DE1817306A1 - Durchflussmesser - Google Patents

Description

Dipl.Ing.R.Brians , ;

F, ·-T₁Mj-V-Vo:: . H 31 P 127

Prankfurt am Main,

^den

HONEYWELL INC.

Durchflußmesser

Die Erfindung betrifft einen Durchflußmesser mit einem an seinen beiden Enden offenen Meßrohr, mit dessen Hilfe insbesondere der Durchsatz einer Leitung,d.h. die pro Zeiteinheit einen bestimmten Querschnitt .der Leitung durchsetzende Masse,feststellbar ist. - · .

Zur einfachen und zuverlässigen Messung des Durchsatzes ist der Durchflußmesser derart' aufgebaut, daß das Meßrohr in den zu messenden Strom eintaucht und zur Erzeugung von Druckwellen mit einer das Meßrohr während der Messung abwechselnd verschließenden und öffnenden Schließvorrichtung versehen ist und daß an im Abstand von der Schließvorrichtung befindliche Stellen im Rohrinneren eine Druckmeßeinrichtung angeschlossen ist, welche aus den Druckänderungen ein dem Durchsatz entsprechendes Signal ableitet. ₄ ■■

In weiterer Ausgestaltung des Flußmessers empfiehlt es sich, daß das Meßrohr in einen zum Transport des Massenstromes dienen den Leitungsstück parallel zu dessen Längsachse angeordnet ist und daß die Schließvorrichtung am Äuslaßende des Meßrohres ange ordnet und zwischen einer den Strom völlig sperrenden Schließstellung und einer den Strom praktisch ungehindert durchlassenden Öffnungssteilung umschaltbar ist. . ■ '

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In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist der Durchflußmesser derart ausgestaltet, daß die Schließvorrichtung einen durch einen Pulsgeber gesteuerten Elektromagneten und eine Rückstellfeder als Antrieb für den Schließkörper aufweist und daß als Schließkörper im Inneren des Meßrohres eine Drosselklappe angeordnet ist.

Für den Aufbau des erfindungsgemäßen Durchflußmessers ist es besonders günstig, wenn seine Druckmeßeinrichtung einen Differenzdruckumformer aufweist, dessen beide Eingänge an im Abstand voneinander längs des Meßrohres vorgesehene Meßöffnungen angeschlossen sind, und wenn die beiden Meßöffnungen in der Nahe der beiden Meßrohrenden in das Meßrohr münden.

Zur Erhöhung der Meßgenauigkeit des Durchflußmessers ist es vorteilhaft, die Einflüsse von Temperaturänderungen zu kompensieren. Das kann dadurch geschehen, daß ein Temperaturmesser in den in der Leitung fließenden Strom eintaucht, dessen der festgestellten Temperatur des strömenden Mediums entsprechenden Ausgangssignal zusammen mit einem Temperaturbezugssignal einer Vergleichsanordnung zugeführt wird. Anschließend wird ein aus dem Differenzdruckumformer abgeleitetes Signal als Dividend und das Ausgangssignal der Vergleichsschaltung als Divisor auf die beiden Eingänge einer Divisionsschaltung gegeben, deren Ausgangssignal das Anzeigesignal bildet.

Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Durchflußmessers wird nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert, in der die elektrischen Baugruppen als Blockschaltbild und die mechanischen Bauteile schematisch im Längsschnitt dargestellt sind.

Das Leitungsstück 10 ist an seinen Enden mit den beiden Anschlußflanschen 10 und 12 versehen, mit deren Hilfe es in das hier nicht gezeigte den zu messenden Massenstrom führende Leitungssystem eingefügt werden kann. In der dargestellten

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Lage des Durchflußmessers läuft der Massenstrom mit einer Geschwindigkeit Vl von links nach rechts. Das Meßrohr 16 taucht in dem verbreiterten Mittelteil 11 des Leitungsstückes 10 in den Strom ein, wobei es mit Hilfe der beiden Streben 18 und 20 parallel zur Flüßrichtung gehalten wird.

Der am Auslaßende 17 des Meßrohres 16 angebrachte und als Drosselklappe ausgestaltete Schließkörper 22 weist zwei Stellungen auf» Die eine dieser beiden Stellungen ist die den' Strom völlig sperrende Schließstellung und die andere ist die den Strom praktisch ungehindert durchlassende Öffnungsstellung. Die Drosselklappe 22 ist in der Zeichnung in ihrer Schließstellung gezeigt, x^ahrend ihre öffnungsstellung durch eine gestrichelte Linie angedeutet ist. Der Strömungswiderstand der Drosselklappe 22 in ihrer Öffnungsstellung ist so gering, daß der Strömungsdruck nicht beeinflußt wird, während in ihrer Schließstellung das Meßrohr ΐβ praktisch verschlossen ist.

