DE2051829A1

DE2051829A1 - Stromungsmeßgerat

Info

Publication number: DE2051829A1
Application number: DE19702051829
Authority: DE
Inventors: Dezsoe Cranston R I Halmi (V St A) P
Original assignee: General Signal Corp
Current assignee: SPX Technologies Inc
Priority date: 1969-11-03
Filing date: 1970-10-22
Publication date: 1971-05-19
Also published as: DE2051829C3; GB1319325A; FR2066963B1; DE2051829B2; JPS5117066B1; CA938127A; FR2066963A1

Description

Unser Zeichen: G 124-9

Strömungsmeßgerät

Es ist üblich, die Durchflußmenge eines fließfähigen Mediums durch eine Rohrleitung durch die Verwendung einer Ivießvorrichtung zu messen, die eine Druckdifferenz erzeugt. Derartige eine Druckdifferenz erzeugende Meßvorrichtungen haben häufig die Form eines Rohres mit einem großen Einlaßabschnitt, der durch einen konvergierenden Rohrabschnitt mit einem Düsenhals von vermindertem Querschnitt verbunden ist, und das mit Anzapfungen zum Messen der statischen Drücke in dem Einlaß und in dem Düsenhaisabschnitt versehen ist. In dem Fall des Herschel- oder des klassischen Venturirohrs,wie es in der Druckschrift "Fluid Meters" American Society of Mechanical Engineers, 5.Ausgabe 1959 beschrieben ist, stellen die Anzapfungen Drücke in Bereichen fest, in denen die Strömung parallel zur Achse verlauf^,. Andererseits werden bei Varianten des klassischen Venturirohrs, die* als Strömungsmeßrohre, siehe beispiels- -,

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weise die. U. S.-Pa tent schrift 2 704- 555, bekannt sind, Anzapfungen verwendet, die_Ldie Drücke in Bereichen feststellen, in denen die Strömungsrichtung durch die hydraulische Gestalt des Rohres gezwungen ist, sich zu Ver^ ändern. Bei all diesen Meßrohren ist die Quadratwurzel der Differenz zwischen den durch die Anzapfungen;festgestellten Drücken für einen bestimmten Bereich der Reynoldszahl proportional der Durchflußmenge. Dieses Verhältnis^ kann mathematisch durch die Formel ausgedrückt werden:

Q «' AC Y2gAH/ .

' In dieser Gleichung bedeuten:

Q = Durchflußmenge in Kubikfuß pro ^e§ei£ünde, ' A »Querschnitt des Düsenhalses in ''Quadratfüß,' C = Ausflußkoeffizient des Rohres, der dem Verhältnis' der tatsächlichen Durchflußmenge zur theoretischen Durchflußmenge entspricht,

B = Verhältnis des Düsenhalsdurchmess.ers zum Einlaßdurchmesser,

g = Erdbeschleunigung ,

^ Δ Ξ β Differenzialdruck gemessen in Fuß-flüssigkeitssäule

des Leitungsmediums in den Zuständen des Mediums in der· Leitung.

Es ist kein Verfahren zur Berechnung des Ausflußkoeffiaienten G bekannt, so daß er für jedes Rohr durch Eichung festgestellt werden muß. Veränderungen in dem Strömungs-. bild, d.h. in der Geschwindigkeitsverteilung über das Rohr beeinträchtigen den, Ausflußkoeffizienten in unterschiedlichen Maßen kbhä'ngig von der Art und der Stärk© der mungsbildstörung,. der Art d$s, Meßgerätes zur Erzeugung eines Differenziald^uckeiEf, dem ,Betg-V^rliältnis B und

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Abstand zwischen dem Rohr und der Quelle der Strömungsbildstörung. Aus diesem Grunde ist es von Bedeutung, eine Strömung mit einem normalen Strömungsbild zu schaffen, d»h. eine gleichmäßige Geschwindigkeitsverteilung während des Eichverfahrens.

Obwohl einzelne Meßgeräte zur Erzeugung eines Differenzialdruckes sehr genau geeicht werden können, ist diese Kenntnis von geringer Bedeutung, wenn das Meßgerät an einer Stelle verwendet wird, an der das Strömungsbild abweicht. Im Hinblick darauf ist es üblich, eine oder mehrere der nachfolgend beschriebenen Techniken zu verwenden, um die Auswirkungen der Eigenschaften an der Einbaustelle zu verringern:

a. Schaffung einer langen geraden Einlaufstrecke in Strömungsrichtung unmittelbar vor dem einen Differenzialdruck erzeugenden Meßgerät,

b. Einbau von Strömungsrichtern in der Zulaufstrecke,

c. Verwendung eines einen Differenzialdruck erzeugenden Meßgerätes mit einem kleinen Beta-Verhältnis und

d. Eichung des einen Differenzialdruck erzeugenden.Meßge-' rätes unter Bedingungen, die denen nachgeahmt sind, die beim tatsächlichen Betrieb auftreten werden.

Diese Techniken haben sich als wirksam erwiesen, jedoch hat jede ihren Nachteil. Beispielsweise kann die erste bedingt durch räumliche Begrenzungen in vielen Fällen nicht verwendet werden, die zweite ist teuer und aufwendig, vergrößert die Druckverluste und ist gelegentlich unwirksam oder sogar nachteilig, die dritte Technik ver- · größert die Druckverluste und kann unzulässig große Druckdifferenzen ergeben und die vierte Technik ist "teuer und sie kann in manchen Fällen unmöglich ausgeführt werden. Darüberhinaus ist keine dieser Meßverfahren in der Lage,

