TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Durchflussmesser,
der geeignet ausgeführt ist, um eine Messung des
Gesamtfluidflusses durch eine Leitung zu ermöglichen, wobei
diese Leitung im folgenden als die Hauptleitung bezeichnet
werden wird.
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Die Erfindung kann auch angewendet werden, um die
vorherrschende Flußgeschwindigkeit zu messen, obwohl der
Durchflußmesser zur Vereinfachung im folgenden lediglich
unter Bezugnahme auf seine alternative Funktion der Messung
des Gesamtfluidflusses beschrieben werden soll.
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Die Erfindung ist eine weitere Entwicklung eines
Durchflußmessers, welcher eine Durchflußmesser-
Verengungsstelle, die in einem Abschnitt der Hauptleitung
angeordnet oder in denselben eingeführt ist, eine
Meßleitung, die sich parallel mit dem
Hauptleitungsabschnitt erstreckt und über der
Verwengungsstelle angeschlossen ist, worin eine Unterfluß
veranlaßt wird, im Ansprechen auf die durch die
Durchflußgeschwindigkeit im Hauptleitungsabschnitt
verursachte Druckdifferenz über der Verengungsstelle durch
die Meßleitung hindurchzufließen, einen in der Messleitung
angeschlossenen Unterflußmesser und einen elektrischen
Signalwandler mit zugeordneter Korrektureinheit verwendet,
der zum Umwandeln eines durch den Unterflußmesser
zugeführten Signals in ein proportionales Signal
konstruiert ist, welches dem Gesamtfluß durch die
Hauptleitung entspricht und welches an ein
Durchflußregistrierungs- oder Durchflußdarstellungsmittel
angelegt wird.
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Es wird verstanden werden, daß mit Durchflußmessern dieser
Art der gemessene Fluß in einer Meßleitung immer ein
gegebenes primäres Verhältnis zu dem Gesamtfluß durch die
Hauptleitung und ein gegebenes sekundäres Verhältnis zu dem
Fluß haben wird, der durch den Durchflußmesser
hindurchfließt, von dem der Leitungsabschnitt einen Teil
bildet. Dieses erste primäre Verhältnis stellt das für die
vorliegenden Erfindung wichtige Verhältnis dar.
STAND DER TECHNIK
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Durchflußmesser der vorhergehend beschriebenen Art sind im
Stand der Technik bekannt und können als "Bypass-
Durchflußmesser" bezeichnet werden, da ein bestimmter Teil
des augenblicklichen Gesamtflusses durch die Hauptleitung
veranlaßt wird, durch die Meßleitung hindurchzufließen, und
das Volumen dieses Flusses bestimmt wird und proportional
zum Gesamtfluß durch die Hauptleitung ist. Diese bekannten
Durchflußmesser schließen eine größere oder kleinere
befestigte Drosselblende in dem Hauptleitungsabschnitt ein,
und die Meßleitung oder das Abzweigrohr, die bzw. das
parallel über der Verengungsstelle angeschlossen ist,
schließt einen Durchflußmesser ein, der ein dem Fluß (oder
der Flußgeschwindigkeit) durch die Meßleitung
entsprechendes Signal abgibt.
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Zur Vereinfachung ist dieses Signal in der folgenden
Beschreibung als Beispiel als ein Puls pro Einheit von
durch die Meßleitung hindurchfließendem Volumen
dargestellt.
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Eine durch die Volumeneinheit multiplizierte gemessene
Frequenz kann dann proportional zu dem Bypass-Fluß oder dem
Prozentsatz des Flusses durch den Unterflußmesser und damit
mit einer gewählten Konstante auch proportional zu dem
Gesamtfluß durch die Hauptleitung betrachtet werden.
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Die über der Drosseleinrichtung auftretende Druckdifferenz
wird sich mit zunehmendem Fluß durch die Durchflußfläche
der Drosseleinrichtung vergrößern und damit den Bypass-Fluß
durch die Meßleitung und die Meßeinrichtung und durch den
Hauptleitungsabschnitt des Durchflußmessers treiben.
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Es ist bekannt, daß eine maximierte anerkannte
Druckdifferenz und Flußgeschwindigkeit in der Meßleitung
und durch den Unterflußmesser auf einen maximalen
Gesamtfluß durch die Hauptleitung anwendbar ist.
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Es ist weiter bekannt, den gleichen Bypass-Messer für
verschiedene Meßbereiche zu verwenden, indem die
Abmessungen des Querschnitts der Hauptleitung und der Größe
der Drosseleinrichtung in Übereinstimmung mit einem
gewählten Meßbereich ausgewählt werden.
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Unter anderem ist es notwendig, jedem Durchflußmesser den
größtmöglichen Meßbereich oder die größtmöglichen Dynamiken
zu gewähren, wie im folgenden genauer erklärt werden soll.
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Im Falle eines Bypass-Messers des Typs, der hier
beabsichtigt ist und in bestimmten Details im
vorhergehenden beschrieben worden ist, ist es bekannt, daß,
wenn der Widerstandskoeffizient der Drosseleinrichtung und
der Meßleitung zusammen mit dem Bypass-Messer gleich sind
und der Fluß turbulent ist, das Verhältnis des Flusses
durch die Drosseleinrichtung zum Fluß durch die Meßleitung
konstant sein wird, und daß das durch den Durchflußmesser
abgegebene Signal proportional zu der Summe beider Flüsse
sein wird.
