publication date: 1985-03-21
Also published as: JPH0678926B2; NL8400089A; JPS6056219A; GB8400171D0; FR2551545B1; DE3408779C2; NL193641C; NL193641B; US4524616A; GB2146781A; GB2146781B; FR2551545A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Druckdifferenzmeß- und Prüfgeräte, Durchflußmesser und Leitungsdurchflußbegrenzer.

Es sind verschiedene Durchflußmesser bekannt, bei denen ein Manometer oder eine andere Vorrichtung über die gegenüberliegenden Seiten eines Durchflußbegrenzers geschaltet ist.

Massendurchflußinstrumente messen die Durchflußleistung eines Strömungsmittels nicht durch direkte Bestimmung der Druckdifferenz über einem Durchflußbegrenzer, sondern durch Messung des tatsächlichen Durchflusses eines kleinen Teils des Strömungsmittels. Solche Anwendungsfälle erfordern, daß der Strom des Strömungsmittels in zwei oder mehrere Pfade aufgeteilt wird, wobei ein exaktes Verhältnis zwischen den einzelnen Durchflußleistungen der Pfade aufrechterhalten wird. Die Massendurchflußdetektion ist eine Möglichkeit zur Messung der Gewichts-Durchflußleistung eines Gases. Die Steuerung des Massendurchflusses ist das gleiche wie die Steuerung des Durchflusses von Molekülen, da gleiche Volumina idealer Gase unter den gleichen Bedingungen die gleiche Anzahl von Molekülen enthalten. Im Gegensatz dazu muß die volumetrische Durchflußmessung und -Steuerung für lokale Temperatur- und Druckbedingungen korrigiert werden, um den molekularen Durchfluß zu bestimmen.

Bei einem typischen Massendurchflußmeßgerät wird ein sehr geringer Prozentsatz des Durchflusses in einen Meß- bzw. Sensorabschnitt abgezweigt. Dieser Prozentsatz kann bis zu einem Teil von 40.000 gering sein, und der Meßabschnitt ist typischerweise eine sehr dünne Rohrleitung, deren Länge weit größer als der Durchmesser ist, so daß die laminare Strömung über die ganze Leitung vorherrscht. Während des laminaren Durchflusses

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eines Strömungsmittels ist die Durchflußleistung dem Druckabfall und der Viskosität umgekehrt proportional. Im Gegensatz dazu ist während einer turbulenten Strömung die Durchflußleistung der Quadratwurzel des Druckabfalls proportional und von der Viskosität weitgehend unabhängig. Bei der Konstruktion eines Massendurchf1ußmeßinstrumentes ist es daher wichtig, Bedingungen zu schaffen, die eine laminare Strömung in jedem Pfad sicherstel1 en.

Die Bypassanordnung bzw. der Primärströmungsmittelpfad spaltet die Gasströmung genau und leitet eine Probe des Gases durch den Sensor und ermöglicht den laminaren Durchfluß des restlichen Gases durch das Instrument. Die Bypassanordnung besteht im allgemeinen aus mehreren dicht beieinanderliegenden Strömungsmittel kanal en , von denen jeder einen effektiven Durchmesser hat, der ausreichend klein ist, um einen laminaren Strömungsmittel durchfluß'zu ermöglichen. Z.B. werden mehrere feinmaschige Gitterscheiben übereinander gestapelt, um den gewünschten Druckabfall dadurch zu erreichen, daß mehrere langgestreckte kontinuierliche Kanäle gebildet werden, die durch das Gittermaterial verbunden sind.

Wahlweise wurde Material aus Maschendraht spiralförmig um einen Spindelstift gewunden und durch die Windungen in sich selbst gehalten, um Kanäle zwischen den spiralförmigen Schichten auszubilden. Laminarer Durchfluß kann ebenso ermöglicht werden, indem man als Durchflußbegrenzer eine oder mehrere nebeneinander liegende Scheiben verwendet, die alle Kanäle haben, welche von ihrem Umfang hin zu einer öffnung durch die gegenüberliegenden Seiten der Scheibe ausgebildet sind. Das Strömungsmittel wird zum Umfang der Scheibe geleitet und durch die Leitungen zur öffnung befördert, so daß ein

länglicher Kanal gebildet wird, dessen Länge im Verhältnis zum Durchmesser ausreichend groß ist, um laminaren Durchfluß des Strömungsmittels sicherzustellen.

Massendurchf1ußinstrumente messen und kontrollieren genau und zuverlässig die Massendurchf1ußraten von Gasen, von unterhalb 5 ecm pro Minute bis ungefähr 500 edm pro Minute, ohne daß Druck- oder Temperaturkorrekturen vonnöten sind. Der Durchflußmeßbereich oder das Sensorsystem kann aus einem Rohr oder aus einer Leitung, bewickelt mit zwei erhitzten Widerstandsthermometern bestehen, die den Gasdurchfluß messen. Z.B. fühlt in einem speziellen Massendurchf1ußinstrument eine Brückenschaltung die Temperaturdifferenz und erzeugt ein lineares Ausgangssignal von Null bis ungefähr 5 Volt Gleichspannung, welches proportional zur Gasdurchflußrate im Kalibrierbereich ist. In einem Massendurchf1ußkontrollinstrument wird das Signal mit einer Steuerspannung aus einem Potentiometer oder einer Spannungsquelle verglichen. Dieser Vergleich erzeugt ein Fehlersignal, das die Ventil öffnung ändert, wobei die Durchflußrate geändert wird, bis ein Einstel1punkt erreicht ist. Ein Rückkoppel ungskrei s bewirkt dynamische Kompensation zwecks optimaler Stabilität und optimalem Ansprechverhalten. Um die optimale Kalibrierung des Massendurchf1ußinstruments aufrechtzuerhalten, muß die Durchflußrate durch den Sensorleiter innerhalb des laminaren Durchflußbereichs bleiben, damit ein lineares Ausgangssignal über die volle Durchflußratenskala erhalten bleibt, d.h. Null bis 5 Volt Gleichspannung bezüglich des schon beschriebenen Sensors.

