DE3624093A1

DE3624093A1 - Vorrichtung zur messung der dichte stroemender gase

Info

Publication number: DE3624093A1
Application number: DE19863624093
Authority: DE
Inventors: Friedrich Dr Ing Schlottmann; Dietmar Dipl Ing Spohn; Klaus Prof Dr Gersten; Rainer Dr Ing Loehr
Original assignee: ANTON PILLER GmbH and Co KG
Current assignee: ANTON PILLER GmbH and Co KG
Priority date: 1986-07-17
Filing date: 1986-07-17
Publication date: 1988-01-21

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Messung der Dichte strömender Gase.

Für die Messung der Dichte strömender Gase ist die Entnahme einer Gasprobe erforderlich. Die Zusammensetzung dieser Probe wird analysiert und daraus die Dichte bestimmt. Die Bestimmung der Dichte ist damit zur Zeit nur stark zeitverzögert und mit großem Aufwand möglich. Eine solche indirekte Messung kann daher nur in größeren Zeitabständen durchgeführt werden.

In vielen Industriezweigen sind Gase zu fördern, die eine ungenau bekannte Zusammensetzung haben, die sich zudem zeitlich ändern kann. Weiter haben solche Gase vielfach sich zeitlich ändernde Temperaturen und Prozeßdrücke. Die vorstehenden Variablen lassen sich durch die indirekte Messung nicht erfassen. Die Dichtebestimmung ist damit bei variablen Zustandsgrößen mehr oder weniger ein Zufallsergebnis. Für die Gasförderung werden im allgemeinen Ventilatoren, insbesondere Radialventilatoren verwendet. Diese Ventilatoren werden für bestimmte Betriebsparameter angeboten, unter denen die Dichte des Gases ein wesentlicher Parameter ist. Bei der Inbetriebnahme der Ventilatoren muß der Nachweis geführt werden, daß die Parameter, die dem Angebot zugrunde gelegen haben, eingehalten werden, also der Ventilator richtig ausgelegt und dimensioniert ist. Es würde den Nachweis wesentlich erleichtern und präzisieren, wenn neben der Messung der Druckerhöhung und des Volumenstromes, die relativ exakt erfaßbar sind, auch die Fluiddichte ρ direkt gemessen werden könnte. Eine direkte und zeitlich unverzögerte Messung der Dichte ρ ist darüber hinaus bei der Überwachung von strömenden Medien ein dringender Wunsch.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zu schaffen, mit der mit einfachen Mitteln eine kontinuierliche und zeitlich unverzögerte Messung der Dichte in strömenden Medien möglich ist.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 herausgestellten Merkmale.

Zweckmäßige Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielsweise veranschaulicht und im nachstehenden anhand der Zeichnung beschrieben.

Fig. 1 zeigt die Vorderansicht einer Sonde mit zylindrischem Meßkörper.

Fig. 2 zeigt die Sonde um 90° gedreht von der Anströmseite aus gesehen.

Fig. 3 zeigt einen Schnitt längs der Linie III-III in Fig. 1.

Fig. 4 zeigt ähnlich Fig. 1 die Vorderansicht einer Sonde mit einem keilförmigen Strömungskörper.

Fig. 5 zeigt die Sonde nach Fig. 4 von der Anströmseite aus gesehen teilweise im Schnitt.

Fig. 6 zeigt einen Schnitt längs der Linie VI-VI in Fig. 4.

Fig. 7 zeigt im größeren Maßstab einen Schnitt durch einen Detektor zur Messung der Wirbelfrequenz.

Fig. 8 zeigt eine Schaltung zur Verarbeitung der mit der Sonde gemessenen Daten als Blockschaltbild.

Die vorliegende Erfindung geht davon aus, daß der dynamische Druck in einer Strömung, die Dichte des Mediums und die Strömungsgeschwindigkeit eine Beziehung nach folgender Gleichung haben

Aus dieser Gleichung ergibt sich für die Dichte

ρ = 2 (p _t - p _s) · w ^-2 (2)

In den vorstehenden Gleichungen bedeuten:
p _t = Totaldruck (Pa), p _s = statischer Druck (Pa), w = Strömungsgeschwindigkeit (m/s) und ρ = Dichte (kg/m³).

Der dynamische Druck

p _d = (p _t - p _s) (3)

ist mit einer klassischen Prandtl-Sonde meßbar.

