LU87347A1 - MESSONDE ZUR ERFASSUNG NIEDRIGER STROEMUNGSGESCHWINDIGKEITEN IN EINEM ROHRABSCHNITT - Google Patents
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Description
MESSONDE ZUR ERFASSUNG NIEDRIGER STRÖMUNGSGESCHWINDIGKEITEN IN EINEM ROHRABSCHNITTMEASURING PROBE FOR DETECTING LOW FLOW SPEEDS IN A TUBE SECTION
Die Erfindung bezieht sich auf eine Meßsonde zur Erfassung niedriger Strömungsgeschwindigkeiten in einem Rohrabschnitt.The invention relates to a measuring probe for detecting low flow velocities in a pipe section.
Zur Strömungsmessung werden oft sogenannte Dragbodies, das sind Körper, die durch die Strömung aus ihrer Ruhelage ausge-lenkt werden, oder Meßturbinen verwendet. Sind die Strömungs-geschwindigkeiten jedoch gering, dann liefern diese Sonden keine zuverlässige Anzeige mehr. Dies gilt beispielsweise in einem Wasserkreislauf bei Unterschreiten einer Strömungsge-schwindigkeit von 0,25 m/s. Wenn es nicht möglich ist, durch Verengung des Rohrquerschnitts die Strömungsgeschwindigkeit zu erhöhen, da dadurch zugleich die Druckverluste im Kreis erhöht werden, dann muß nach einer neuen Meßsonde gesucht werden.So-called dragbodies, which are bodies that are deflected by the flow from their rest position, or measuring turbines are often used for flow measurement. However, if the flow velocities are low, these probes no longer provide a reliable indication. This applies, for example, in a water cycle when the flow speed falls below 0.25 m / s. If it is not possible to increase the flow velocity by narrowing the pipe cross-section, since this also increases the pressure losses in the circuit, then a new measuring probe must be looked for.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Meßsonde zur Erfassung niedriger Strömungsgeschwindigkeiten in einem Rohrabschnitt anzugeben, die einerseits bei niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten zuverlässige Anzeigen liefert, andererseits robust ist, urn hohen Geschwindigkeiten und hohen Geschwindig-keitsänderungen sowie starken Temperaturänderungen standzuhal-ten. Die Querschnittsversperrung des Rohrabschnitts aufgrund der Sonde soli so gering wie möglich sein und die Sonde soil eine verläßliche Anzeige sowohl in Flüssigkeiten als auch in Dämpfen und Gasen erlauben. Schließlich soli die Sonde auch negative Strömungen, d.h. eine Strömungsumkehr, erfassen kön-nen.The object of the invention is therefore to provide a measuring probe for detecting low flow velocities in a pipe section which on the one hand provides reliable indications at low flow velocities, and on the other hand is robust to withstand high speeds and high speed changes as well as strong temperature changes. The cross-sectional blockage of the pipe section due to the probe should be as low as possible and the probe should allow a reliable display in liquids as well as in vapors and gases. Finally, the probe should also have negative flows, i.e. a flow reversal.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelost, daß minde- stens ein Heizelement in den.Rohrabschnitt hineinragt und daß zwei Thermoelemente an in Stromungsrichtung hintereinander-liegenden Punkten des Heizelements angebracht und elektrisch in Reihe geschaltet sind, wobei die gemessene Temperaturdif— ferenz ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit ist.This object is achieved according to the invention in that at least one heating element projects into the tube section and in that two thermocouples are attached to points of the heating element which are located one behind the other in the direction of flow and are electrically connected in series, the measured temperature difference being a measure of the flow velocity is.
Die Meßsonde nutzt also die Tatsache aus, daß an dem der Strö-mung zugekehrten Ende d^-s Heizelements mehr Warme.abgeführt wird als an dem stromabwärts liegenden Ende.The measuring probe thus takes advantage of the fact that more heat is dissipated at the end of the heating element facing the flow than at the end lying downstream.
In einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Heizelement als spiralförmiger Heizleiter mit zur Strö-mungsrichtung paralleler Spiralachse ausgebildet. Diese Aus-führungsform eignet sich besonders für horizontale Rohrab-schnitte. Für vertikale Rohrabschnitte dagegen eignet sich besser eine Meßsonde, bei der als Heizelement zwei getrennt gespeiste Heizleiter verwendet werden, die parallel zueinander senkrecht zur Stromungsrichtung verlaufen, wobei der eine in Stromungsrichtung hinter dem anderen angeordnet ist. Eine solche Meßsonde eignet sich für Vertikalströmungen deshalb besser, weil die durch die Heizleiter selbst erzeugte Auf-triebsströmung, die die Messung verfälschen könnte, hier deut-lich geringer als bei einem spiralförmigen Heizleiter mit senkrechter Spiralachse ist.In a first preferred embodiment of the invention, the heating element is designed as a spiral heating conductor with a spiral axis parallel to the direction of flow. This embodiment is particularly suitable for horizontal pipe sections. For vertical pipe sections, on the other hand, a measuring probe is better suited, in which two separately fed heating conductors are used as heating elements, which run parallel to one another perpendicular to the direction of flow, one being arranged behind the other in the direction of flow. Such a measuring probe is more suitable for vertical flows because the buoyancy flow generated by the heating conductors themselves, which could falsify the measurement, is significantly lower here than in the case of a spiral heating conductor with a vertical spiral axis.