Die beschriebenen Bypass-Systeme ermöglichen laminaren Durchfluß in dem primären Durchflußkanal des Massendurchflußinstruments und erlauben die genaue und zuverlässige Messung und Kontrolle der Massendurchf1ußrate durch die-

se Instrumente innerhalb bestimmter Bereiche. Da jedoch das Ausgangssignal des Sensorsystems von der durch ihn führenden Strömungsmitteldurchf1ußrate abhängt und somit von dem Druckverlust entlang des Bypassdurchflußbegrenzers, kann die Durchflußrate, das ist der Betrag des Strömungsmittels, das durch den Bypassbereich fließt, in Relation zur Menge des Strömungsmittels durch den Meßbereich, nur geändert werden, indem man den Durchflußbegrenzer im Bypass-System austauscht, um ein größeres oder kleineres Strömungsmittelvolumen über ein Druckgefälle zu ermöglichen, welches den optimalen Sensordurchfluß gewährleistet. D.h.,wenn das Instrument kalibriert ist, um auf einen vorgegebenen Sensordurchflußbereich anzusprechen, kann der gesamte Durchfluß durch das Instrument nicht mehr wesentlich verändert werden, indem man den Eingangsdruck des Strömungsmittels verändert, da die Druckänderungen bewirken, daß sich der Sensordurchfluß über die Kalibrierungsgrenzen hinaus erstreckt, d.h. über den laminaren Durchflußbereich des Sensorrohrs.

Deshalb wurde in der Vergangenheit die Durchflußrate dadurch modifiziert, daß man auswechselbare laminare durchflußformende Elemente substituierte, die unterschiedliche Kanalgrößen hatten, die eine unterschiedliche primäre Durchflußrate erlaubten, während man ein im wesentlichen ähnliches Druckgefälle erhielt. Da jedoch solche austauschbaren Elemente den Ausbau des Bypassdurchflußbegrenzers nötig machen, war es erwünscht, ein regelbares laminares Durchf1ußbypass-System zu entwickeln, das die kontinuierliche Einstellung der Durchflußrate ermöglicht, ohne daß der Bypassdurchf1ußbegrenzer abgebaut und die vorhandenen Leitungen ersetzt werden mußten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Bypass-System zu schaffen, das kontinuierlich regelbar ist, um einen weiten Bereich von Durchflußvolumen zu ermöglichen, während ein konstantes Druckgefälle entlang des Bypass-Systems aufrechterhalten wird, um einen konstanten und optimalen Durchfluß durch das Sensorrohr zu gewähr! eisten.

Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Somit hat das Bypass-System einen kegelstumpfförmigen Durchflußbegrenzer mit einer Umfangsf1äche, die im wesentlichen parallel zur Fläche der kegelstumpfförmigen Bohrung verläuft und eine ringförmige Leitung dazwischen begrenzt, die einen Ringraum hat, der ein solches Verhältnis von Dicke zu Breite hat, daß laminarer Durchfluß aufrechterhalten bleibt und der kegel stumpfförmige Teil in axialer Richtung und stufenweise innerhalb der kegel stumpfförmigen Bohrung beweglich ist, um unterschiedliche Dicken des Ringraums zu erzeugen. Mehrere verwandte AusfUhrungsformen sind beigefügt, wobei jede die beschriebenen Vorteile hat. Das einstellbare laminare Durchflußbypass-System der Erfindung kann kombiniert werden mit einem länglichen laminaren Durchflußleiter, der als Meßbereich dient, um einen linearen Durchflußmesser zu bilden. Solch ein Durchflußmesser hat ein Gehäuse mit einer Strömungsmitteleinlaß- und einer Strömungsmittel aus! aßöffnung , und das Gehäuse begrenzt einen Strömungsmittel kanal zwischen der Einlaß- und Auslaßöffnung. Das einstellbare Durchflußelement ist in diesem Strömungsmittel kanal so angeordnet, daß eine ringförmige

Leitung mit Abmessungen, passend zur Aufrechterhaltung des laminaren Durchflusses, und parallel zum Meßleitungsbereich geschaffen wird. Es sind Vorrichtungen angebracht, um die Durchflußrate des Strömungsmittels durch die Meßbereichsleitung zu messen; die Vorrichtungen sind im Stand der Technik bekannt und kein Teil der vorliegenden Erfindung.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Figuren 1 bis 6 beispielsweise erläutert.

Es zeigt:

Figur 1 eine schematische Darstellung der Strömungsmitteldurchf1ußpfade in einem Strömungsmittelkeiler;

Figur 2 teilweise im Querschnitt einen Durchflußmesser mit einer Ausführungsform eines einstellbaren Durchflußbypasses;

Figur 3 einen Querschnitt von einem Teil einer zweiten Ausführungsform eines einstellbaren Durchflußbypasses;

Figur 4 einen Querschnitt von einem Teil einer dritten Ausführungsform eines einstellbaren Durchflußbypasses ;

Figur 5 eine Rückansicht einer Ausführungsform des kegelstumpfförmigen Durchflußbegrenzers der Erfindung ;

Figur 6 einen Querschnitt des Durchflußbegrenzers aus Figur 5.

