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Vorrichtung zum Radizieren von Wirkdrucken für die Messung von pulsierend
durch eine Drossel- oder Stauvorrichtung strömenden Mediummengen
Um die bei ruhiger
Strömung so gut wie fehlerfrei durchführbare dynamische Bestimmung strömender Mediummengen
mittels Messung eines der Quadratwurzel aus dem an einer Drossel- oder Stauvorrichtung
erzeugten Wirkdruck verhältnisgleichen Ausschlages an einem der üblichen Differenzdruckmesser
auch bei pulsierender Strömung, wie sie vor oder hinter Kolbenmaschinen besonders
stark auftreten, möglichst fehlerfrei durchführen zu können, ist es bekanntlich
notwendig, neben den meist unübersichtlichen anderen, z. B. von den Einflüssen der
Weite und Länge der Zuleitungen zur Meßstelle abhängigen, vorwiegend auf Resonanzerscheinungen
zurückzuführenden positiv und negativ auftretenden Fehlern, vor allem den im Mittel
stets positiven Fehler zu beseitigen, der aus der Notwendigkeit entsteht, den benutzten
Differenzdruckmesser zwecks Erzielung ausgeglichener, gut ablesbarer Anzeigen bzw.
planimetrierbarer Diagramme stark zu dämpfen.
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Dieser mathematisch und physikalisch vollkommen aufgeklärte und genau
berechenbare mathematische Fehler bei der dynamischen Bestimmung pulsierend strömender
Mediummengen mit Hilfe eines an einer Drossel- oder Stauvorrichtung erzeugten Wirkdruckes
kann bekanntlich vermieden werden durch eine möglichst ungedämpfte Übertragung der
einzelnen, auch der durch die Rückströmungen erzeugten negativen Wirkdrucke auf
eine Anzeige- oder Registriervorrichtung, welche alle Wirkdrucke unter tunlichster
Vermeidung bewegter träger Massen in eine zunächst ungedämpfte, ihren Quadratwurzeln
verhältnisgleiche Meßgröße umwandelt und diese Meßgröße hinterher
ausreichend
dämpft, so daß sie pulsationsfrei angezeigt oder aufgezeichnet wird.
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Nachdem die fiir die Erreichung dieses Zieles schon vorgeschlagenen,
an einen möglichst massefreien Wirkdruckgeber, z. B. an eine Membran, anzuschließenden
auf mechanischem Wege radizierenden Anzeige- oder Registriervorrichtungen wegen
zu großer Trägheit oder wegen zu raschen Verschleißes der übertragenden Bauelemente
nicht befriedigt hatten, sind auch schon elektrische oder optisch-elektrische Radiziervorrichtungen
dafür vorgeschlagen worden, deren exakte Wirkungsweise jedoch an das nicht immer
einfache Konstanthalten von elektrischen Spannungen oder von Beleuchtungsstärken
gebunden ist und die zum Teil, wenigstens für das Gebiet kleinster Belastungen,
die die Radizierung nur näherungsweise ermöglichen.
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Es wurde nun gefunden, daß sich diese Schwierigkeiten umgehen lassen,
wenn man die ungedämpften einzelnen positiven und negativen Wirkdrucke statt mittels
starrer mechanischer oder mittels elektrischer oder optisch-elektrischer Relaisanordiiungen
mit einer pneumatischen oder hydraulischen Relaisanordnung radiziert, und zwar in
dem man vom Wirkdruckgeber aus unmittelbar (oder mittelbar mittels elektromagnetischer
Fernübertragung) zwei (zweckmäßig koaxial als spiegelbildlich symmetrischer Doppelkonus
angeordnete) Konusse von möglichst kleiner träger Masse, im folgenden kurz Radiziernadeln
genannt, pulsierend bewegt, welche zwei in je eine (über je eine Drosselstelle,
z. B. Blende) aus einem gemeinsamen Druckbehälter mit einem Gashilfsstrom, z. B.
Druckluft, oder mit einem Flüssigkeitshilfsstrom, z. B. Druckwasser oder -öl, gespeiste
kleine Druckkammer eingebaute Ausflußöffnungen, z. B. Blenden, im folgenden kurz
Radizierblenden genannt, bei ruhendem Mediumstrom absperren und welche die eine
Radizierblende bei positiven, die andere bei negativen Pulsationen für den Durchfluß
der beiden Hilfsströme freigeben.