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Die Britische Patentbeschreibung 2257/1886 offenbart eine
Anordnung, die einen Bypass-Messer und eine veränderbare
Drosseleinrichtung einschließt. Da diese Drosseleinrichtung
stromabwärts von dem Bypass-Messer angeordnet ist, wo der
ungemessene Hauptfluß und der gemessene Bypass-Fluß zum
Bilden eines gemeinsamen Flusses kombiniert werden, wird
das Verhältnis des Hauptflusses zu dem Bypass-Fluß nicht
durch die Drosseleinrichtung beeinflußt. Die
Drosseleinrichtung wird mit Hilfe einer schwenkbar
aufgehängten Klappe erhalten, die aufgebaut ist, um
ungeachtet der augenblicklichen Positonseinstellung der
Klappe eine konstante Proportionalität zwischen gemessenen
und ungemessene Wasserflüssen aufrechtzuerhalten.
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Die Klappe dient dazu, den Meßfluß durch den Bypass-Messer,
welcher aus einem Meßflügel besteht, im Ansprechen auf den
auf denselben durch den Hauptfluß ausgeübten Druck zu
drängen, was zu einem ungleichen Verhältnis zwischen dem
auftretenden Druck und dem erzeugten Meßfluß mit
unveränderten niedrigen Durchflußmesserdynamiken führt.
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Anhand der bekannten Bypass-Durchflußmesser durchgeführte
praktische Versuche haben normalerweise eine
Durchflußmesserdynamik in der Größenordnung von 50:1
gezeigt. Eine Durchflußmesserdynamik in der Größenordnung
von 100:1 ist höchst ungewöhnlich, wenn sie überhaupt mit
guter Linearität erzielt werden kann, während andere
allgemeine Anforderungen erfüllt werden.
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Es ist dem Fachmann in diesem Gebiet gut bekannt, daß die
durch Bypass-Messer bisher bekannter Konstruktion gebotenen
Vorteile in der Möglichkeit liegen, große Durchflußmesser
zu konstruieren, die für große Volumen bei niedrigen Kosten
ausgeführt sind, und daß ein Nachteil solcher
Durchflußmesser in deren übermäßig begrenzten
Durchflußmesserdynamiken besteht.
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Weiter gehören zu dem früheren Standpunkt von Techniken
hinsichtlich des erfindungsgemäßen Durchflußmessers
Durchflußmesser, die gemäß anderer Konzepte arbeiten,
nämlich Durchflußmesser, die keine Meßleitung aufweisen,
durch die ein Bypass-Fluß hindurchfließt.
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Gemäß einer Ausführungsform dieses letzteren
Durchflußmessers wird eine Verengungsstelle in der
Hauptleitung verwendet und Fluß wird gemessen, indem die
augenblickliche Druckdifferenz zwischen auftretenden
Drucken auf jeder Seite der Verengungsstelle festgestellt
wird.
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Bei einem Durchflußmesser dieser Art ist der durch den
Messer detektierte Durchfluß proportional zu der
Quadratwurzel der Druckdifferenz.
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Durchflußmesser dieser Kathegone haben sich als äußerst
genau innerhalb eines Druckdifferenzbereichs von 50:1
herausgestellt, wodurch sie eine Durchflußmesserdynamik von
nur etwa 7:1 aufweisen, bei einer konstanten
Durchflußfläche, die durch die Verengungsstelle gebildet
und zum Beispiel durch Verwenden einer Öffnungsplatte,
eines Meßflanschs, einer Meßdüse, eines Venturi-Rohrs oder
irgendeiner ähnlichen Einrichtung erhalten wird.
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Unter Berücksichtigung der Notwendigkeit einer
maximalisierten, annehmbaren Druckdifferenz über der
Verengungsstelle sind früher verschiedene Maßmahmen für den
Versuch vorgeschlagen worden, den Meßbereich des
Durchflußmessers zu vergrößern oder die
Durchflußmesserdynamiken (Qmax- : Qmin) zu verbessern,
während der Druckabfall (die Druckverluste) durch den
Durchflußmesser auf einer annehmbar niedrigen Größe
gehalten wird.
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Es ist in dieser Hinsicht bereits bekannt,
Durchflußmesserdynamiken mit Hilfe einer Durchflußfläche zu
verbessern, die von dem augenblicklichen Fluß abhängt und
deshalb veränderbar ist. Die mit dem System verbundene
Meßeinrichtung mißt weiterhin den Durchfluß als eine
Funktion des auftretenden Druckabfalls über der
Verengungsstelle.
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Im Falle solcher Druckdifferenz-Durchflußmesser ist es
bekannt, den auftretenden augenblicklichen Druckabfall mit
Hilfe eines Druckdifferentialtransmitters zu bestimmen.
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Es ist weiter bereits bekannt, daß Durchflußmesserdynamiken
verbessert werden können, wenn die veränderbare
Durchflußfläche sich bei ansteigender Druckdifferenz
vergrößern darf und umgekehrt. Dies wird mit Hilfe eines
axial bewegbaren und federvorgespannten Drosselkörpers
erreicht, der in der Hauptleitung vorgesehen wird, zum
Beispiel ein Flußdrosselungskörper der in der Britischen
Patentbeschreibung 1,566,251 dargestellten und
beschriebenen Art. In dieser Hinsicht ist festgestellt
worden, daß die Durchflußmesserdynamiken auf eine
Größenordnung von 50:1 verbessert werden können.
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Schließlich kann aufgeführt werden, daß es bekannt ist, daß
die Dynamiken eines Durchflußmessers auf bis zu 50:1
verbessert werden können, wenn ein induktiver Meßwandler
direkt in der Hauptleitung verwendet wird. Diese
Verbesserung der Durchflußmesserdynamiken wird jedoch auf
Kosten der möglichen Wahl des Flußmediums erhalten, da ein
induktiver Meßwandler das Vorliegen eines elektrisch
leitfähigen Medium erfordert.
