DE10297234T5

DE10297234T5 - Restriktions-Durchflussmesser

Info

Publication number: DE10297234T5
Application number: DE10297234T
Authority: DE
Inventors: Yoshijiro Shiba; Masakazu Saito; Shigehito Yamada
Original assignee: Wetmaster Co Ltd
Current assignee: Wetmaster Co Ltd
Priority date: 2002-08-01
Filing date: 2002-08-01
Publication date: 2005-09-29
Also published as: CN1539076A; AU2002325496A1; JP4159544B2; JPWO2004013580A1; US6912919B2; US20040187598A1; WO2004013580A1; CN1300556C; CA2456457A1

Abstract

Restriktions-Durchflussmesser, umfassend:
einen Zylinder (1), durch dessen Inneres ein zu messendes Fluid strömt, und
ein Rohr (2; 2') zum Bilden einer den Zylinder (1) in einer Richtung senkrecht zur Mittelachse des Zylinders (1) durchsetzenden Restriktions- bzw. Verengungsstruktur, wobei das Rohr (2; 2') einen kleineren Durchmesser als der Innendurchmesser des Zylinders (1) aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Druckmessloch (4; 8a, 8a', 8b, 8b', 8c) an dem oder nahe dem am meisten verengten Querschnitt senkrecht zur Strömungsrichtung ausgebildet ist, und
ein zweites Druckmessloch (5) an einer stromauf gelegenen Wand des Zylinders (1) von dem am stärksten verengten Querschnitt um ½ oder mehr des Innendurchmessers des Zylinders (1) entfernt ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Restriktions-Durchflussmesser zum Messen einer Durchflussmenge oder einer Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids in einem Rohr.

Als eines der Messinstrumente zum Messen einer Durchflussmenge eines durch ein Rohr fließenden Fluids wird herkömmlicherweise ein Differentialdruckdetektor verwendet, und dieser Differentialdruckdetektor bildet einen Restriktions- bzw. Drossel-Durchflussmesser, der es gestattet, dass eine Mündungsöffnung bzw. Düse oder ein Venturi-Rohr etc. mit einem Verengungsabschnitt einen hydrostatischen Differentialdruck unter Verwendung eines Manometers misst, und der die Messung einer Strömungsgeschwindigkeit oder einer Durchflussmenge ermöglicht.

Ein solcher herkömmlicher Differentialdruckdetektor erfordert eine präzise maschinelle Bearbeitung, wie sie im japanischen Industriestandard festgelegt ist, und seine Messgenauigkeit nimmt ab, wenn die Strömung gestört wird. Daher müssen geeignete gerade Rohre stromauf und stromab von der installierten Vorrichtung vorgesehen werden. Ferner wird ein von dem Differentialdruckdetektor erzeugter Differentialdruck durch nur eine Kurve als quadratische Gleichung der Strömungsgeschwindigkeit oder Durchflussmenge des durch das Rohr strömenden Fluids ausgedrückt.

Wenn außerdem ein zu messendes Fluid eine Flüssigkeit ist, verursacht Erosion beim Einsatz über eine ausgedehnte Zeitdauer einen Verschleiss am Rand, oder eine Ablagerung von Schlamm vor und nach dem Verengungsabschnitt verursacht eine Verschlechterung der Messgenauigkeit.

Der oben beschriebene Stand der Technik erfordert jedoch eine genaue maschinelle Bearbeitung und folglich eine Kostenerhöhung, was in einigen Fällen dazu führt, dass die Installation des Differentialdruckdetektors trotz der Not wendigkeit von Durchflussmengenmessungen unterbleibt. Insbesondere ist es bei Wohnnutzungsgebäuden, die bei einer Verringerung von CO₂, einer Umweltproblematik, die heutzutage zunehmend Aufmerksamkeit auf sich zieht, am rückständigsten sind, erforderlich, eine energieeinsparende Kontrolle über Wärmesenken auszuführen, es werden aber aus Gründen, die mit den Anlauf- bzw. Gestehungskosten verbunden sind, kaum Differentialdruckdetektoren installiert.

Außerdem muss ein auf dem Stand der Technik basierender Differentialdruckdetektor an einer Stelle installiert werden, an der die Strömung eines Fluids durch das Rohr gleichgerichtet wird, um so die Messgenauigkeit aufrechtzuerhalten. Wenn er beispielsweise nach einem lokalen Widerstandsabschnitt wie einem R-Krümmer installiert wird, muss ein ziemlich langes gerades Rohr vorgesehen werden, und daher ist es schwierig, den Differentialdruckdetektor wegen Platzeinschränkungen an einer Stelle, an der er tatsächlich eingesetzt werden soll, zu verwenden.

Ferner wird gemäß dem auf dem Stand der Technik basierenden Differentialdruckdetektor die Beziehung zwischen einem erzeugten Differentialdruck und der Strömungsgeschwindigkeit oder Durchflussmenge eines Fluids durch eine quadratische Kurve ausgedrückt, und daher ist, wenn Messungen von einem Bereich mit niedriger Strömungsgeschwindigkeit zu einem Bereich mit hoher Strömungsgeschwindigkeit unter Verwendung eines einzigen Manometers vorgenommen werden, der Bereich des erzeugten Differentialdrucks breit, und es kann je nach der Leistung des Manometers zu einem großen Messfehler in dem Bereich mit niedriger Strömungsgeschwindigkeit kommen. Ferner besteht ein Problem darin, dass ein Einsatz über eine längere Zeitdauer einen Verschleiss am Rand oder eine Ablagerung von Schlamm bzw. Schmutz verursacht und eine Verschlechterung der Messgenauigkeit bewirkt.

