DE7041864U - Strömungsmessvorrichtung - Google Patents

Description

THLEDYNE Inc., Los Angeles, Calif. (V.St.A.)

Strömungsmeßvorrichtung

Die Heuerung bezieht sich auf eine Strömungsmeßvorrichtung, welche eine Hauptzuführungsleitung, durch welche das Strömungsmedium fließt, dessen Strömungsgeschwindigkeit gemessen wer.?n soll, ein Drosselelement in der Hauptzuführungsleitung, an welchem das in der Hauptzuführungsleitung fließende Strömungsmedium einem Druckabfall unterworfen ist, einen mit der Hauptzuführungsleitung auf jeder Seite des Drosselementes verbundenen das Drosselelement umgehenden Nebenströmungsweg und einen Strömungsmesser in dem Nebenströmungsweg aufweist, welcher die Geschwindigkeit des in dem N^benströmungsweg fließenden Strömungsmediums mißt.

Es sind Strömungsmeßvorrichtungen bekannt, bei denen das Hilfsströmungsmedium, dessen Strömung gemessen wird, auf einen vollständig isolierten Strömungsweg begrenzt wird, welcher zu keinem Zeitpunkt mit der Hauptzuführungsleitung in Verbindung steht.

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Gerichtsstand Regensburg

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Es sind Mittel zum Messen des statischen Druckes auf jeder Seite des Drosseleiementes vorgesehen und verschiedenartige mechanische Vorrichtungen aufgezeigt, welche auf den Druckunterschied auf jeder Seite des Drossel*;? ^mentes ansprechen, um den Fluß des Hilfs6trömungsmediums auf seinem getrennten und unabhängigen Weg zu regeln. Dabei ist eine Leitung vor dem Drosselelement zum Messen des statischen Druckes vor diesem Drosselelement und eine Leitung hinter dem Drosselelement zum Messen des statischen Druckes hinter diesem Drosselelement vorgesehen. Weiterhin sind verschiedene mechanische Vorrichtungen, wie z.B. Hebelgestänge und Doppelbalgen vorgesehen, um den Fluß des HilfsStrömungsmediums in ihrer besonderen und getrennten Bahn entsprechend dem relativen Druckunterschied vor und hinter dem Drosselelement zu regeln. Obgleich somit bei diesen bekannten Vorschlägen eine Druckmeßvorrichtung dargestellt und beschrieben ist, bei der die Strömung eines gewünschten Strömungsmediums durch Messung der Strömung eines anderen Strömungsmediums gemessen wird, ist dieGattung derartiger Strömungsmeßvorrichtungen nicht der eingangs erörterten Gattung von Strömungsmeßvorrichtungen, auf die sich die Neuerung bezieht, unterzuordnen.

Des witteren ist eine Strömungsmeßvorrichtung bekannt, bei der ein Nebenströmungsweg ein Drosseleieaent in der Hauptzuführungsleitung umgeht. Das Strömungsmedium, dessen Strömung gemessen werden soll, fließt durch die Hauptleitung, und ein Teil dieses Strömungsmediums wird durch den Nebenströmungsweg abgelenkt. Der Nebenströmungsweg enthält einen thermischer. Strömungsmesser, wie er z.B. in den USA-Patentschriften 3 181 357 und 3 229 522 beschrieben ist.

Bei derartigen Strömungsme^vorrichtungen tretan verschiedene Nachteile auf. Wenn in der Hauptzuführungsleitung Schmutzstoffe oder feste Bestandteile mitgenommen werden, verstopft sich häufig der rJebenströiPungsweg mit derartigen Schmutzstoffen oder festen Bestandteilen, da dieser Nebenströmungsweg einen verhältnismäßig kleinen Durchmesser haben muß. Des weiteren werden bei einer solchen Strömjngsmeßvorrichtung üblicherweise thermische Strömungs-

messer in den Nebenströmungsweg zum Messen des in diesem Nebenströmungsweg fließenden Strömungsmediums verwendet. Wenn das zu messende Strömungsmedium brennbar ist, wie dies häufig der Fall ist, ergibt sich daraus eine Gefahrenquelle, da sich das durch ^r. thermischen Strömungsmesser fließende brennbare Strömungsmedium entzünden kann und sich die dadurch entstehende Flan»tie leicht auf die Hauptleitung ausbreiten kann. Weiterhin darf das zu messende Strömungsmedium keine korrodierende Flüssigkeit sein, da sonst der Strömungsmesser einem Angriff durch das abgelenkte Strömungsmedium ausgesetzt ist.