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die nachteiligen Auswirkungen auf den Ausflußkoeffiziienten bei Veränderungen in der Oberflächenrauhigkeit der Rohrwand zu vermeiden. Da die meisten Meßgeräte zur Erzeugung eines Differenzialdruckes in Stahl- oder Gußeisenrohren eingebaut sind, y#rändert sigh, der Ausfluß« koeffizient, da sich während langer Betriebszeiten infolge der Korrosion und Erosion die Oberflächenrauhigkeit und der Rohrdurchmesser verändern. Diese zwei Bedingungen erzeugen eine Unregelmäßigkeit des achsensymmetrischen Strömungsbildes, die den Ausflußkoeffizienten verändert. Da sich diese Auswirkung mit der Länge der Betriftbszeit verändert, ergibt sich, daß keine der oben erwähnten Techniken eine Langzeitkorrektur darstellt.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, die nachteiligen Wirkungen aller Arten von Strömungsbildunregelmäßigkeiten auf den Ausflußkoeffizienten zu verringern, ohne dabei auf die teuren Meßverfahren zurückgreifen zu müssen, die das klassische Venturirohr auszeichnen. Die Erfindung schafft ein neues, einen Differenzialdruck erzeugendes Gießgerät mit einer geformten inneren Wand, um die Geschwindigkeit sverteilung in dem strömenden Strahl dadurch zu steuern, daß das fließfähige Medium veranlaßt wird, wenigstens eine Einschnürung mit einer nachfolgenden Ausdehnung und einem Wiederanlegen an die Rohrwand zwischen den Druckmeßanzapfungen an dem Einlaß und dem Düsenhals zu bilden. Auf Wunsch kann eine andere gleiche Einschnürung oder können mehrere Einschnürungen in Strömungsrichtung oberhalb der Einlaßdruckmeßanzapfung erzeugt werden. Die Einschnürungen neigen dazu, die Geschwindigkeitsverteilung in dem Strom des fließfähigen Mediums zu normalisieren, wenn dieses die Druckmeßanzapfungen passiert und somit die Meßvorrichtung für Strömungabildänderungen und/oder Unrege1-

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mäßigkeiten in dem eintretenden Strom weniger anfällig zu machen.

In seiner bevorzugten Form erzeugt die neue einen Differenzdruck erzeugende Meßeinrichtung in dem konvergierenden Abschnitt eine Einschnürung und in dem Düsenhals angrenzend an seinen Eingang eine zweite Einschnürung. Versuche haben gezeigt, daß dieses Rohr weniger für achsensymmetrische Strömungsbildstörungen anfällig ist als das klassische Venturirohr, das im allgemeinen als am wenigsten anfällig und daher als das heute genauste Meßrohr auf dem Markt betrachtet wird. Die Versuche haben auch gezeigt, daß der Ausflußkoeffizient bei dem Meßrohr der Erfindung bei allen Reynoldszahlen über 25000 konstant bleibt. Darüberhinaus bietet das Meßrohr der Erfindung die nachfolgenden günstigen Eigenschaften:

1. Ss ist genauso unempfindlich gegen asymmetrische Stromungsbildstorungen wie das klassische Venturirohr, es erfordert jedoch nicht ringförmige Druckmeßanzapfungen.

2. Bezüglich der Druckverluste der Länge und der Kosten ist es mit dem bekannten Strömungsmeßrohr vergleichbar.

3. Durch die Anzapfungen festgestellte Druckschwankungen sind auf ein Minimum reduziert.

4. Der Grad der Strömungsbildsteuerung kann leicht verändert werden.

5. Es kann in den gleichen Bereichen der Leitungsgrößen 7/ie das klassische Venturirohr verwendet werden.

6. Es hat den gleichen adiabatischen Expansionsfaktor Y wie das klassische Venturirohr.

7. Es ist weniger empfindlich auf. Herstellungstoleranzen als irgendeine der bekannten Meßrohre.

8. Es hat einen höheren ungeeichten Genauigkeitsgrad als irgec eines der bekannten Meßrohre.

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Da das bevorzugte Ausfuiirungsbeispiel besser als das klassische Venturirohr arbeitet und die gleichen Vprteile in den Kosten und der Länge, wie das bekannte Strömungsmeßrohr, bietet, kann das Meßgerät zur Erzeugung eines Differenzialdruckes wirklich als universell betrachtet werden.

Bei anderen Versionen des neuen Strömungsmeßrohres wird die Geschwindigkeitsverteilung über den die Düsenhaisanzapfung passierenden Strömungsstrahl durch eine einzelne Einschnürung gesteuert, die entweder in dem konvergierenden Abschnitt des Rohres oder in dem Düsenhalseintritt ausgebildet wird. Während diese Ausführungsbeispiele nicht den vollständig universalen Charakter der bevorzugten Meßvorrichtung besitzen, bieten sie trotzdem gegenüber dem klassischen Venturirohr Vorteile in Bezug auf die Kosten und die Größe und sie sind vom Standpunkt der Leistungsfähigkeit den bekannten Strömungsmeßrohren überlegen.

Die Zeichnung zeigt Auoführungsbeispiele der Erfindung, und zwar sind:

3?ig.1 ein axialer Schnitt durch eine Version des bevorzugten Strömungsmeßrohres, das an den Enden Flansche hat,

Fig.2 eine graphische Darstellung des statischen Druckverlaufs für das Meßrohr der Fig.1, wobei die Ordinate die .Differenz zwischen den statischen Drücken am Einlaß und an der jeweiligen Stelle, die als Prozent der Differenz der statischen Drücke zwischen dem Einlaß und dem Düsenhals ausgedrückt ist, zeigt,

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Fig.3 eine graphische Darstellung, die die Empfindlichkeiten des bevorzugten Ausführungsbeispieles,

Kurvsi a und a , mit einem klassischen Venturirohr, Kurve b, und mit einem bekannten Strömungsmeßrohr, Kurve c, für die Strömungsbildunregelmäßigkeiten· vergleicht, die durch eine Rohrausweitung in dem in Strömungsrichtung oberhalb liegenden Rohr erzeugt werden,

Fig.4 eine graphische Darstellung, die die Empfindlichkeiten des bevorzugten Ausführungsbeispieles,

