DE1803661C - Einrichtung für die Messung eines geringen Durchsatzes einer unter hohem Druck stehenden Flüssigkeit - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrilfl eine Einrichtung für die messer zu einem elektrischen Mcßsignal. Der neben

Messung eines geringen Durchsatzes einer unter zwei festen Widerstunden vorwencToto Vergleichs-

.hohem Druck stehenden Flüssigkeit, die durch eine widerstand kann dabei als beheizter Widorstnnds-

Meßkupillure fließt, unter Verwendung einer von draht ausgeführt und in einem Verglcichsgasslrom

einer Stromquelle gespeisten Brückenschultung mit 5 angeordnet sein. — Die Herstellung eines nach dic-

zwei ohmschen Widerständen und mit zwei tempe- scm Prinzip aufgebauten Strömungsmesser« ist wegen

ruturempflndlichen Widerstandselcmenten, wovon der erforderlichen Durchführungen der beiden Widei-

das eine mit der strömenden Flüssigkeit und das staiidsdriihte mit Schwierigkeiten verbunden; zudem

andere mit einer ruhenden Flüssigkeit in thermischem ist die thermische Wechselwirkung zwischen dem

Kontakt steht, wobei in der Diagonale der Brücken- io Meßgasstrom und dem beheizten Widerstnndsdraht

. schaltung ein Ausschlaginstrumcnt liegt, dessen Aus- wegen seiner kleinen Oberfläche nur gering,

schlag eine von dem Durchsatz der Flüssigkeit In den USA.-Patenlschriftcn 3 181357 und

abgeleitete Meßgröße ist, vorzugsweise für die 3 229 522 sind verschiedene Ausführungsformen

Flüssigkeits-Chromatographie. eines Strömungsmessers beschrieben, bei dem ein

Messungen des Durchsatzes von Flüssigkeiten 15 von einem strömenden Medium durchflossenes, zwiwerden mit bekannten Mitteln am Ausgang von sehen zwei Würmesenken eingespanntes Rohr beheizt Trennsäulen einer flüssigkeits-chromatographischen wird. Bei diesen Strömungsmessern wird entweder Einrichtung vorgenommen. Da den Trennsäulenaus- die Rohrtemperatur, die sich nach Maßgabe des gangen meistens unmittelbar Detektoren nachgesehul- Durchsatzes ändert, an einem Punkt des Rohres getet sind, müssen diese Detektoren bei einer Messung ao messen, oder aber es wird die TemperaturdifTerenz des Durchsatzes vielfach abgeschaltet weiden, !>υ daß zwischen zwei Rohrstcllcn mit Hilfe von Thermoder Analysengang gestört ist. Eine Durchsatzmessung elementen ermittelt. Es werden also zwei getrennte am Eingang einer Trennsäule dahingegen vermeidet Systeme verwendet, und zwar das eine zum Aufjegliche Störung der Meßapparatur. Weitere Schwie- heizen des Rohres, das andere zum Messen der Rohrrigkeiten treten auf, wenn der Druck der Flüssigkei- 35 temperatur. Dabei ist darauf zu achten, daß die ten sehr hoch (ungefährt 100 bis 300 atü) ist und/ Wärmesenken zur Vermeidung von Meßfehlern auf oder die Durchsätze sehr gering (etwa 1 ml/min) stets gleichbleibender Temperatur gehalten werden, sind. was mit einigem apparativem Aufwand verbunden ist. Aus der deutschen Gebrauchsmusterschrift 1743780 Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine ist eine Vorrichtung zur Wassergeschwindigkeitsmes- 30 schnell ansprechende und einfach herzustellende Einsung bekannt, mit der vorzugsweise in der Turbinen- richtung zu schaffen, mit welcher der geringe Durchzuleitung oder im Turbinengehäuse von Wasserkraft- satz einer unter hohem Druck durch eine Meßwerken Wassergeschwindigkeiten von wenigen Zenti- kapillare fließenden Flüssigkeit fortlaufend gemessen metern pro Sekunde bis zu einigen Metern pro werden kann.