Wenn ferner ein Pitot-Rohr als herkömmlicher Differentialdruckdetektor verwendet wird, werden ein Gesamtdruck und ein hydrostatischer Druck extrahiert und es wird ein Differentialdruck zwischen diesen erhalten. Dadurch können jedoch nur lokale Geschwindigkeiten an Messpunkten erhalten werden, und zur Berechnung einer Durchschnittsgeschwindigkeit ist es nötig, Geschwindigkeiten an mehreren Punkten innerhalb des gleichen Querschnitts zu messen.

Ferner ist, wie in JP-A-8-210887 offenbart ist, ein Rohrelement, durch das ein Fluid strömt, mit einem Gesamtdruckdetektions-Zylinderelement versehen, das in einer Richtung senkrecht zu der Achse des Rohrelements vorsteht, und dieses Gesamtdruckdetektions-Zylinderelement ist mit einem Gesamtdruckdetektionsloch versehen, das der Strömungsrichtung des Fluids zugewandt geöffnet ist, und die Wand des Rohrelements ist mit einer Öffnung versehen, um so einen hydrostatischen Druck zu erfassen.

Dieser Differentialdruckdetektor kann zwar an mehreren Punkten am gleichen Querschnitt erfassen, er kann aber keinen großen Differentialdruck in einem Bereich mit niedriger Strömungsgeschwindigkeit erfassen.

Die vorliegende Erfindung ist angesichts der oben beschriebenen Probleme implementiert worden, und eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Restriktions-Durchflussmesser bereit zu stellen, der ein kostengünstiges Erzeugnis ist, ohne eine präzise maschinelle Bearbeitung zu erfordern, und der in der Lage ist, mit hoher Genauigkeit selbst unter gestörten Strömungsbedingungen zu messen, die Beziehung zwischen einem vom Differentialdruckdetektor erzeugten Differentialdruck, der Strömungsgeschwindigkeit und der Durchflussmenge als eine Mehrzahl von quadratischen Kurven auszudrücken und über einen langen Zeitraum hinweg eine stabile Messgenauigkeit beizubehalten.

Um die oben beschriebene Aufgabe zu erfüllen, umfasst der Restriktions-Durchflussmesser gemäß der Erfindung einen Zylinder, durch dessen Inneres ein zu messendes Fluid strömt, und ein Rohr zum Bilden einer den Zylinder in einer Richtung senkrecht zur Mittelachse des Zylinders durchsetzenden Restriktions- bzw. Verengungsstruktur, wobei das Rohr einen kleineren Durchmesser als der Innendurchmesser des Zylinders aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Druckmessloch an dem oder nahe dem am stärksten verengten Querschnitt senkrecht zur Strömungsrichtung ausgebildet ist, und ein zweites Druckmessloch an einer stromauf gelegenen Wand des Zylinders von dem am stärksten verengten Querschnitt um ½ oder mehr des Innendurchmessers des Zylinders entfernt ausgebildet ist.

Der oben beschriebene Restriktions-Durchflussmesser ist dadurch gekennzeichnet, dass das erste Druckmessloch an der Wand des Zylinders an dem am stärksten verengten Querschnitt ausgebildet ist.

Ferner ist der oben beschriebene Restriktions-Durchflussmesser dadurch gekennzeichnet, dass das erste Druckmessloch an der Wand des oben beschriebenen Rohrs an dem am stärksten verengten Querschnitt ausgebildet ist.

Ferner ist der oben beschriebene Restriktions-Durchflussmesser dadurch gekennzeichnet, dass das erste Druckmessloch an der Wand des Rohrs stromab des am stärksten verengten Querschnitts ausgebildet ist.

Der Restriktions-Durchflussmesser ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Gleichrichtplatte stromauf des zweiten Druckmesslochs um ½ oder mehr des Innendurchmessers des Zylinders innerhalb des Zylinders vorgesehen ist.

Der oben beschriebene Restriktions-Durchflussmesser ist dadurch gekennzeichnet, dass ein flach ausgebildetes hohles Element mit einem patronenförmigen Querschnitt stromauf des am stärksten verengten Querschnitts senkrecht zur Strömungsrichtung des Fluids im Zylinder vorgesehen ist, ein erstes Druckmessloch an dem am stärksten verengten Querschnitt ausgebildet ist, ein zweites Druckmessloch an der Wand des oben beschriebenen Zylinders stromauf des Hohlelements ausgebildet ist und ein drittes Druckmessloch in dem sich in der Strömungsrichtung zu öffnenden Hohlelement ausgebildet ist.

Ferner ist der Restriktions-Durchflussmesser dadurch gekennzeichnet, dass das erste Druckmessloch an der Wand des oben beschriebenen Zylinders an dem am stärksten verengten Querschnitt ausgebildet ist.

Ferner ist dieser Restriktions-Durchflussmesser dadurch gekennzeichnet, dass das erste Druckmessloch an der Wand des Rohrs an dem oben beschriebenen, am stärksten verengten Querschnitt oder an der Wand des oben Rohrs stromab des ersten Druckmessloch ausgebildet ist.

Ferner ist der Restriktions-Durchflussmesser dadurch gekennzeichnet, dass es möglich ist, jeweils beliebige zwei der ersten, zweiten und dritten Druckmesslöcher auszuwählen, einen Differentialdruck zwischen den ausgewählten Druckmesslöchern zu erfassen und dadurch einen Differentialdruck zu erhalten, der für ein Manometer in einem Strömungsgeschwindigkeitsbereich in einem breiten Bereich geeignet ist.