Obwohl die Bypassanordnung anhand von Massendurchf1ußmeßinstrumenten beschrieben wurde, kann der Strömungsmesser der Erfindung gegebenenfalls auch für Volumendurchflußinstrumente verwendet werden.

Wie Figur 1 zeigt, bilden Strömungsmittelpfade A und B die Strömung durch einen Durchflußmesser von einem Auslaß P. zu einem Auslaß P₂. Die mit Path A bezeichnete Linie stellt den Strömungsmitteldurchf1uß durch den Meßabschnitt des Durchf1usses ,und die mit Path B bezeichnete Linie den Strömungsmitteldurchf1uß zum Bypassabschnitt des Durchflußmessers dar. Der Druckabfall sollte optimalerweise über jedem Pfad gleich sein.

Bei den einzelnen gezeigten AusfUhrungsformen stellt Path A einen Durchf1ußmeßfUhI er dar und enthält ein Rohr ausreichender Länge, um den laminaren Durchfluß zu gewährleisten. Path B beinhaltet einen kegelstumpfförmigen Durchf1ußbypass, der so bemessen ist, daß eine laminare Strömung sichergestellt ist, wie später beschrieben wird.

Die Figuren 2 und 3 zeigen einen Durchflußmesser 10 mit einem einstellbaren laminaren Durchf1ußbypass gemäß der Erfindung. Der Durchflußmesser hat ein Gehäuse 12, mit Bohrung und Gegenbohrung, um einen Durchlaßkanal zu erzeugen, dessen Funktionsweise im weiteren noch näher beschrieben wird. Der Durchlaßkanal 14 endet an einer Einlaßöffnung 16 und einer Auslaßöffnung 18 für das zu messende Strömungsmittel. Ein Oberstromteil 20 des Kanals 14 hat ein Innengewinde 22 zur Aufnahme eines Einsatzes 24 mit Außengewinde, um den Kanal 14 mit einer nicht gezeigten Strömungsmittelquelle zu verbinden. Der Oberstromteil 20 enthält einen Absatz 26, in dem sich ein Feinmaschensieb anschließt, das vom Einsatz 24 festgehalten wird und dazu dient, den Durchfluß von Fremdf>arti kel verunreinigungen zu unterbinden.

Wie Figur 4 zeigt, hat die Auslaßöffnung 18 ein Innengewinde 30 zur Aufnahme eines nicht gezeigten Außengewindes

an einem Einsatz 32, der den stromabwärtigen Anschluß des Kanals 14 ermöglicht. Jede der Figuren 2, 3, 4 zeigt stromaufwärts liegende Auslaßöffnungen 18, ein Zwischenteil 34 des Kanals 14, das ein nicht gezeigtes Durchflußsteuerventil aufnehmen kann, das normalerweise während des Betriebs des Durchflußmeters in der offenen Position ist.

Stromauf- und stromabwärts liegende Abzweigungen im Gehäuse 12 in Form von Bohrungen 36 bzw. 38 sind für die Befestigungsenden 40 und 42 einer Meß- oder Sensorröhre vorgesehen. Die Enden 40 und 42 sind rohrförmige Teile,durch die die Enden der Sensorröhre 44 dicht befestigt sind, damit Strömungsmittel, das in das Ende 40 gelangt, vollständig durch das Sensorrohr 44 geleitet wird, um dann am Ende 43 auszutreten. Der Meßabschnitt des Rohrs ist sehr dünn und lang und bei der vorliegenden Ausfuhrungsform hat das Rohr 44 einen Innendurchmesser von 0,254 mm und eine Länge von 6,35 cm. Thermische Elemente 46 und 48 erfassen die Mengendurchflußrate eines Strömungsmittels, das durch die Röhre 44 fließt. Die Elektronik des Durchflußmessers ist in einem zweiten Gehäuse 50 angeordnet.

Figur 2 zeigt eine erste Ausführungsform des montierten, einstel1 baren,1aminaren Durchf1ußbypasses. Ein Absatz des Gehäuses 12 reicht in den Kanal 14 bis hinaus über die Achse 54 und beläßt einen Kanal 56, der den dazwischenliegenden Teil 34 und einen Hauptdurchflußteil 58 des Kanals verbindet. Der Hauptdurchflußteil 58 ist durch eine kegelstumpf förmi ge Umfangsf1äche oder Bohrung 60 im Gehäuse begrenzt. Der Kegel der Bohrung 60 ist nicht kritisch und wird nur durch Wirbel begrenzt, die durch das Anlegen eines übermäßigen Konusses innerhalb von Teilen des Kanals 14 verursacht werden können, die senkrecht zur Achse 54

stehen, oder durch Faktoren wie Lösen der Einstellung oder andere Überlegungen. Ein Kegel mit 3 Grad beispielsweise ist hier gezeigt.

Der Absatz 52 enthält eine Bohrung 62 mit Innengewinde, die einen Teil 64 einer Spindel 66 mit Außengewinde aufnimmt, die auf der Achse 54 des Kanals 14 angeordnet ist. Die Spindel 66 hat einen dickeren Zwischenteil 68 und endet in einem mit Außengewinde versehenen Oberstromteil 70.

Die Spindel 66 trägt, wie Figur 2 zeigt, einen kegelstumpfförmigen Durchflußbegrenzer 72 innerhalb des Durchflußkanals 14, wobei der Durchflußbegrenzer 72 eine Umfangsfläche hat, die im wesentlichen parallel zur Oberfläche der kegel stumpfförmigen Bohrung 60 verläuft. Der Durchflußbegrenzer 72 wird von einem verdeckten Teil 68 der Spindel 66 mittels O-Ringen 76 bzw. 78 gehalten, die in Nuten 80 und 82 in der Spindel 66 liegen. Der Durchflußbegrenzer 72 enthält ein Nabenteil 84, das wiederum eine Bohrung 86 mit Innengewinde zur Verbindung mit dem mit Außengewinde versehenen Oberstromteil 70 der Spindel hat.