ρ
Kurven a und a , mit einem klassischen Venturirohr, Kurve b, und einem bekannten Strömungsmeßrohr, Kurve c, für die Strömungsbildunregelmäßigkeiten vergleicht, die durch eine Einschnürung in der in Strömungsrichtung oberhalb liegenden Rohrleitung erzeugt werden,

Fig.5 eine graphische Darstellung, die die Empfindlichkeiten

ρ des bevorzugten Ausführungsbeispieles, Kurven a und a , mit einem klassischen Venturirohr, Kurve b, und mit einem bekannten Strömungsmeßrohr, Kurve c, für Veränderungen in der Reynoldszahl vergleicht,

Fig.6 ein Ausschnitt eines Halbschnittes durch eine zweite Version des Strömungsmeßrohres der Erfindung, der mögliche und alternative Merkmale der Erfindung zeigt,

Fig.7 ein Längsschnitt durch eine als Einsatz ausgeführte Version des bevorzugten Meßrohres und

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Fig.8 und 9 Längsschnitte durch zwei weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung, von denen jedes das Strömungsbild in dem Düsenhals mittels einer einzelnen Einschnürung steuert.

Gemäß Fig.1 umfaßt die Erfindung ein mit Flanschen an den Enden versehenes Rohr 11 mit einem zylindrischen Einlaßabschnitt 12, einem zylindrischen Düsenhals 13 mit verringertem Querschnitt, einem verbindenden konvergierenden Abschnitt 14 und einem Diffusionsabschnitt 15, wobei alle Abschnitte koaxial 'zueinander verlaufen. Die Form des Diffusionsabschnittes bildet keinen Teil der Erfindung und dieser Teil kann in Fällen weggelassen werden, bei d.enen eine gute Druckrückgewinnung nicht erwünscht ist. Der Einlaß und der Düsenhaisabschnitt sind mit Anzapfungen 16 bzw. 17 für einen statischen Druck versehen, die dem nicht gezeigten sekundären Teil des Strömungsmessers die Drücke liefern, aus denen die Durchflußmenge abgeleitet wird. Diese Anzapfungen sind in der üblichen Weise ausgeführt.

Der konvergierende Abschnitt 14 des Rohres 11 besteht aus zwei sich schneidenden konischen Flächen 18 und 19 mit unterschiedlichen eingeschlossenen Winkeln. Die stromabwärts liegende Fläche 19 hat zur Vermeidung einer Kavitation in dem Rohr den kleineren eingeschlossenen Winkel. In einem typischen Fall haben die beiden eingeschlossenen Winkel ca. 80° und ca.14°. Die durch die Schnitte der Flächen 18 und 19 bzw. der Flächen 19 und 13 gebildeten Kanten oder Ecken 21 bzw. 22 sind scharf oder wenigstens nicht absichtlich abgerundet. Sie bilden so Mittel, um das fließfähige Medium zu veranlassen, eine Einschnürung zu bilden. Wie die Neigung der Kurve der Fig.2 zeigt, bildet das fließfähige Medium einen gut abgegrenzten Strahl in dem konvergierenden

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Abschnitt 14 an der Stelle A aus und ea legt sich wieder an die Fläche 19 an dor Stelle A' an. Das fließfähige Ledium bildet einen zweiten, jedoch weniger ausgeprägten o^r-üil in dem Düsenhals an der Stelle B aus und es legt sich dann wieder an die Wand des Rohres an der Stelle B¹ an. Die Anzapfung 17 am Düsenhals ist an oder geringfügig stromabwärts von der Stelle B¹ angeordnet, so daß sie den wahren statischen Druck übermittelt. Diese Stelle ist erwünscht, da sie den Abgriff für asymmetrische Strombilder weniger empfindlich macht und dazu neigt, ein Geräusch, d.h. Schwingungen in dem gemessenen Druck, auf ein Minimum zu bringen.

Die Wirkung für eine Strömungsbildsteuerung der durch das Rohr 11 erzeugten Einschnürung wurde durch Versuche nachgewiesen, in denen die Leistungsfähigkeit des neuen Meßrohres 11 mit der von klassischen Venturirohren und bekannten Strömungsmeßrohren verglichen wurde. Einige dieser Versuchsergebnisse sind in den Fig.3 - 5 dargestellt, worin die ausgezogenen Kurven a sich auf das Rohr 11, die gestrichelten Kurven b auf das klassische Venturirohr und die strichpunktierten Kurven c auf das bekannte Strömungsmeßrohr beziehen. Bei dieser Versuchsgruppe wurden Meßrohre verwendet, die für eine Leitung von 152,4 mm Innendurchmesser gebaut sind und Beta-Verhältnisse von 0,75 haben. Die Kurven der Fig.3 zeigen die Wirkung auf den Ausflußkoeffizienten der achsensymmetrischen Strömungsbildstörungen, die durch eine normale Erweiterung erzeugt wurden, wobei die Erweiterung ein konischer Rohrabschnitt ist, dessen Durchmesser von 101,6 mm sich auf 152,4 mm in der Strömungsrichtung vergrößert. Diese Rohrerweiterung wurde in der Rohrleitung in Strömungsrichtung oberhalb des Meß-

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rohres eingesetzt und von der Einlaßdruckanzapfung durch gerade Zulaufstrecken von unterschiedlichen Längen im Abstand gehalten. Fig.4 zeigt dagegen die Ergebnisse gleicher Versuche, bei denen ein normales Rohrreduzierstück verwendet, wurde, das aus einem konisohen Hohrabsclinitt besteht, dessen Durchmesser sich von 203,2 mm auf*152,4 mm in der Strömungsrichtung verringert. Diese Versuche zeigen deutlich, daß das neue Keßrohr 11 auf Strömungsbildunre.gelmäßigkeiten der achsensymmetrischen Art weniger anspricht als die bekannten Vergleichsmei3rohre. Ein praktischer Vorteil ist der, daß das neue Meßrohr dieselbe Meßgenauigkeit mit kürzerer gerader Einlaufstrecke bietet.

