DE3417604C1 - Strömungswiderstand mit laminarem Durchfluß für einen Strömungsmesser - Google Patents

Description

• Diese bekannten Lösungen sind jedoch konstruktiv sehr aufwendig und entsprechend komplex; außerdem ist der Meßvorgang zeitaufwendig. Und schließlich müssen die verschiedenen Strömungswege sehr exakt ausgelegt werden, so daß die Kosten dieser Systeme hoch sind.
• Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Strömungswiderstand mit laminarem Durchfluß für einen Strömungsmesser der angegebenen Gattung zu schaffen, der für einen weiten Bereich von Strömungsmengen benutzt werden kann.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
• Zweckmäßige Ausführungsformen werden durch die Merkmale der Unteransprüche definiert.
• Die mit der Erfindung erzielten Vorteile beruhen auf folgenden Überlegungen: Nur einer der zur Verfügung stehenden Strömungskanäle ist mit den Abgriffen für die Messung des Druckabfalls an diesem Strömungskanal versehen, während die übrigen Strömungskanäle keine Abgriffe, jedoch im übrigen die gleichen wesentlichen Parameter, nämlich Länge und Durchmesser, haben. Damit läßt sich der Volumenstrom des einen, mit den Abgriffen versehenen Strömungskanals durch Parallelschalten weiterer, identischer Strömungskanäle vervielfachen. Bei Benutzung mehrerer, paralleler Strömungskanäle kann der laminar meßbare, gesamte Volumenstrom erhöht werden, während die Strömungsparameter und insbesondere der Differenzdruck pro Einzelrohr gleich bleiben und nach wie vor an dem Strömungskanal mit den Abgriffen erfaßt werden können.
• Ordnet man also zwischen mindestens einem Anschluß des Strömungswiderstandes und den zugehörigen stirnseitigen Enden der Strömungskanäle eine bewegliche Lochplatte mit Durchlaßöffnungen an, die auf einer Seite mit dem zugehörigen Anschluß verbunden und an der anderen Seite in jeweils zugeordneten Lagen der Lochplatte mit einer unterschiedlichen Zahl von Strömungskanälen ausgerichtet werden kann, so läßt sich durch Vorgabe einer entsprechenden Lage der Lochplatte die ankommende Strömung auf eine definierte Zahl von Strömungskanälen aufteilen und damit ein bestimmter Strömungsbereich festlegen, dessen Druckabfall an den Abgriffen ermittelt wird.
• Die Zahl der zuschaltbaren Strömungskanäle kann frei gewählt werden, wobei zweckmäßigerweise die Lochplatte durch einen Motorantrieb verstellt und in die jeweils ausgewählte Lage gebracht wird.
• Um die genaue Ausrichtung der Durchlaßöffnungen der Lochplatte mit den ausgewählten Strömungskanälen zu erreichen, muß die Lochplatte in der zugehörigen Lage exakt fixiert werden. Zu diesem Zweck kann die Lochplatte mittels eines Schrittmotors verstellt werden, der die Lochplatte in genau definierten Schritten verschiebt, deren Zahl wiederum den ausgerichteten Durchlaßöffnungen zugeordnet ist.
• Als Alternative hierzu können zusätzliche Mittel für die Positionierung der Lochplatte in der ausgewählten Lage vorgesehen sein, beispielsweise elektrische Näherungsschalter, die auf in die Lochplatte eingelassene Metallstifte ansprechen und den Motorantrieb der Lochplatte anhalten.
• Als Alternative hierzu kann auch eine Lichtschranke vorgesehen sein, die die Verstellung der Lochplatte bei Erreichen einer bestimmten Lage unterbricht.
• Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegenden, schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt F i g. 1 ein System zur Messung der Luftdurchlässigkeit von Papier, F i g. 2 eine perspektivische Ansicht des Strömungswiderstandes des Systems nach F i g. 1, F i g. 3 eine Draufsicht auf die Lochscheibe, F i g. 4 einen Schnitt durch die Lochscheibe, und F i g. 5 einen Schnitt durch einen Anschluß.
• Das aus F i g. 1 ersichtliche, allgemein durch das Bezugszeichen 10 angedeutete System zur Messung der Luftdurchlässigkeit einer Probe wird beispielsweise in der Tabakindustrie eingesetzt, um die Luftdurchlässigkeit von Zigarettenpapier zu erfassen. Dieses System 10 weist einen Meßkopf mit zwei Hälften 12a und 12b auf, zwischen die eine Probe 14, beispielsweise Zigarettenpapier, eingelegt werden kann. Die beiden Hälften 12a, 12b des Meßkopfes werden über ein pneumatisches Betätigungsglied 16 geschlossen. Dann wird die Meßluft durch das Zigarettenpapier 14 gedrückt, die von einem Pneumatikteil 18 mit eingebauter Druckregelung geliefert wird. Diesem Pneumatikteil 18 wird Preßluft zugeführt, wie in F i g. 1 angedeutet ist.