Die mittels einer nicht gezeigten Feder in ihrer öffnungsstellung gehaltene Drosselklappe .22 wird durch die Kraft des am Auslaßende 17 des Meßrohres 16 angeordneten Elektromagneten 24 geschlossen. Dieser, wird zu gegebener Zeit von dem mit ihm verbundenen Pulsgeber 26 mit einer Folge von elektrischen Impulsen gespeist, wobei jeder Impuls den. El eictromagneten 24 erregt. Während dieser impulsweisen Erregung wirkt die vom Elektromagneten 24 ausgehende Kraft auf die Drosselklappe 22 ein., wodurch diese entgegen der Federkraft, fast schlagartig in ihre Schließstellung getrieben wird. Durch das Zusammenwirken von" Elektromagnet 24 und der nicht dargestellten, die Klappe in ihre öffnuiigsstellung zurückstellenden Feder gibt es für die Drosselklappe 22 nur zwei stabile Stellungen, Schließstellung und Öffnungsstellung. Selbstverständlich läßt sich im Rahmen der Erfindung auch eine andere, z.B. rein mechanisch.arbeitende Schließvorrichtung anstatt der hier

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dargestellten elektromechanisch arbeitenden verwenden, Ebenfalls ist es möglich, die Wirkung von Magnet und Feder umzukehren, so daß beispielsweise dar Magnet die Drosselklappe öffnet und die Feder sie schließt.

In die Wand des Meßrohres ΐβ sind eine erste und eine zweite Meßöffnung 28 bzw. 30 eingefügt. Dabei liegt die erste Meßöffnung 28 in der Nähe des Auslaßendes 17 und etwas stromaufwärts vom Schließkörper 22 aus gesehen, während sich die noch weiter stromaufwärts liegende zweite Meßöffnung 30 in der Nahe des Einlaßendes 19 befindet. Über die Zuleitungen 34 und 36 sind die Eingänge eines Differenzdruckumformers 32 mit den Meßöffnungen 28 und 30 verbunden. Alle vom Umformer 32 aufgenommenen Druckunterschiede zwischen den Meßöffnungen 28 und 30 werden von diesem in entsprechende elektrische Ausgangssignale umgeformt, wobei diese Ausgangssignale gewöhnlich einem Meßgerät 46 zugeführt werden, welches die Größe des Durchsatzes im Leitungsstück 10 anzeigt. Der Differenzdruckumformer 32 ist vorzugsweise ein Kolben- oder Membrandifferenzdruckmesser, es kann natürlich aber auch ein anders gearteter Differenzdruckmesser verwendet werden. Die beiden Zuleitungen 34 und 36 können gleichzeitig noch zur zusätzlichen oder einzigen Verankerung des Meßrohres l6 dienen, so daß man gegebenenfalls auf die Streben l8 und 20 verzichten kann.

Wie oben schon erwähnt, fließt der auf der linken Seite des Leitungsstückes 10 eintretende Massenstrom mit einer Geschwindigkeit Vl von links nach rechts. Der durch den Massenstrom bedingte Druck in dem Leitungsstück 10 hat einen bestimmten Wert, der zum besseren Verständnis hier mit Null angenommen werden soll. Wenn sich die Drosselklappe 22 in ihrer schon beschriebenen Öffnungslage befindet, sind Druck- und Strömungsgeschwindigkeit im Meßrohr ΐβ ebenso groß.wie im übrigen Teil des Leitungsstückes 10, d.h. die Strömungsgeschwindigkeit ist