Die Versuche, deren Ergebnisse in den Fig. 3 und 4 dargestellt sind, wurden bei einer einzigen Reynoldszahl ge-, fahren. Die überlegende Leistungsfähigkeit des Meßrohres 11 wurde jedoch auch bei weiteren Versuchen festgestellt, die mit verschiedenen Reynoldszahlen gefahren wurden. Von gleicher Bedeutung ist, wie weitere Versuche mit einer zusätzlichen Rohrerweiterung und einer Rohrquerschnittsverringerung zeigten, daß im Gegensatz zu den Kurven b und c des klassischen Venturirohrs und der bekannten Ströinungsmeßrohre die Fehlerkurve a des Meßrohres 11 sich nicht bedeutsam mit der Reynoldszahl ändert. ··. ■

Die aus den Versuchen mit der Rohrerweiterung und der Rohrverringerung gewonnenen Ergebnisse wurden durch Versuche weiter bestätigt, die ausgeführt wurden, um die Wirkung der Reynoldszahl selbst auf den Ausflußkoeffizienten zu bestimmen. Diese Ergebnisse der Versuche für Meßrohre: mit einem Beta-Verhältnis von 0,75 sind in Fig.5 dargestellt. Andere gleiche Versuche wurden gefahren, um das klassische Venturirohr und das bekannte Strömungsmeßrohr mit einem

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Beta-Verhältnis von 0,4 dem üblichen unteren Grenzwert des Verhältnisbereiches mit einem neuen Strömungsmeßrohr 11 zu vergleichen, das sogar ein niedrigeres Beta-Verhältnis' von 0,3 hatte. Diese Versuche haben gezeigt, daß der Ausflußkoeffizient des neuen einen Differenzialdruck erzeugenden Meßgerätes bei viel kleineren Reynoldszahlen konstant bleibt als die Koeffizienten der anderen Meßrohre. Die Versuche haben auch gezeigt, daß der absolute Wert des Koeffizienten.für das neue Meßrohr sich nur um etwa 0,2% für Beta7Verhältnisse zwischen 0,3 und 0,75 verändert. Somit ist, wie im Fall des klassischen Venturirohrs, das neue Meßrohr 11 für Veränderungen im Beta-Verhältnis unempfindlich.

Es kann aus den oben beschriebenen Versuchen geschlossen werden, daß das neue Meßrohr für achsensymmetrische Strömungsbildunregelmäßigkeiten, die sich aus Veränderungen in der Oberflächenrauhigkeit der Rohrleitung ergeben, weniger empfindlich ist. Dies wurde durch Einsetzen von korrodierten Rohrabschnitten in die Strömungsleitung in Stromrichtung oberhalb des Meßrohres überprüft. So haben beispielsweise Versuche gezeigt, daß das Einsetzen eines korrodierten Rohrabschnittes, der die Ausflußkoeffizienten bei dem klassischen Venturirohr und bei einem bekannten Strömungsmeßrohr Veränderungen von 0,5% und 3% erzeugt, keine merkliche Veränderung des Ausflußkoeffizienten eines vergleichbaren Meßrohres 11 hervorruft. Weitere Versuche haben auch gezeigt, daß das Meßrohr 11 weniger auf Veränderungen in der geometrischen Form und der Oberflächenbeschaffenheit der Innenwände anspricht als bekannte einen Differenzdruck erzeugende Meßgeräte. Die Ergebnisse der Versuche, die bei zwei Meßrohren mit Betaverhältnis sen von 0,75 und 0,3 durchgeführt wurden, sind folgende:

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Beta «0,75

Veränderung in der
Rohrkontur

Vergrößerter eingeschlossener konischer Winkel der Flache 18 über 4-0

Vergrößerte Rauhigkeit der Fläche 18 von 5,08 χ 10""⁴ mm bis 2,54 χ 1O~² mm

Vergrößerte Rauhigkeit der in Strömungsrichtung oberhalb liegenden Hälfte der Fläche 19 von 5,08 χ 10~⁴ mm bis 1,524 χ 10-Sich ergebende %-lnderung des Ausflußkoeffizienten C

+ 1,02

- 0,42

- 0,70

Beta »0,5

Veränderung in der
Rohrkontur

Vergrößerter eingeschlossener konischer Winkel der Fläche 18 über 20°

Vergrößerte Rauhigkeit der Fläche 18 von 5,08 χ lO-^mm bis 2,54 χ

Vergrößerte Rauhigkeit der in Strömungsrichtung oberhalb liegenden Hälfte der Fläche 19 von 5,08 χ 10-⁴Mn bis 1,01 χ iO-²mm Sich ergebende %-Änderung des Ausflußkoeffizienten C

+ 0,28 --0,12

- 0,75

Die Veränderung der Flächenrauhigkeit wurde in jedem einzelnen Fall durch Bekleiden der Fläche 18 oder 19 mit einer Mischung aus Epoxyfarbe und Sand ausgeführt. Daher hat die angegebene Veränderung nicht nur die Qualität der Oberfläche, sondern auch den Querschnittsbereich des behandelten konischen Abschnittes beeinflußt sowie die Geometrie des Sennit-* tes der beiden konischen Flächen. Diese Tatsache beleuchtet

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weiterhin die bemerkenswerte Unempfindlichkeit des neuen Meßrohres. Auf der Basis dieser Versuche ergibt sich als erstes, daß die Flächen 18 und 19 in einem Zustand belassen werden können, wie er sich durch das Gießen ergibt. Zweitens ergibt sich, daß eine Korrosion und ein© Erosion der inneren Flächen während des Betriebes nur eine" geringe Wirkung auf die Meßgenauigkeit des Meßrohres haben. Drittens ergibt sich, daß der Ausflußkoeffizient vollständig unempfindlich gegen die Auswirkungen der Oberflächenbeschaffenheit und der inneren Geometrie einer Veränderung in dem' Material, aus dem das Ivleßrohr hergestellt ist oder für das M Verfahren der Herstellung des Meßrohres ist.