Die Strömungsgeschwindigkeit w wird aus der dimensionslosen Strouhalzahl

ermittelt, in der f = Wirbelfrequenz (1 · sec^-1) und d die Querabmessung einer Strouhalsonde (m) ist. d · Sr ^-1 ist für eine gegebene Strouhalsonde für bestimmte Meßbereiche eine Konstante k. Damit ergibt sich für diese Bereiche

w = f · k (5)

Mit der im nachstehenden zu beschreibenden Sonde sind die Parameter p _t, p _s und f meßbar. Aus diesen Parametern läßt sich dann nach den obenstehenden Formeln die Dichte ρ ermitteln.

Die für die Messung der Dichte verwendete Sonde kann, wie in Fig. 1 bis 3 einerseits und Fig. 4 bis 6 andererseits ersichtlich, unterschiedliche Querschnitte haben. Die Sonde 1 nach Fig. 1 bis 3 hat einen runden Querschnitt und ist als Zylinderkörper 2 ausgebildet. Dieser Zylinderkörper ist mit einem koaxialen Gewindeansatz 4 und auf der anderen Seite mit einer Sackbohrung 3 mit einem Innengewinde 5 versehen, mit denen die Sonde in einer Halterung so befestigbar ist, daß die Kennung beeinträchtigende Randwirbel vermieden werden.

Die Sonde 1 ist auf einem Durchmesser 6 mit einer Gesamtdruckbohrung 8 versehen. Die Sonde wird wie eine Prandtl-Sonde mit dieser Bohrung der Strömungsrichtung S entgegengerichtet montiert.

Im Abstand von der Gesamtdruckbohrung sind in gleichem Abstand von diesen Bohrungen 10, 12 angeordnet, die senkrecht zur Tangente an den Kreisquerschnitt münden und damit quer zur Strömung auf der Oberfläche des zylindrischen Sondenkörpers liegen. Die Bohrung 8 mündet in einer achsparallelen Bohrung 9 und die Bohrungen 10 bzw. 12 in achsparallelen Bohrungen 14 bzw. 16.

Bei Anströmung der Sonde in Richtung des Pfeiles S tritt hinter dem größten Durchmesser 18 eine Strömungsablösung auf, die zur Ausbildung von Karmann′schen Wirbeln hinter dem größten Durchmesser der Sonde quer zur Strömungsrichtung führt.

Im Abstand vom Durchmesser 18 sind in gleichen Winkelabständen α Detektorbohrungen 20, 22 vorgesehen, in denen Detektoren für die abwechselnd auftretenden Ablöseimpulse der Strömung innerhalb der Karmann′schen Wirbelstraße gemessen werden. Als Detektoren können Druckaufnehmer oder thermische Detektoren vorgesehen werden. Es sind jedoch auch andere Detektoren möglich, die auf die Ablöseimpulse ansprechen und für die Ablöseimpulse jeweils ein Signal abgeben.

Die Detektoren 20 und 22 sind mit Anschlüssen versehen, die durch eine axiale Bohrung 24 nach außen geführt sind.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 4 bis 6 ist der Sondenkörper 26 keilförmig ausgebildet, wie aus Fig. 6 ersichtlich, wobei der keilförmige Körper eine Basis 28 mit einer Breite x und eine Höhe y über der Basis hat, wobei der Keil symmetrisch zur Basis ausgebildet ist. Der Sondenkörper ist hier beidseitig mit einem Gewindestutzen 30, 32 versehen. Zwischen dem Gewindestutzen und dem Sondenkörper ist jeweils ein Ring 34, 36 ausgebildet.

Der keilförmige Sondenkörper ist an seiner Spitze mit einer Gesamtdruckbohrung 38 versehen und in den angrenzenden Keilflächen jeweils mit Bohrungen 40, 42, deren Achsen senkrecht zu den Keilflächen 44, 46 liegen. Die Gesamtdruckbohrung 38 mündet in einer querliegenden Bohrung 48 und die beiden Bohrungen 40, 42 münden in einer querliegenden Bohrung 50. Die Kanten 52, 54 der Basis 28 bilden die Ablösekanten, hinter denen sich die Karmann′sche Wirbelstraße ausbildet. Senkrecht zur Basisfläche 28 sind in dem Sondenkörper Bohrungen zur Aufnahme von Detektoren 56, 58 angeordnet, die jeweils in Bohrungen 60, 62 münden, die sich quer im Sondenkörper erstrecken und durch die die Anschlußleitungen für die Detektoren hindurchgeführt sind. Die Bohrungen 48, 50, 60, 62 sind, wie aus Fig. 4 ersichtlich, einseitig durch den Gewindeansatz 32 hindurchgeführt. Der gegenüberliegende Gewindeansatz 30 dient zur Halterung auf der gegenüberliegenden Seite des Sondenkörpers 26.