Sekunde gemessen werden. Die Vorrichtung besteht 35 Diese Aufgabe wird bei einer Einrichtung der aus einer von einer Stromquelle gespeisten Brücken- eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß dadurch schaltung mit zwei festen Widerständen und mit zwei gelöst, daß die beiden temperaturempfindlichen Witemperaturempfindlichen Widerstandselernenten. Das derstandselemente als mit Flüssigkeit gefüllte Meßerste Widerstandselement, ein Widerstandsdraht oder und Vergleichskapillaren ausgebildet sind, die aus ein Halbleiterwiderstand, wird von einer gegen Strö- 40 einem Material mit einem hohen Temperaturkoeffimungsdruck widerstandsfähigen Schutzhülse um- zienten bezüglich des elektrischen Widerstandes beschlossen und in die Wand einer Turbinenzuleitung stehen.

eingeschraubt. Das zweite Widerstandselemcnt, des- Wird eine Kapillare, die eine stehende Flüssigkeit sen Aufbau mit dem ersten Widerstandselement über- enthält, zwischen ihren beiden Enden von einem einstimmt, ist in einen Behälter mit ruhendem Wasser 45 elektrischen Strom durchflossen, so werden die Wanvon gleicher Temperatur wie das Turbinenwasser dung der Kapillare und die darin enthaltene Flüssigeingetaucht. In der Diagonalen der Brückenschaltung keit erwärmt, da die Kapillarenwandung einen elekliegt ein Ausschlaginstrument, mit dem die Abküh- trischen Widerstand darstellt. Strömt dagegen die lung gemessen wird, die das mit konstanter elektri- Flüssigkeit in der Kapillare, so wird der Kapillarenscher Leistung beheizte erste Widerstandselement 50 wandung je nach der spezifischen Wärme und dem durch die Strömung erfährt. Der Ausschlag des Aus- Durchsatz der Flüssigkeit laufend Wärme entzogen. Schlaginstruments ist folglich eine vom Durchsatz Die Abkühlung der Wandung führt zu einer Ändedes Turbinenwassers abgeleitete Meßgröße. Diese rung ihres elektrischen Widerstandes. Bei entspre-Vorrichtung ist zwar zur Messung hoher Durchsätze, chender Dimensionierung (Innendurchmesser und nicht dagegen zur Messung von Durchflußmengen im 55 Wandstärke) der Kapillare gibt es einen weiten BeBereich von einigen Millilitern pro Minute in Zu- reich, in dem Proportionalität herrscht zwischen der leitungen engen Querschnitts geeignet. Wärmemenge, die laufend an die Flüssigkeit abge-

Aus der Einleitung der französischen Patentschrift geben wird, und der TemperaturdifTerenz, die die I 414 854, die ihrerseits eine Vorrichtung zur Mes- Kapillarenwandung bei bewegter gegenüber bei stesung sehr geringer Durchflußmengen von Gasen und 60 hender Flüssigkeit aufweist. Da in den meisten Fällen Flüssigkeiten bei der Kapillarchromatographic an- die durch Wärmeableitung bewirkte elektrische Wigibt, ist ein Gasströmungsmesser bekannt, bei dem derstandsänderung des Wandmaterials bei der verein Meßgasstrom gemäß seinem Durchsatz einen in wendeten Kapillare gleichfalls proportional zu dieser einer Wheatstone-Brückenschaltung liegenden und TemperaturdifTerenz ist, ist der Durchsatz der die von dieser beheizten Widerstandsdraht mehr oder 65 Kapillare durchströmenden Flüssigkeit direkt proweniger stark abkühlt. Die elektrische Widerstands- portional zur Widerstandsänderung des Kapillarenänderung des Widerstandsdrahts infolge eines geän- wandmaterials.
derten Gasdurchsatzes führt bei diesem Strömungs- Diese Widerstandsänderung kann in einer Brücken-

schaltung gemessen werden, wenn Uer uloktrische Widerstund dor Wundung einer Meßkupillaro, die von der Flüssigkeit durchströmt wird, und dor elektrische Widerstand der Wnndiuig einer Vergloichsknpillare, in der die Flüssigkeit steht, sowie mindestens zwei weitere öhmsche Widerstünde Bestandteile dieser Brücke sind. Diese Meßanordnung hat den Vorteil, daß die Erwilnming der beiden Kapilluren und die Bestimmung der WidcrstandsdilTerenz in einur einzigen elektrischen Schaltung vorgenommen werden können.

Auch bei nur angenllherlcr Proportionalität zwischen dem Durchsatz in der Meßkapillare und der Widerstandsänderung läßt sich das Ausschlaginstrument der Brücke auf die Anzeige des Durchsatzes der die Meßkapillare durchströmenden Flüssigkeit eichen.

Da sich die Flüssigkeit, deren Durchsatz bestimmt werden soll, nur in kapillaraitigen Leitungen'befindet, die hohem Innendruck standhalten, kann die erfindungsgemäße Einrichtung zur Messung eines geringen Durchsatzes bis zu höchsten Drücken (bis über 300 atü) angewendet werden.