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Dabei muß das Profil der beiden Radiziernadeln so gestaltet sein,
daß diese die beiden Hilfsströme so steuern, daß in jeder der beiden Kammern ein
mit wachsenden Wirkdruckausschlägen abnehmender Druck und zwischen den beiden Kammern
eine Druckdifferenz entsteht, die je nach Richtung der Mediumströmung den Quadratwurzeln
aus den positiven bzw. aus den negativen Wirkdrucken und damit der jeweils strömenden
Mediummenge verhältnisgleich st. Ferner müssen diese Druckdifferenzen an einem an
die beiden Kammern angeschlossenen Differenzdruckmesser üblicher Bauart, z. B. Ringwaage
oder Membrandifferenzdruckmesser, so weit gedämpft werden, daß dieser die algebraische
Summe der Quadratwurzeln aus den positiven und negativen Wirkdrucken und somit die
gesuchte pulsierend strömende Mediummenge pulsationsfrei anzeigt oder aufzeichnet.
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Diese gesamte einerseits an den Wirkdruckgeber, andererseits an eine
Druckgas- oder Druckflüssigkeitsquelle angeschlossene Relaisanordnung soll im folgenden
kurz mit Radiziermeßdose bezeichnet werden. Durch Erzeugung einer mit wachsenden
Wirkdrucken abnehmenden Druckdifferenz an den Radizierblenden mittels je einer zwischen
diese und die Druckgas- bzw. Druckflüssigkeltsquelle geschalteten Drosselstelle
ist es, wie weiter unten gezeigt wird, in der Radiziermeßdose gelungen, die Radizierung
bei dieser Methode mit einem flachen Profil der Radiziernadeln bis unmittelbar an
den Nullpunkt der Messung heran zu erzwingen. Die Benutzung von zwei in dieser Weise
wirksamen weiteren festen Drosselstellen vor den Radizierblenden ist daher ein wesentliches
Merkmal der vorliegenden Erfindung.
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An Hand des Bildes I auf Blatt 1, das schematisch (nicht maßstäblich)
als Beispiel für eine Ausführungsform der Vorrichtung eine Mengenmeßstrecke mit
der Radiziermeßdose nebst dem daran angeschlossenen, die gesuchte pulsierende Mediummenge
als gedämpfte Mittelwerte einer Druckdifferenz messenden Meßgerät (Ringwaage) zeigt;
soll nun die Wirkungsweise der Vorrichtung beschrieben werden, und zwar zunächst
die mit Druckluft betriebene pneumatische.
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Mittels der beiden möglichst kurz und weit gehaltenen Zuleitungen
L (+) und L (-) ist der Membranwirkdruckgeber MWG an die in die Mengenstrommeßstrecke
MS eingebaute symmetrische Blende Bt angeschlossen, An der Mitte der Membran M ist
senkrecht zu ihr ein Stift S befestigt, der möglichst dicht eingeschliffen durch
die Buchse Bu herausgeführt ist und auf seiner verlängerten Achse A die beiden (koaxial
als spiegelbildlich symmetrischer Doppelkonus hintereinander angeordneten) Radiziernadeln
N1 und N2 trägt, welche innerhalb der (in den Stirnwänden der zylindrischen kleinen
Druckkammern K1 und K2 der unten an den Wirkdruckgeber angebauten Radiziermeßdose
zentrisch angeordneten) gleich weiten Blenden D1 und D2 von der Membran hin und
her bewegt werden.
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Die beiden Kammern werden von dem über das Regelventil RV an eine
Druckluftquelle angeschlossenen, auf etwa 200 bis 300 mm Wassersäule festen Überdruck
geregelten Druckbehälter DB über die beiden gleich weiten festen Drosselstellen
(Blenden) d1 und d2 mit Druckluft gespeist, die je nach der augenblicklichen Richtung
des durch die Blende B1 pulsierend strömenden Mengenstromes über die Blende D1 bzw
D2 und die Ausflußröhrchen AR, bzw. A R2 ins Freie strömt.