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Es ist weiter bekannt, das Ausgangssignal aus verschiedenen
Meßeinrichtungen mit Hilfe von elektronischen
Signalwandlern zu detektieren und das Signal in
Ubereinstimmung mit einer mathematischen Funktion in ein
dem Gesamtmediumfluß entsprechendes proportionales Signal
umzuwandeln.
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Es ist möglich, geringfügige Korrekturen an dem Signal mit
Hilfe dieser elektrischen Signalwandler vorzunehmen, um so
geringfügige Abweichungen von ausreichend genauer
Proportionalität zu kompensieren.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
TECHNISCHE PROBLEME
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Beim Betrachten des vorliegenden Standpunkts von Techniken,
die wie oben unter Bezugnahme auf bekannte Grundprinzipien
zum Messen des Gesamtflusses durch eine Hauptleitung
beschrieben sind, wird erkannt werden, daß ein
qualifiziertes technisches Problem im Erkennen der
Wichtigkeit liegt, auf Basis eines Bypass-Durchflußmessers
einen Durchflußmesser zu schaffen, der einen Durchfluß
genau messen wird und der eine Durchflußmeßdynamik
gewährleisten wird, die beträchlich größer als die bisher
durch die oben beschriebenen bekannten Durchflußmeßsysteme
gebotene ist.
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Ein noch qualifizierteres technisches Problem besteht
darin, die Wichtigkeit einer weiteren Entwicklung der
Grundbedingungen und Prinzipien des Bypass-Messers zu
erkennen, damit die Meßeinrichtung alle Typen von
Durchflußmessern in ihrer Meßleitung verwenden und
Korrekturen vornehmen kann, die nicht nur die
Meßeinrichtung berücksichtigen, sondern auch die
augenblickliche oder derzeitige Durchflußfläche.
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Es wird auch erkannt werden, daß ein technisches Problem
darin besteht, unter anderem als einen ersten Schritt zu
dem Ziel, einen Durchflußmesser zu schaffen, der die oben
genannten technischen Probleme lösen wird, zu erkennen,
daß der Bypass-Messer mit einer flußabhängigen variablen
Durchflußfläche ergänzt werden soll, die im Prinzip vorher
in Differentialdruck-Durchflußmessern bekannt war.
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Es wird weiter erkannt werden, daß ein technisches Problem
in der Erkenntnis besteht, daß ein zweiter Schritt zum Ziel
des Schaffens eines Durchflußmessers, der die vorgenannten
technischen Probleme löst, mit der Möglichkeit einer
Linearisierung der von dem Unterflußmesser erhaltenen
Meßsignale verknüpft ist, so daß die Signale, anschließend
wie erforderlich korrigiert, die Proportionalität zu dem
Gesamtfluß durch die Hauptleitung innerhalb einer großen
Durchflußmesserdynamik, zum Beispiel einer Dynamik über
1000:1 darstellen können.
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Im Falle eines Durchflußmessers der Art, die in der
Einführung beschrieben ist und in Übereinstimmung mit dem
vorhergehenden ergänzt ist, wird erkannt werden, daß ein
technisches Problem im Erkennen der Möglichkeit besteht,
ein weniger strenges mathematisches Verhältnis zwischen
einem von dem Unterflußmesser erhaltenen Signal und einem
vorherrschenden Gesamtfluß zu verwenden, wobei ein in der
Hauptleitung angeordneter konischer Körper eine größere
Durchflußfläche im Ansprechen auf vergrößerte
Druckdifferenzen über der Verengungsstelle und umgekehrt
schaffen soll.
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In dieser Hinsicht liegt ein technisches Problem in der
Wichtigkeit begründet, die Tatsache zu nutzen, daß im Falle
eines niedrigen Gesamtflusses ein verhältnismäßig großer
Teil dieses Flusses in die Meßleitung hineinfließen wird,
und daß im Falle eines großen Gesamtflusses ein
verhältnismäßig kleiner, sehr kleiner Teil dieses Flusses
durch die Meßleitung hindurchfließen wird, und damit zu
erkennen, daß ein großer Mediumfluß durch die Hauptleitung
zu einer viel kleineren Vergrößerung des Bypass-Flusses
durch die Meßleitung führen wird, als im Falle einer festen
Durchflußfläche, was, durch Erfahrung gezeigt, zu einer
proportionalen Vergrößerung des augenblicklichen Flusses
durch die Meßleitung führen würde, und umgekehrt.
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Vor diesem Hintergrund wird erkannt werden, daß ein
technisches Problem in der Fähigkeit begründet ist, die
Wichtigkeit der Verwendung einer Kompensationseinrichtung
zu erkennen, die normalerweise in dem elektronischen
Signalwandler enthalten ist, um so das Ausgangssignal aus
dem Bypass-Messer im Ansprechen auf auftretende
Diskrepanzen in einer Weise zu kompensieren, um genaue
Proportionalität mit dem augenblicklichen Gesamtfluß durch
die Hauptleitung zu erzielen.
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Es wird weiter erkannt werden, daß ein technisches Problem
im Erkennen der Wichtigkeit besteht, den vorgenannten
konischen Körper als mehr oder weniger kegelstumpfförmigen
Körper mit der Konusspitze zur Flußrichtung in der
Hauptleitung hinweisend auszuführen, und zuzulassen, daß
der konische Körper axial im Verhältnis zu einer
feststehenden Drosselplatte bewegbar ist, um so eine
gegenbene Durchflußfläche zu begrenzen, die mit dem
augenblicklichen Fluß in Relation steht.
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Es wird weiter erkannt werden, daß ein technisches Problem
im Erkennen der Wichtigkeit besteht, in dieser Anwendung
eine Federeinrichtung zu verwenden, die mit einer
eingestellten Kraft aktiv beim Drücken des konischen
Körpers in eine Richtung zu der Drosselscheibe oder
-platte ist, um so den konischen Körper zur Bildung kleiner
Durchflußflächen zu verschieben, wenn der Fluß abnimmt.