Weitere Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird an Hand von Ausführungsbeispielen mittels der Fig. 1 bis 3 näher erläutert.

F i g. 1 stellt einen Schnitt durch den mechanischen Teil einer Einrichtung für die Messung eines Durchsatzes dar;

F i g. 2 zeigt eine elektrische Schaltung der Einrichtung;

F i g. 3 zeigt eine modifizierte elektrische Schaltung der Einrichtung.

In Fig. 1 ist ein gut wärmeleitendes Materialstück M von in der Schnittdarstellung H-förmigem Aussehen gezeigt. Um dieses Materialstück M ist eine Rohrschlange Rc gewunden, die aus einem elektrisch gut leitenden Material (z. B. Metall, Legierung) besteht. Die Flüssigkeit FL, deren Durchsatz bestimmt werden soll, fließt durch die Rohrschlange Rc in eine Meßkapillare Al. Die Meßkapillare R1 liegt in einer Ausbuchtung A1 des Materialstücks M, während in einer zweiten Ausbuchtung A 2 eine Vergleichskapillare R 2 angeordnet ist. In ihr kann sich dieselbe Flüssigkeit wie in der Meßkapillare R1 befinden, allerdings mit dem Unterschied, daß diese Flüssigkeit nicht strömt. Die Kapillaren R1 und R 2 sind in den Ausbuchtungen A 1 und A 2 im Hinblick auf das Materialstück M thermisch gut isoliert untergebracht. Die Vergleichskapillare R 2 zeigt vorzugsweise denselben konstruktiven Aufbau und besteht vorzugsweise aus demselben Material wie die Meßkapillare R1.

Die von der Rohrschlange Rc kommende und über die Eintrittsöfinung E1· in die Meßkapillare R 1 ein-Hießende Flüssigkeit FL besitzt stets die Temperatur des Materialstückes M und damit die Temperatur der Umgebung, die während der Messung konstant bleibt. Wird nun der Meß- und der Vergleichskapillare R1 und R 2 jeweils ein elektrischer Strom an Stellen, die innerhalb der Ausbuchtungen A1 und A 2 liegen, zugeführt, und sei der Flüssigkeitsdurchsatz durch die Meßkapillare R1 zunächst Null, so weisen die Flüssigkeiten in den Kapillaren R1 und R 2 wegen der Heizung dieselbe, aber eine über der des Materialstückes M liegende Temperatur auf. — Bei Durchfluß einer Flüssigkeit FL durch die Meßkapillare RI dagegen werden die Wandungen von R1 und W! verschiedene Temperaturen annehmen. In der Voryleichskopillaro R 2 bleibt der Stationlire Zustand erhalten, wührend sich In der Wandung der Meßkapillare Rl eine Temperatur einstellt, die kleiner ist als bei in ihr stehender Flüssigkeit FL, und die vom Durchsatz der Flüssigkeit IL nbhUngig ist.

Es ist möglich, die mechanische Einrichtung nach F i g. 1 mit dem MaterialiUück M, dessen Ausbuchlungen verschlossen werden müssen, und mit der Meß- und Vergleichskapillare R1 und R 2 sowie der Rohrschlange Rc in ein Flüssigkeitsbad zu setzen. Ein zusätzliches Rührwerk und/oder ein Thermostat sorgt dafür, daß die Temperatur des FlUssigkeitsbades überall, zumindest in der Umgebung der Einrichtung, konstant gehalten wird.

Eine Änderung der Flüssigkeitsströmung in der Meßkapillare Rl macht sich also durch eine Temperaturänderung der geheizten Wandung bemerkbar, da ihr je nach Strömungsgeschwindigkeit und Durchsatz der Flüssigkeit FL mehr oder weniger Wärme entzogen wird. Diese Temperaturänderung führt zu einer Änderung des elektrischen Widerstandes ER 1 zwischen den beiden elektrischen Anschlüssen der Meßkapillare Rl. Zur Erleichterung der Durchflußmessung sollte der elektrische Widerstand ER 1 einen möglichst hohen Temperaturkoeffizienten besitzen.