• Als Alternative zu dieser Ausführungsform kann in gleicher Weise auch die Meßluft durch die Probe 14, also Zigarettenpapier, gesaugt werden.
• Der Druckregler in dem Pneumatikteil 18 wird dabei so justiert, daß sich ein bestimmter Druckabfall an der Probe 14 einstellt.
• Dieser Druckabfall wird mittels eines Druckaufnehmers 20 ermittelt und der Meßwertaufnahme 22 zugeführt, die gleichzeitig einen automatischen Offset-Abgleich durchführt.
• Der Volumenstrom, der bei dem ermittelten Druckabfall die Probe 14 durchströmt, wird mittels eines Laminar-Flow-Elementes 24 gemessen. Auch hierbei wird wieder eine Druckdifferenzmessung durchgeführt, d. h., es wird der Druckabfall an dem Strömungswiderstand mit laminarem Durchfluß 24 erfaßt, der wiederum ein Maß für die durchfließende Gasmenge ist.
• Ein Druckaufnehmer 26 ermittelt den Druckabfall an dem Strömungswiderstand 24 und führt das entsprechende elektrische Signal der Meßwertaufnahme 22 zu.
• Die Steuerung der Meßwertaufnahme und des noch zu erläuternden Motorantriebs des Strömungswiderstandes 24 erfolgt über einen Steuerteil 28, der mit einer Anzeigeeinrichtung 30 für die Meßwerte, einer Tastatur 32 für die Eingabe von Steuerbefehlen, einer Einrichtung 34 für die Auswahl des Meßbereiches und einem Rechner/Drucker 38 verbunden ist. Der Rechnerausdruck kann mittels einer Einrichtung 36 gesperrt werden, die das manuelle Ausdrucken der Daten aus dem Rechner ermöglicht Dieses System 10 ermittelt also einerseits den Druckabfall an der Probe 14 und andererseits - wiederum aus einer Druckdifferenzmessung - die durchströmende Gasmenge, die rechnerisch zur Ermittlung der Luftdurchlässigkeit verknüpft, angezeigt und ausgedruckt werden können.
• In den Meßpausen wird der Offset der Druckaufnehmer 20, 26 abgespeichert und bei der Messung vom jeweiligen Meßwert abgezogen.
• Die gültigen Meßwerte werden automatisch oder nach manueller Abfrage nach ausgewählten statistischen Verfahren ermittelt, über einen Tischrechner verarbeitet, angezeigt und ausgedruckt.
• Fig.2 zeigt eine perspektivische Ansicht des Strömungswiderstandes 24, der bei dem Luftdurchlässigkeits-Meßsystem 10 eingesetzt wird. Dieser Strömungswiderstand 24 weist einen Rohranschluß 40 für den Meßkopf 12a, 12b und eine Erweiterung 42 des Anschlusses 40 auf, die mit dem Meßkopf 12a, 12b verbunden sind. Wie man in F i g. 5 erkennt, sind der Anschluß 40 und die Erweiterung 42 hohl, wobei sich der Strömungsquerschnitt vom Anschluß 40 zur Erweiterung 42 hin konisch vergrößert.
• Die Erweiterung 42 ist an einer Platte 44 befestigt, die eine Durchlaßöffnung aufweist, deren Durchmesser dem erweiterten Strömungsquerschnitt der Erweiterung 42 entspricht.
• Zwischen der Platte 44 und einer benachbarten Platte 46 ist eine Lochscheibe 48 angeordnet, deren nabenförmige Achse 49 in einer Aussparung in der Oberseite der Platte 44 aufliegt.
• Die Lochscheibe 48 ist mit einem Elektromotor 50 verbunden, der die Lochscheibe 48 um ihre Achse dreht.
• Wie man aus den Fig.3 und 4 erkennt, weist die Lochscheibe 48 drei Gruppen von Durchlaßöffnungen auf, nämlich eine einzige Durchlaßöffnung 48a, eine Gruppe von zehn Durchlaßöffnungen 48b und eine Gruppe von 60 Durchlaßöffnungen 48c. Die Gruppen 48b und 48c sind in einem definierten Kreismuster um jeweils eine zentrale Durchlaßöffnung angeordnet, die auf dem gleichen Kreisumfang wie die Durchlaßöffnung 48a liegen.
• Außerdem enthält die aus Kunststoff bestehende Lochscheibe 48 noch drei Metallstifte a, b und c, die in unterschiedlichen radialen Abständen von der zentralen Durchlaßöffnung 48d in Winkelabständen von 1200 zueinander angeordnet und den Durchlaßöffnungen 48a, 48b bzw. 48c zugeordnet sind.
• Nicht dargestellte Näherungsschalter sprechen auf die Metallstifte a, b und c an und steuern den Elektromotor 50 durch, wodurch wiederum die Durchlaßöffnungen 48a, 48b und 48c in eine zugehörige, feste Lage gebracht werden.