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Ein anderes technisches Problem besteht im Erkennen der
Wichtigkeit, die durch die Federeinrichtung ausgeübte Kraft
auf einen Wert einzustellen, der einem gewählten maximalen
Fluß durch die Hauptleitung und den Hauptleitungsabschnitt
entspricht, wenn ihr engster Teil bei dem maximalen Fluß in
oder benachbart einer Ebene der Drosseleinrichtung oder
Verengungsstelle angeordnet ist.
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Schließlich wird erkannt werden, daß ein technisches
Problem im Erkennen der Wichtigkeit besteht, einen
elektronischen Signalwandler zu verwenden, welcher so
konstruiert ist, das er nach Kalibrierung jeden
auftretenden Fluß in der Meßleitung und das entsprechende
Ausgangssignal des Bypass-Durchflußmessers auf einem Wert
umwandeln wird, der dem augenblicklichen Gesamtfluß durch
die Hauptleitung entspricht.
LÖSUNG
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Die vorliegende Erfindung soll eines oder mehrere der
vorgenannten technischen Probleme auf der Grundlage eines
Durchflußmessers der Art lösen, die eine Verengungsstelle,
welche in einem Hauptleitungsabschnitt angeordnet ist und
die eine Durchflußfläche darin begrenzt, eine Meßleitung,
die parallel über der Verengungsstelle verbunden ist, wobei
ein Bypassfluß veranlaßt wird, durch die Druckdifferenz
über der Verengungsstelle, die durch den Fluß in dem
Hauptleitungsabschnitt verursacht wird, durch die
Meßleitung hindurchzufließen, eine in der Meßleitung
angeschlossene Meßeinrichtung, und einen elektronischen
Signalwandler verwendet, der geeignet wirkt, um ein durch
die Meßeinrichtung ausgegebenes Signal in ein Signal
umzuwandeln, das dem Gesamtfluß durch die Hauptleitung
entspricht.
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Es wird vorgeschlagen, daß die Fläche der Hauptleitungs-
Verengungsstelle durch einen konischen Körper reguliert
wird, der in der Hauptleitung angeordnet ist, so daß eine
vergrößerte Durchflußfläche im Ansprechen auf eine
ansteigende Druckdifferenz über der Verengungsstelle oder
einen zunehmenden Fluß durch die Durchflußfläche erzeugt
wird, oder umgekehrt.
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Die Verwendung eines bewegbaren konischen Körpers in einer
festen Verengungsstelle wird aufgrund der gleichzeitigen
Bewegung des konischen Körpers zu einem zunehmenden
augenblicklichen Fluß durch die Hauptleitung führen, so daß
im Falle eines großen Flusses der augenblickliche Fluß
durch die Meßleitung in einem geringeren Ausmaß zunehmen
wird, als es ansonsten der Fall wäre, wenn die
Durchflußfläche der Verengungsstelle fest ist, was
praktisch betrachtet zu genauer Proportionalität führt
(ohne einen konischen Körper und eine feste
Verengungsstelle oder mit einem festen konischen Körper).
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Weiter bringt die Verwendung eines konischen Körpers, der
in einer festen Verengungsstelle bewegbar ist,
notwendigerweise die Verwendung einer komplexen
normalerweise mit dem elektronischen Signalwandler
integrierten Kompensationseinrichtung mit sich, die so
ausgeführt ist, daß sie ein von dem Bypass-Durchflußmesser
erhaltenes Signal im Ansprechen auf auftretende
augenblickliche Diskrepanzen vollständig auf
Proportionalität zu dem Gesamtfluß durch die Hauptleitung
kompensieren kann.
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Dementsprechend, obwohl entgegengesetzt, erfolgt eine
Einstellung oder Anpassung bei abnehmenden augenblicklichen
Flüssen.
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Durch Aufführen vorgeschlagener Ausführungsformen, die in
den Umfang des Erfindungskonzepts fallen, wird
vorgeschlagen, daß der konische Körper eine
kegelstumpfförmige oder zumindest im wesenlichen
kegelstumpfförmige konische Konfiguration haben soll, wobei
die Konusspitze zu der Flußrichtung im
Hauptleitungsabschnitt hinweist, und daß der konische
Körper für Bewegung im Verhältnis zu einer festen
Verengungsstelle angebracht ist.
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Es wird weiter vorgeschlagen, daß eine Federeinrichtung zum
Drücken des konischen Körpers in eine Richtung zu der
festen Verengungsstelle in einer anpassenden Weise
vorgesehen ist, indem die durch die Federeinrichtung
ausgeübte Kraft in Übereinstimmung mit den ausgewählten
minimalen und maximalen Flüssen durch die Hauptleitung
angepaßt wird.
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Schließlich wird vorgeschlagen, daß der vorgenannte
elektronische Signalwandler so konstruiert ist, daß durch
Kalibrierung jedem in dem Durchflußmesser gemessenen
ausgewählten Bypass-Fluß ein Wert zugeordnet wird, der dem
vorherrschenden oder augenblicklichen Gesamtfluß
entspricht, wobei die Positionseinstellung des konischen
Körpers berücksichtigt wird.
VORTEILE
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Die primär durch den erfindungsgemäßen Durchflußmesser
gebotenen Vorteile liegen in der Erzeugung von Bedingungen,
die ermöglichen, daß die Dynamik eines Durchflußmessers,
der gemäß den Prinzipien der Messung eines augenblicklichen
Flusses in einer Meßleitung arbeitet, die parallel mit
einer Verengungsstelle in einem Hauptleitungsabschnitt
angeschlossen ist, umfassend vergrößert wird, wobei
weiterhin ein Durchflußmesser geschaffen wird, dessen
Ausgangssignal aufgrund einer durch einen verknüpften
elektronischen Signalwandler gebotenen besonderen
Kompensationseinrichtung linear zu dem Gesamtfluß durch die
Hauptleitung ist.