Die erfindungsgemäße Meßsonde läßt sich mit’geringem Aufwand mit einer an sich bekannten Pegelmeßsonde für den Fall eines horizontalen Rohrabschnitts verbinden, indem Thermoelemente in verschiedenen Höhenlagen an einem der beiden dann vertikal verlaufenden Heizleiter befestigt sind, wobei die gemessenen Temperaturen Auskunft über den Höhenstand der Flüssigkeit geben.The measuring probe according to the invention can be connected with little effort to a known level measuring probe for the case of a horizontal pipe section, in that thermocouples are attached at different altitudes to one of the two then vertical heating conductors, the measured temperatures providing information about the level of the liquid .
Die Erfindung wird nun anhand dreier bevorzugter Ausführungs- beispiele mithilfe der Zeichnungen näher erläutert.The invention will now be explained in more detail with the aid of three preferred exemplary embodiments with the aid of the drawings.
Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Meß-sonde für den Einbau in einen horizontalen Rohrabschnitt.Fig. 1 shows a section through a measuring probe according to the invention for installation in a horizontal pipe section.
Fig. 2 zeigt eine entsprechende Sonde, die besser für den Einbau in einen vertikalen Rohrabschnitt geeignet ist.Fig. 2 shows a corresponding probe, which is better suited for installation in a vertical pipe section.
Fig. 3 zeigt eine kombinierte Meßsonde, die zugleich die Strö— mungsgeschwindigkeit als auch den Pegelstand der Flüssigkeit in einem horizontalen Rohrabschnitt erfaßt.3 shows a combined measuring probe which at the same time detects the flow velocity and the level of the liquid in a horizontal pipe section.
Die Sonde gemäß Fig. 1 ist an einem Stopfen 1 angebaut, der in die Wandung eines nicht dargestellten Rohrabschnitts ein-geschraubt werden kann. Die Strömungsrichtung in dem Rohrabschnitt ist durch einen Pfeil 2 angedeutet. Die Strömungsge-schwindigkeit kann sehr gering und auch negativ sein. Die Sonde besteht im wesentlichen aus einer Heizspirale 3 mit Mittelabgriff 4. Die Spiralachse verläuft parallel zur Strömungsrichtung (Pfeil 2). Der Mittelabgriff 4 ist elektrisch mit dem Stopfen verbunden und liegt somit auf Masse. Die beiden Enden 5 und 6 der Spirale sind durch den Stopfen heraus-geführt und werden durch je eine nicht dargestellte Gleich-spannungsquelle mit einem i.w. gleichen positiven Potential versorgt. Die Heizspirale besteht beispielsweise aus einem Heizdraht, der mit einem elektrisch isolierenden, aber thermisch leitenden Mantel umgeben ist. Die beiden äußersten Win— dungen 7 und 8 der Heizspirale sind mit je einem Thermoelement 9 und 10 verbunden. Die Anschlüsse 11-12, 11'-12' der Thermo-elemente sind durch den Stopfen nach außen geführt und münden in einen (nicht dargestellten) Konstanttemperatur-Anschluß-kasten. Die beiden Thermoelemente sind in Reihe geschaltet an ein nicht dargestelltes Meßgerät angeschlossen.1 is attached to a stopper 1, which can be screwed into the wall of a pipe section, not shown. The direction of flow in the pipe section is indicated by an arrow 2. The flow rate can be very low and also negative. The probe essentially consists of a heating coil 3 with a center tap 4. The spiral axis runs parallel to the direction of flow (arrow 2). The center tap 4 is electrically connected to the plug and is therefore grounded. The two ends 5 and 6 of the spiral are led out through the plug and are each connected to an i.w. same positive potential. The heating coil consists, for example, of a heating wire which is surrounded by an electrically insulating but thermally conductive jacket. The two outermost windings 7 and 8 of the heating coil are each connected to a thermocouple 9 and 10. The connections 11-12, 11'-12 'of the thermocouples are led through the plug to the outside and open into a (not shown) constant temperature connection box. The two thermocouples are connected in series to a measuring device, not shown.