7/ie dem Fachmann bekannt ist, werden die meisten einen Differenzialdruck erzeugenden Meßgeräte ohne Eichung eingebaut. Jede Art von Meßrohr wird mit einer ungeeichten Genauigkeitstoleranz angegeben, die der zweifachen Standardabv/eichung einer großen Zahl von gleichen Meßrohren entspricht, die genau untersucht worden sind. Die übliche "2x Sigma" Toleranz für die Ausflußkoeffizienten der klassischen Venturirohre bzw. Strömungsmeßrohre liegen bei + 0,75% bzw. + 1-3/0. Im Gegensatz dazu zeigt die Erfahrung mit dem neuen Ließrohr 11, daß es mit einer Genauigkeit von ungefähr + 0,5% für Beta-Verhältnisse zwischen 0,3 und 0,65 " angegeben v/erden kann. Da weiterhin der Ausflußkoeffizient dieses Keßrohres relativ unempfindlich gegenüber Veränderungen im Beta-Verhältnis ist, ist die Zahl der Rohre, die untersucht werden müssen, um zuverlässige ungeeichte Genauigkeit swerte für eine kommerzielle Reihe von Instrumenten zu bilden, notwendigerweise viel geringer als die Zahl,, die geprüft werden muß, um zuverlässige genaue Werte für eine Reihe von üblichen Strömungsmeßrohren zu erhalten.

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Es sei auch bemerkt, daß die Versuche mit dem Ausführungsbeispiel der !""ig. 1 gezeigt haben, daß die meisten Meßfehler von nur zwei Herstellungstoleranzen herrühren, nämlich den Toleranzen in den Durchmessern des Einlaß- und des Düsenhaisabschnittes. Da diese Abmessungen eines bestimmten Rohres leicht gemessen werden können und der Ausf'lußkoeffizient für dieses Gerät auf der Basis von vorliegenden 'Versuchswerten genau vorausbestimmt werden kann, ist der Hersteller des Meßrohres in der Lage,geeichte Genauigkeitsgrößen für hergestellte Meßrohre anzugeben, die für viele sehr genaue Anwendungen vorgesehe'n sind, ohne tatsächlich Eichversuche durchführen zu müssen. Das bedeutet, daß der große Aufwand und das hohe Risiko eines Fehlers, der bei der Ausführung von Eichversuchen möglich ist, vermieden werden.

Das neue Meßrohr kann verwendet werden, um sowohl kompressible als auch inkompressible fließfähige Medien zu messen. Versuche mit Luft, wie sie mit dem in Fig.1 gezeigten Ausführungsbeispiel durchgeführt wurden, haben gezeigt, daß dieses ivießrohr den gleichen adiabatischen Expansionsfaktor Y hat, wie vergleichbare Venturirohre. Somit ist der Expansionsfaktor des Meßrohres in der gleichen Weise genau berechenbar, wie der Expansionsfaktor für ein klassisches Venturirohr. Dieses Merkmal unterstreicht weiter die Überlegenheit des Meßrohres 11 über bekannte Strömungsmeßrohre, da die letzteren nicht wie Gasmeßgeräte zuverlässig verwendet werden können, es sei denn, daß sie eine kompressible Strömung führen.

Zum Kurvenzug der Fig.2 sei bemerkt, daß sich der statische Druck an dem Eingang zu dem konischen Abschnitt 15 schnell

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vergrößert. Diese explosionsartige Vergrößerung des statischen Druckes ist dem hohen Grad der Turbulenz in dem Düsenhals 13 zuzuschreiben, die durch die Strömungsverhältnisgeometrie des Rohres erzeugt wird und sie ergibt besonders niedrige Druckverluste. Beim genauen Untersuchen des Druckverlustwertes kann einer von zwei Näherungswegen beschritten werden. Gemäß der üblichen Praxis werden die Druckverluste als Prozent des Differenzialdruckes des Rohres ausgedrückt und in der Form einer Kurve dargestellt, die die Veränderung dieser Größe mit dem Beta-Verhältnis zeißt. Auf dieser Grundlage schneidet das Meßrohr besser % ab als das klassische Venturirohr und zeigt"ungefähr dasselbe Ergebnis wie das bekannte Strömungsmeßrohr. Die zuletzt erwähnte Tatsache ist deshalb von Bedeutung, da das neue Strömungsmeßrohr einen Ausflußkoeffizienten hat, der dem des klassischen Venturirohres vergleichbar ist, d.h. einen Koeffizienten von etwa 0,98,und somit eine Strömungskapazität aufweist, die viel größer ist als die des bekannten Strömungsmeßrohres. Der zweite und besser geeignete Annäherungsweg ist der, die absoluten Druckverluste der Rohre zu vergleichen. Von diesem Standpunkt aus ist das Strömungsmeßrohr über den verwendbaren Bereich der Beta-Verhältnisse eindeutig wirkungsvoller als seine Vorgänger·.- a Die Überlegenheit des Strömungsmeßrohres der Erfindung über das bekannte Strömungsmeßrohr ist sogar eindrucksvoller, wenn der Verlustwert auf Rohre bezogen wird, die die gleiche Genauigkeit aufweisen. Der Grund hierfür ist der, daß die einem bestimmten Strömungsrohr eigene Genauigkeit durch ein Rohr 11 mit einem größeren Beta-Verhältnis angepaßt werden kann und die absoluten Druckverluste nehmen ab, wenn sich das Beta-Verhältnis vergrößert.

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Bezüglich der Empfindlichkeit auf asymmetrische Strömungsbildstörungen, die beispielsweise durch Bogen oder Ecken ' in der in Strömungsrichtung oberhalb liegenden Rohrleitung, erzeugt werde-n, hat sich das Strömungsmeßrohr 11 als vergleichbar mit dem klassischen Venturirohr gezeigt,. obwohl, es statt ringförmiger einzelne Druckmeßanzapfungen verwendet. Diese Feststellung ist von besonderer Bedeutung, da die.einzelne Druckmeßanzapfung, insbesondere bei gegossenen Rohren,billiger herzustellen ist und sie neigt weniger zum Verstopfen durch feste Körper in dem'zu messenden fließfähigen Medium.