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Die primären charakteristischen Merkmale eines
erfindungsgemäßen Durchflußmessers sind im kennzeichnenden
Teil des folgenden Patentanspruchs 1 ausgeführt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Eine Ausführungsform, die momentan bevorzugt ist, und die
die wesentlichen charakteristischen Merkmale der
vorliegenden Erfindung besitzt, soll nun ausführlicher
unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben und erklärt werden, in denen
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Figur 1 die Prinzipien eines Durchflußmessers darstellt,
der einen Abschnitt einer Hauptleitung einschließt und der
auch eine feste Verengungsstelle und eine Meßleitung
einschließt, die parallel über der Verengungsstelle
angeschlossen ist und in der ein Bypass-Fluß bewertet wird,
wodurch die vorliegende Erfindung eine weitere Entwicklung
der dargestellten Anordnung bildet;
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Figur 2A einen Durchflußmesser darstellt, der gemäß dem
Prinzip der Bestimmung von auftretenden Druckdifferenzen
auf jeder Seite einer festen Verengungsstelle in der
Hauptleitung konstruiert ist;
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Figur 2B die Prinzipien gemäß Figur 2A darstellt, wenn die
verwendete Verengungsstelle eine variable Durchflußfläche
hat, wobei sich die Durchflußfläche bei größeren Flüssen
durch die Hauptleitung vergrößert und umgekehrt;
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Figur 3 schematisch einen erfindungsgemäßen Durchflußmesser
darstellt, der in einer ähnlichen Weise wie der in Figur 1
gezeigte Durchflußmesser arbeitet, der jedoch, unter
anderem, zusätzlich mit den in Figur 2B gezeigten Merkmalen
geeignet ausgestattet ist, um zu ermöglichen, daß die
Durchflußfläche im Ansprechen auf den augenblicklichen Fluß
in der Hauptleitung verändert wird;
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Figur 4 ein Diagramm ist, das eine Anzahl von Kurven zeigt,
die Druckdifferenzveränderung bei Fehlen von Kompensation
im Verhältnis zu dem Gesamtfluß für die in den Figuren 1,
2A und 2B dargestellten Durchflußmesser darstellen;
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Figur 5 ein Diagramm ist, das Kurven umfaßt, welche die
Veränderung des Bypass-Flusses bei Fehlen von Kompensation
und mit Kompensation im Verhältnis zu dem Gesamtfluß
zeigen;
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Figur 6 ein Diagramm ist, das die Volumendarstellung des
Bypass-Messers gemäß bekannten Techniken und gemäß der
Erfindung im Verhältnis zu dem Gesamtfluß zeigt; und
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Figur 7 ein Diagramm ist, das Signalfrequenzveränderung
gemäß bekannten Techniken und gemäß der vorliegenden
Erfindung im Verhältnis zu dem Gesamtfluß zeigt.
BESCHREIBUNG DERZEIT BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Figur 1 stellt schematisch einen Durchflußmesser 1 dar, der
einen Abschnitt 2a einer Hauptleitung 2 einschließt. In dem
Leitungsabschnitt 2a ist eine feste Verengungsstelle 3
angebracht und eine Meßleitung oder Bypass-Leitung 4 ist
parallel über der Verengungsstelle angeschlossen. Eine über
der Verengungsstelle 3 erzeugte Druckdifferenz bewirkt als
ein Ergebnis der Geschwindigkeit eines Flusses des Mediums
in dem Hauptleitungsabschnitt 2a, daß ein Bypass-Fluß dQ
durch die Meßleitung 4 hindurchfließt.
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Die Meßleitung 4 schließt eine Meßeinrichtung 5 ein, an die
ein elektronischer Signalwandler 6 angeschlossen ist, der
arbeitet, um das Ausgangssignal der Einrichtung 5 in ein
Signal umzuwandeln, welches dem durch die Hauptleitung 2
hindurchfließenden Gesamtfluß Q entspricht. Im
dargestellten Fall sind der Bypass-Fluß und der Hauptfluß
und die Signale vollkommen proportional.
Der Durchflußmesser 1 weist daher einen Abschnitt 2a einer
Hauptleitung 2, eine feste Verengungsstelle 3, die im
Leitungsabschnitt 2a angebracht ist und die eine
Durchflußfläche 3a begrenzt, eine Meßleitung 4, die
parallel über der Verengungsstelle 3 angeschlossen ist,
eine Meßeinrichtung 5, die mit der Meßleitung verbunden ist
und von der gesagt werden kann, daß sie ein Signal ausgibt,
das repräsentativ für einen quantifizierten Bypass-
Flußabschnitt ist, und einen elektronischen Signalwandler 6
auf, der arbeitet, um auf einer Leitung 6a ein Signal
auszugeben, das proportional zu dem Fluß durch die
Hauptleitung 2 ist.
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Zur Vereinfachung ist dieses Signal als ein elektrischer
Impuls gezeigt, der einen quantifizierten Bypass-
Flußabschnitt durch die Meßleitung repräsentiert.
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Die Erfindung basiert auf der Annahme, daß der
Durchflußmesser fehlerlos arbeiten wird, wenn die
Meßeinrichtung 5 aus bereits bekannten Mitteln, wie einem
Fluidoszillator 5a, einem drehbaren Meßflügel, einem
Induktionsmesser oder ähnlichen Mitteln besteht. Da diese
Einrichtungen dem Stand der Technik bekannt sind, sollen
sie hier nicht ausführlich beschrieben werden.