Die Spindel 66 kann in Kombination mit dem Durchflußbegrenzer 70 in das Gehäuse 12 eingebaut werden, oder zunächst alleine, wobei der Durchflußbegrenzer 72 nachträglich aufgeschraubt wird. In jedem Fall wird der Gewindeteil 64 in die Bohrung 62 der Spindel 66 über einen Schlitz im Teil 70 festgezogen, bis das Unterstromende 90 des dickeren Teils 68 am Absatz 52 ansteht. Eine Sicherungsscheibe kann zum weiteren Schutz der Spindel 66 dazwischen angebracht werden. Der Durchflußbegrenzer 72 hat an der stromaufwärtigen Stirnfläche des Nabenteils 84 Vertiefungen 94,

die einen nicht gezeigten Schraubenschlüssel oder andere Einrichtungen aufnehmen können, um den Abstand der Umfangs fläche 74 zur Bohrung 60 einstellen zu können, wie Figur 3 im Detail zeigt.

Bei der Beschreibung von Figur 3 sind, da bestimmte Grunddetails identisch mit der Beschreibung der Figur 2 sind, die Bezugsziffern der Figur 2 zur Bezeichnung ähnlicher Teile in Figur 3 verwendet.

Figur 3 zeigt den Durchflußbegrenzer 72, der von der Spindel 95 mit Außengewinde gehalten wird, die ein stromabwärtiges, verzahntes Teil 96 hat, das in einer axial zentrierten Bohrung 98 im Absatz 52 sitzt. Der Durchflußbegrenzer 72 enthält eine Bohrung 100 mit Innengewinde, die in die Spindel 94 mit Außengewinde eingreift, damit der Durchflußbegrenzer 72 um diese drehbar ist, so daß sich der Durchflußbegrenzer 72 bezüglich des Gehäuses 12 vor- und zurückbewegen läßt. Die Drehung wird durch Einführen eines geeigneten Werkzeugs in eine Nut des .Durchflußbegrenzers 72 ermöglicht. Durch diese Vor- und Rückbewegung kann sich der Durchflußbegrenzer 72 zwischen den gestrichelt eingezeichneten Linien 104 bzw. 106 bewegen, so daß sich die Dicke eines ringförmigen Spaltes 108 ändert, der zwischen der Umfangsf1äche 74 und der Bohrung 60 gebildet ist. Wenn sich der Durchflußbegrenzer 72 in axialer Richtung bewegt, wie beschrieben, wird er durch eine Spiralfeder 110 gesichert, die an dem Absatz 52 anliegt.

Bezüglich des Spaltes 108 und anderer noch beschriebener Spalte, ist die Art der Strömung durch die ringförmige Rohrleitung des Durchflusses (dargestellt durch die Reynold'sche Zahl) hier als Funktion der dritten Potenz

der Dicke des Spaltes beschrieben. Aus diesem Grund sollten die Umfangsf1äche des Durchflußbegrenzers, sowie auch die Oberfläche der kegelstumpfförmigen Bohrung so konzentrisch wie möglich während der Drehung des Durchflußbegrenzers sein, um einen laminaren Durchfluß im Einstellbereich im Ringraum sicherzustellen.

Anhand der Figur 4 wird eine alternative Ausführungsform beschrieben, in der Teile, die identisch sind mit denen aus Figur 2 und 3, mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind.

Bei diesem Beispiel hat das Gehäuse 12 eine im wesentlichen zylindrische Bohrung 120, die mit dem Zwischenteil 34 über einen Kanal 122 verbunden ist. Das Zwischenteil 34 steht wiederum in Verbindung mit einem Kanal 123, der zu dem Auslaß 18 führt. Außerdem hat das Gehäuse 12 stromauf- und stromabwärtige Abzweigungen 36 bzw. 38, die in die Bohrung 120 münden.

Ein Einsatz 124 ist in der Bohrung 120 aufgenommen und wird darin durch ein Außengewinde 126 am stromaufwärtigen Ende 125 gehalten, wobei das Gewinde 126 in das Gewinde 22 des Gehäuses 12 eingreift. Der Einsatz 124 wird beim Einsetzen und Einschrauben der Gewinde 22 und 126 ineinander mittels eines Vierkantschlüssels oder einer ähnlichen nicht gezeigten Einrichtung, der bzw. die in die Vertiefung 130 in das stromaufwärtige Ende 128 eingreift, axial gedreht.

Der Einsatz 124 hat eine Bohrung 132, die einen kegelstumpfförmigen Abschnitt 134 hat, der sich bei dieser Ausführungsform gegen einen stromabwärtigen Abschnitt 136 verjüngt.

Eine Spindel 138 mit Außengewinde ist axial im Einsatz 124 angeordnet und durch Schweissen oder andere Verfahren an einem stromabwärtigen Endteil 140 davon befestigt Die Spindel 138 hat ein Aussengewinde 142, das das Aussengewinde 144 des Durchflußbegrenzers 146 aufnimmt. Der Durchflußbegrenzer 146 hat Kegel stumpfform und hat einen Umfang im wesentlichen parallel dem der kegel stumpfförmigen Bohrung 134. Beim Einsetzen des Durchflußbegrenzers 146 in die Bohrung 134 durch Eingreifen der Gewinde 142 und 144, kann der Durchflußbegrenzer 146 durch ein geeignetes nicht gezeigtes Werkzeug gedreht werden, das in einen Schlitz 148 eingeführt wird, um die Einstellung des Durchflußbegrenzers 146 in Längsrichtung bezüglich des Einsatzes 124 und die Einstellung der Dicke des ringförmigen Zwischenraums 150 zu ermöglichen. Um eine unerwünschte Drehung des Durchflußbegrenzers 146 zu vermeiden, ist eine Feder 152 zwischen dem Durchflußbegrenzer 146 und dem Abstromteil 140 des Einsatzes 124 angeordnet.

