DE2105414A1

DE2105414A1 - Vorrichtung fur die Messung der Strom ungsmenge eines Gases

Info

Publication number: DE2105414A1
Application number: DE19712105414
Authority: DE
Inventors: Robert Clamart Ducousset (Frank reich)
Original assignee: Compteurs Schlumberger SA
Current assignee: Compteurs Schlumberger SA
Priority date: 1970-02-06
Filing date: 1971-02-05
Publication date: 1971-08-12
Also published as: GB1345016A; NL7100678A; FR2079606A5; US3750472A

Description

Unser Zeichen: G 2810

COMPAGNlE DES COMPTEURS
4-2, Rue Saint-Dominique
75 Paris 7e , Frankreich

Vorrichtung für die Messung der Strömungsmenge

eines Gases

Die Erfindung bezieht aich auf eine Vorrichtung, welche die Messung der Strömungsmenge eines Gases ermöglicht, und auf die Anwendung dieser Vorrichtung auf die Zählung einer in einer Rohrleitung strömenden Gasmenge.

Bei dem Verfahren zur Messung der Strömungsmenge eines Gases in einer Rohrleitung wird meistens ein Jiruokiuinü arnües Organ, wie eine Blende, ein Venturi oder eine Düse angewendet. Diese Verfahren haben den Nachteil, daß ihre Genauigkeit verhältnismäßig gering ist, insbesondere wegen der Änderungen des Strömungsbereichs,der Kompressibilität des Gases und der Fehler bei der Messung bestimmter Parameter, die bei der Bestimmung der Strömungsmenge auftreten.

Bei einem anderen Verfahren wird die isentropische Ausdehnung des Gases in einem Schallhals aus einer Hochdruckwelle angewendet, die zur Ausbildung der Gasströmung und zur Anregung des Schallhalses im Unterschallbereich geeignet ist. Bekanntlich i3t dann die Strömungsmenge Q

Lei/la

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durch die folgende Gleichung gegeben:

In diesem Ausdruck sind:

S der Querschnitt dea Schallhalses,

p^ der erzeugende Druck: und T^ die erzeugende Temperafcur, jeweils im Ruhezustand gemessen,

O die Dichte des Gasee in Bezug auf Luft, R die Gaskonstante idealer Gase und

f( V ) eine Punktion, in der ρ das Verhältnis dor spezifischen V/ärme des Gases bei konata nbfiu) Imide und bei konstantem Volumen ist.

In diesem Ausdruck tritt die Kompressibilität du?J Gase 3 nicht mehr auf, doch erfordert er die Messung der Dichte und der Temperatur des Gases. Da die Tempera tür·m?oaung insbesondere wegän der Wärmeleitung und der V/arujastrahlung schwierig ist, bleibt die erzielte Genauigkeit immer no oh gering.

Daa Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Vorrichtung für die Messung der Strömungsmenge eines Gasen, die auf dem zuletzt erwähnten Verfahren beruht, bei der aber die Messung der Parameter Dichte und Temperatur vermieden, und durch die Messung andrer Parameter ersetzt wird, die mit besserer Genauigkeit erhalten werden können.

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Bei der Erfindung wird eine andere Beziehung angewendet, welche die Bestimmung der Strömungsmenge Q ermöglicht und folgendermaßen lautet:

Q = S. f (^)·^ι P₁' (2)

Die zu messenden Parameter sind in diesem Fall die erzeugende Massendichterj und der erzeugende Druck p».

Nach der Erfindung ist die Vorrichtung für die Messung der Strömungsmenge eines Gases unter Verwendung seiner isentropischen Ausdehnung aus einer Hochdruclquelle in einen Schallhals, wobei ein Zwischenspeicher zwischen der Quelle und dem Schallhals angeordnet ist und der Druck im Innern des Zwischenspeichers ausreichend groß ist, um den Schallhals im Unterschallbereich anzuregen, gekennzeichnet durch ein Meßorgan für die erzeugende Massendichte, ein Meßorgan für den erzeugenden Druck, der in dem Zwischenspeicher herrscht, Anordnungen sur Umwandlung der von den Meßorganen gelieferten Meßwerte in elektrische oder fluidische Signale und eine Rechenanordnung, welche die Quadratwurzel des Produkts dieser Signale liefert, die als Maß für die Strömungsmenge des Gases verwendet wird.

Gegenüber den bekannten Vorrichtungen ergibt die Erfindung folgende Vorteile:

- einerseits wird die erzeugende Massendichte ^i verwendet, also eine Größe, die mit sehr viel höherer Genauigkeit als die Temperatur gemessen werden kann;

- andrerseits werden die eventuellen Dichteänderungen eiuer Gasmischung bei konstantem y ausgeschieden.