Aufgabe vorliegender Neuerung ist es, bei einer Strömungsmeßvorrichtung der eingangs geschilderten Art die Nachteile bekannter Vorrichtungen zu vermeiden und eine entsprechende Strömungsmessung auf einfache, zuverlässige und sichere Weise zu bewirken.

Gemäß der Neuerung wird diese Aufgabe gelöst durch den Anschluß je einer Zuführungsleitung für ein zum Hauptströmungsmedium analoges Meßströmungsmedium an den Nebenströmungsweg auf jeder Seite des Geschwindigkeitsmessers.

In weiterer Ausgestaltung der Neuerung ist ein zwätes Drosselel«- ment in dem Nebenströmungsweg zwischen dem Geschwindigkeitsmesser und einer der Einführungsstellen eines analogen Meßströmungsmediums in den Nebenströmungsweg vorgesehen. Dabei können Ventile zum Steuern der Einführung des analogen Meßströmungsmediums in den Nebenströmungsweg vorgesehen sein.

Mit diesem Vorschlag werden die Nachteile der bekannten Ströraungsmeßvorrichtung dadurch vermieden, daß das analoge Meßströmungsmedium in den Nebenströmungsweg durch den Geschwindigkeitsmesser mit einer Geschwindigkeit strömt, welche eine Funktion der Geschwindigkeit des in der Hauptzuführungsleitung fließenden Strömungsmediums ist. Auf diese Weise geht nichts von dem in der Hauptzuführungsleitung fließenden Strömungsmedium durch den Nebenströmungsweg, obgleich der Nebenströmungsweg an seinen beiden Enden zur

Hauptzuführungsleitung offen ist. Statt dessen fließt lediglich das analoge Meßströmungsmedium in den Nebenströmungsweg, das den Nebenströmungsweg und den Geschwindigkeitsmesser reinigt und die Leitungen sauberhält. Damit ergibt sich auch die Brauchbarkeit für nicht brennbares Strömungsmedium, wie beispielsweise Stickstoff oder andere inerte Gase, so daß die Anforderungen an die SicherheitsVorkehrungen erfüllt sind. Es besteht bei einer Strömungsmeßvorrichtung nach vorliegender Neuerung die Möglichkeit, daß ganz geringe Beträge analogen Strömungsmediums in die Hauptzuführleitung eingeführt werden; dies ergibt aber lediglich eine sehr geringe Verdünnung des darin fließenden Strömungsmediums, die vernachlässigbar ist.

Nachstehend wird die Neuerung in Verbindung mit der Ze r-.. anhand zweier Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 schematisch eine erste Aus führung« form der Neuerung, und Fig. 2 ebenfalls schematisch eine zweite Ausführungsform.

In Fig. 1 iat eine Vorrichtung zum Messen des Strömungsflusses in einer Hauptzuführungsleitung 10 dargestellt. Das Strömungsmedium, dessen Strömung bzw. Geschwindigkeit gemessen werden soll, fließt in der durch die Pfeile angezeigten Richtung. Ein Drosselement 12, da« aus einer Platte mit einer öffnung bestehen kann, ist in der Zuführungsleitung 10 angeordnet und ergibt einen Druckabfall„ der eine bekannte Funktion der Strömung des Strömungsmediums ist. Wenn beispielsweise das Drosselement aus einer Platte mit einer öffnung besteht, ist der Druckabfall am Di'us seIelernent der Strömungsmediumriichte direkt und der Geschwindigkeit des Strömungsmadiums im Quadra^ proportional. Obgleich das Drosseleäement als Platte mit öffnung dargestellt ist, können auch andere vorrichtungen, wie z.B. Staudruckdüsen, Venturidüsen usw. verwendet werden.