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Es reicht aus, zu sagen, daß die Einrichtung 5 ein Mittel
(5a) einschließt, das den augenblicklichen oder
auftretenden Bypass-Fluß dQ durch Erzeugen eines Impulses,
zum Beispiel eines elektrischen Impulses für jeden
bestimmten, quantifizierten Flußteil bestimmen kann, der
durch die Meßleitung hindurchfließt, und ein entsprechender
augenblicklicher Gesamtfluß Q durch die Hauptleitung 2 wird
in Abhängigkeit von einer bewerteten Impulsfrequenz von
einem elektrischen Signalwandler und durch
Proportionalisierung und möglicherweise durch eine geringe
Korrektur berechnet.
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Im Falle der Ausführungsform von Figur 1 wird das gesamte
Meßverhältnis (Qmax-Qmin) für den Fluß Q durch die
Hauptleitung das gleiche wie das auf die verwendete
Meßeinrichtung anwendbare gesamte Meßverhältnis sein. Die
Flußdynamik (Qmax-Qmin) bei dieser bekannten Technik
beträgt 50:1 - 100:1.
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Es soll festgestellt werden, daß dieses Verhältnis ein
allgemeines Verhältnis ungeachtet dessen ist, ob das Mittel
5a ein mechanischer Messer (Meßflügel) oder ein
Fluidoszillatormesser ist.
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Figur 2A stellt in ähnlicher Weise einen Durchflußmesser
dar, der in Übereinstimmung mit anderen Prinzipien und
Bedingungen als denjenigen arbeitet, die unter Bezugnahme
auf Figur 1 beschrieben sind.
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In der Ausführungsform von Figur 2A mißt der
Durchflußmesser die augenblickliche Druckdifferenz P1-P2 =
dP zwischen den Drucken, die stromaufwärts und stromabwärts
einer in einer Hauptleitung 2' in einer bekannten Weise
angebrachten festen Verengungsstelle 3' auftreten.
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Der stromaufwärts der Verengungsstelle 3' auftretende Druck
P1 wird durch einen engen Kanal 5a' zu einem
Druckdifferenzmesser 5' übertragen, wohingegen der
stromabwärts der Verengungsstelle 3' auftretende Druck P2
durch einen engen Kanal 5b' zu dem Druckdifferenzmesser 5'
auf jeder Seite einer Membran übertragen wird, welche sich
im Ansprechen auf die Druckdifferenz bewegt. Die Membran
wirkt mit einem Signalgeber 5c' in einer bekannten Weise
zusammen.
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Der dargestellte Durchflußmesser 1' umfaßt einen bekannten
Druckdifferenzmesser 5', der an einen elektronischen
Signalwandler 6' angeschlossen ist. Der elektronische
Signalwandler 6' ist so konstruiert, daß er das erhaltene
Signal in Übereinstimmung mit einer quadratischen Funktion
transponiert und auf diese Weise auf der Leitung 6a' ein
Signal ausgibt, welches proportional zu dem Gesamtfluß Q'
ist und demselben entspricht.
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In diesem Falle wird die erzielte Durchflußmesserdynamik
nur etwa 7:1 betragen.
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Wie Figur 2B zeigen soll, ist es bekannt, einen Körper 10
einzusetzen, der, wenn der Fluß (Q') zunimmt, die
Durchflußfläche als eine Folge davon vergrößern wird, daß
er axial in eine Stromabwärtsrichtung vorschoben wird, oder
umgekehrt. Obwohl dieser Körper zu einem nicht-linearen
Ausgangssignal führen wird, hat man festgestellt, daß
derselbe die Dynamiken des Durchflußmessers verbessert.
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Praktische Erfahrungen zeigen, daß, wenn ein Körper 10 in
der Hauptleitung 2' enthalten ist, der sich in die Richtung
der Längsachse der Hauptleitung bewegen kann, die
Flußdynamik (Qmax/Qmin) durch die Zweckdienlichkeit der
Messung des Drucks in den Leitungen 5a' und 5b' 50:1
erreichen kann.
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Figur 3 stellt eine einfindungsgemäße Ausführungsform eines
Durchflußmessers dar, der die in Figur 1 dargestellten
Komponenten enthält. Das wichtige Merkmal der
Ausführungsform von Figur 3 ist, daß die Meßleitung 4 einen
kleinen Durchflußmesser 5 enthält, der prinzipiell von der
gleichen Art wie der in Figur 1 dargestellte ist.
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In diesem Falle besteht die erforderliche Verengungsstelle
aus einer Öffnungsplatte 3 und einem konischen Körper 11,
die in dem Hauptleitungsabschnitt 2a so angebracht sind,
daß der breiteste Teil 11a des konischen Körpers in
Abwesenheit eines Flusses gegen die innere Randfläche 3a'
der Platte 3 abschließen wird, um so eine kleine oder Null-
Durchflußfläche 3a darzustellen.
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Wenn mit einem ausgewählten Fluß begonnen wird, kann
festgestellt werden, daß, wenn der Fluß Q zunimmt, der
konische Körper 11 nach rechts gedrückt wird, um so die
Durchflußfläche (begrenzt durch den Rand 3a' und den Umfang
des konischen Körpers) zu vergrößern, und daß, wenn der
Fluß Q abnimmt, der konische Körper 11 mittels einer Feder
12 nach links gedrückt wird, um so die Durchflußfläche 3a
zu verkleinern.
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Es ist auch Figur 3 zu entnehmen, daß, wenn der Fluß Q
durch die Hauptleitung 2 klein ist, die Durchflußfläche
auch klein oder null sein wird, so daß der Gesamtfluß, oder
zumindest ein großer Teil des Gesamtflusses, durch die
Hauptleitung 2 durch die Meßleitung 4 hindurchfließen wird.