Im folgenden wird die Beziehung zwischen einem durch jedes Druckmessloch erfassten Druck, dem Differentialdruck und der Strömungsgeschwindigkeit bei dem oben beschriebenen Restriktions-Durchflussmesser der Erfindung erläutert.

Der Differentialdruckdetektor des Restriktions-Durchflussmessers der Erfindung weist eine Struktur auf, bei der ein Rohr einen Zylinder in einer Richtung senkrecht zu der Mittelachse des Zylinders durchsetzt, und bei der ein Teil des Querschnitts der Leitung verengt ist. Da die Strömungsgeschwindigkeit an diesem verengten Querschnitt zunimmt, nimmt ein hydrostatischer Druck P₁ in einem an der Rohrwand an dem Querschnitt vorgesehenen ersten Druckmessloch infolgedessen ab. Ausgehend davon, dass ein in einem an der Zylinderwand stromauf dieses verengten Querschnitts um ½ oder mehr des Innendurchmessers des Zylinders vorgesehenen zweiten Druckmessloch erfasster hydrostatischer Druck P₂ ist, ist es möglich, die Strömungsgeschwindigkeit in dem Zylinder durch Messen einer solchen Druckabnahme, das heißt des Differentialdrucks ΔP (= P₂–P₁) unter Verwendung eines Manometers gemäß der folgenden Funktion zu berechnen: V = K×(2/ρ×ΔP)0,5 wobei
K: Durchflussmengenkoeffizient,
ρ: Dichte des Fluids,
ΔP erzeugter Differentialdruck (Abnahme des hydrostatischen Drucks).

Bei der oben beschriebenen Funktion ist es möglich, das Restriktions- bzw. Verengungsverhältnis der Leitung gemäß dem Durchmesser des durchsetzenden Rohrs in angemessener Weise zu ändern und den Durchflussmengenkoeffizienten K wie in dem Fall der Verwendung einer Mündungsöffnung bzw. Düse einzustellen bzw. anzupassen.

Wenn beispielsweise die Strömungsgeschwindigkeit niedrig ist, ist es möglich, ein den Zylinder durchsetzendes Rohr größeren Durchmessers zu installieren, die Verengung zu verstärken und dadurch einen erzeugten Differentialdruck zu erhöhen.

Wenn andererseits die Strömungsgeschwindigkeit hoch ist, ist es auch möglich, ein Rohr kleineren Durchmessers zu verwenden, die Verengung zu verringern und dadurch einen erzeugten Differentialdruck zu verringern und einen Druckverlust zu vermeiden.

Allgemein erfordert die mit einem solchen Restriktions-Durchflussmesser versehene Rohrleitung eine komplizierte dreidimensionale Bearbeitung aus raumbezogenen Gründen, und daher zeigt die Geschwindigkeitsverteilung des Fluids, das dort strömt, eine unentwickelte, unstabile Strömung. Das genaue Messen der Strömungsmenge unter einer solchen Bedingung erfordert, dass der herkömmliche Differentialdruckdetektor mit genügend langen geraden Rohren in den stromaufseitigen und stromabseitigen Bereichen versehen ist.

Daher wird bei dem Durchflussmesser gemäß Erfindung eine Gleichrichtfunktion innerhalb des Differentialdruckdetektors hinzugefügt, um dadurch eine Ungleichmäßigkeit in der Geschwindigkeitsverteilung zu korrigieren und Anforderungen bzw. Einschränkungen bei der Bearbeitung der Rohrleitung drastisch zu reduzieren.

Die Messfehlerrate eines Manometers nimmt allgemein bei zunehmenden Differentialdruck ab, und daher ist es möglich, eine Gesamtfehlerrate mit dem Differentialdruckdetektor und dem Manometer durch Erhöhen des von dem Fluid erfassten Drucks zu verringern.

Wenn die Verengungsstruktur aus einem runden Rohr oder einem rechteckigen Rohr etc. gebildet ist, tendiert die Geschwindigkeitsverteilung am Querschnitt dazu, sich in der Umgebung des Bereichs, an dem die Verengungsstruktur ausgebildet ist, zu erhöhen, und in dem Bereich näher an der Zylinderwand abzunehmen. Daher ist es möglich, über einen großen Differentialdruck in Bezug auf den Druck P₂ an dem zweiten Druckmessloch durch Erfassen eines Drucks P₃ (< P₁) an der Rohrwand des die Verengung bildenden Abschnitts zu verfügen. Auf diese Weise ist es angemessen, ein Druckmessloch an der Wand des die Verengung bildenden Abschnitts, beispielsweise an einem Rohr, vorzusehen.

Ferner kann eine Verwendung eines flach ausgebildeten porösen Rohrs mit einer Gleichrichtfunktion, das stromauf des die Verengung bildenden Abschnitts angeordnet ist, den Differentialdruck in Bezug auf andere Drücke erhöhen, indem ein Druck P₄ (Gesamtdruck) des Fluids erfasst wird und ein Messloch so ausgewählt und verwendet wird, dass ein Differentialdruck gemäß der Strömungsgeschwindigkeit erhalten wird, wobei Fehler in dem Manometer berücksichtigt werden, was eine geeignetere Messung ermöglicht.

Für diesen Zweck ist es angemessen, ein flach ausgebildetes Hohlelement zu verwenden, dessen Querschnitt patronenförmig wie das poröse Rohr mit der Gleichrichtfunktion ist, und die Verwendung dieses Hohlelements ermöglicht es, die geraden Rohre in den stromaufseitigen und stromabseitigen Bereichen des Differentialdruckdetektors bei der Bearbeitung des oben beschriebenen Rohrs zu verkürzen und auch die Wirkung zu erzielen, dass solche Einschränkungen bzw. Anforderungen reduziert werden.