Der Unterschied des Wertes des elektrischen Widerstandes ER 1 bei Durchfluß der Meßkapillare R1 gegenüber dem Wert ohne Durchfluß kann in einer Brückenschaltung BSI nach Fig. 2 erfaßt werden. Diese Brücke liefert gleichzeitig die elektrischen Ströme zum Aufheizen der Wandungen der beiden Kapillaren R1 und R 2. Sie enthält in gegenüberliegenden Zweigen den elektrischen Widerstand ER 1 der Wandung der durchströmten Meßkapillare R1 und den elektrischen Kompensationswiderstand ER 2 der Wandung der Vergleichskapillare R 2. In den beiden übrigen Zweigen dieser Brückenschaltung BSI sind ohmsche Widerstände R 3 und R 4 eingeschaltet, die vorzugsweise denselben Wert besitzen sollen. Über die eine Diagonale α bis b wird der Brückensthaltung BSI von einer Stromquelle Q der Brückenspeisestrom, der über einen regelbaren Vorwiderstand VSl eingestellt werden kann, zugeführt. In der zweiten Diagonale c bis d liegt ein Ausschlaginstrument A. Durch geeignete Wahl von R 3 und R 4 soll die Brücke BSI im Gleichgewicht sein, wenn die Flüssigkeit FL nicht strömt. Ändert sich der Widerstand ERl auf Grund der durch die Meßkapillare Rl fließenden Flüssigkeit FL, so wird die Brücke BSI verstimmt, und das Ausschlaginstrument A zeigt einen Wert an, der ein Maß für den Durchsatz der Flüssigkeit FL ist.

Nach Fig. 2 liegen Eingang El und Ausgang E 2 der Meßkapillare R 1 auf verschiedenem elektrischen Potential.

Da die Meßkapillare RI mechanisch und elektrisch mit der übrigen flüssigkeits-chromatographischen Meßeinrichtung verbunden ist, steht diese unter Spannung. Isolierende Zwischenstücke am Eingang El und Ausgang E2 der Meßkapillare Rl könnten diesen Nachteil vermeiden. Sie genügen aber weder Anforderungen an die Dichtigkeit noch an die Druckbeständigkeit.

Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird dieses Problem dadurch gelöst, daß die Flüssigkeit FL über den Eingang E3 einer weiteren Kapillare, die den elektrischen WiUerstandswert Rv und

einen nur geringen Temperaturkoeffizienten des Widerstandes besitzt, an die Rohrschlange, die den elektrischen Widerstand Rc aufweist, geführt wird. Das ist im linken Teil der F i g. 3 gezeigt. Die Flußrichtung der strömenden Flüssigkeit FL ist darin durch Pfeile gekennzeichnet. Die elektrische Anordnung in Fig. 3 zeigt, daß der Eingang£3 der zusätzlichen Kapillare mit dem Ausgang El der Meßkapillare R1 durch eine elektrisch leitende Verbindung auf dasselbe elektrische Potential gesetzt ist. Aus Sicherheitsgründen kann die Schaltung hier geerdet werden. Der rechte Teil BSI der Fi g. 3 zeigt im wesentlichen wiederum den aus Fig. 2 bekannten Brückenaufbau BSI.

Die Serienschaltung der Widerstände Rv und Rc stellt elektrisch einen Parallelwiderstand zum Widerstand ERi der Kapillare R1 dar. Der Widerstand Rν wird daher zweckmäßigerweise hochohmig gegenüber ER 1 ausgeführt. Der Widerstand Rv liegt elektrisch am Diagonalpunkt α der Brückenschaltung SS 2 an. Die einzelnen Zweige der Brückenschaltung BS 2 werden von den Widerständen ER 1 und ER 1 der Meßkapillare und der Vergleichskapillare R1 und R 2 sowie von den ohmschen Widerständen R 3 und R 4 gebildet. Die Brückendiagonale α bis b wird wiederum von einer Stromquelle Q über einen Vorwiderstand VS2 versorgt. In der anderen Diagonalen c bis d liegt wiederum das die Meßgröße anzeigende Ausschlaginstrument A. Der Eingang £3, durch den die strömende Flüssigkeit FL die Meßeinrichtung betritt, liegt an dem Diagonalpunkt α auf demselben elektrischen Potential wie der Ausgang El, durch den sie die Meßeinrichtung verläßt. In der Flüssigkeits-Chromatographie wird der Ausgang El an die Trennsäule angeschlossen.