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Wenn der Fluß Q durch die Hauptleitung 2 groß ist, wird die
Durchflußfläche 3a auch groß sein und ein kleiner Teil dQ
des Gesamtflusses Q wird durch die Meßleitung 4
hindurchfließen.
Diese Bedingungen werden deutlicher in Figur 6 zu erkennen
ein.
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Der konische Körper 11 soll auf diese Weise die
Durchflußfläche in der Hauptleitung im Ansprechen auf einen
zunehmenden Fluß vergrößern, was nur zu einem geringen
Anstieg der Druckdifferenz in der Meßleitung 4 führt, da
der konische Körper 11 in Figur 3 nach rechts bewegt ist
und die Feder 12 zusammengedrückt ist. Dies bedeutet, daß
das in Figur 1 dargestellte proportionale Verhältnis
zwischen dem Unterfluß dQ in der Meßleitung 4 und dem Fluß
Q durch die Hauptleitung 2 nicht mehr vorhanden ist.
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Wenn der Durchflußmesser eine Verengungsstelle 3 und einen
in der Verengungsstelle angebrachten konischen Körper 11
einschließt, wird das mit einer festen Verengungsstelle
erhaltene proportionale Verhältnis zwischen Unterfluß dQ
und Gesamtfluß Q so verändert werden, daß im Falle eines
großen Flusses der Unterfluß dQ so radial nicht zunehmen
wird, aber durch die Meßleitung 4 im Verhältnis zu dem
augenblicklichen Hauptfluß Q durch den
Hauptleitungsabschnitt 2a klein sein wird.
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Der dargestellte konische Körper 11 hat eine
kegelstumpfförmige Konfiguration, wobei die Konusspitze in
eine Richtung zur Flußrichtung durch die Hauptleitung 2
hinweist und axial in dem Hauptleitungsabschnitt 2a im
Verhältnis zu der festen Verengungsstelle 3 bewegbar und
mittig in dem Leitungsabschnitt 2a angeordnet ist.
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Eine Federeinrichtung 12 ist aktiv beim Drücken des
vorgenannten konischen Körpers 11 in Richtung der
Verengungsstelle 3, wobei die durch das Federmittel 12
ausgeübte Kraft an einen ausgewählten minimalen und
maximalen Fluß durch die Hauptleitung 2 angepaßt ist.
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Der minimale Fluß ist derjenige Fluß, bei dem der
Durchflußmesser arbeitet, und bei minimalen Flußbedingungen
wird der konische Körper 11 normalerweise in einer Stellung
angeordnet sein, in der seine Umfangsfläche mit der
Randfläche 3a' der festen Verengungsstelle 3 eine kleine
Durchflußfläche 3a begrenzt.
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Bei maximalem Fluß wird der konische Körper 11 in einer
Stellung rechts von der Verengungsstelle angeordnet sein,
in der er eine große Durchflußfläche 3a begrenzt.
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Der elektronische Signalwandler 6" ist auch so
konstruiert, daß er über Kalibrierung jedem durch die
Meßleitung 4 hindurchfließenden bewerteten Bypass-Fluß dQ
einen Wert zuordnen kann, der dem augenblicklichen
Gesamtfluß Q entspricht (wobei der Einfluß des konischen
Körpers 11 in seiner momentanen Positionseinstellung
berücksichtigt wird).
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Die Kurven in dem Diagramm von Figur 4 sollen die Dynamiken
(Qmax/Qmin) der in den Figuren 1, 2A und 2B gezeigten
Durchflußmesserkonstruktionen zeigen.
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Die Kurven sind so gewählt, daß Qmax einen maximalisierten
und gleichen Druckabfall dP über dem Durchflußmesser 5, 5'
darstellt.
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Kurve A soll das proportionale Verhältnis des Druckabfalls
zu dem Gesamtfluß im Falle eines Durchflußmessers gemäß
Figur 1 darstellen.
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In der Praxis ist in diesem Fall nur eine geringfügige
Korrektur erforderlich, da die Kurve eine völlig gerade
Linie darstellt.
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Kurve B soll das quadratische Verhältnis des Druckabfalls
zu dem Volumenfluß im Fall eines Unterflußmessers gemäß
Figur 2A darstellen, der eine feste Verengungsstelle 3'
aufweist.
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In der Praxis sind eine mathematische Berechnung und eine
Korrektur erforderlich, um Proportionalität zu erreichen.
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Kurve C soll das Verhältnis darstellen, daß bei einer
veränderbaren Durchflußfläche gemäß Figur 2B auftritt.
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In der Praxis ist in diesem Fall eine genaue Korrekur
erforderlich, damit das Signal proportional zu dem
augenblicklichen Gesamtfluß wird.
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Figur 5 stellt eine Kurve D dar, die charakteristisch für
die Erfindung ist.
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Kurve D soll das Verhältnis des Bypass-Volumens zu dem
Gesamtflußvolumen bei Verwendung einer erfindungsgemäßen
Meßeinrichtung darstellen, bei der die
Durchflußmesserdynamik so groß wie 2500:1 sein kann.
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Figur 5 soll darstellen, daß das Ausgangssignal, das von
dem Unterflußmesser 5 erhalten und das nicht korrigiert
wird, so betrachtet werden kann, daß es der Kurve D folgt,
und daß es deshalb notwendig ist, eine Korrektur zu der
durch Kurve D' dargestellten geraden Linie hin vorzunehmen,
um Proportionalität zwischen dem erhaltenen Ausgangssignal
und dem augenblicklichen Gesamtfluß zu erhalten.