Durch Kombinieren von Drücken wie dem Druck P₄ aus diesem porösen Rohr und dem Druck P₂ von dem an der Zylinderwand stromauf des porösen Rohrs und des durchsetzenden Rohrs vorgesehenen Druckmesslochs, dem Druck P₁ an der Zylinderwand am Querschnitt des die Verengung bildenden Abschnitts, in dem das durchsetzende Rohr angeordnet ist, oder dem Druck P₃ von dem an der Rohrwand des die Verengung bildenden Abschnitts vorgesehen Druckmessloch in geeigneter Weise werden verschiedene Bezugsgleichungen erhalten, welche durch die folgenden, sich auf den erzeugten Differentialdruck und die Strömungsgeschwindigkeit beziehende Gleichungen ausgedrückt sind: V = K1×(2/ρ×(P4–P1))0,5 V = K2×(2/ρ×(P4–P2))0,5 V = K3×(2/ρ×(P4–P3))0,5 wobei K1, K2, K3, ... Strömungsmengenkoeffizienten und durch die Kombination von erfassten Drücken bestimmte Konstanten sind.

Wie oben beschrieben wurde, kann durch Kombinieren der Drücke von drei oder mehr Druckmesslöchern das Manometer Messungen in einem Differentialdruckbereich mit einem hohen Genauigkeitsgrad vornehmen und eine Gesamt-Messfehlerrate infolgedessen reduzieren.

Ferner kann das durchsetzende Rohr, wenn es innen mit einem Temperatursensor versehen ist, auch als Kalorimeter bzw. Heizwertmesser dienen, und weist mit dem eingebauten Temperatursensor auch den Vorteil auf, Schaden am Temperatursensor infolge von Wirbelstromvibration (eddy vibration) etc. zu vermeiden.

Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden detaillierten Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen hervor. Es zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht eines Restriktions-Durchflussmessers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
2 eine teilweise weggebrochene Draufsicht auf den in 1 gezeigten Durchflussmesser,
3 eine perspektivische Ansicht eines Restriktions-Durchflussmesser gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, der mit einer Gleichrichtplatte versehen ist,
4 eine teilweise weggebrochene Draufsicht auf den in 3 gezeigten Restriktions-Durchflussmesser,
5 eine perspektivische Ansicht des in 3 gezeigten Restriktions-Durchflussmessers, der mit einer Gleichrichtplatte versehen ist, gemäß einer weiteren Ausführungsform desselben,
6 eine teilweise weggebrochene Draufsicht auf den in 5 gezeigten Restriktions-Durchflussmesser,
7 eine perspektivische Ansicht eines Restriktions-Durchflussmessers gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,
8 eine teilweise weggebrochene Draufsicht auf den in 7 gezeigten Restriktions-Durchflussmesser,
9 eine Schnittansicht zur Darstellung einer Geschwindigkeitsverteilung eines Verengungsabschnitts bei dem gleichen Restriktions-Durchflussmesser wie in 7,
10 eine perspektivische Ansicht eines Restriktions-Durchflussmessers gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,
11 eine teilweise weggebrochene Draufsicht auf den in 10 gezeigten Restriktions-Durchflussmesser,
12 eine perspektivische Ansicht eines Restriktions-Durchflussmessers gemäß einer noch anderen Ausführungsform der Erfindung,
13 eine teilweise weggebrochene Draufsicht auf den in 12 gezeigten Restriktions-Durchflussmesser,
14 eine schematische Ansicht zur Darstellung eines Beispiels eines Rohrleitungssystems, auf das der Restriktions-Durchflussmesser gemäß der Erfindung angewandt ist, und
15 eine Diagramm zur Darstellung einer Beziehung zwischen Differentialdruck und Strömungsgeschwindigkeit, die durch den Restriktions-Durchflussmesser gemäß der Erfindung erhalten wird.
Nachstehend wird unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen der Restriktions-Durchflussmesser gemäß Ausführungsformen der Erfindung erläutert.
1 ist eine perspektivische Ansicht eines Restrik tions-Durchflussmessers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, der einen Zylinder 1 mit einer vorbestimmten Menge umfasst, durch den ein zu messendes Fluid in der durch einen Pfeil angegebenen Richtung strömt, sowie ein diesen Zylinder in einer Richtung senkrecht zur Mittelachse des Zylinders durchsetzendes Rohr 2, dessen beide Enden von der Wand des Zylinders vorstehen. Dieses Rohr 2 bildet eine Verengungsstruktur. Ferner ist an demjenigen Querschnitt des Zylinders 1, an dem der am stärksten verengte Bereich durch dieses Rohr 2 ausgebildet ist, ein erstes Druckmessloch 4 an der Wand des Zylinders 1 ausgebildet, und ein zweites Druckmessloch 5 ist an der Wand des Zylinders 1 stromauf dieses ersten Druckmesslochs 4 um ½ oder mehr des Innendurchmessers des Zylinders 1 entfernt ausgebildet. Diese Messlöcher 4 und 5 sind mit Verbindern 3, 3 versehen, um Drücke zu extrahieren, und ferner sind Flansche 6 an beiden Enden des Zylinders 1 vorgesehen, um eine Montage an dem in 14 gezeigten Rohrleitungssystem zu gestatten.
Das Material dieses Zylinders 1 und des Rohrs 2 kann Metall wie Gußeisen, ein Stahl, Messing oder ein Harz oder irgendein anderes Material sein, und der Zustand der Oberfläche, in Kontakt mit der ein Fluid strömt, kann die Oberfläche eines normalen Rohmaterials sein, das keine besonders genaue Endbearbeitung bzw. Oberflächengüte erfordert. Das Rohrleitungssystem gemäß 14 umfasst Leitungen 52, 53 und 54 etc., die zwischen einer Pumpe 50 und einem Wassereinlassabschnitt 58 sowie einem Wasserauslassabschnitt 59 eines Wasserspeicherbehälters 51 über Ventile 55, 56 und 57 angeordnet sind, und der Zylinder 1 des Restriktions-Durchflussmessers ist zwischen die geraden Rohre 52 und 53 mittels der Flansche 6 eingesetzt, was es ermöglicht, Strömungsgeschwindigkeit und Strömungsmenge zu messen.
Mit dem Restriktions-Durchflussmesser in der oben beschriebenen Konfiguration ist es möglich, den Druck P₁ des Fluids, welches durch den Restriktionsabschnitt von dem ersten Druckmessloch 4 an der Wand des Zylinders 1 strömt, als hydrostatischen Druck durch den Verbinder 3 zu extra hieren, und den Druck P₂ des Fluids stromauf des Verengungsabschnitts von dem zweiten Druckmessloch 5 als hydrostatischen Druck durch den Verbinder 3 zu extrahieren.
In diesem Fall werden beide Drücke in einer Beziehung P₁ < P₂ erfasst. Es ist möglich, die Strömungsgeschwindigkeit und Strömungsmenge unter Verwendung des Differentialdrucks ΔP = P₂–P₁ dieser Drücke P₁ und P₂ zu berechnen.
Die Restriktions-Durchflussmesser gemäß einer in 3 bis 6 gezeigten Ausführungsform der Erfindung sehen eine Gleichrichtplatte 7 weiter stromauf des zweiten Druckmesslochs 5 im Zylinder 1 so vor, dass eine Ungleichmäßigkeit in der Geschwindigkeitsverteilung eliminiert wird. Dies soll die Strömung im Zylinder 1 so gleichrichten, dass Störungseinflüsse der Strömung des Fluids auf die erfassten Drücke an den Messlöchern 4 und 5 beseitigt werden. Dies ermöglicht es auch, die geraden Rohre 52 und 53 zu verkürzen, um eine Ungleichmäßigkeit in der Geschwindigkeitsverteilung in Rohrleitungen stromauf und stromab des Durchflussmessers in dem Rohrleitungssystem gemäß 14 zu eliminieren.
Die in 3 und 4 gezeigte Gleichrichtplatte 7 ist parallel zu dem durchsetzenden Rohr 2 angeordnet. Der in 5 und 6 gezeigte Restriktions-Durchflussmesser ist mit einer Gleichrichtplatte 7' versehen, die aus zwei einander innerhalb des Zylinders 1 kreuzenden Platten besteht, was auch eine Ungleichmäßigkeit in der Geschwindigkeitsverteilung wie im Fall der in den 3 und 4 gezeigten einen Platte eliminieren sollen. Diese Gleichrichtplatte kann auch eine Maschen- oder Gitterstruktur oder einer Bienenwabenstruktur haben.
Nachstehend wird der Restriktions-Durchflussmesser gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die 7 und 8 erläutert. Er unterscheidet sich von dem Restriktions-Durchflussmesser in der oben beschriebenen Ausführungsform insofern, als das erste Druckmessloch nicht an der Wand des Zylinders 1, sondern an der Wand eines Rohrs 2', welches den Zylinder 1 durchsetzt, vorgesehen ist. Die Geschwindigkeitsverteilung des Fluids an dem am stärksten verengten Querschnitt in diesem Fall ist so, wie sie in 9 gezeigt ist, welche angibt, dass es möglich ist, Drücke in einem Hochgeschwindigkeitsbereich besser zu messen, als wenn das erste Druckmessloch an der Wand des Zylinders 1 vorgesehen ist.