• Zwischen der Platte 46 und einer weiteren Platte 54 erstrecken sich insgesamt 60 Strömungskanäle 58, die entsprechend der Gruppe 48c von Durchlaßöffnungen in der Lochscheibe 48 auf mehreren Kreisumfängen um einen zentralen Strömungskanal angeordnet sind und durch Metallrohre mit gleicher Länge und gleichem Innendurchmesser gebildet werden.
• Die Abdichtung zwischen den Platten 44, 46, der Lochscheibe 48 und den Rohren 58 erfolgt durch O-Ringe, die z. B. in den Platten 44 und 46 in die der Lochscheibe 48 zugewandten Flächen eingelassen sein können.
• Die seitliche Abstützung dieses Strömungswiderstandes 24 erfolgt durch Seitenplatten 52 und 56.
• Die auf verschiedenen Kreisumfängen angeordneten Rohre 58 weisen keine Abgriffe für die Messung des Druckabfalls an dem Strömungswiderstand 24 auf. Solche Abgriffe 60, 62 sind nur an dem zentralen Rohr 58 vorgesehen, also dem Rohr, dessen Lage der Durchlaßöffnung 48a der Lochscheibe 48 und damit der zentralen Öffnung der Gruppen 48b, 48c entspricht Die Abgriffe 60, 62 befinden sich nicht am Beginn dieses zentralen Rohres 58, so daß sich eine gerade Einlaufstrecke für die Strömungsberuhigung ergibt und dadurch der laminare Durchfluß durch den Strömungswiderstand 24 gewährleistet wird.
• Befindet sich die Lochscheibe 48 in der aus F i g. 3 ersichtlichen Lage, in der die 60 Durchlaßöffnungen 48c der Lochscheibe 48 mit den 60 Rohren 58 ausgerichtet sind, so wird die Gesamtströmung gleichmäßig auf die 60 Rohre aufgeteilt, wobei sich zwar der laminar meßbare gesamte Volumenstrom erhöhen kann, die Strömungseigenschaften und insbesondere der Differenzdruck pro Rohr jedoch gleich bleiben. In dieser Meßstellung kann in einem Strömungsbereich gearbeitet werden, der etwa 60mal so groß wie der Bereich bei der Messung mit dem Rohr mit den beiden Abgriffen 60, 62 ist.
• Wird die Lochscheibe 48 in Richtung des Uhrzeigersinns um einen Winkel von 1200 aus der in Fig. 3 dargestellten Lage mittels des Elektromotors 50 verdreht, so wird nur die einzige Durchlaßöffnung 48a mit dem zentralen Rohr 58 mit den beiden Abgriffen 60, 62 ausgerichtet, d h., die Strömung fließt nur durch dieses einzige Rohr.
• Bei einer weiteren Drehung um 1200 werden die zehn Durchlaßöffnungen 48b mit den zehn zugehörigen Rohren 58 ausgerichtet. In dieser Meßstellung kann in einem Strömungsbereich gearbeitet werden, der etwa 10maul so groß wie der Bereich bei der Messung mit dem Rohr mit den beiden Abgriffen 60, 62 ist.
• Wird beispielsweise das zentrale Meßrohr mit den beiden Abgriffen 60, 62 bis zu einer Strömungsmenge von 40 I/h eingesetzt, so sind mit der dargestellten Ausführungsform die folgenden Auflösungen möglich: Bei Benutzung der Durchlaßöffnung 48a die Messung von 0 bis 40 I/h; bei Benutzung der Durchlaßöffnungen 48b die Messung von 0 bis 400 I/h; bei Benutzung der Durchlaßöffnungen 48c die Messung von 0 bis 2400 I/h.
• Selbstverständlich können durch entsprechende räumliche Anordnung der Durchlaßöffnungen und/oder der Rohre 58 auch andere Auflösungen realisiert werden.
• Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung lassen sich somit schnell z. B. die Luftdurchlässigkeiten extrem verschieden luftdurchlässiger Papiere bestimmen.
• Hierbei ist wesentlich, daß die einzelnen Durchlaßöffnungen und/oder Rohre nach einem bestimmten Muster, beispielsweise in Kreisform, um eine zentrale Durchlaßöffnung 48a bzw. ein zentrales Meßrohr mit den Abgriffen 60, 62 angeordnet werden.
• Die Ausrichtung der einzelnen Durchlaßöffnungen 48a, 48b bzw. 48c auf die zugehörigen Rohre 58 erfolgt durch die erwähnten Näherungsschalter, die auf die Metallstifte a, b und c in der aus Kunststoff bestehenden Lochscheibe 48 ansprechen und den Elektromotor 50 so ansteuern, daß die ausgewählte(n) Durchlaßöffnung(en) mit den zugehörigen Rohren ausgerichtet werden.
• Ein in dem System 10 befindlicher Mikroprozessor vergleicht den gewählten Bereich mit dem zugehörigen Näherungsschalter und steuert die Auswerteelektronik entsprechend.
• Bei Verwendung eines Schrittmotors können die Näherungsschalter entfallen, da die verschiedenen Durchlaßöffnungen jeweils um 1200 zueinander versetzt auf der Lochscheibe 48 angeordnet sind; es müßte also in diesem Fall nur die Zahl der Schritte gezählt und gesteuert werden, die der Schrittmotor für die Drehung der Lochscheibe um 1200 benötigt.