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Die Umwandlung der pulsierenden Wirkdrucke p bzw. der Ausschläge
x der Membran M in die gedämpften, zur fehlerfreien Anzeige oder Aufzeichnung benutzten,
durch den Druckluftdurchfluß an den beiden festen Drosselstellen d, und d2 erzeugten
Druckdifferenzen p, bis p2 gestaltet sich nun folgendermaßen: Bei positiven Wirkdrucken
gibt die obere Radiziernadel N1, bei negativen die untere N2 die Querschnitte von
D1 bzw. D2 frei. Bei den positiven Wirkdrucken sinkt infolge des Luftdurchflusses
durch die feste Blende dl der Druck in der Kammer Kl vor D1 von dem festen Behälterdruck
pl auf den einem bestimmten Wirkdruck p bzw. Membranausschlag x zugeordneten Wert
p2, während in der Kammer K2 vor der dabei geschlossen bleibenden Blende D2 der
volle Behälterdruck p1 bestehen bleibt. Die an die beiden Kammern angeschlossene
Ringwaage RW schlägt (s. Pfeil) verhältnisgleich mit p, bis P2 nach
rechts
aus. Dieser Fall ist in Bild 1 dargestellt.
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Diese Verhältnisse kehren sich bei dem vorübergehenden Auftreten
der kleineren negativen Wirkdrucke bei Rückflutungen des Mengenstromes durch die
Blende Bl um, d. h. vor der nun geschlossen bleibenden Blende D1 stellt sich der
volle Behälterdruck p1 und infolge des Durchflusses durch die feste Blende d2 vor
D2 der Druck ein, und die Ausschläge der Ringwaage würden ohne Dämpfung vorübergehend
nach links erfolgen. Wegen des nur vorübergehenden Auftretens der gegenüber dem
Hauptstrom kleinen Rückströme und infolge der Dämpfung durch die Kammerhohlräume
und durch die nötigenfalls in die Ringwaagenzuleitungen eingebauten Drosseln d kommen
diese kurzzeitigen negativen Ausschläge neben den vorherrschenden größeren positiven
nicht zur Auswirkung. Sie werden also nicht sichtbar, werden jedoch, was für richtige
Anzeige bzw. Aufzeichnung erforderlich, zu den positiven Ausschlägen algebraisch
addiert, d. h. von ihnen abgezogen.
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Die beiden Radiziernadeln sind durch die mit den Ausflußröhrchen
AR1 bzw. AR2 versehenen Rohre R1 bzw. R2 gegen Schmutz und Eingriffe von außen geschützt.
A R1 dient außerdem zur Fortleitung etwa schädlicher Undichtheiten, die aus der
Buchse Bit von der Hauptmeßstrecke her austreten.
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Um Fälschungen der Messung durch unvermeidliches Überströmen von
Undichtheiten aus dem Radiziernadellager in der gemeinsamen Scheidewand SW von einer
Kammer zur anderen auszuschließen, ist dieses Lager mit einer Rille Ri versehen,
die über eine Bohrung und das Ausflußröhrchen A R3 mit der Atmosphäre verbunden
ist.
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Um den Anteil der Rückströmungen an der Gesamtströmung gewünschtenfalls
gesondert festzustellen, ist der Anschluß I an K, abzusperren, die (+)-Seite der
Ringwaage an dem Druckluftbehälter (ihr Anschluß ist nicht gezeichnet) und die (-)-Seite
der Ringwaage bei 2 an K2 anzuschließen; dann erhält man an der Ringwaage die gedämpfte
Anzeige der durch Bl infolge der Pulsation rückflutenden Mengenströme.
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Die Weiten der Blenden D1, D2 dl, d2 und die Form des Profils der
Radiziernadeln N1 und N2 ergeben sich aus folgenden physikalischen Grundlagen, auf
die das Relais gegründet ist: Die Bedingung für die Verhältnisgleichheit zwischen
der der gedämpften pulsationsfreien Messung dienenden Druckdifferenzen p1 bis p2
und der Quadratwurzel aus dem Ausschlag x des Wirkdruckgebers lautet: p1 - p2 =
a # x , (I) wo a ein Festwert. Dazu kommt die Bedingung der Gleichheit der Durchflußmengen
durch die Drossel d1 und durch die Radizierblende D1. Sie lautet für d1 als Blende
mit ausreichender Annäherung an die Turbulenzströmungsgleichung von de St. Venant
und Wantzel:
wobei alle Längen in Millimeter, die Drücke in Millimeter Wassersäule gemessen und
a = etwa o,6, a' etwa 0,8 als Durchflußwerte angenommen sind. a ist ein Festwert,
a' in Wirklichkeit etwas abhängig von demjenigen Durchmesser y der Radiziernadel,
welcher sich gerade in der Ebene der Radizierblende D1 befindet, und ist experimentell
bestimmbar. Für ein vereinfachtes Rechnen wird jedoch o,8 als fester Mittelwert
angenommen. y ist die Wichte der Druckluft in kg/m3. D1 ist der mit möglichst wenig
Spiel gleich dem Durchmesser der Blende D1 gewählte größte Radiziernadeldurchmesser.