In Anbetracht dieser Geschwindigkeitsverteilung ist es auch möglich, das erste Druckmessloch am Rohr 2' als Erfassungsloch 8a vorzusehen, das in dem Bereich gelegen ist, in dem der Durchlauf des Wassers am stärksten eingeschränkt ist, oder als Erfassungsloch 8b stromab des am stärksten verengten Querschnitts, wie es durch die gestrichelte Linie in 8 gezeigt ist, oder als Erfassungsloch 8c, das am weitesten stromab gelegen ist, wie durch die gestrichelte Linie in 8 gezeigt ist. Von diesen Erfassungslöchern ist es für die Erfassungslöcher 8a und 8b auch möglich, Erfassungslöcher 8a' und 8b' an Positionen symmetrisch in Bezug auf die Mittellinie des Rohrs 2' in der Durchflusslinienrichtung in 8 als die Druckmesslöcher 8a–8a' oder die Druckmesslöcher 8b–8b' zu bilden.
Ferner können diese Druckmesslöcher 8a–8a', 8b–8b' und 8c–8c' auch an zwei oder mehr Stellen an der Wand des Rohrs 2' entlang der Achse des Rohrs 2' an den Positionen der jeweiligen Erfassungslöcher 8a (8a'), 8b (8b') und 8c im stromabseitigen Bereich des am stärksten verengten Querschnitts des Rohrs 2' vorgesehen sein.
Die Drücke aus diesen Erfassungslöchern 8a (8a'), 8b (8b') und 8c werden von einem Verbinder 3' am Ende des Rohrs 2' als Druck P₃ extrahiert. Dieser erfasste Druck P₃ weist eine Beziehung P₃ < P₂ auf und wird vom Verbinder 3' erfasst. Die Strömungsgeschwindigkeit und Strömungsmenge können aus dem Differentialdruck zwischen diesen Drücken P₂ und P₃, ΔP = P₂–P₃ berechnet werden.
Der in 7 und 8 gezeigte Restriktions-Durchflussmesser kann mit den Gleichrichtplatten 7 und 7' versehen sein, wie in 3 bis 6 gezeigt ist, und das Vorsehen dieser Platten kann die Strömung des Fluids gleichrichten und dadurch eine Ungleichmäßigkeit in der Geschwindigkeitsver teilung korrigieren.
Eine weitere Ausführungsform des Restriktions-Durchflussmessers der Erfindung wird unter Verwendung der in 10 bis 13 gezeigten Restriktions-Durchflussmesser erläutert.
Der Restriktions-Durchflussmesser in dieser Ausführungsform unterscheidet sich von dem oben in 1 bis 7 gezeigten dahingehend, dass ein flach ausgebildetes hohles Element 10 mit einem patronenförmigen Querschnitt zwischen dem Rohr 2, 2' und dem zweiten Druckmessloch im Zylinder 1 parallel zum Rohr 2, 2' vorgesehen ist, und dieses Hohlelement 10 weist die Gleichrichtfunktion auf. Dieses Hohlelement 10 ist mit mehreren Druckmesslöchern 11 in angemessenen Abständen entlang der Wand des Hohlelements 10 versehen, die senkrecht zur Achse des Zylinders 1 verläuft und sich an dem entgegen der Strömung des Fluids gelegenen Ende befindet, und der von den dritten Druckmesslöchern 11 erfasste Druck wird von dem oberen Ende, welches vom Zylinder 1 nach außen vorsteht, als Druck P₄ extrahiert und als Gesamtdruck erfasst.
Aus einer Kombination dieses Drucks P₄, des von dem zweiten Druckmessloch 5 der Wand des Zylinders 1 stromauf von diesem erfassten Druck P₂ oder des Drucks P₁ (< P₂) von dem ersten Druckmessloch 4, das an der Wand des Zylinders 1 an dem Querschnitt vorgesehen ist, an dem der Wasserdurchlauf am stärksten verengt ist, ist es möglich, einen Differentialdruck ΔP = P₄–P₁ (oder ΔP = P₄–P₂) zu messen und dadurch die Strömungsgeschwindigkeit und Strömungsmenge zu berechnen.
Der in 12 und 13 gezeigte Restriktions-Durchflussmesser ist der in 7 und 8 gezeigte Restriktions-Durchflussmesser, der mit einem flach ausgebildeten Hohlelement 10 mit einem patronenförmigen Querschnitt gemäß 10 und 11 versehen ist. Dieses Hohlelement 10 hat dieselbe Gleichrichtfunktion und ist als die dritten Druckmesslöcher 11 mit mehreren Druckmesslöchern 11, die sich in angemessenen Intervallen senkrecht zu der Achse des Zylinders 1 an dem der Strömung des Fluids zugewandten Ende öffnen, vorgesehen. Die dritten Druckmesslöcher 11 können einen Druck P₄ als Gesamtdruck erfassen.
Aus einer Kombination dieses Drucks P₄, des von dem zweiten Druckmessloch 5 der Wand des Zylinders 1 stromauf von diesem erfassten Drucks P₂ oder des von irgendeinem der Druckerfassungslöcher 8a (8a'), 8b (8b') und 8c an der Wand des Rohrs 2, welches den Zylinder 1 durchsetzt, erfassten Drucks P₃ (< P₁) ist es möglich, einen Differentialdruck zu messen und dadurch die Strömungsgeschwindigkeit und Strömungsmenge zu berechnen.
15 zeigt ein Beispiel einer Beziehung zwischen dem Differentialdruck und der Strömungsgeschwindigkeit des Fluids, die durch Auswählen und Kombinieren von Drücken von dem zweiten Druckmessloch 5, dem ersten Druckmessloch 4, den Erfassungslöchern 8a, 8b und 8c des Rohrs 2 oder dem dritten Druckmessloch 11 des flach ausgebildeten Hohlelements 10 erhalten werden.
Die in 15 gezeigten Kurven I, II und III zeigen jeweils eine Beziehung des Differentialdrucks zwischen den jeweiligen Druckmesslöchern gegenüber der Strömungsgeschwindigkeit wie folgt. Die Kurve I zeigt die Beziehung des Differentialdrucks zwischen dem hydrostatischen Druck von dem ersten Druckmessloch, das irgendeines der Druckerfassungslöcher 8a (8a'), 8b (8b') und 8c des Rohrs 2,2' ist, und dem von dem Druckmessloch 11 des flach ausgebildeten Hohlelements 10 extrahierten Gesamtdruck gegenüber der Strömungsgeschwindigkeit des Fluids. Ferner zeigt die Kurve II die Beziehung des Differentialdrucks zwischen dem hydrostatischen Druck von dem ersten Druckmessloch 4, das an dem am stärksten verengten Querschnitten der Wand des Zylinders 1 vorgesehen ist, und dem hydrostatischen Druck aus dem zweiten Druckmessloch 5, das stromauf des flach ausgebildeten Hohlelements 10 des Zylinders 1 vorgesehen ist, gegenüber der Strömungsgeschwindigkeit des Fluids. Ferner zeigt die Kurve III die Beziehung des Differentialdrucks zwischen dem hydrostatischen Druck von dem zweiten Druckmessloch 5 des Zylinders 1 und dem Gesamtdruck von dem dritten Druckmessloch 11 des flach ausgebildeten Hohlelements 10 gegenüber der Strömungsgeschwindigkeit des Fluids. Unter den an diesen Druckmesslöchern gemessenen Drücken wird der Druck aus den Druckmesslöchern 11 des flach ausgebildeten Hohlelements 10 als der Gesamtdruck gemessen und ist daher am höchsten, während die an den anderen Druckmesslöchern 4, 5, 8a (8a'), 8b (8b') und 8c gemessenen Drücke hydrostatische Drücke sind, und der von dem zweiten Druckmessloch 5 erfasste Druck ist der niedrigste hydrostatische Druck, gefolgt von dem von dem ersten Druckmessloch 4 erfassten Druck und den von den Druckmesslöchern 4, 5, 8a (8a'), 8b (8b') und 8c des Rohrs 2,2' erfassten Drücken. Daher ist es durch Auswählen von zwei dieser Druckmesslöcher möglich, selektiv den Differentialdruck zu extrahieren, der für die Strömungsgeschwindigkeit des zu messenden Fluids geeignet ist. Die Strömungsgeschwindigkeit und Strömungsmenge können unter Verwendung dieses Differentialdrucks und der oben beschriebenen Gleichung berechnet werden.