Claims (8)

1. Patentansprüche: 1. Strömungswiderstand mit laminarem Durchfluß für einen Strömungsmesser a) mit mehreren getrennten, parallel zueinander angeordneten Strömungskanälen, b) mit Anschlüssen für die zu messende Strömung an den stirnseitigen Enden der Strömungskanäle, und c) mit senkrecht zur Strömungsrichtung verlaufenden Abgriffen für die Messung des Druckabfalls an nur einem der Strömungskanäle, dadurch gekennzeichnet, daß d) zwischen mindestens einem Anschluß (40) und den zugehörigen, stirnseitigen Enden der Strömungskanäle (58) eine bewegliche, mehrere Gruppen von Durchlaßöffnungen (48a, 48b, 48c) aufweisende Lochplatte (48) angeordnet ist, e) die auf einer Seite mit dem zugehörigen Anschluß (40) verbindbar und auf der anderen Seite in jeweils zugeordneten Lagen der Lochplatte (48) zu einer unterschiedlichen Zahl von Strömungskanälen (58) ausrichtbar sind.
2. 2. Strömungswiderstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungskanäle (58) auf mindestens einem Kreisumfang um einen zentralen Strömungskanal (58) mit den Abgriffen (60, 62) angeordnet sind, und daß die verschiedenen Gruppen von Durchlaßöffnungen (48a, 48b, 48c) entsprechend angeordnet sind und jeweils eine zentrale, dem zentralen Strömungskanal (58) entsprechende Durchlaßöffnung (48a) aufweisen.
3. 3. Strömungswiderstand nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gruppen von Durchlaßöffnungen (48a, 48b, 48c) auf einem Radius einer drehbaren Lochscheibe (48) angeordnet sind.
4. 4. Strömungswiderstand nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lochplatte (48) gegen den Anschluß (40) sowie gegen die Strömungskanäle (58) durch O-Ringe abgedichtet ist.
5. 5. Strömungswiderstand nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lochplatte (48) durch einen Elektromotor (50) verstellbar ist.
6. 6. Strömungswiderstand nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromotor (50) durch eine Positioniereinrichtung ansteuerbar ist, die bestimmte, den Gruppen von Durchlaßöffnungen (48a, 48b, 48c) zugeordnete Lagen der Lochplatte (48) kennzeichnet.
7. 7. Strömungswiderstand nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in die aus Kunststoff bestehende Lochplatte (48) Metallstifte (a, b, c) eingelassen sind, und daß Näherungsschalter auf die Metallstifte (a, b, c) ansprechen.
8. 8. Strömungswiderstand nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgriffe (60, 62) im Abstand von den Enden des zentralen Strömungskanals (58) angeordnet sind.

   Die Erfindung betrifft einen Strömungswiderstand mit laminarem Durchfluß für einen Strömungsmesser der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung.

   Um den Volumen- und/oder Mengendurchsatz, die Geschwindigkeit oder die Durchflußmenge eines strömenden gasförmigen oder flüssigen Mediums zu messen, sind sogenannte »Wirkdruck-Durchflußmesser« entwickelt worden. Dabei fließt das strömende Medium durch einen Strömungswiderstand, an dem sich ein bestimmter Druckabfall einstellt. Aus der Messung dieses Druckabfalls, die im allgemeinen durch Anschluß an zweckmäßige Druckaufnahmer erfolgt, kann bei bekannten, eventuell empirisch ermittelten Gerätekonstanten aus dem Druckabfall direkt die Strömungsgeschwindigkeit und der Durchsatz oder nach Integration die Gesamtmenge oder das Gesamtvolumen des strömenden Mediums bestimmt werden.

   Der allgemeine Aufbau eines solchen Strömungsmessers, aber auch eine spezielle Konstruktion eines zugehörigen Strömungswiderstandes, werden in der US-PS 31 23 900 erläutert.

   Weiterhin geht aus dem DE-GM 19 80 414 ein Strömungswiderstand hervor, bei dem mehrere, parallel geschaltete Glaskapillaren eine den Strömungsquerschnitt verschließende Platte durchsetzen. Die Glaskapillaren können dabei in Bohrungen der Platte eingekittet oder eingeklebt sein; als Alternative hierzu kann die Platte auch um die Glaskapillaren gegossen werden. Diese Platte wird wiederum so in dem Gehäuse befestigt, daß die Strömung, deren Durchfluß bestimmt werden soll, durch die Glaskapillaren fließt.

   Dabei soll die Aufteilung der Gesamtströmung auf mehrere Glaskapillaren dazu dienen, eventuelle Strömungseffekte am Einlaß bzw. am Auslaß möglichst klein zu halten. Aufgrund der turbulenten Strömungsverhältnisse vor Eintritt in und nach Eintritt aus den Kapiallaren ist der hier gemessene Druckabfall jedoch mit Fehlern behaftet.

   Ein Strömungswiderstand mit laminarem Durchfluß für einen Strömungsmesser der angegebenen Gattung geht aus der DD-PS 41 497 hervor und weist mehrere getrennte, parallel zueinander angeordnete Strömungskanäle, Anschlüsse für die zu messende Strömung an den stirnseitigen Enden der Strömungskanäle sowie senkrecht zur Strömungsrichtung verlaufende Abgriffe für die Messung des Druckabfalls an nur einem der Strömungskanäle auf.

   Ein wesentliches Problem bei solchen Strömungswiderständen mit laminarem Durchfluß, die auch als »LFE« für »Laminar Flow Element« bezeichnet werden, liegt darin, daß mit einem solchen Strömungswiderstand ein weiter Bereich von Mengenströmen erfaßt werden muß. Durch einen einzigen Strömungsmesser kann im allgemeinen nur ein eng begrenzter Bereich überstrichen werden, so daß bei Überschreiten dieses vorgegebenen Bereiches im allgemeinen der Strömungsmesser ausgetauscht werden muß, wie es beispielsweise aus der DE-OS 2828430 bekannt ist; dabei sind mehrere, getrennte Strömungswege vorgesehen, die jeweils einen zugehörigen Strömungsmesser enthalten und wahlweise an die Probe angeschlossen werden können.

   Eine Alternative hierzu geht aus der DE-OS 2949 200 hervor, wobei wahlweise unterschiedliche Strömungswiderstände in den Strömungsweg eingeschaltet werden können.