Alle anderen Bezeichnungen gehen aus Bild I hervor.
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Für dl als Kapillare mit Durchmesser dki und Länge I tritt an die
Stelle der linken Seite der Gleichung (2) die Gleichung für Laminarströmung von
Poiseuille-Hagen, und man erhält damit an Stelle von (2) mit der Zähigkeit 4 in
kg/sec. m-2 die Gleichung
G = 2,4 #10-11 # dk14/##l (P1 - P2) = 3,45.10 6α'
##(D12 - #²) #p2 kg/sec. (2a) für die Berechnung der Profilkurve der Radiziernadel
mit den Koordinaten x und y ergibt sich für d1 als Blende aus (I) und (2)
Für dkl als Kapillare mit Durchmesser dl folgt aus (I) und (2 a):
Nimmt man Dl als vorgegeben, z. B. = 6 mm und Y min für einen bestimmten Wert von
p2 bei vollem Ausschlag X (Ioo°íO) z. B. = 2 mm an, so erhält man aus (2) bzw. (2a)
den Wert dl für die Blende bzw. dk1 für die Kapillare bei einer bestimmten Kapillarlänge
1, z. B. = 100 mm, und kann mit diesen Werten aus (3) bzw. (3a) für bestimmte Ausschläge
x die zugehörigen y berechnen und somit die Profilkurve x, der Radiziernadel aufzeichnen.
Für die gleich weit wie dl bzw. wie dkl gewählte Blende d2 bzw. Kapillare dk2 gelten
dieselben Gleichungen.
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In der folgenden Tabelle sind die Werte dl bzw. dki und die Werte
y für die Profilkurve bei dem oben als Beispiel vorgegebenen D1 = 6 mm und Ymin
= 2 mm, für ein maximales p1 bis p2 = I60 mm für je drei Werte von p2 (= 4; 25;
64 mm) für einige Werte x berechnet, zusammengestellt. Die zugehörigen Profilkurven
sind als Bild 2 auf Blatt 2 gezeichnet. Für x 1000/0 wurde dabei ein Membranausschlag
von 5 mm angenommen.
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Tabelle zum Aufzeichnen der Profilkurve
| ph dl x= o 1 4 9 I6 25 36 49 64 8I 90 100010 |
| 4 2,6 y=6,o 5,85 5,8 5,75 5,7 5,6 5,5 5,35 5,I5 4,75 4,25 2
für |
| 25 4,I y=6,o 5,7 5,5 5,35 5,2 5,0 4,8 4,55 4,15 3,5 3,0 2d1 |
| 64 5,2 y=6,o 5,5 5,25 5,0 4,8 4,5 4,3 4,o 3,6 2,95 2,55 2 |
| 4 I,68 y=6,o 5,95 5,9 5,85 5,8 5,7 5,6 5,45 5,25 4,85 4,3 2
für |
| 25 2,II y=6,0 5,9 5,8 5,65 5,5 5,3 5,05 4,8 4,35 3,7 3,1 2
dgl |
| 64 2,37 y=6,o 5,85 5,7 5,5 5,3 5,0 4,75 4,4 3,9 3,2 1,7 2 |
Der Verlauf der Profilkurven zeigt eine bemerkenswerte Modellierfähigkeit der Krümmungsverhältnisse
durch die Wahl des Verhältnisses P1: p2 und läßt einen merklichen Unterschied im
Anlauf in der Nähe des Nullpunktes und im Auslauf gegen x= IOOO/o erkennen.
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Bei Strömung durch Kapillaren wird in allen drei Beispielen der Anlauf
flacher, der Auslauf etwas steiler als bei Benutzung von Blenden in der Radiziermeßdose.
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Der wirkliche Anlauf und Auslauf der Profilkurven wird durch die
praktisch bestehende kleine Abhängigkeit des Durchflußbeiwertes a' von der Radizierblendenöffnung
etwas von dem oben mit festema' berechneten abweichen; er kann jedoch durch Versuche
genauer bestimmt werden.