Mit Ausnahme von großen Beta-Verhältnissen, bei denen die ausgeführte Genauigkeit eine weit größere Bedeutung als die Auslegungslänge hat und bei denen das Meßrohr 11 absichtlich langer ausgeführt ist, so daß eine optimale vorhandene Genauigkeit verwirklicht werden kann, ist das neue Ließrohr mit dem bekannten Strömungsmeßrohr, was die Auslegungslänge und die Kosten betrifft, vergleichbar. Bezüglich der Leistungserwägungen, einschließlich sowohl derer, die bereits oben erwähnt sind als auch der Unempfindlichkeit für Zustände, die durch Ventile oder Rohrbogen in Strömungsrichtung unterhalb des Meßgerätes erzeugt werden, ist das Strömungsmeßrohr 11 gleich oder besser als das klassische Venturirohr. Hieraus ergibt sich, daß das Strömung smeßr ohr 11 tatsächlich ein universelles Strömungsmeßgerät darstellt. ·~ⁿ-'"

Die durch die" Erfindung ermöglichte Strombildsteuerung hängt von der Anwesenheit von Einschnürungen ab und nicht von der Art, in der diese erzeugt werden. Daher kann von Erwägungen der Herstellung her, die die Form des Ausführungsbeispieles der Fig.i begünstigen, der konvergierende Abschnitt

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des Meßrohres aus einer Reihe" von sich schneidenden gebogenen eliptisohen Flächen oder anders geformten Flächen bestehen. Diese Möglichkeit ist in einem Ausfüh-" rungsbeispiel in Fig.6 dargestellt, in dem der konvergierende Abschnitt 14·' gebogene Flächen 23-25 umfaßt.

In einigen Fällen kann die Stärke der Strombildstörung bei dem eintretenden Strahl derart sein, daß die einzelne in dem konvergierenden Abschnitt 14 des Meßrohres 11 erzeugte Einschnürung nicht in der Lage ist, das Strömungsbild in dem Maße zu normalisieren, wie es für eine annehmbare Meßgenauigkeit erforderlich ist. Wenn dies auftritt, kann die Größe der durch das Strömungsmeßrohr ermöglichten Strömungsbildsteuerung durch Veränderung seiner inneren Geometrie so vergrößert werden, daß in dem konvergierenden Abschnitt verschiedene Einschnürungen erzeugt werden. Dieses Merkmal hat das Strömungsmeßrohr 11' der Fig.6. Wie in dem Falle des ersten Ausführungsbeispieles muß dem fließfähigen Medium, das sich von jedem der durch die Kanten .26 und 27 erzeugten Strahlen ausdehnt, ermöglicht werden, sich wieder an die Wand des Rohres anzulegen, ehe der nachfolgende nächste Strahl erzeugt wird.

Die Erfahrung zeigt, daß die Empfindlichkeit des einen Differenzdruck erzeugenden Meßgerätes auf Veränderungen in der Geschwindigkeitsverteilung sich hauptsächlich aus der Auswirkung der Strömungsbildveränderungen auf den durch die Anzapfung an dem Düsenhals abgetasteten Druck ergibt. Jedoch haben Strömungsbildveränderungen eine gewisse Auswirkung auf den Druck an der Einlaßanzapfung. So kann, falls dieses erforderlich oder gewünscht ist, die Leistungsfähigkeit des Meßrohres 11 etwas durch die Erzeugung einer Ein- ■-schnürung oder mehrerer Einschnürungen in dem Strömungs-

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strahl in Strömungsrichtung oberhalb des Einlaßabgriffes ' verbessert werden. Die innere Geometrie des Meßröhres 11' der Fig.6 erzeugt dieses zusätzliche Merkmal, wie dies ' die Kante 28 zeigt. Wie in dem Fall des konvergierenden und Düsenhälsabschnittes muß die Form des Einlaßabschnittes 12' ein Wiederanlegen des Stromes an die Wand zwischen den aufeinanderfolgenden Einschnürungen ermöglichen und ehe der Strom die den statischen Druck messende Anzapfung-16' erreicht. . , ^

Wegen seiner Länge kann das mit Flanschen an den Enden versehene·Meßrohr 11 der Fig.1 nicht immer in vorhandenen Rohrleitungssystemen untergebracht werden. Daher ist durch die Erfindung auch ein Einsatztyp eines Meßrohres geschaf-

p fen. Gemäß Fig.7 hat das Einsatzrohr 11 im wesentlichen die gleiche innere Geometrie, wie das an den Enden mit Flanschen versehene Meßrohr 11, mit der Ausnahme, daß es keinen zylindrischen Einlaßabschnitt aufweist..Obwohl es möglich ist, eine Einlaßanzapfung für einen statischen ^: Druck zusammen mit dem Einsatzrohr zu verwenden, erfolgte dies aus praktischen Gründen nicht, da sonst die Anzapfung in dem in Strömungsrichtung oberhalb liegenden Rohr 29 statt in dem Meßrohr selbst hatte angeordnet werden müssen. Diese Anzapfung wäre dann von dem Benutzer des Meßrohres später anzubringen gewesen und sie- hätte eine Eichung des Rohres erforderlich gemacht. Daher verwendet die Einsatzversion der Erfindung statt einer Anzapfung für einen sta-

. ■ · 2 ■ ' ■ ·

tischen Druck eine solche Anzapfung 16 mit einem Aufprall des fließfähigen Mediums auf die Anzapfung. Die Verwendung einer solchen Aufprallanzapfung macht, wie dies die Kurven a der Fig.5 und 4 zeigen, das Meßrohr empfindlicher für Strömungsbildunregelmäßigkeiten, die durch Rohrerweiterüngen und Rohrverringerungen erzeugt werden. Die Kurve a der

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Fig.5 zeigt, daß die in Fig..7 gezeigte Version der Erfindung ebenso empfindlich für Veränderungen in der Reynoldszahl ist, wie die in Fig.1 gezeigte Version. Mit Ausnahme der Tatsache, daß der Ausflußkoeffizient sich nur gering mit Beta bei hohen Werten dieses Verhältnisses ändert, bietet das mit einem Einsatz ausgerüstete Ausführungsbeispiel der Fig.7 im wesentlichen alle anderen Vorteile, die das in Fig.1 gezeigte Ausführungsbeispiel hat. Somit kann diese Version, wenn sie richtig angewendet wird, ebenfalls ein universelles Meßgerät, das einen Differenzialdruek erzeugt, darstellen.