Die zusätzliche Kapillare, die den elektrischen Widerstand Rv mit einem möglichst kleinen Temperaturkoeffizienten besitzt, wird normalerweise an die Rohrschlange Rc so angeschlossen, daß nur die Anschlußstelle mit der mechanischen Anordnung (Fig. 1) in Kontakt tritt. Dennoch soll dafür gesorgt werden, daß sie dieselbe Temperatur hat wie die Rohrschlange Rc und das Materialstück M. Ist das nicht möglich, so kann bei Temperaturänderungen des Widerstandes Rv stets die Brückcnsymmctric der Brückenschaltung BS 2 dadurch erhalten werden, daß ein Kompensationswiderstand Rk in thermischen Kontakt mit der hochohmigen Kapillare (Widerstand Rv) gebracht wird. Dieser Kompensationswiderstand Rk kann z. B. parallel zum Widerstand /?3, ERl oder A4, aber auch in Reihe mit diesen geschaltet werden. Es ist in jedem Fall nur auf die richtige Wahl seines Temperaturkoeffizienten in bezug auf den Widerstandswert zu achten. In der BrükkenschaItungßS2 nach Fig. 3 liegt der Kompensationswiderstand RK parallel zum Widerstand R 3.

Die Meß- und Vergleichskapillare R1 und R1 bzw. nur die Meßkapillare R1 können bifilar ausgeführt sein, so daß sowohl der Flüssigkeitseingang und -ausgang auf gleichem elektrischen Potential liegen, während der elektrische Widerstand aus der Parallelschaltung der beiden Kapillaren-Hälften gebildet wird.

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Einrichtung für die Messung eines geringen Durchsatzes einer unter hohem Druck stehenden Flüssigkeit, die durch eine Meßkapiilare Hießt unier Verwendung einer von einer Stromquelle gespeisten Brückenschaltung mit zwei ohmscher Widerständen und mit zwei temperaturempfindlichen Widerstandselementen, wovon das -eint mit der strömenden Flüssigkeit und das andere mit einer ruhenden Flüssigkeit in thermischen" Kontakt steht, wobei in der Diagonale der Brükkenschaltung ein Ausschlaginstrument liegt, dessen Ausschlag eine von dem Durchsatz der Flüssigkeit abgeleitete Meßgröße ist, vorzugsweise für die Flüssigkeits-Chromatographie, d a d u r c 1' gekennzeichnet, daß die beiden temperaturempfindlichen Widerstandselemenle als mi Flüssigkeit gefüllte Meß- und Vergleichskapil· lare (R 1 und R 2) ausgebildet sind, die aus einen-Material mit einem hohen Temperaturkoeffizienten bezüglich des elektrischen Widerstandes bestehen.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Meßkapillare (R 1] eine gegenüber deren Widerstand (ERl) niederohmige Rohrschlange (Rc) angeschlossen ist, du derart um ein die Meß- und Vergleichskapillare (R 1 und R 2) enthaltendes Materialstück (M) gewunden ist, daß die in die Meßkapillare (Rl) einfließende Flüssigkeit (FL) stets dieselbe Temperatur besitzt wie das Materialstück (M) und dessen Umgebung.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine hochohmige Kapillare (Widerstandswert Rv), die einen geringe: Temperaturkoeffizienten besitzt, an den Eingam der Rohrschlange (Rc) angeschlossen ist, unc daß der Eingang (E3) dieser hochohmigen Ka· pillare mit dem Ausgang (£2) der Meßkapillan (Rl) in der Brückenschaltung{BS2) durch eint elektrische Verbindung auf nahezu gleiches odci gleiches Potential gesetzt ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gckennzeichnet, daß ein elektrischer Kompensa tionswiderstand (Widerstandswert Rk), der ir thermischem Kontakt mit der hochohmigen Kapillare (Widerstandswert Rv) steht,so in dieBr-ükkenschaltung (BS2) eingeschaltet ist, daß di< durch Temperaturschwankungen an der hoch ohmigen Kapillare (Widerstandswert Rv) in dci Brückenschaltung (BS 2) bewirkten Unsymmetrie! aufgehoben werden.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gc kennzeichnet, daß der Kompensationswiderstanc (Rk) mit einem der übrigen Widerstände (ER 2 R 3, R 4) der Brückenschaltung (BS 2) paralle oder in Serie geschaltet ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 1 oder einen der folgenden Ansprüche,' dadurch gekennzeich net, daß die mechanische Einrichtung mit den Materialstück (M), der Meß- und Vergleichska pillare (R 1 und R 2) sowie gegebenenfalls dci Rohrschlange (Rc) in ein Flüssigkeitsbad gesetz ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch ge· kennzeichnet, daß das Flüssigkeitsbad in einen Gefäß untergebracht ist, weiches über ein Rühr werk und/oder einen Thermostaten auf konstant« Temperatur eingeregelt wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen