-
Durchflußmesser
Die Erfindung bezieht sich auf Durchflußmesser an Leitungen
für Gase, Dämpfe oder Flüssigkeiten, bei denen die Durchflußgeschwindigkeit durch
eine Druckmessung ermittelt wird, z. B. unter Verwendung einer Membran oder Trennwand,
die in einem besonderen Meßraum angeordnet ist, welchem der Unter- oder Überdruck
des Druckmediums zugeleitet wird.
-
Bekannte Vorrichtungen dieser Art arbeiten mit Staublenden oder anderen
Querschnittsverengungen (Venturimesser), welche auf einer beschränkten Strecke eine
erhöhte Geschwindigkeit des durchgehenden Mediums herbeiführen, die sich an den
Meßstellen in einer Druckänderung äußert. Die entstehenden Druckänderungen werden
meist manometrisch, z. B. durch eine Ringwaage, ermittelt.
-
Die Empfindlichkeit dieser bekannten Geberfühlglieder ist veshältnismäßig
gering, so daß der geringe Meßdruck, der unterhalb einer bestimmten Durchflußgeschwindigkeit
auftritt, nicht mehr erfaßt werden kann. Um den Schwellwert der Meßdrucke wesentlich
herabzusetzen, wird gemäß der Erfindung eine den Meßraum abschließende Membran oder
Trennwand mit einem Anker versehen, welcher auf ein elektromagnetisches System so
einwirkt, daß die Ausschläge der Membran eine entsprechende Änderung des durchfließenden
Meßstromes zur Folge haben.
-
Eine weitere Erhöhung der Meßleistung wird erzielt, wenn dabei zwei
durch eine Membran oder Trennwand getrennte Meßräume verwendet werden und die Membran
auf der einen Seite saugend, auf der anderen Seite drückend beaufschlagt wird und
auf jeder Seite mit je einem Anker versehen ist, der auf je eine Spule einwirkt.
Zweckmäßig liegen die Spulen der beiden Meßräume in Brückenschaltung, wobei Anfang
und Ende der Brücke an die Wechselspannung gelegt ist und der Brückenzweig auf ein
Anzeige- oder Schaltgerät einwirkt.
-
Vorzugsweise wird eine Ausführungsform ver-
wendet,
bei der jedem Meßraum zwei Spulen zugeordnet sind, von denen die eine Spule von
dem unmittelbar an der Membran sitzenden Anker, die andere von einem Anker beeinflußt
wird, der außerhalb seiner Spule auf einer mit dem anderen Anker'verbundenen Stange
sitzt, und je eine Spule in einer der vier Meßstrecken der Brücke so eingeschaltet
ist, daß die beiden Spulen jedes Meßraumes in der Brücke miteinander verbunden bleiben.
-
Den bekannten Meßvorrichtungen haften infolge der notwendigen Einbauten
in die von dem Druckmedium durchflossene Leitung die Nachteile an, daß der glatte
Durchgang des Gases, Dampfes oder der Flüssigkeit behindert wird. Auch entsteht
ein dauernder Druckverlust, und schließlich ist es erforderlich, in die Leitung
besondere Konstruktionskörper einzufügen.
-
Diese Nachteile werden beseitigt, indem für die Erzeugung einer Druckänderung
aus der Geschwindigkeitsänderung an die Wand der Durchflußleitung ein Meßraum angeschlossen
wird, dessen Verbindungsöffnung mit der Leitung so gestaltet ist, daß die in sie
eintretenden Stromfäden druckerzeugend in den Meßraum abgelenkt oder unterdruckerzeugend
aus diesem herausgeführt werden und die entstehenden Druckänderungen unter Vermittlung
eines Druckmessers zur Bestimmung der Durchflußgeschwindigkeit dienen.
-
Hierdurch wird erreicht, daß die Leitung mit gleichbleibendem, unveränderlichem
Querschnitt an den Meßstellen vorbeiführt und irgendwelche Querschnittsverengungen
oder Einbauten in den Leitungsweg nicht stattfinden.
-
Der Meßraum kann z. B. aus einem an seinem Ende durch einen Druckmesser
abgeschlossenen Rohrstück bestehen, das unter einem Winkel an die Leitung angesetzt
ist. Ist der Winkel, in Strömungsrichtung gesehen, stumpf, so werden die Stromfäden
von dem spitzwinkeligen Ablaufende der Öffnung unterfaßt und nach dem Inneren des
Meßraumes zu abgelenkt, wo sie drucksteigernd wirken, und zwar um so mehr, je höher
die Durchflußgeschwindigkeit ist, so daß die Drucksteigerung unter Berücksichtigung
einer bestimmten Eichkurve als Maßstab für die Durchflußgeschwindigkeit dienen kann.
Ist dagegen der Ansatzwinkel des rohrförmigen Meßraumes, in Strömungsrichtung gesehen,
spitz, so werden die eingedrungenen Stromfäden oder Wirbelungen wieder aus dem Meßraum
herausgeführt, was zu einer Unterdruckerzeugung im Meßraum führt, deren Höhe ebenfalls
von der Durchflußgeschwindigkeit abhängig ist.
-
Die Ablenkung der Stromfäden in dem einen oder anderen Sinne kann
auch durch andere Mittel erzielt werden, z. B. dadurch, daß die Verbindungsöffnung
des Meßraumes mit der Leitung mit schräg gestellten, vorzugsweise jalousieartig
angeordneten Leitblechen versehen ist.
-
Hält man den statischen Druck des durchströmenden Mediums gleich
oder berücksichtigt ihn rechnerisch in den Meßergebnissen, so kommt man für die
Geschwindigkeitsmessung schon mit einem einzigen Meßraum aus. In der Regel werden
zur Eliminierung des statischen Druckes jedoch zwei entgegengesetzt wirkende Meßräume
benutzt, deren Verbindungsöffnungen entgegengesetzt auf die Ablenkung der Stromfäden
einwirken und deren Drücke entgegengesetzt auf das Geberfühlglied zur Wirkung kommen,
so daß der statische Druck der Leitung aufgehoben wird und die durch die Änderung
der Strömungsgeschwindigkeit erzeugte Druckänderung mit doppeltem Betrage einwirkt.
-
Dies kann z. B. dadurch erreicht werden, daß ein durch eine Meßwand
in zwei AIeßräume aufgeteiltes Rohrstück mit seinen Enden in entgegengesetzter Neigung
an die Durchflußleitung angesetzt ist. Statt dessen können die beiden Verbindungsöffnungen
auch entgegengesetzt geneigte Leitbleche aufweisen.
-
An Stelle einer Membran kann auch ein beweglicher Kolben treten,
dessen Bewegung durch geeignete Mittel auf die Widerstandsveränderung eines Stromkreises
einwirkt. In ähnlicher Weise können Kohledruckregler für die Messung der Druckänderungen
verwendet werden. Besonders zweckmäßig und zu genauen Meßergebnissen führend ist
die Benutzung von Quarzkristallen, welche die Eigenschaft haben, einen durchfließenden,
hochfrequenten Strom entsprechend dem auf sie ausgeübten Druck zu drosseln.
-
Weitere Erfindungsmerkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
und den Ansprüchen.
-
In der Zeichnung sind Ausführungsheispiele der Erfindung dargestellt,
und zwar zeigt Fig. I eine Seitenansicht einer Meßanordnung mit zwei mit entgegengesetzt
gerichteten Winkeln an die Hauptleitung angesetzten leßräumen, Fig. 2 einen senkrechten
Schnitt durch den in die Anordnung nach Fig. i eingebauten elektrischen Geber, Fig.
3 ein dazugehöriges Schaltungsschema, Fig. 4 eine schematische Darstellung der Verwendung
von schräg gestellten Leitblechen in den Verbindungsöffnungen, Fig. 5 eine geänderte
Anordnung der Verbindungsöffnungen der Durchflußleitung, Fig. 6 eine Abänderung
des Schaltungsschemas nach Fig. 3 und Fig. 7 eine schematische Darstellung der Verwendung
von Quarzkristallen als Geberfühlglieder.
-
Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel nach den Fig. I bis 3 sind
an die Durchflußleitung I unter entgegengesetzt gerichteter Neigung zwei rohrartige
Meßräume 2, 3 angesetzt. Diese Meßräume sind in der Mitte durch eine Membran 4 getrennt,
die in ein Gebergehäuse Io eingebaut ist. Auf Grund der oben angedeuteten Vorgänge
werden, wenn die Durchflußrichtung dem Pfeile 5 entspricht, die in die linke Verbindungsöffnung
6 eintretenden oder sich nach unten ausbuchtenden Stromlinien von dem spitzwinkeligen
Ablaufende 7 der Öffnung abgefangen und in Richtung des Pfeiles 8 nach dem Inneren
des Meßraumes 2 abgelenkt, so daß auf die Membran 4 ein erhöhter Druck ausgeübt
wird. In der rechten Verbindungsöffnung 9 zwischen der Durchflußleitung 1 und dem
Meßraum 3 werden die in die Öffnung eintretenden Stromfäden durch das stumpfwinkelige
Ablaufende II der Öffnung 9 wieder aus dem Meßraum 3 herausgeführt, so daß in diesem
im Sinne des
Pfeiles 12 ein Unterdruck entsteht, der in der gleichen
Richtung wie der Druck des Meßraumes 2 auf die Membran 4 einwirkt. Da der statische
Druck des Durchflußmediums auf beiden Seiten der Membran 4 gleich groß ist, übt
er keine bewegende Wirkung auf die Membran aus.
-
Die Membran 4 ist nun auf jeder Seite mit einem elektromagnetischen
System versehen, das aus einer an der Membran befestigten Stange 13 (Fig. 2) besteht,
welche auf jeder Seite zwei Anker In, in trägt, die zu einem magnetischen Stromkreis,
bestehend aus einem eisernen Hohlzylinder I6 und einer mittleren eisernen Platte
I7 sowie einem Kern I8, gehören. In dem von dem Hohlzylinder I6 umschlossenen freien
Raum sind Spulen 21, 22, 23, 24 untergebracht, welche in der aus Fig. 3 ersichtlichen
Brückenschaltung geschaltet sind, wobei die bei einer Bewegung der Membran 4 entgegengesetzt
elektromagnetisch beeinflußten Spulen in der Brückenschaltung unmittelbar miteinander
in Verbindung stehen, während die im gleichen Sinne beeinflußten Spulen in der Brückenschaltung
einander gegenüberliegen. Die Brücke liegt mit den Leitungen 19 und 25 an einer
Wechselstromquelle. Die durch die Bewegung der Membran 4 hervorgerufene Änderung
der Feldverhältnisse und der Induktionen wirkt sich in dem Ausschlag des Anzeigeinstrumentes
26 aus, so daß dieses unmittelbar bei entsprechender Eichung seiner Skala die Durchflußgeschwindigkeit
anzeigt. An Stelle des Anzeigeinstrumentes 26 kann auch ein Schreibinstrument treten.
-
Bei Verwendung einer beweglichen, empfindlichen Membran als Geberfühlglied
ist es erforderlich, die Membran gegen zu starke einseitige Beeinflussungen, z.
B. bei dem Einschalten oder Rückschalten der Durchflußleitung, zu schützen. Zu diesem
Zweck können die beiden Meßräume durch je ein Ventil oder einen Hahn 27 abgeschlossen
werden, und hinter dem Hahn sind die beiden Meßräurne 2, 3 durch eine Ausgleichsleitung
28 miteinander verbunden und in der Mitte über eine Querleitung 29 an die Hauptleitung
angeschlossen. Im Kreuzungspunkt befindet sich ein Druckregel- oder Druckminderungsventil
3I, durch welches der in der Leitung I herrschende Druck allmählich und gleichmäßig
über die Ausgleichsleitung 28 auf die beiden Meßräume 2, 3 gegeben werden kann.
-
Bei Anschaltung oder Rückschaltung der Anlage werden die beiden Absperrventile
27 geschlossen und nachdem der Betriebsdruck in der Leitung I erreicht ist, werden
mit Hilfe des Regelventils 3I die beiden Meßräume 2, 3 allmählich und vollkommen
gleichmäßig auf den Betriebsdruck gebracht, wonach die beiden Absperrventile 27
wieder geöffnet werden.
-
Baut man zur Ablenkung der Stromfäden in die Verbindungsöffnungen
6, 9 (Fig. 4) schräg gestellte Leitbleche 32 ein, so können die Meßräume 2, 3 in
beliebiger Richtung von dem Leitungsrohr abgehen, wie in Fig. 4 dargestellt.
-
Es ist nicht erforderlich, daß die Verbindungsöffnungen 6, 9 einen
bestimmten Abstand in Strömungsrichtung voneinander haben. Sie können auch unmittelbar
nebeneinander liegen, so daß die beiden Meßräume in einem einzigen entsprechend
geteilten Hohlkörper vereinigt sind und nur eine einzige Anbohrung der Hauptleitung
erforderlich ist.