Die bisher beschriebenen Ausführungsbeispiele verwenden alle wenigstens zwei Einschnürungen, um das Strömungsbild in dem Düsenhals des Meßrohres zu steuern und dies ist für eine tatsächliche Universalität notwendig. Die Erfindung umfaßt jedoch auch andere Ausfuhrungsbeispiele, die diese Charakteristik nicht aufweisen oder wenigstens nicht in dem gleichen Maß aufweisen, wie das bevorzugte Ausführungsbeispiel. Zwei dieser abgewandelten Versionen sind in den Fig.8 und 9 dargestellt. In jedem dieser Fälle wird.nur eine einzelne Einschnürung zwischen dem Einlaßabgriff und dem den Druck im Düsenhals messenden Abgriff erzeugt.

In Fig.8 besteht der konvergierende Abschnitt 14·^ des

Rohres 11^ aus einem stromoberseitigen konischen Abschnitt

■z

18 und einem wenig gebogenen stromabwärtigen Abschnitt 19 An dem stromabwärtigen Ende tangiert der Abschnitt 19 an

einen zylindrischen Düsenhals 13 · An seinem linken Ende jest doch schneidet dieser Abschnitt den konischen Abschnitt 18 ,

7.

um eine scharfe Kante 21^ zu bilden. Die Richtungsveränderung der konvergierenden Wand an der Kante 21^ reicht aus, um plötzlich den strömenden Strahl zu veranlassen, eine Ein-

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schnürung zu bilden. Stromabwärts der Einschnürung dehnt sich der Strom aus und legt sich wieder an die Wand des gebogenen Abschnittes 19 an, so daß der Strom wieder an der Wand anliegt, wenn er an der DruckiHeßaiizapfung 17 Ii _; Düsenhals vorbeigeht. Daher mißt diese Anzapfung den wahren statischen Druck, wie in den vorher erwähnten Ausführungsbeispielen.

In dem in Fig.9 dargestellten Ausführungsbeispiel besteht der konvergierende Abschnitt 14· nur aus einer konischen

•Wand 19 · Diese Wand schneidet den zylindrischen Düsenhals ; 4 4

13 in einer scharfen Kante 22 . Hierdureh wird der Strahl des fließfähigen Mediums veranlaßt, eine Einschnürung in dem Düsenhals angrenzend an sein Eingangsende zu bilden. Wie oben erwähnt, wird dem fließfähigen Medium ermöglicht, sich von dieser Einschnürung zu expandieren und sich wieder an die Wand des Düsenhalses stromoberhalb des Druckmeß-

abgriffes 17 anzulegen. Da die Veränderung· in der Strö-

'':■■ ■ 4

mungsrichtung an der Kante 22 viel größer ist als die Ver-, änderung an der Kante 22 in der Fig.1 und demgemäß die Einschnürung viel mehr' ausgeprägt ist, muß der Düsenhals 13 länger sein als das Gegenstück der Fig.1, um sicherzustellen, *-' daß die Anzapfung 17 einen wahren statischen Druck fest- W stellt. Bei repräsentativen Beispielen ist das Verhältnis der Düsenhalslänge zum Düsenhaisdurchmesser im Ausführungsbeispiel der Fig.1 ungefähr 0,5» während dasselbe Verhältnis im¹ Ausführungsbeispiel der Fig,.9 ungefähr 0,6 ist.

Wegen des kleineren wirksamen Strömungsbereiches der Ein-

schnürung wird dieses Meßrohr 11 außerdem bei >iiner niedrigeren Durchflußmenge kavitieren als die anderen Ausführungsformen der Erfindung.

Die nachfolgende--Iabelle zeigt einen qualitativen Vergleich

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ncRiiiran ■ si ' ' τ · ι*

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der. bedeutsamen Leistungscharakteristiken der in den
Fig.1, 6 und ? dargestellten universellen einen Differenzialdruck erzeugenden Meßgeräte, die in der Tabelle
mit U.T. dargestellt sind, mit den zweiten Ausführungsbeispialen der Fig,8 und 9» ä§m klassisehea VsatU£i2oto,
das in der Tabelle mit CV. bezeichnet ist und dem bekannten Strömungsmeßrohr, das in der Tabelle mit F.T. bezeichnet ist. Bei diesem Vergleich bedeuten die Wertungen 1, 2, 3 und 4: Ausgezeichnet, gut, befriedigend bzw.schlecht.

Bewertung %

Leistung- · ^-—-«—

Charakteristiken U.T. 8 9 CV. J.T.

a.Unempfindlichkeit von C

auf Veränderungen von B 112 1 4

b.Unempfindlichkeit von C
auf Veränderungen der
Reynoldszahl 12 2 2 4

c.Unempfindlichkeit von C
auf Veränderungen der
Leitungsgröße ¹ 1 1 1 3-4-

d.Genauigkeit mit der C aus
den gemessenen Abmessungen
des Gerätes vorausberechnet
werden kann 12 12 4 %

e."2x Sigma" Genauigkeitsniveau 1 2 2 2 4

f.Unempfindlichkeit von C auf
achsensymmetrische Strömungsbildunregelmäßigkeiten 1 2 2 2 4

g.Unempfindlichkeit von G auf
asymmetrische Strömungsbildunregelmäßigkeiten 112 1 4

h.Unempfindlichkeit von C auf .
Korrosion und Erosion der
stromaufwärtigen Rohrwand 12 12 4

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i.Unempfindlichkeit von G auf

Korrosion und Erosion in der .