Bei der Ausführungsform der Figur 4 fließt das Strömungsmittel von der Einlaßöffnung 16 durch den Zwischenraum 150. Zwischen dem Durchflußbegrenzer 146 und dem kegelstumpf förmi gen Bohrungsabschnitt 134, dann durch den stromabwärtigen Bohrungsabschnitt 135,weiter durch die zylindrischen Kanäle 154,bis hin zum Zwischenabschnitt Von dort aus fließt das Strömungsmittel weiter in dem Kanal 134 bis zur Auslaßöffnung 18. Die Strömung durch den Zwischenraum 150 ist laminar und wird mittels Sensoren gemessen, die anhand der Figur 2 beschrieben sind und die mit den Abzweigungen 36 und 38 in Verbindung stehen. Eine Strömung zwischen dem Einlaß 124 und dem Gehäuse 12 wird durch die ineinandergreifenden Gewinde 22 und 126 unterbunden. Es können auch noch nicht gezeigte Dichtringe zwischen dem Oberstromteil 128 und dem Gehäuse 12 angeordnet werden.

Die Abzweigung 36 ist mit demStrömungsmittel über den Zwischenraum 150 durch einen Kanal 155 im Einsatz 124 verbunden. In ähnlicher Weise steht die stromabwärtige Abzweigung 132 mit dem Zwischenraum 150 durch einen Kanal 156 in Verbindung. Ein unerwünschter Durchfluß zwischen den Kanälen 155 und 156, d.h. eine Strömung zwischen dem Einsatz 124 und dem Gehäuse 12 wird durch einen O-Ring 158 verhindert und eine ähnliche Strömung stromabwärts vom Kanal 156 wird durch einen O-Ring 160 verhindert. Diese O-Ringe sind in Vertiefungen 162 und 164 an der Oberfläche des Einsatzes 124 gehalten.

Anhand der Figuren 5 und 6 wird ein weiterer Durchflußbegrenzer 170 beschrieben. Der Durchflußbegrenzer 170 kann in irgendeiner der erläuterten Ausführungsformen oder für irgendeinen Anwendungsfall verwendet werden, bei dem ein wesentlich höheres Gasvolumen durch den Primärströmungsmittelpfad gelangen soll, d.h., daß die Strömungsmittel rate einen Zwischenraum erfordert, der die Breite übersteigt, die zur Aufrechterhaltung einer laminaren Strömung erforderlich ist. Wie Figur 6 zeigt,hat der Durchflußbegrenzer 170 Kegel stumpfform und bei irgendeinem bestimmten Anwendungsfall eine Umfangswand 172,im wesentlichen parallel zu den beschriebenen kegelstumpfförmigen Bohrungen sowie eine Gewindebohrung 174, die eine Spindel aufnehmen kann, wie zuvor beschrieben wurde. Um einen zusätzlichen Massenstrom zu ermöglichen, ist der Durchfl ußbegrenzer 170 mit einem zentralen zylindrischen Teil 176, einem Zwischenrohrabschnitt 178 und einem äußeren Rohrabschnitt 180 versehen, wobei die genannten Teile durch die Schweißnähte 182 miteinander verbunden sind, die ringförmige Zwischenräume 184 und 186 bilden, die die geeignete Breite haben, um eine laminare Strömung darin sicherzustellen. Obwohl

andere laminare Durchflußkanäle in dem Durchflußbegrenzer 170 ausgebildet werden können, wie z.B. mehrere longitudinal gebohrte Kanäle, so hat sich aber herausgestellt, daß die konzentrischen ringförmigen Kanäle, die in den Figuren 5 und 6 gezeigt sind, gegenüber den rohrförmigen Kanälen höhere Durchflußraten und einen besseren laminaren Durchfluß ermöglichen. Wie schon zuvor bei Figur 1 und 2 beschrieben, hat der Durchflußbegrenzer 170 einen Schlitz 188, durch den der Durchflußbegrenzer 170 mit Hilfe eines geeigneten Werkzeugs innerhalb des Gehäuses 12 justiert werden kann.

Nun zur Theorie der zuvor beschriebenen einstellbaren laminaren Durchf1ußbypässe bezüglich der Aufrechterhaltung und Veränderung laminaren Durchflusses.

Eine Strömung durch einen Kanal kann charakterisiert werden durch den dimensionslosen Parameter, der als Reynold'sche Zahl bekannt ist.