Im einzelnen ist, wie aus 15 hervorgeht, unter Berücksichtigung des Messbereichs und Messfehlers des Manometers etc., wenn beispielsweise der maximale Messbereich des Manometers 10 Kpa ist, die Kurve I für eine Messung eines Fluids mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 2 m/s oder weniger gültig, die Kurve II ist für eine Messung eines Fluids mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 2 m/s bis 4 m/s gültig, und die Kurve III ist für eine Messung eines Fluids mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 4 m/s oder mehr gültig. Somit ist es möglich, eine Strömungsgeschwindigkeit mit einem hohen Genauigkeitsgrad unter Berücksichtigung des Messfehlers des Manometers etc. und Auswahl derjenigen Kurve, die einen großen Differentialdruck in dem zu messenden Strömungsgeschwindigkeitsbereich erreichen kann, zu berechnen. Die in 15 gezeigte Kurve III zeigt nur eine Strömungsgeschwindigkeit von bis zu 4 m/s, es ist aber möglich, den Differentialdruck unter Verwendung von im wesentlichen der gleichen Kurve zu erhalten.
Basierend auf solchen Kurven I, II und III ist es mög lich, unter Berücksichtigung der Beziehung zwischen dem Differentialdruck mit geringem Einfluss des Messfehlers des Manometers und der Strömungsgeschwindigkeit, und durch Auswählen irgendwelcher zwei der ersten Druckmesslöcher 4 an dem am stärksten verengten Querschnitt des Zylinders 1 gemäß 10 bis 13, der Druckmesslöcher 8a (8a'), 8b (8b') und 8c, die an dem Rohr 2 vorgesehen sind, sowie der dritten Druckmesslöcher 11 des flach ausgebildeten Hohlelements 10, durch Erfassen des Drucks von beiden Messlöchern und Erhalten des Differentialdrucks, die Strömungsgeschwindigkeit und Strömungsmenge des Fluids aus dem Differentialdruck zu berechnen.
Das Fluid, das auf den oben beschriebenen Restriktions-Durchflussmesser angewandt werden kann, ist nicht im einzelnen spezifiziert, es versteht sich jedoch, dass der vorliegende Restriktions-Durchflussmesser auf eine Flüssigkeit wie Wasser oder ein Gas wie Luft etc. anwendbar ist, und dass er auch auf ein mit Verunreinigungen wie Sand und Schlamm gemischtes Fluid anwendbar ist.
Wie oben beschrieben wurde, kann der Restriktions-Durchflussmesser gemäß der Erfindung die folgenden vorteilhaften Wirkungen erzielen:
der Restriktions-Durchflussmesser kann unter Verwendung eines Zylinders und eines Rohrs ausgebildet werden, welche unabhängig von ihren Materialien für allgemeine Zwecke eingesetzt werden können, und erfordert keine präzise Bearbeitung und kann dadurch als kostengünstiger Durchflussmesser bereitgestellt werden.
Dieser Restriktions-Durchflussmesser sieht eine Gleichrichtplatte an dem stromaufseitigsten Bereich des Zylinders vor und kann dadurch eine Ungleichmäßigkeit in der Geschwindigkeitsverteilung eliminieren, die Länge der geraden Rohre reduzieren, die dazu bestimmt sind, eine Ungleichmäßigkeit in der Geschwindigkeitsverteilung zwischen der stromaufwärtigen Seite und der stromabwärtigen Seite des Zylinders zu eliminieren und Messungen mit einem hohen Genauigkeitsgrad auch in einer Umgebung mit wenig Platz ausführen. Wenn das Fluid eine Flüssigkeit ist, weist ferner dieser Restriktions-Durchflussmesser strukturell weniger Ränder bzw. Kanten oder Punkte auf, die eine Stagnation hervorrufen, hat weniger Verschleiss infolge Erosion oder eine geringere Ablagerung von Schlamm und kann dadurch Messungen mit einem hohen Genauigkeitsgrad über einen längeren Zeitraum hinweg aufrechterhalten.
Der Differentialdruckdetektor gemäß dem Stand der Technik, der die Beziehung zwischen dem erzeugten Differentialdruck, der Strömungsgeschwindigkeit und der Strömungsmenge des Fluids nur mit einer quadratischen Kurve ausdrückt, wodurch das Problem besteht, dass, wenn Messungen von der niedrigen Strömungsgeschwindigkeit zur hohen Strömungsgeschwindigkeit unter Verwendung eines einzigen Manometers vorgenommen werden, der Bereich des erzeugten Differentialdrucks breit ist und der Messfehler in dem Bereich niedriger Strömungsgeschwindigkeit als die Leistung des Manometers zunimmt. Demgegenüber kann die Erfindung einen Aufbau mit drei oder mehreren Druckerfassungsabschnitten bereitstellen und dadurch mehrere Kombinationen von Druckmesslöchern zum Erhalt eines Differentialdrucks erreichen, eine Gesamtfehlerrate einschließlich des Manometers reduzieren und einen breiten Bereich von Strömungsgeschwindigkeits- und Strömungsmengenbereichen mit einem hohen Genauigkeitsgrad messen.
Die obigen Beschreibungen sind zu Ausführungsformen vorgenommen worden, die Erfindung ist jedoch nicht auf diese beschränkt und es ist Fachleuten ersichtlich, dass die Erfindung auf verschiedene Weise innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung und den beigefügten Ansprüchen geändert oder modifiziert werden kann.
Industrielle Anwendbarkeit
Der Restriktions-Durchflussmesser der Erfindung stellt eine Fluiddruck-Messvorrichtung bereit, ohne eine hochpräzise maschinelle Bearbeitung zu erfordern, und führt Druckmessungen in einem breiten Bereich zum Erhalt eines Differentialdrucks durch und kann dadurch Strömungsgeschwindigkeit und Strömungsmenge in einem weiten Bereich messen.
Zusammenfassung
Ein Restriktions-Durchflussmesser mit einem Zylinder (1), durch dessen Inneres ein zu messendes Fluid strömt, und einem Rohr (2) zum Bilden einer Restriktions- bzw. Verengungsstruktur, das den Zylinder in einer Richtung senkrecht zur Mittelachse des Zylinders durchsetzt, wobei das Rohr einen kleineren Durchmesser als der Innendurchmesser des Zylinders aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Druckmessloch (4) an dem am stärksten verengten Querschnitt senkrecht zur Strömungsrichtung ausgebildet ist, und ein zweites Druckmessloch (5) an einer stromauf gelegenen Wand des Zylinders von dem am stärksten verengten Querschnitt um ½ oder mehr des Innendurchmessers des Zylinders entfernt ausgebildet ist.
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Claims

Restriktions-Durchflussmesser, umfassend: einen Zylinder (1), durch dessen Inneres ein zu messendes Fluid strömt, und ein Rohr (2; 2') zum Bilden einer den Zylinder (1) in einer Richtung senkrecht zur Mittelachse des Zylinders (1) durchsetzenden Restriktions- bzw. Verengungsstruktur, wobei das Rohr (2; 2') einen kleineren Durchmesser als der Innendurchmesser des Zylinders (1) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Druckmessloch (4; 8a, 8a', 8b, 8b', 8c) an dem oder nahe dem am meisten verengten Querschnitt senkrecht zur Strömungsrichtung ausgebildet ist, und ein zweites Druckmessloch (5) an einer stromauf gelegenen Wand des Zylinders (1) von dem am stärksten verengten Querschnitt um ½ oder mehr des Innendurchmessers des Zylinders (1) entfernt ausgebildet ist.
Restriktions-Durchflussmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Druckmessloch (5) an der Wand des Zylinders (1) an dem am stärksten verengten Querschnitt ausgebildet ist.
Restriktions-Durchflussmesser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Druckmessloch (8a, 8a', 8b, 8b', 8c) an der Wand des Rohrs (2') an dem oder nahe dem am stärksten verengten Querschnitt ausgebildet ist.
Restriktions-Durchflussmesser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Druckmessloch (8b, 8b', 8c) an der Wand des Rohrs (2') stromab des am stärksten verengten Querschnitts ausgebildet ist.
Restriktions-Durchflussmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gleichrichtplatte (7; 7') stromauf des zweiten Druckmesslochs (5) um ½ oder mehr des Innendurchmessers des Zylinders (1) innerhalb des Zylinders (1) vorgesehen ist.
Restriktions-Durchflussmesser, umfassend: einen Zylinder (1), durch dessen Inneres ein zu messendes Fluid strömt, und ein den Zylinder (1) in einer Richtung senkrecht zur Mittelachse des Zylinders (1) durchsetzendes Rohr (2; 2'), wobei das Rohr einen kleineren Durchmesser als der Innendurchmesser des Zylinders (1) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass ein flach ausgebildetes Hohlelement (10) mit einem patronenförmigen Querschnitt stromauf des am stärksten verengten Querschnitts senkrecht zu der Strömungsrichtung des Fluids in dem Zylinder (1) vorgesehen ist, ein erstes Druckmessloch (4; 8a, 8a', 8b, 8b', 8c) an dem am stärksten verengten Querschnitt ausgebildet ist, ein zweites Druckmessloch (5) an der stromauf des Hohlelements (10) gelegenen Wand des Zylinders (1) ausgebildet ist, und ein drittes Druckmessloch (11) in dem Hohlelement (10) in der Strömungsrichtung ausgebildet ist.
Restriktions-Durchflussmesser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Druckmessloch (4) an der Wand des Zylinders (1) an dem am stärksten verengten Querschnitt ausgebildet ist.
Restriktions-Durchflussmesser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Druckmessloch (8a, 8a', 8b, 8b', 8c) an der Wand des Rohrs (2') an dem am stärksten verengten Querschnitt oder an der Wand stromab des ersten Druckmesslochs gelegenen Wand des Rohrs (2') ausgebildet ist.
Restriktions-Durchflussmesser nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass es möglich ist, irgendwelche zwei der ersten, zweiten und dritten Druckmesslöcher auszuwählen, einen Differentialdruck zwischen den ausgewählten Druckmesslöchern zu erfassen und dadurch einen Differentialdruck zu erhalten, der für ein Manometer in einem Strömungsgeschwindigkeitsbereich in einem weiten Bereich geeignet ist.