Viand des Gerätes 1 2 1 ' 2 3-4

j.Unempfindlichkeit von G auf
Veränderungen im Material
oder in den Verfahren der
Ausführung 1 1.1 1 3-4

k.Unempfindlichkeit von C auf

stromabwärtige Zustände.
_:, (d.h.Ventile oder Bogen in

/; der Leitung) 1 111 2

!.Möglichkeiten einer' genauen Be-

W rechnung des adiabatischen Ex- . .

* pansionsfaktors T 1 12 1 ⁺

_fc m.Druckrückgewinnung 1 1 2 2 1

n.Minimierung des Differenzial-

\ geräusches 112 14

f- · ■ ■

l O.Selbstreinigung der Rohrwand 1 1 2 1 4

^ΐ p.Möglichkeit entweder eine sta- \ tische Anzapfung oder eine Auf-

I* prallanzapfüng (d.h.eins eckige , _^

Anzapfung) im Einlaß zu verwenden. 1 1 1

q.Unempfindlichkeit von C auf Abmessungsveränderungen, die sich aus Wärme spannungen ergeben 1 1.1 1 ·*

ι Bemerkungen: + Ein adiabatischer Expansionsfaktor ΐ kann.

nicht genau berechnet werden, er muß" empirisch bestimmt werden.

++ Das klassische Venturirohr ist nicht mit einer Aufprallanzapfung ausführbar und das Strömung sr ohr ist nicht mit einer statischen Einlaßanzapfung ausführbar.

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Claims

Pat e at ansp rüche

1. Strömungsmeßgerät der Art, das einen Differenzialdruck erzeugt, gekennzeichnet durch ein Rohr mit einer Wand, die ein§n Süsex&ali bildet uM mit §in§ffl koavtygiirga= · den Abschnitt, um das fließfähige Medium von einem Einlaßbereich mit größerem Querschnitt zu dem Düsenhals zu führen, durch eine Druckanzapfung zur Messung des Druckes in dem Einlaßbereich und durch eine Druckanzapfung zur Messung des statischen Druckes in dem Düsenhals an einem Punkt, an dem die Strömung an der Wand an- μ liegt, wobei die Wand geformt ist, um das fließfähige Medium zu veranlassen, wenigstens einmal während seines Durchganges von dem Einlaßbereich zu der druckmessenden Anzapfung an dem Düsenhals eine Einschnürung zu bilden und dann sich auszudehnen und sich wieder an die Wand an einem Punkt stromabwärts der Einschnürung anzulegen.

2. Strömungsmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wand des konvergierenden Abschnittes geformt ist, um das fließfähige Medium zu veranlassen, wenigstens eine Einschnürung zu bilden und dann sich wieder an die Wand des konvergierenden Abschnittes anzulegen und daß die »Vand das fließfähige Medium veranlaßt, eine andere % Einschnürung in dem Düsenhals angrenzend an seinen Eingang, zu bilden und dann sich wieder an die Wand des Düsenhalses anzulegen, ehe es die Druckmeßanzapfung des Düsenhalses erreicht.

3- Strörnungsmeßgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wand des konvergierenden Abschnittes geformt ist, um das fließfähige Medium zu veranlassen, eine Reihe von Einschnürungen zu bilden und sich sowohl zwi-

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sehen den aufeinanderfolgenden Einschnürungen als auch nach der letzten Einschnürung wieder an die Wand des konvergierenden Abschnittes anzulegen.

4. Strömungsmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wand des Strömungsrohres auch einen Einlaßabschnitt bildet, der durch den konvergierenden Abschnitt mit dem Düsenhals verbunden ist, daß die Einlaßdruckmeßanzapfung eine Anzapfung für einen statischen Druck in der Wand des Einlaßabschnittes ist und daß die (P Wand des Einlaßabschnittes geformt ist, um das fließfähige Medium zu veranlassen, wenigstens einmal während seines Durchganges durch diesen Abschnitt eine Einschnürung zu bilden und sich dann auszudehnen und sich wieder an die Wand dieses Abschnittes anzulegen, bevor es die Einlaßdruckmeßanzapfung erreicht.

5· Strömungsmeßgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandform so ist, daß die Einschnürung in dem Düsenhalse^ngang weniger ausgeprägt ist als irgendeine Einschnürung, die in dem konvergierenden Abschnitt ausgebildet ist.

™

6. Strömungsmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Düsenhals eine zylindrische Wand hat und'daß die Wand des konvergierenden Abschnittes einen konischen Abschnitt hat, der sich mit der zylindrischen Wand längs einer kontinuierlichen Kante schneidet, die das fließfähige Medium veranlaßt, in dem Düsenhals eine Einschnürung zu bilden.

7· Strömungsmeßgerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der konvergierende Abschnitt einen zweiten konischen

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Abschnitt stromaufwärts des ersten Abschnittes und einen größeren konischen Winkel hat als der erste derartige Abschnitt und daß die beiden konischen Abschnitte sich in einer kontinuierlichen Kante schneiden, die das fließfähige Medium veranlasst, eine Einschnürung zu bilden und das fließfähige Medium veranlaßt, sich an den ersten konischen Abschnitt wieder anzulegen.

8. Strömungsmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Düsenhals eine zylindrische Wand hat, daß der konvergierende Abschnitt einen konischen stromaufwartigen Abschnitt und einen wenig gebogenen stromabwärtigen Abschnitt hat, daß die zwei Abschnitte sich in einer kontinuierlichen Kante schneiden, die das fließfähige Iuedium veranlaßt, eine Einschnürung zu bilden und sich wieder an den stromabwärtigen Abschnitt anzulegen und daß der stromabwärtige Abschnitt glatt in die zylindrische Wand des Düsenhalses übergeht.

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