(1) R = 4mpV_ni/M

wobei ρ die Strömungsmittel dichte, V die mittlere Geschwindigkeit in der Leitung, μ die Viskosität des Strömungsmittels und m den hydraulischen Radius, der definiert ist, als das Verhältnis des Leitungsquerschnittes (A) zum Leitungsumfang (L), bezeichnet. Der effektive Durchmesser der Leitung kann mit 4m eingesetzt werden. Die Reynold'sche Zahl drückt das Verhältnis der Trägheitskräfte zu den viskosen Kräften im Strömungsmittel aus. Für kleine Werte von R ist der Durchfluß laminar, während für große Werte von R die Trägheitskräfte überwiegen und die Strömung turbulent zu werden neigt. Der Übergang der Reynold' sehen Zahl erfolgt im allgemeinen zwischen etwa 1600 und 2800,

d.h., bei einer Reynold'sehen Zahl von weniger als 1600 wird angenommen, daß der laminare Durchfluß ermöglicht ist. Für irgendeine spezielle Anordnung kann der übergang der Reynold'sehen Zahl festgelegt werden, indem man die mittlere Geschwindigkeit, mit der ein Strömungsmittel bekannter Dichte und Viskosität turbulent durchfließt, bestimmt, und dann die Werte in die erläuterte Formel einsetzt. 3ede der beschriebenen Ausführungsformen stellt eine spezifische Anordnung dar, um die laminare Strömung im Bypassabschnitt PATH B in Kombination mit dem laminaren Durchfluß im Messabschnitt PATH A, zu ermöglichen. Bei jeder der Ausführungsformen ist das gemessene Strömungsmittel gasförmig, aber Anordnungen und Theorien können dabei ebenso für flüssige Strömungsmittel angewendet werden.

Eine andere bekannte Gleichung für den stationären Zustand laminarer Flüßigkeiten ist:

m "2" m

wobei V ein dimensionsloser Widerstandskoeffizient ist, der im laminaren Strömungsbereich dargestellt werden kann durch die Gleichung:

(3) V = C/R

wobei C eine Konstante ist. Verknüpft man die Gleichungen 1 bis 3, so erhält man eine Gleichung, die die Linearität des Druckgradienten zum volumetrisehen Durchfluß in der Leitung, darstellt:

2 r λ \ dp CL

⁽⁴⁾ dT ⁼

Aus den Gleichungen erhält man die Reynold'sche Zahl für das Sensorrohr in PATH A als:

wobei d der Durchmesser der Röhre ist und <^> die Massen· strömung in Einheiten von ccm/min:

(6) OJ = J^ü- dp ^τ 41 L

Für einen dünnen Ringraum eines mittleren Radius W und einer Zwischenraumdicke t, wobei W viel größer ist als t, gilt:

(7) R. = und

^a ^u W+t

(8) üb = dp a _{12 L}

Bei den beschriebenen Ausführungsformen hatte der Sensor, b.z.w. das Messrohr eine Länge (L) von 6,34cm und einen Durchmesser (d) von 0,254mm und eine beste Kalibrierung bei einer Massenströmung von 2 ccm/min; durch Anwendung von Gleichung (6) erhält man:

(9) K₁ = 205· 10⁸/dp

Indem man den Wert für K-, in Gleichung (6) einsetzt, erhält man:

(10) ώ = 5 · 10⁸d⁴/L

Für einen Ringraum mit dem gleichen dp gilt bei Anwendung von Gleichung (8):

(H)CJ - 205 10⁸ t³ W _{= 17} . ₁₀8 t3 w ^a 12 L

_^:-.^: ::· ■-. - W08779

Aus empirischen Daten bezüglich des beschriebenen

_2 Sensorrohrs erhält man für K_? den Wert 4,5 · 10 , wenn man bei einem oo = 5 ccm/min hat. K₂ in Gleichung (5) eingesetzt:

(12) R = 6 · 10"² ^ K₂ in Gleichung (7) ergibt:

(13) R = 9 · 10

worin die Dicke so vernachlässigbar ist, daß vereinfachend gilt:

(14) R = 9 · 10~² ^ ^a W

Dies besagt, daß die Zunahme des Mengenstromes (*> erfolgen kann ohne gleichzeitige Zunahme der Reynold'schen Zahl (R), falls eine proportionale Zunahme des mittleren Umfangs des Ringraums W benötigt wird.

Die Dimensionen für die beschriebenen, einstellbaren, laminaren Durchflußbypass-Systeme können empirisch festgelegt werden. Z.B. hat der Bypass-Durchflußbegrenzer in Fig. 3, nämlich der kegel stumpfförmige Durchflußbegrenzer 72, einen minimalen Durchmesser (D) von 1,05664 cm, und der Zwischenraum 108 zwischen dem Begrenzer 72 und der Bohrung 60 eine Länge (L) von 1,27 cm zwischen den Sensorrohren 36 und 38. Der Zwischenraum 108 hat einen Umfang (oder auch Weite) von W-(1 ,05664 cm) = 3,3274 cm. Für einen Massenstrom ώ von 20 χ 10 ccm/min ergibt die Gleichung (11) ein t von 0,41910 mm. Setzt man diese Daten in Gleichung (13) ein, so ergibt sich eine maximale Reynold'sche Zahl von

1354. Da dieses R geringer ist als der Reynold'sche übergangswert von 1600, ergibt der Bypass in Fig. 3 eine laminare Strömung.

Die Abzweigungen 36 und 38 sollten möglichst innerhalb des Zwischenraums, der durch den Durchflußbegrenzer und die kegel stumpfförmige Bohrung des Bypasses gebildet ist, liegen. Es ist empirisch erwiesen, daß eine laminare Strömung in einem ringförmigen Kanal mit den Abmessungen, die zuvor beschrieben wurden, in einer Entfernung entsteht, die ungefähr 20-mal der Zwischenraumdicke (t) in stromabwärtsliegender Richtung vom Anfang des ringförmigen Kanals aus,entspricht. Die Strömung bleibt wenigstens bis zu diesem stromabwärts liegenden Ende des ringförmigen Kanals laminar. So ist es auch erklärlich, daß, wenn die Abzweigungen 36 und 38 in der absoluten Laminarzone liegen, das Druckgefälle über den Abzweigungen proportional zur Durchflußrate in der Bypassanordnung ist. Jedoch können bei bestimmten Anwendungsfällen die Abzweigungen außerhalb des laminaren Durchflußbereichs liegen, d.h., je nachdem oberhalb und unterhalb des Durchflußbegrenzers in dem Bypassabschnitt. Da die Nichtlinearitat beim Austritt viel geringer ist als die Nichtlinearitat beim Eintritt, ist es ebenso möglich, die stromaufwärts liegende Abzweigung innerhalb der laminaren Durchflußzone und die stromabwärts liegende Abzweigung außerhalb des laminaren Durchflußzwischenraums anzuordnen und trotzdem noch eine ausreichende Linearität für gewisse Zwecke aufrechtzuerhalten. Unabhängig davon, ob die Abzweigungen 36 und 38 innerhalb oder außerhalb des Zwischenraums angebracht sind, sollte man Vor- und Rückbewegung des Durchflußbegrenzers registrieren, damit man die ge-