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Es kann angenommen werden, daß die Durchflußmesserdynamik
wenigstens 1000:1 überschreiten kann und ein Wert von etwa
1500:1 wird als angemessen angesehen. Es wird auch als am
geeignetesten angesehen, den Durchflußmesserbereich
innerhalb der Grenzen von 1000:1-2000:1 zu wählen.
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Es sollte in dieser Hinsicht festgestellt werden, wie Figur
5 zeigen soll, daß das Verhältnis kein lineares Verhältnis
ist, sondern daß der elektronische Signalwandler 6" die
notwendigen Mittel zum Kompensieren auftretender
Abweichungen mit ausreichend kleiner Auflösung mit Hilfe
eines Kalibrierungsverfahrens enthalten soll.
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Es kann gesagt werden, daß die Durchflußmesserdynamik
verbessert werden kann, um innerhalb des oberen Bereichs zu
liegen, indem ein Durchflußmesser 5 verwendet wird, der
einen äußerst kleinen internen Druckabfall aufweist, wie
zum Beispiel ein induktiver Flußmeßwandler.
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Die gemäß der Erfindung erforderliche Kompensation soll nun
ausführlicher unter anfänglicher Bezugnahme auf Figur 6
erklärt werden. Diese Figur stellt dar, daß im Falle eines
Bypass-Messers der in Figur 1 dargestellten Art, bei dem
genaue Proportionalität zwischen dem durch die Meßleitung
hindurchfließenden Fluß und dem durch die Hauptleitung
hindurchfließenden Fluß vorliegt, der kleine Bypass-Fluß
oder die quantifizierten Unterflußteile (Liter/Impuls
"L/I"), der oder die in der Meßleitung 4 gemessen wurden,
ungeachtet des augenblicklichen Gesamtflusses durch die
Hauptleitung 2 konstant ist/sind.
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Dies ist mit einer geraden Linie 20 in Figur 6 dargestellt.
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Es kann weiter festgestellt werden, daß ein zunehmender
Gesamtfluß zu einem zunehmenden Bypass-Fluß durch die
Meßleitung führen wird, und daß die Frequenz der durch den
Durchflußmesser 5 ausgebenen Signale daher ansteigen wird,
und umgekehrt.
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Die Ausgangsimpulse des Durchflußmessers 5 haben hiermit
eine Frequenz f, die linear mit Änderungen bezüglich des
augenblicklichen Volumenflusses der Hauptleitung variiert.
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Dies ist durch eine geneigte gerade Linie 30 in Figur 7
dargestellt.
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Beim Betrachten der vorliegenden Erfindung, wie sie in den
Figuren 6 und 7 dargestellt ist, wird erkannt werden, daß
der Bypass-Fluß oder jeder quantifizierte
Unterflußabschnitt L/I, der in der Hauptleitung 4 gemessen
wurde, verschiedene Gesamtflüsse in Übereinstimmung mit der
Linie 21 darstellen wird.
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Es kann daher Figur 6 entnommen werden, daß ein gemessener
Fluß durch die Meßleitung 4 innerhalb des Bereichs von Qmin
einen kleinen Gesamtfluß Q darstellt. Das Verhältnis kann
dann bei 1:1 eingestellt werden.
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Abhängig, unter anderem, von der Konfiguration des
konischen Körpers wird sich das Verhältnis in
Übereinstimmung mit der Linie 21 bei zunehmenden Flüssen Q
vergrößern, so daß der in der Meßleitung 4 gemessene Fluß
einen zunehmend größeren Gesamtfluß Q durch die
Hauptleitung 2 darstellen wird.
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Ein entsprechender Vergleich mit Figur 7 wird zeigen, daß
die erzeugte Impulsfrequenz in Übereinstimmung mit der
Linie 31 größer und kleiner als proportional sein wird.
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Beim Vergleichen mit der in Figur 1 gezeigten bereits
bekannten Konstruktion kann zusammengefaßt festgestellt
werden, daß bei einem gegebenen Gesamtfluß Q' durch die
Hauptleitung 2 der erfindungsgemäße Durchflußmesser durch
Korrektur einen Wert Q" erzeugen wird, der anhand eines
quantifizierten Bypass-Flußteils berechnet ist und der
kleiner oder größer als der durch frühere bekannte
Konstruktionen erhaltene ist, und anhand einer Frequenz,
die größer oder kleiner als die durch früher bekannte
Konstruktionen erhaltene ist.
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Dies bedeutet, daß bei einem augenblicklichen Fluß Q" und
bei einer Vergrößerung bezüglich des volumetrischen Flusses
oder augenblicklichen Flusses durch die Hauptleitung 2 der
neue augenblickliche Flußwert aufgrund einer Vergrößerung
der Durchflußfläche zu einer kleineren Vergrößerung
bezüglich des Bypass-Flusses dQ durch die Meßleitung 4
führen wird, als mit einer festen Verengungsstelle erhalten
wird.
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Schließlich soll festgestellt werden, daß die Konfiguration
des dargestellten konischen Körpers derart ist, daß ein
gegebenes Verhältnis zwischen seiner axialen Bewegung und
der Vergrößerung der Durchflußfläche erzeugt wird, und daß
diese Konfiguration preisgünstig herzustellen ist.
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Es steht jedoch nichts einer Ausführung des konischen
Körpers in einer anderen Form entgegen, die ein anderes
Verhältnis schafft und eine kleinere elektronische
Kompensation bietet, obwohl erwartet werden kann, daß die
Herstellungskosten dann höher sein werden.
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Es wird verstanden werden, daß die Erfindung nicht auf die
vorgenannte beispielhafte Ausführungsform derselben
begrenzt ist, und daß Modifizierungen innerhalb des
Konzepts der Erfindung, wie sie in den folgenden
Patentansprüchen dargestellt ist, vorgenommen werden
können.