Ein Nebenströmungsweg 14 umgeht das Drosselelement 12. Jer Nebenströmungsweg It enthält einen Geschwindigkeitsmesser 16, beispielsweise einen thermischen Mengenströmungsmesser der Art, wie er in den vorgenannten USA-PatentSchriften 3 181 3 57 und 3 229 52 beschrieben ist. Wie dargestellt, enthält der Geschwindigkeitsmesser

16 einen elektrisch und thermisch leitenden Leitungsabschnitt 18, der einen Teil des Nebenströmungsweges IU bildet. Der Leitungsabschnitt 18 ist an seinen Enden mit Wärmesenken 20 und 2 2 gekppelt. Die Wärmesenken sind Materialmassen, welche im wesentlichen auf Umgebungstemperatur bleiben, selbst wenn ein Heizstrom durch die Wärmesenken und durch den Leitungsabschnitt 18 geschickt wird. Der Leitungsabschnitt 18 weist jedoch eine geringere Masse als die Wärmesenken auf und wird deshalb auf eine Temperatur über der¹ Umgebungstemperatur erwärmt, wenn er stromdurchflossen ist. Ein Transformator 24 ist mit den W^rmesenken 20 und 2 2 verbunden und schickt Heizstrom durch den Leitungsabschnitt 18, wenn er eingeschaltet ist. Der Leitungsabschnitt 18 wird durch die Strömung des hindurchströmenden Strömungsmediums gekühlt, ^ ine Temperaturmeßvorrichtung 26, z.B. ein Thermoelement, ist im Leitungsabschnitt 18 angeordnet. Das Thermoelement ist über ein Meßgerät M mit einer Stelle 28 auf der Sekundärwicklung des Transformators 2h angeschlossen. Nimmt man an, daß die Senkundärwicklung aus dem gleichen Material wie die Wärmesenken besteht, an die die Wicklung an den Enden angeschlossen ist, spricht das Meßgerät M auf die Temperaturdifferenz zwischen dem Anschlußpunkt des Thermoelementes und den Wärmesenken an. Die von dem Thermoelement 26 festgestellte Temperatur ist proportional der Strömung im Leitungsabschnitt 18. Derartige Strömungsmesser sind bekannt und ihre Arbeitsweise wird deshalb nicht weiter beschrieben.

Der Nebenströmungsweg 14a zwischen dem Geschwindigkeitsmesser der Zuführungsleitung 10 vor dem Drosselemlement 12 ist an eine Leitung 30 angeschlossen, die ein analoges Meßströmungsmedium führt, z.B. Stickstoffgas unter hohem Druck von einer nicht dargestellten Speisequelle durch ein Ventil 32 zum Nebenströmungsweg. In gleicher Weise verbindet zwischen dem Geschwindigkeitsmesser 16 und der Zuführungsleitung 10 hinter dem Drosselelement 12 eine weitere Leitung 3 6 ein ähnliches, analoges Meßströmungs-

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mediuir hohen Druckes durch ein Ventil 38 mit dem Nebenströmungsweg 14b-

Die Ventile 32 und 38 sind so eingestellx, daß dann, wenn kein Strömui.£sfluß in der Zuführungsleitung vorhanden ist, keine Strömung eines analogen Meßströmungsmediums durch den Geschwindigkeitsmessers 16 erfolgt. Das analoge Meßströmungsmedium entleert sich langsam und gleichmäßig in die Zuführungsleitung 10 auf den gegenüberliegenden Seiten des Drosselelementes 12. Wenn jedoch eine Strömung von dem zu messenden Strömungsmedium in der Zuführungsleitung 10 vorhanden ist, verursacht der an dem Drosselelement 12 entstandene Druckabfall, daß das durch das Ventil 3 2 strömende analoge Meßströmungsmedium sich in Pfeilrichtung durch den Nebenströmungsweg IUa zur Zuführleitung 10 und auch durch ein zweites Drosselelement 16 und durch den Nebenströmungsweg 14 zur Zuführungsleitung 10 bewegt. Der Druckabfall am Drosseleäiement 34 stellt eine bekannte Funktion der Strömung des hindurchstrcmenden Strömungsmediums dar. Wenn beispielsweise das Drosselelement 34 kapillarer Art ist, ändert sich der Druckabfall linear mit der Volumendurchflußgeschwind.igkeit. Das analoge, in die Zuführungsleitung 10 eintretende Meßströmungsmedium oberhalb und unterhalb des Drosselelementes 12 ist ein vernachlässigbares Verdünnungsmittel für das Strömungsmedium in der Zuführungsleitung 10.