In Fig. 7 ist in größerem Maßstab ein Ausschnitt im Bereich der Basis 28 des Sondenkörpers wiedergegeben. Es ist hier die Aufnahme 58 für den Impulsdetektor dargestellt. Es ist hier eine Bohrung 64 dargestellt, die durch eine mit der Basisfläche 28 abschließenden Hülse 66 abgeschlossen ist, die einen vorbestimmten Durchmesser d aufweist. Im übrigen sind für die hier nicht besprochenen Einzelheiten die in Fig. 6 erscheinenden Bezugszeichen verwendet.

In Fig. 8 ist schematisch die Sonde 1 dargestellt mit ihren Ausgängen für den Gesamtdruck p _t und den Ausgängen für den statischen Druck p _s. Dargestellt sind ferner die Ausgänge der Impulsdetektoren.

Aus dem Gesamtdruck p _t und dem statischen Druck p _s wird der dynamische Druck p _d ermittelt - Block 70 -, während aus den von den Detektoren 56 bzw. 58 abgegebenen Impulsen die Gesamtimpulsfrequenz f bestimmt wird - Block 72. Die Geschwindigkeit wird durch Multiplikation der Impulsfrequenz mit der sich aus der Strouhalzahl und der Querabmessung der Sonde ergebenden Konstanten ermittelt - Block 74. Es kann dann die Dichte gemäß der Formel ρ = 2 p _d · w ^-2 errechnet werden - Block 76. Die so ermittelte Dichte wird dann einem Anzeige- und/oder Aufzeichnungsgerät 78 zugeleitet.

Wie oben erwähnt, kann für viele für die Praxis interessante Meßbereiche der Quotient d · Sr ^-1 als Konstante angesehen werden. Bei größeren Meßbereichen kann die Viskosität der Gase einen Einfluß auf das Meßergebnis haben. Durch sich ändernde Viskositäten ändert sich die Reynolds-Zahl. Die Viskosität von Gasen ist im wesentlichen abhängig von der Temperatur. Es kann daher in Näherung ausreichen, bei der Errechnung der Dichte Viskositätsänderungen als eine Funktion der zeitgleich gemessenen Gastemperatur zu berücksichtigen. Damit würde dann der Faktor k, der oben als Konstante angegeben ist, eine Funktion der Temperatur und müßte als solche bei der Berechnung der Dichte berücksichtigt werden.

Mit der beschriebenen Vorrichtung läßt sich somit kontinuierlich und jeweils in Echtzeit die Dichte des strömenden Mediums ermitteln und so eine kontinuierliche Überwachung der Dichte in strömenden Medien auch bei sich ändernden Parametern für die Medien durchführen.

Claims

1. Vorrichtung zur Messung der Dichte strömender Gase, gekennzeichnet durch eine Sonde mit zwei parallelen, quer in der Strömung liegenden Ablösekanten, hinter denen jeweils in gleichen Abständen von der Kante Detektoren zur Messung der Wirbelfrequenz angeordnet sind, mit einer Gesamtdruckbohrung an der der Strömung entgegengerichteten Seite des Sondenkörpers und mit symmetrisch angeordneten senkrecht zu der Sondenoberfläche liegenden Bohrungen zur Messung des statischen Druckes, und durch eine Schaltung zur Verarbeitung der Meßgrößen nach der Formel ρ = 2 (p _t - p _s) · w ^-2,worin bedeuten: ρ = Dichte (kg/m³), p _t = Totaldruck (Pa), p _s = statischer Druck (Pa), w = Strömungsgeschwindigkeit des Mediums (m/s),
worin w ermittelt wird aus der Strouhalzahl (Sr) nach der Formelw = f · d · Sr ^-1,worin f = Wirbelfrequenz 1 · s ^-1, d = Querabmessung der Sonde und Sr die Strouhalzahl ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde einen runden Querschnitt hat und mit ihrer Achse quer in der Strömung liegt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde einen keilförmigen Querschnitt hat, wobei die Basis quer zur Strömungsrichtung liegt und die Spitze mittig vor der Basis angeordnet ist.