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Die augenblicklichen Höchstwerte der Pulsationen betragen bekanntlich
ein Mehrfaches, z. B. bis zum fünffachen der am Differenzdruckmesser (Ringwaage)
gedämpft angezeigten Mittelwerte. Der Meßbereich dieses Messers ist daher entsprechend
kleiner als der des Wirkdruckgebers zu wählen, damit er möglichst voll ausgenutzt
werden kann.
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Bei Benutzung von Druckflüssigkeit an Stelle des Druckgases (Luft)
gelten dieselben Rechnungen, wobei für y und n die Werte für die benutzte Flüssigkeit
einzusetzen und die Auslaufrohre A R1, A R2 und AR3 für den Flüssigkeitsabfluß passend
anzuordnen sind.
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In vielen Fällen kann zum Betrieb des Relais an Stelle von Druckluft
oder -wasser oder -öl auch das zu messende Medium selbst über ein Reduzierventil
für festen Überdruck benutzt werden.
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Die Anzeige bzw. Aufzeichnung kann in bekannter Weise auch fern übertragen
werden, z. B. indem an Stelle des herausgeführten Stiftes innerhalb des Wirkdruckgebers
ein Eisenkern fest mit der Membran verbunden wird, der in der Ruhelage symmetrisch
innerhalb einer Wechselstromdoppelspule axial mit ihr beweglich angeordnet ist.
Die beiden in der in beliebiger Entfernung aufgestellten Radiziermeßdose beweglichen
Radiziernadeln werden dann an einem zweiten Eisenkern befestigt, der in einer mit
der Doppelspule über eine Wechselstromquelle verbundenen zweiten Doppelspule in
gleicher Art wie der erst genannte Eisenkern, jedoch gegen eine ihn in der Ruhelage
haltende Feder beweglich angeordnet ist.
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PATENTANSPROCHE: I. Vorrichtung zum Radizieren von Wirkdrucken für
die Messung von pulsierend durch eine Drossel-oder Stauvorrichtung strömenden Mediummengen
mittels gedämpfter Anzeige oder Aufzeichnung der Quadratwurzeln aus den pulsierenden
positiven und negativen Wirkdruckausschlägen, die an einer Membran oder an einem
gefederten Differenzkolben als Wirkdruckgeber erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet,
daß der Wirkdruckgeber unmittelbar oder mittelbar mittels elektromagnetischer Fernübertragung
zwei zweckmäßig koaxial als spiegelbildlich symmetrischer Doppelkonus angeordnete
Konusse (Radiziernadeln) pulsierend bewegt, welche zwei in je einer über eine Drosselstelle,
z. B. Blende, aus einem gemeinsamen Druckbehälter mit einem Gashilfsstrom, z. B.
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Druckluft, oder mit einem Flüssigkeitshilfsstrom, z. B. Druckwasser
oder -öl, gespeisten kleinen Druckkammer eingebaute Ausflußöffnungen, z. B.
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Blenden Radizierblenden) bei ruhendem Mediumstrom absperren und welche
die eine Radizierblende bei positiven, die andere bei negativen Pulsationen für
den Durchfluß des Hilfsstromes freigeben, und daß das Profil der Radiziernadeln
so gestaltet ist, daß in jeder der beiden Kammern ein mit wachsenden Wirkdruckausschlägen
abnehmender Druck und zwischen den beiden Kammern eine Druckdifferenz entsteht,
die je nach Richtung der Mediumströmung den Quadratwurzeln aus den positiven bzw.
negativen Wirkdrucken und damit der jeweils strömenden Mediummenge verhältnisgleich
ist, und daß diese Druckdifferenzen an einem an die beiden Kammern angeschlossenen
Differenzdruckmesser üblicher Bauart, z. B. Ringwaage oder Membrandifferenzdruckmesser,
so weit gedämpft werden, daß dieser die algebraische Summe der Quadratwurzeln aus
den positiven und negativen Wirkdrucken und damit die gesuchte pulsierend strömende
Mediummenge pulsationsfrei anzeigt oder aufzeichnet.
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2. Ausführungsform der Vorrichtung nach Anspruch I für die unmittelbåre
Übertragung der pulsierenden Bewegungen der Membran oder des Differenzkolbens auf
die beiden als Druckgas- bzw.