Wie vorstehend festgestellt, ändert sich bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Druckabfall am Drosselelement 12 proportional dem Quadrat der Strömungsgeschwindigkeit in der Zuführungsleitung 10. Der Druckabfall im Nebenströmungsweg 14 am Drosselelement 34, der etwa gleich dem Druckabfall am Drosselelement 12 ist, ändert sich linear proportional der Strömungsgeschwindigkeit im Nebenströmungsweg 14. Somit ändert sich das von dem Geschwindigkeitsmesser 16 erzeugte Signal proportional

dem Quadrat der Strömungsgeschwindigkeit in der Strömungsleitung 10. Verwendet man als Meßgerät M eine der vielen Ausführungsformen von kommrziell zur Verfügung stehenden Geräten, die so aus gelegt sind, daß sie ein Signal aufnehmen und lie Quadratwurzel daraus ziehen, läßt sich eine Sichtanzeige der lineari.iie.rten Funktion der Strömung in der Zuführungsleitung erreichen.

Ein entscheidendes Merkmal der eben beschriebenen Anordnung wird darin gesehen> daß die Messung des Massenflusses in der Hauptzuführungsleitung von dem Leitungsdruck unabhängig i3t. Dies kann mathematisch wie folgt gezeigt werden: Nimmt man an, daß der gesamte Druckabfall im Nebenstromungsweg 14 am Drosselelement 34 auftritt, dann gilt

4P₁ = /\P₂»

wobei AP₁ der Druckabfall am Drosselelement 12 und ΔΡη der Druckabfall am Drosselelement 34 ist.
Es gilt aber

^ΔΡ1 ^{= C}l?l ^Vl^{2 und}

V₂,

wobei C₁ und C₂ Konstanten sind,^₁ die Dichte ^s Strömungsmediums in der Zuführungsleitung 10 ist,^t₂ die Viskosität des analogen Strö'nungsmediums im Nebenstromungsweg 14 ist, und V₁ und V_? die ent. sehenden Strömungsgeschwindigkeiten in jeder Leitung sind.

Da beide Strömungsmedien den gleichen bekannten Gasgesetzen gehorchen, gilt:

9l = ^C

wobei C₃ eine Konstante ist und Q₂ die Dichte des Strömungsrnediums im NebenströmungsvRg ist. Somit gilt

^ci<?i^vi² = VV

Wird --ade Seite mit ζ> ι multipliziert, ergibt sich:

WirdC-j auf der rechten Seite der Gleichung ersetzt, ergibt sich:

^Cl<?d^Vl)² = ^C2

Da die Viskosität über praktische Druckbereiche konstant ist, ^gilt:

wobei C- = ^C2^C3/*^* ^Som^·* bestätigt uiese Gleichung, was früher festgestellt worden ist, daß der Massenfiuß in der Zuführungsleitung 10 sich unabhängig von dem Druck in der Zuführungsleitung ändert. Die von dem Geechwindigkeitsmesser 16 gemessene Strömung ändert sich wie die Viskosität des analogen Meßströmungsmediums, sii wird aber nicht durch die Viskosität oder spezifische Wärme des Strömungsmediums in der Zuführungsleitung 10 beeinflußt.

Obgleich bei der beschriebenen Ausführungsform das Drosselelement 34 getrennt von dem Geschwindigkeitsmesser 16 dargestellt ist, kann dann, wenn der Leitungsabschnitt 18 des Geschwindigkeitsmessers die Dimensionen einer Kapillare hat, das getrennte Drosselelement 34 entfallen.

Die Ausführungsfo^m nach Fig. 2 ist der nach Fig. 1 gleich, milder Ausnahme, daß das Drosselelement 34 als Sfcaurand dargestellt ist. Das Drosselelement 34 begrenzt wie das Drosselelement 12 in der Zuführungsleitung 10 die Strömung derart, daß der Druckabfall an dem Element direkt proportional der Dichte des hindurchfließenden Srrömungsmediums und proportional dem Quadrat der Strömungsgeschwindigkeit ist. Demgemäß ist der Massenfluß des Keßströmungsmediums durch den Geschwindigkeitsmesser 16 direkt proportional dem Massenfluß des durch die Zuführungsleitung 10 strömenden Strömungsmediums. Somit kann das Meßgerät M in der Weise geeicht werden, daß es eine direkte Ablesung des Massenflusses direh die Zuführungsleitung ergibt.

Hieraus zeigt sich, daß die Strömung des Strömungsmediums in der Zuführungsleitung 10 proportional der N-ten Potenz der Strömung des Strömungsmediums im Nebenströmungsweg 14 ist, wobei N = η,,/η« ist, wobei n₁ die Potenz darstellt, mit der die Strömung des analogen Meßströmungsmediums hohen Druckes als proportior "'.1 dem Druckabfall am Drosselelement 34 angenommen wird, und n„ die Potenz darstellt, mit der die Strömung des Strömungsmediums in der Zuführungsleitung 10 als proportional mit dem Druckabfall am Drosselelement 12 angenommen wird.

Bei beiden Ausführungsformen bringt die Verwendung der dargestellten Anordnung erhebliche Vorteile mit sich. Insbesondere verhindert das Vorhandensein eines analogen Meßströmungsmediums hohen Druckes, daß korrodierende Strömungsmedien und Verunreinigungen die Zuführungsleitung 10 verlassen und durch den Geschwindigkeitsmesser IB "L-cr den Nebenströmungsweg 14 strömen. Dadurch wird ein Verschmutzen des Geschwindigkeitsmessers 16 gehemmt. Weiterhin ergibt sich vorteilhafterweise mi.t vorliegender Neuerung die Herabsetzung der Entzündbarkeit, wenn ein brennbares Strömungsmedium, z.B. Naturgas, in der Zuführungsleitung 10 geführt wird. Wird ein nicht brennbares, analoges Meßströmungsmedium verwendet,isoliert dieses Strömungsmedium das brennbare Strömungumedium der Zufühiungsleitung gegenüber dem thermischen Strömungsmesser 16 _} wo eine Zündung erfolgen kann. Ein weiterer Vorteil der Neuerung besteht darin, daß eine Eichung des Geschwindigkeitsmessers 16 in geringerem Maße durch Änderungen in der Zusammensetzung des Strömungsmediums in der Zuführungsleitung beeinflußt wird, da nur das analoge Meßströmungsmedium durch den Geschwindigkeitsmesser strömt. Auch gestattet die Neuerung, daß die Vorrichtung zweckmäßig und leicht durch Öffnen der Ventile 32 und 38 geiänigt und damit das gesamte System gesäubert w-.rden kann.

Claims (3)

-ic - Schutzansprüche

1. Strömungüfeavorrichtung, welche eine Hauptzuführungsleitung, durch welche das Strömungsmedium fließt, dessen Strömungsgeschwindigkeit gemessen werden soll, ein Drosselelement in der Hauptzuführungsleitung, an welchem das in der Hauptzuführungsleitung fließende Strömungsmedium einem Druckabfall unterworfen ist, einen mit der Hauptzuführungsleitung auf jeder Seite des Drosselelementes verbundenen, das Drosselelement umgehenden Nebenströmungsweg und einen Strömungsmesser in dem Nebenströmungsweg aufweist, welcher die Geschwindigkeit des in dem Nebenströmungsweg fließenden Strömungsmediums mißt, gekennzeichnet, durch den Anschluß je einer Zuführungsleitung (14a, 14b) für ein zum Hauptströmungsmedium analoges Meßströmungsmedium an den Nebenströmungsweg (IU) auf jeder Seite des Geschwindigkeitsmessers (16).

2. Strömungsmeßvorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein zweites Drosselelement (34) im Nebenströmungsweg (14) zwischen Geschwindigkeitsmesser (16) und einer der Einführungsstellen eines analogen Meßströmungsmediums in den Nebenströmungsweg (14).

3. Strömungsmeßvorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch Ventile (32, 38) zum Steuern der Einführung des analogen Meßströmungsmediums in den Nebenströmungsweg (14),

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