-
Bei der Ausführungsform nach Fig. 5 liegen die beiden Verbindungsöffnungen
6, 9 z. B. diametral gegenüber an der Hauptleitung, und die beiden Meßräume 2, 3,
die nach dem Geberfühlglied 4 geführt sind, sind an das Leitungsrohr I oder an einen
entsprechenden, besonders ansetzbaren Rohrteil angegossen.
-
Fig. 6 zeigt eine Abänderung der Brückenschaltung nach Fig. 3. Bei
dieser sind nur die Spulen 21, 22 als Brückenglieder verwendet, während die gegenüberliegenden
Brückenglieder mit geeigneten Widerständen 33, 34 versehen werden. Die beiden äußeren
Spulen 23, 24 werden in der aus Fig. 6 ersichtlichen Weise von einem Gleichstrom
durchflossen.
-
Damit wird bezweckt, die starke Labilität, welche die Membran 4 in
der Nullage aufweist und die zu ungenauen Meßergebnissen führt, durch eine Vorspannung
zu beseitigen oder zu verringern und die Ausschlagsempfindlichkeit in der Nullage
derjenigen der größeren Ausschlagsbereiche anzupassen.
-
Die zur Erzeugung einer Vorspannung dienenden Spulen 23, 24 (Fig.
6) können zur Messung der Temperatur des Durchflußmittels herangezogen werden, indem
diese beiden Gleichstromspulen als Widerstandsthermometer in einer Brückenschaltung
angeordnet werden.
-
An Stelle der Zwischenwand in Gestalt einer Membran 4 o. dgl. kann
eine starre Zwischenwand vorgesehen sein, wenn zu beiden Seiten dieser Zwischenwand
35 je ein besonderes Geberfühlglied angebracht ist. Eine solche Anordnung ist beispielsweise
in Fig. 7 dargestellt. Die starre Zwischenwand 35 trägt auf jeder Seite ein Geberfühlglied
in Gestalt einer Quarzkristallplatte 36, die außen durch eine Druckplatte 37 abgeschlossen
ist, auf welche der Druck des Meßraumes einwirkt. Durch die beiden Quarzkristallplatten
wird ein hochfrequenter Wechselstrom über die Leitung 38 und die Zwischenwand 35
eingeleitet.
-
Die,beiden an die Druckplatten 37 angeschlossenen Ableitungen 39 führen
zu einem geeigneten Zeiger oder Schreibgerät, durch das die in Stromschwankungen
umgesetzten Druckänderungen angezeigt bzw. registriert werden.
-
Um bei Schreibinstrumenten eine planimetrierbare Kurve der Strömungsmenge
zu erhalten, ist eine der Durchflußmenge linear proportionale Stellgröße erforderlich.
Bei der Verwendung elektrischer Gebergeräte sind daher besondere Einrichtungen zu
treffen, durch welche erreicht wird, daß die Anzeigewerte des elektrischen Meßgerätes
und die von einem elektrischen Schreiber aufgezeichnete Kurve im linearen Verhältnis
zur Durchflußgeschwindigkeit stehen. Das kann z. B. durch entsprechende Wahl der
Sättigungsgrenzen des Magnetsystems erreicht werden, wobei dafür zu sorgen ist,
daß die Stromkurve in Abhängigkeit von dem Wurzelwert des Differenzdruckes, also
linear verläuft.
-
Ein wesentlicher Vorteil der beschriebenen Anordnung besteht darin,
daß die Durchflußleitung I vollkommen frei von Meßeinrichtungen gehalten sein kann.
Der Bereich der Erfindung wird indessen nicht
verlassen, wenn die
Kanten 7 oder II der Verbindungsöffnungen oder die Leitbleche 32 ein Stück in die
Durchflußleitung hineinragen, oder wenn überhaupt die dargestellten neuen Geberfühlglieder
mit anderen Einrichtungen zur Abnahme der Drücke an der Hauptleitung zusammen arbeiten.
-
PATENTANspnOcHE: I. Durchfluß- oder Druckmesser mit einer von dem
jeweiligen Druck des Mediums beeinflußten Meßwand, dadurch gekennzeichnet, daß eine
den Meßraum abschließende Membran oder Trennwand (4) mit einem Anker (14, I5) versehen
ist, welcher auf ein elektromagnetisches System so einwirkt, daß die Ausschläge
der Membran eine entsprechende.Änderung des durchfließenden Meßstromes zur Folge
haben.