wünschte laminare oder nicht-laminare Strömung jederzeit in irgendeiner dieser Stellungen aufrechterhalten kann.

Bei den hier beschriebenen Bypassanordnungen ist zu beachten, daß man einen Konus von 3° für die kegelstumpfförmige Bohrung und den Durchflußbegrenzer hat. Für einen Konus von 3° und einen 1ongitudinalen Hub des Durchflußbegrenzers von 0,85 cm ist die maximale Dicke des ringförmigen Zwischenraums (t ) der ein-

max

stellbaren, laminaren Durchf1ußbypassanordnung der Fig. 3: 0,8466 cm χ sinö= 0,0442 cm. Setzt man diesen Wert mit Hilfe der durchschnittlichen Zwischenraumweite (W) von 3,505 cm und einer Zwischenraumlänge (L) von 1,27 cm in Gleichung (11), so erhält man einen maximalen Mengenstrom (&>) von 25 Standardlitern pro Minute. Bei diesem maximalen Durchfluß erzielt der einstellbare Durchflußbypassbegrenzer aus Fig. 3 eine Reynold'-sche Zahl von ungefähr 1600, was innerhalb der Grenzen liegt, wo eine laminare Strömung stattfindet.

Die Anordnung der Fig. 3 wurde getestet, um die Wirkung über einen weiten Bereich von Durchflußbegrenzereinstellungen zu ermitteln. Die Spindel 95 und die Bohrung 100 werden mit 56 Umdrehungen pro 2,54 cm ineinandergeschraubt. Wie beschrieben, ist der Hub des Begrenzers 72 0,846 cm vom völligen Eingriff bis zur maximalen stromaufwärtigen Rückhol position . Dadurch umfaßt der nutzbare Einstel1 bereich 18,6 Umdrehungen und die Veränderung der Zwischenraumdicke (t) entsprach 0,254 mm pro Umdrehung. Eine angenommene Einstel1genauigkeit von - 10° gestattet eine Einjustierung der Zwischenraumdicke (t) von 7,112 χ 10 cm. Die Anwendung der Gleichung (11) liefert die Abhängigkeit der Zwischenraumdicke (t) vom Mengenstrom (ώ) durch die Formel:

(15) t³ = 2,1 · 10"⁶ ώ

Die einstellbare laminare Durchf1ußbypassanordnung
der Fig. 3 wurde in einen Durchflußmesser eingebaut
und der Mengenstrom (ώ) wurde in Abhängigkeit von
der Rückholstel1ung des Durchflußbegrenzers gemessen, ausgedrückt in Umdrehungen der Windungsanzahl des Gesamteingriffs. Die Resultate dieser Tests sind in Tabelle 1 angeführt.

TABELLE

angezeigtes ω

Anzahl der Win· düngen bzgl . d VoI leinschubs

1 ,40

3,00

5,0

6,44

13,72

17,36

cm³

1

00

cm³

500

cm³

1

dm³

1

0

dm³

20

dm³

O

10

mm

min

mm

"-«3

Hub Ccrn] [(inches)]

berechnetes (t) Lern} [(inches)]

0,0635 (0,025)

0,00302 (0,0013)

0,13462 (0,053)

0,00711 (0,0028)

0,2286
(0,09)

0,01194
(0,0047)

0,2921 (0,115)

0,01524 (0,006)

0,6223 (0,245)

0,03251 (0,0128)

0,7874 (0,310)

0,04115 (0,0162)

ro cn

berechnete Auf!ösung

7%

3%

2%

1 ,5%

0,7%

0,5%

0,65

6,5

32,6

65,2

1304

Wie die berechneten Reynold'sehen Zahlen zeigen, ist die gesamte Strömung laminar. Gemäß der vorliegenden Erfindung erzielt der Durchflußmesser, der den einstellbaren, laminaren Durchf1ußbypass enthält, wie er in dem vorliegenden Beispiel beschrieben wurde, genau bemessene Mengendurchflußraten zwischen 10 ccm/min bis hin zu 20 cdm/min innerhalb desselben Meßrohrs, d.h. einem Meßrohr mit einem Durchmesser von 0,254 mm und einer Länge von 6,35 cm, und die Mengenstromrate war mittels einer einfachen Drehung des kegel stumpfförmigen Durchflußbegrenzers einstellbar. Die visuelle Einstellung des Durchflußbegrenzers ergibt eine äußerst genaue Einstellung.

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Claims

Tylan Corporation, 23301 South Wilmington, Carson, Calif. 90502, V. St. A.