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Vl und der Druck ist etwa Null. Sobald nun ein vom Pulsgeber 26 ausgehender elektrischer Impuls den Elektromagnet 24 erreicht, wird dieser erregt und bringt dadurch die Drosselklappe 22 in ihre schon beschriebene Schließlage, wodurch sich im Meßrohr eine Stoßwelle bildet. Diese, in der Zeichnung als Linie 40 angedeutete Stoßwelle, läuft mit einer Geschwindigkeit C innerhalb des Meßrohres 16 stromaufwärts in Richtung zum Einlaßende 19, wie auch durch·den Pfeil C angedeutet. Die Geschwindigkeit C ist die Schallgeschwindigkeit in der in dem Leitungsstück 10 strömenden Masse. Von der Stoßwelle 40 aus gesehen stromaufwärts, ist die Strömungsgeschwindigkeit Vl und der Druck ungefähr Null, während von der Stoßwelle "4.0 aus gesehen stromabwärts die Strömungsgeschwindigkeit Null ist und der dort herrschende Druck sich aus der Gleichung P = $ C &V ergibt. Hierbei ist S die Dichte des strömenden Mediums und δV die-Differenz der Strömungsgeschwindigkeit stromaufwärts und stromabwärts von der Stoßwelle 40. Da nun die Strömungsgeschwindigkeit stromabwärts von der Stoßwelle ungefähr Null ist, hat äV etwa den Viert Vl. Der Druckunterschied in den von der Stoßwelle 4o aus stromaufwärts und dsm stromabwärts liegenden Teil des Meßrohres l6 ergibt sich aus der Gleichung P = ,? C Δ-V oder P = K £?r, wobei K eine Konstante und ■—■ der Durchsatz durch das Leitungsstück 10, d.h. die pro Zeiteinheit das Leitungsstück 10 durchfließende strömende Masse ist. Der Umformer 32 nimmt "den zwischen den beiden Meßöffnungen 28 und J>0 liegenden Druckunterschied auf und setzt ihn in ein entsprechendes elektrisches Ausgangssignal urn. Die elektrischen Ausgangssignale des Umformers 32 bestehen aus einer Folge von Impulsen, die denen vom Pulsgeber 26 an den Elektromagneten 24 abgegebenen entsprechen. Die Amplituden der Umformerausgangsimpulse sind proportional der jeweiligen Druckdifferenz zwischen den beiden Meßöffnungen 28 und 30 und somit also auch proportional dem Durchsatz $£.■

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mtmo om

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Da die in den obigen Gleichungen verwendeten Gvpßen von der .Temperatur abhängen, ist es notwendig, die Einflüsse der in dem Massenstrom möglicherweise auftretenden Temperaturänderungen zu kompensieren. Zu diesem Zweck werden die Ausgangesignaie des Umformers 31 auf ein Filter 38 gegeben, das an.seinem Ausgang ein erstes Signal E abgibt, wobei die Spannung dieses Gleichspannungssignales durch die Gleichung E = K¹Δ P(T) gegeben ist. Hierbei ist K' eine von dem Filter 38 abhängende Konstante und^P(T) der von der Temperatur abhängige Differenzdruck. Diese Temperaturabhängigkeit des Differenzdruckes ergibt sich aus folgendem Zusammenhang." Nimmt man an, daß der Differenzdruck bei einer Bezugstemperatur T, einen Wert von P, hat, so wird bei einer Temperatur des Massenstromes von Tp der

Differenzdruck P₀ = P₁ (T₀ZT₁) ⁷^ , da die Schallgeschwindigkeiten

d ± d \ C₂ .Tp. 1/2

C₁, C₀ im Strömungsmedium nach der Gesetzmäßigkeit ~— = (m—) ld C₁ T₁

von der Temperatur abhängen. Die Temperaturkompensation wird nun dadurch erreicht, daß man AP(T) durch den Faktor (T₀ZT, ) /2 teilt. Zu diesem Zweck taucht ein Temperaturmesser 42 in das Strömungsmedium im Leitungsstück 10 ein. Der Temperaturmesser 42 gibt eine der Temperatur T₀ des Strömungsmediums proportionale Gleichspannung ab, die dem einen Eingang einer Vergieichsanordnung 44 zugeführt wird. Am anderen Eingang dieser Vergleichsanordnung liegt eine Gleichspannung, die einer Bezugstemperatur T-, proportional ist. Die Vergleichs anordnung 44 gibt an ihrem Ausgang ein zweites Signal E' ab,-wobei dieses Gleichspannungssignal der Funktion (TpZT-, ) proportional ist. Als Vergleichsanordnung 44 wird vorzugsweise entweder eine rechnergesteuerte Hilfsvorrichtung mit einem Funktionspotentiometer oder ein elektronischer Schaltkreis, wie beispielsweise ein Diodenfunktionsgenerator, verwendet.

Das Ausgangssignal des Filters 38 wird zum einen Eingang einer Divisionsschaltung 4l und das Ausgangssignal der Vergleichsanordnung 44 zum anderen Eingang dieser Schaltung geführt. Der

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Wert des Ausgangssignales der -Divisionsschaltung ist dem gegenüber Temperaturechwankungen kompensierten Differenzdruck Δ P proportional. Die Divisionsschaltung 4l ist vorzugsweise eine elektronische Γ-lultiplikationsschaltung mit Divisionsmöglichkeit. Das temperaturkompensierte Ausgangssignal wird der Anzeigevorrichtung 46 zugeführt, die in

dn
Einheiten des Durchsatzes ~, also z.B. kg/sec., geeicht

Q i/

Wenn sich die Temperatur des Strömungsmediums nicht, ändert, kann natürlich auch das Ausgangssignal des Umformers 32 direkt auf ein den Gleichstromanteil dieses Signales bewertendes Anzeigegerät oder indirekt über das Filter 38 an die Anzeigevorrichtung 46 angeschlossen werden^ weil in dem Falle die Temperaturkompensationseinrichtung überflüssig ist.

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Claims (10)

02-4142 Ge ■ . Patentansprüche

1. Durchflußmesser mit einem an seinen beiden Enden offenen Meßrohr, dadurch gekenn ζ eich'net, daß das Meßrohr (ΐβ) in den zu messenden Strom eingetaucht und zur Erzeugung van Druckwellen mit einer das Meßrohr während der Messung abwechselnd verschließenden und öffnenden Schließvorrichtung (22,24) versehen ist und daß an im Abstand von der Schließvorrichtung befindliche Stellen (28, 30) im Rohrinneren eine Druckmeßeinrichtung (32-41) angeschlossen ist, welche aus den Druckänderungen ein dem Durchsatz entsprechendes Signal ableitet.

2. Durchflußmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß·das Meßrohr (lo) in einem zum Transport des Massenstromes dienenden Leitungsstück (10) parallel zu dessen Längsachse angeordnet ist.

j5- Durchflu3messer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schließvorrichtung (22,24) am Auslaßende (17) öes Meßrohres (16) angeordnet und zwischen einer den Strom völlig sperrenden Schließstellung und einer den Strom praktisch ungehindert durchlassenden Öffnungsstellung umschaltbar ist.

4. Durchflußmesser nach Anspruch J), dadurch gekenn-' zeichnet, daß die Schließvorrichtung (22,24) einen durch einen Pulsgeber (26) gesteuerten Elektromagneten (24) und eine Rückstellfeder als Antrieb für den Schließkörper (22) aufweist.

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5- Durchflußmesser nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekenn ζ e i c h η e t, daß als Schließkörper im Inneren des Meßrohres (ΐβ) eine Drosselklappe (22) angeordnet ist.

6. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 5* dadurch g e k-.e n.n ζ e. i c h η e t, .daß die Druckmeßeinrichtung. (32-4l) einen Differenzdruekümformer (32) aufweist,- dessen beide Eingänge... an■ im Abstand voneinander, längs■. des Meßrohres (-16) vorgesehene. Meßöffnungen (28,30) angeschlossen;sind.

7". Durchflußmesser nach Anspruch 6,. d a'd ü r-c h ge k e η η ze ic h η e t, daß die beiden Meßöffnungen (28,30) in der ™ Nähe der .beiden Meß rohrenden (17*1:9) in das Meßrohr (l6) münden- .

8. Durehflußmesser nach einem der Ansprüche 3 bis ¹J, dadurch gekennzeichnet, daß beide.Meßöffnungen (28,30) vom Schließkörper .(22)' aus gesehen stromaufwärts liegen.

9· Durehflußmesser nach einem der'Ansprüche 1 bis 7, dadurch .- gekennzeichnet, daß eine Anzeigevorrichtung (46) direkt oder indirekt an den Ausgang der Druckrr.eßeinrichtung (32-41) angeschlossen ist.

10. Durehflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 9.» dadurch . g e k- e η η ζ e i c h η e t, daß zur Kompensation von Temperatureinflüssen des Stromes ein der mit Hilfe eines in den Strom. ■ eintauchenden Temperatur-r.esse.rs (42) festgestellten Temperatur des strömenden Mediums entsprechendes Signal und ein Temperaturbezugssignai (τ±) einer Vergleicnsanordnung (44) zugeführt werden ur.a daß einer Divis ions schaltung (4l) als Dividend ein aus dem Differenzdruckumforrner (32) abgeleitetes Signal ■ und als Divisor das Ausgangssignal der Vergieichsanordnung (44) zugeführt werden.

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