Die Meßsonde arbeitet folgendermaßen:The measuring probe works as follows:
Die Heizung wird so eingestellt, daß die Heizspiralentempera-tur etwa 200 K höher als die maximale Betriebstemperatur liegt. Solange keine Strömung vorhanden ist, werden die beiden Thermoelemente 9 und 10 in gleicher Weise erwärmt, so daß an den in Reihe geschalteten Anschlüssen dieser Thermoelemente kein Meßsignal abnehmbar ist.The heating is set so that the heating coil temperature is about 200 K higher than the maximum operating temperature. As long as there is no flow, the two thermocouples 9 and 10 are heated in the same way, so that no measurement signal can be taken from the series connections of these thermocouples.
Gegebenenfalls wird dieses Ergebnis erst erreicht,, wenn die Speisespannungen der beiden Hälften der Heizspirale leicht voneinander abweichend eingestellt sind.If necessary, this result will only be achieved if the supply voltages of the two halves of the heating coil are set slightly different from each other.
Schon bei einer niedrigen Strömungsgeschwindigkeit von 5 mm/s ergibt sich ein eindeutiges Meßsignal, da an dem der Strömung zugekehrten Thermoelement 9 mehr Warme abgeführt wird als am abgewandten Thermoelement 10.Even at a low flow rate of 5 mm / s, a clear measurement signal is obtained, since more heat is dissipated at the thermocouple 9 facing the flow than at the thermocouple 10 facing away.
Wegen des vollkommen symmetrischen Aufbaus der Sonde ergibt auch jede Strömungsumkehr sofort eine Umkehr des Meßsignals. Der Meßbereich ist in Richtung auf größere Strömungsgeschwin-digkeiten begrenzt, da sich bei großen Strömungsgeschwindig-keiten die Temperaturunterschiede zwischen den Thermoelementen 9 und 10 einander wieder angleichen. Bei einer praktisch aus-geführten Meßsonde, die in Wasser eingetaucht ist, liegt dieser obéré Grenzwert bei etwa 2,5 m/s; im Gas liegt dieser Grenze noch höher. Das ist aber ein Wert, der bereits im Meß-bereich von üblichen Turbosonden liegt.Because of the completely symmetrical structure of the probe, every flow reversal immediately results in a reversal of the measurement signal. The measuring range is limited in the direction of larger flow velocities, since at high flow velocities the temperature differences between the thermocouples 9 and 10 align again. In the case of a practically designed measuring probe which is immersed in water, this upper limit is approximately 2.5 m / s; in the gas this limit is even higher. However, this is a value that is already in the measuring range of conventional turbo probes.
Die Sonde gemäß Fig. 1 ist insbesondere für horizontale Rohr-abschnitte geeignet. Wollte man sie in einem vertikalen Rohr-stück verwenden, dann würde man durch das Aufheizen der Heizspirale 3 eine zusätzliche Naturkonvektion erzeugen, die sich der zu messenden Strömung überlagern würde. Für solche vertikalen Rohrstücke eignet sich daher besser eine Sonde, wie sie in Fig. 2 gezeigt ist. Diese Sonde arbeitet nach demselben Meßprinzip, jedoch ist die Wärmeentwicklung aufgrund des Heiz-leiters weniger konzentriert und damit die durch den Heizlei-ter erzeugte Konvektionsströmung geringer. Auch hier ist wieder die Sonde in einen Stopfen 13 eingebaut, der in das hier vertikale Rohrstück eingeschraubt werden kann. Der Stopfen trägt anstatt der Heizspirale zwei ge.streckte Heizleiter 14 und 15, die senkrecht zur. Strömungsrichtung (Pfeil 26) verlau-fen und in Strömungsrichtung hintereinander liegen. Als Heizleiter werden hier zwei Thermoelemente verwendet, deren je-weils einer Draht 28 bzw. 29 mit dem Stopfen verbunden ist.1 is particularly suitable for horizontal pipe sections. If you wanted to use it in a vertical piece of pipe, you would generate an additional natural convection by heating the heating coil 3, which would overlap the flow to be measured. A probe such as that shown in FIG. 2 is therefore more suitable for such vertical pipe sections. This probe works according to the same measuring principle, but the heat development is less concentrated due to the heating conductor and thus the convection flow generated by the heating conductor is lower. Again, the probe is installed in a plug 13, which can be screwed into the vertical pipe section here. The plug carries instead of the heating coil two stretched heating conductors 14 and 15, which are perpendicular to the. Flow direction (arrow 26) and lie one behind the other in the flow direction. Two thermocouples are used as heating conductors, each of which a wire 28 or 29 is connected to the plug.
Die jeweils anderen Drähte 18 und 19 dieser Thermoelemente werden getrennt aus dem Stopfen herausgeführt und sind je mit der positiven Klemme einer Gleichspannungsquelle verbunden.The respective other wires 18 and 19 of these thermocouples are led separately out of the plug and are each connected to the positive terminal of a DC voltage source.
Die geeminsame negative Klemme liegt am Stopfen.The common negative terminal is on the plug.
Die eigentlichen Thermoelemente zur Messung der Temperatur-differenz in Strömungsrichtung sind mit ihren Meßpunkten 20 und 21 an je einem der Hüllrohre 16 und 17 der beiden Thermoelemente 14 und 15 in bezüglich der Strömungsrichtung fluch-tender Anordnung angelötet. Wegen der gestreckten Konfigura-tion der Heizleiter 14 und 15 kann die natürliche Konvektion die Messung der Temperaturdifferenz zwischen den Meßpunkten 20 und 21 kaum verfälschen. Abgesehen davon gleicht das Meß-prinzip dem der Sonde gemäß Fig. 1, so daß auf die Funktions-weise im einzelnen nicht näher eingegangen zu werden braucht.The actual thermocouples for measuring the temperature difference in the flow direction are soldered with their measuring points 20 and 21 to one of the cladding tubes 16 and 17 of the two thermocouples 14 and 15 in an arrangement that is cursed with respect to the flow direction. Because of the elongated configuration of the heating conductors 14 and 15, natural convection can hardly falsify the measurement of the temperature difference between the measuring points 20 and 21. Apart from this, the measuring principle is the same as that of the probe according to FIG. 1, so that the mode of operation need not be discussed in detail.
Selbstverständlich ist auch die Sonde gemäß Fig. 2 zum Einsatz in einem horizontalen Rohrabschnitt geeignet, wenngleich die Sonde gemäß Fig. 1 in diesem Fall einen weiteren Meßbereich abdeckt.Of course, the probe according to FIG. 2 is also suitable for use in a horizontal pipe section, although in this case the probe according to FIG. 1 covers a further measuring range.
Fig. 3 zeigt schließlich eine Variante zur Ausführungsform gemäß Fig. 2 für den Einsatz in horizontalen Rohrabschnitten.3 shows a variant of the embodiment according to FIG. 2 for use in horizontal pipe sections.
Die Variante besteht lediglich darin, daß zusätzlich eine Füllstandsmessung mit über die Lange eines der Heizleiter-Thermoelemente 14 oder 15 verteilten weiteren Thermoelementen 22, 23, 24 und 25 möglich wird. Diese Thermoelemente sind hier an das Hüllrohr 16 des Thermoelements 14 angelötet und zeigen unterschiedliche Temperaturen an, je nachdem, ob der fragliche Hüllrohrbereich von einer (gut wärmeleitenden) Flüs-sigkeit oder einem (schlechter wärmeleitenden) Dampf' oder Gas umgeben ist. Diese Thermoelemente werden über ein Meßkabel 27 einem nicht dargestellten Konstanttemperatur-Anschlußkasten und von dort einem Multiplexschalter zugeführt, über den ein Meßgerät die einzelnen Thermoelemente nacheinander abfragt und mit der Betriebstemperatur vergleicht. Daraus wird ein Analogsignal des Höhenstandes abgeleitet.The variant consists only in that a level measurement with further thermocouples 22, 23, 24 and 25 distributed over the length of one of the heating conductor thermocouples 14 or 15 is also possible. These thermocouples are soldered to the cladding tube 16 of the thermocouple 14 and indicate different temperatures, depending on whether the cladding tube area in question is surrounded by a (good heat-conducting) liquid or a (poorly heat-conducting) vapor 'or gas. These thermocouples are fed via a measuring cable 27 to a constant temperature junction box (not shown) and from there to a multiplex switch, via which a measuring device interrogates the individual thermocouples one after the other and compares them with the operating temperature. An analogue signal of the altitude is derived from this.
Es ist weiter möglich, ein weiteres Thermoelement am unteren Ende eines der Heizleiter 14 und 15 anzubringen und auf diese Weise die Temperatur der strömenden Flüssigkeit zu messen und zu überwachen.It is also possible to attach a further thermocouple to the lower end of one of the heating conductors 14 and 15 and in this way to measure and monitor the temperature of the flowing liquid.
Im Fall der Fig. 3 ist es konstruktiv günstig, wenn die Zulei-tungen zu den Meßpunkten für die Füllstandsmessung durch ein Rohr verlaufen, das im Stopten verankert ist und die beiden Heizleiter 14 und 15 sowie die Thermoelemente zur Messung der Strömungsrichtung mechanisch trägt.In the case of FIG. 3, it is structurally advantageous if the feed lines to the measuring points for the fill level measurement run through a pipe which is anchored in the stop and mechanically carries the two heating conductors 14 and 15 and the thermocouples for measuring the flow direction.
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