Einstellbarer, laminarer Durchflußmesser

Patentansprüche

1 _t ^r Durchflußmesser, bestehend aus einem länglichen Gehäuse mit einer Strömungsmittel ein!aßöffnung, einer Strömungsmittelauslaßöffnung und einer Längsbohrung dazwischen, d adurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Borhung (60) eine längs verlaufende konische Wandung hat, die einen Durchflußbegrenzer (72) innerhalb der Bohrung umgibt, daß der Durchflußbegrenzer (72) eine Umfangsf1äche hat, die im wesentlichen parallel zu mindestens einem Teil der konischen Wandung verläuft un eine ringförmige Leitung dazwischen bildet, die eine laminare Strömung des Strömungsmittels aufrechterhält, daß der Durchflußbegrenzer (72) in Längsrichtung einstellbar ist, um die Dicke des genannten Leitungskanals zu verändern und daß Einrichtungen vorgesehen sind, um die Strömungsmitteldurchflußrate zu messen.
2. Durchflußmesser nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet , daß die konische Wandung in Längsrichtung kegelstumpfförmig ist und daß der Durchflußbegrenzer (72) ein Kegelstumpf ist, der innerhalb der kegel stumpfförmi gen Wandung angeordnet ist.
3. Durchflußmesser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtungen zur Messung der Strömungsmitteldurchflußrate so angeordnet sind, daß sie den laminaren Durchfluß in der ringförmigen Leitung messen.
4. Durchflußmesser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das durchfließende Strömungsmittel ein Gas ist.
5. Durchflußmesser nach Anspruch 2, dadurch g e k e η η ζ e i c h η e t , daß der Kegelstumpf von einer axialen Gewindespindel(70) gehalten ist, die im Gehäuse (12) angeordnet und bezüglich des Gehäuses (12) drehbar ist, um die Dickeeinstellung der ringförmigen Leitung zu ermöglichen.
6. Durchflußmesser nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtungen eine Leitung haben, die der ringförmigen Leitung zugeordnet und mit dieser innerhalb deren Länge verbunden ist.
7. Durchflußmesser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das durchfließende Strömungsmittel ein Gas ist.
8. Durchflußmesser, bestehend aus einem Gehäuse mit einer Strömungsmittelein- und -Auslaßöffnung und einem primären Strömungsmittelkanal dazwischen, dadurch gekennzeichnet, daß der primäre Strömungsmittelkanal eine kegel stumpfförmige Bohrung (60) hat, die einen Teil davon begrenzt, daß. der Ourchflußbegrenzer (72) im primären Strömungsmittelkanal angeordnet ist, der aus einem Kegelstumpf mit einer Umfangsf1äche besteht, die im wesentlichen parallel zur Umfangsf1äche der kegel stumpfformigen Bohrung (60) verläuft und einen Ringraum mit dem kegel stumpfförmigen Teil begrenzt, der einen laminaren Durchfluß bewirkt, und der selektiv in axialer Richtung innerhalb der kegel stumpfförmigen Bohrung beweglich ist,

um unterschiedliche Dicken des ringförmigen Umfangs zu erreichen.
9. Durchflußmesser nach Anspruch 8, dadurch gekenn zeichnet, daß das durchfließende Strömungsmittel ein Gas ist.
10. Durchflußmesser nach Anspruch 8, gekennzeichet durch eine Leitung, die einen sekundären laminaren Strömungsmitteldurchf1ußkanal begrenzt, Einrichtungen, um die Durchflußrate des Strömungsmittels im sekundären Durchflußkanal zu messen, und Einrichtungen, die den primären mit dem sekundären Strömungsmittelkanal verbinden .
11. Durchflußmesser nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungseinrichtungen mit je einem Anschluß am jeweiligen Ende der Leitung versehen sind, wobei die Anschlüsse axial innerhalb des Ringraums, der den laminaren Durchfluß gewährleistet, angeordnet sind.
12. Durchflußmesser nach Anspruch 11,dadurch gekennzeichnet, daß das durchfließende Strömungsmittel ein Gas ist.
13. Durchflußmesser bestehend aus Einrichtungen zur Messung der Strömungsmitteldurchflußrate und einem primären Strömungsmittelkanal, gekennzeichnet durch einen kegel stumpfförmigen Bohrungsteil im primären Strömungsmittelkanal, einen Durchflußbegrenzer (72) in dem primären Strömungsmittelkanal, der konisch ist und dessen Wandungen im wesentlichen parallel

zur kegel stumpfförmigen Bohrung verlaufen, wobei der Konus und die Bohrung einen ringförmigen Zwischenraum begrenzen, der eine Leitung bildet, die einen laminaren Durchfluß des Strömungsmittels in axialer Richtung aufrechterhält, wobei der Konus einstellbar ist, um die Dickenänderung des Ringraumes zu ermöglichen; eine Leitung, die der Strömungsmitteldurchflußrate zugeordnet ist, die Meßeinrichtungen hat und einen sekundären Durchflußkanal begrenzt und Einrichtungen, um den sekundären Durchflußkanal mit dem primären Durchflußkanal zu verbinden .
14. Durchflußmesser nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das durchfließende Strömungsmittel ein Gas ist.
15. Durchflußmesser nach Anspruch 14, dadurch g e k e η η ζ e i c h η e t, daß der Konus von einer axialen Gewindespindel (66) gehalten und bezüglich der Spindel und der kegel stumpfförmigen Bohrung drehbar ist, um eine schrittweise Einstellung des ringförmigen Zwischenraums (108) zu ermöglichen.
16. Durchflußmesser nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungseinrichtungen innerhalb der Leitung eine Verbindung des sekundären Strömungsmittel kanals mit dem primären Strömungsmittel kanal ermöglichen.
17. Durchflußmesser nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungseinrichtungen einen Anschluß jeweils am Ende der Leitung haben und daß die Anschlüsse axial innerhalb des ringförmigen Zwischenraums angeordnet sind.