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Man gewinnt unter dieeen Bedingungen gegenüber den zuvor angegebenen bekannten Vorrichtungen eine Erhöhung der Genauigkeit um einer Zehnerpotenz.

Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß das Meßorgan für die Massendichte mit einem Regler verbunden ist, der auf ein am Eingang des Zwischenspeichers angeordnetes Druckreduzierglied so einwirkt, daß die Massen-, dichte auf einem konstanten Wert gehalten wird. Bei dieser Ausführungsform ist die Rechenanordnung einfach, weil sie nur die Quadratwurzel aus den durch Umwandlung des Druckmeßwerts erhaltenen Signalen bis auf einen Proportionalitätskoeffizienten zu liefern braucht.

Unabhängig von der gewählten Ausführungsform wird der Zählwert der während eines bestimmten Zeitintervalls abgegebenen Strömungsmenge dadurch erhalten,daß die die Strömungsmenge darstellenden Signale über dieses Zeitintervall integriert werden, was sehr leicht mit Hilfe eines Impulszählers erreicht werden kann, wenn die Signale in Impulsform verfügbar sind.

Die fe'rfindungsgemässe Vorrichtung kann vorteilhaft für die Eichung von druckmindernden Organen verwendet werden, die leichter verwendbar sind als ein Schallhals, deren genaue Eichung aber schwieriger ist. Diese Eichung kann dadurch erfolgen, daß an die gleiche Rohrleitung die Vorrichtung mit dem Schallhals in Serie mit dem zu eichenden Sruckmindernden Organ angeschlossen wird.

Zu diesem Zweck ist es gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, an den Ausgang des Zwischenspeichers mehrere Schallhälse mit unterschiedlichen Querschnitten anzuschliessen, die wahlweise in Betrieb

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genommen werden können, damit von vornherein die Größenordnung der gewünschten Strömungsmenge wählbar ist.

Ausführungsbeispiel der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. Darin zeigen:

Fig.1 dasübersichtsschema einer erfindungsgemässen Vorrichtung,

Pig.2 das Schema einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung, bei welcher die Volumenmasse auf einem konstanten Wert gehalten wird, und

Hg.3 das Schema einer Vorrichtung mit mehreren Sohallhälsen.

Fig.1 zeigt eine Gasquelle 10, die an einen Speicher mit großem Strömungsquerschnitt angeschlossen ist, in den das Gas über ein Ventil 12 einströmen kann. Am Ausgang dieses Speichere ist ein Schallhals 15 angeordnet, und hinter diesem ist ein weiteres Ventil H angebracht, das vorzugsweise elektrisch steuerbar ist. Öffnungen 16 und 17 ermöglichen den Anschluß von Meßorganen 18 bzw. 19 für Gasproben im Ruhezustand.

Das Meßorgan 18 ermöglicht die Bestimmung der Massendichte ;es besteht beispielsweise aus einer Dichtemeßwaage mit automatischem Kräfteausgleich der in der französischen Patentschrift 1 474· 026 beschriebenen Art. Dieses Meßorgan liefert die Angabe der Massen-Sichte in Form eines elektrischen Gleichstroms, der durch das bewegliche System des magnetelektrischen

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Motors für den Wiederabgleich der Waage fließt.

Das Meßorgan 19 ist ein Manometer, das die Angabe des Drucks ebenfalls in Form einer elektrischen Spannung oder eines elektrischen Stromes liefert, und das beispielsweise gleichfalls in Form einer Kräftewaage mit automatischem Wiederabgleich ausgebildet ist. Die Ausgänge der Meßorgane 18 und 19 sind über Torschaltungen 22 mit Strom-Frequenz-Umsetzern bzw. 21 verbunden. An diese Umsetzer ist eine Rechenschaltung 25 angeschlossen, die das Produkt der ihren Eingängen zugeführten Signale bildet, und daraus die Quadratwurzel zieht. Diese Schaltung kann beispielsweise der Beschreibung in der deutschen Patentanmeldung P 20 48 295.5 entsprechen. Die von dieser Schaltung gelieferten Impulse werden einem Impulszähler 26 zugeführt.

Die beschriebene Vorrichtung arbeitet in folgender Weise: Nachdem anfänglich die Ventile 12 und 14 geschlossen sind, wird der Speicher 11 durch Öffnen des Ventils 12 mit der Gasquelle 10 verbunden. Wenn der Druck in dem Speicher 11 den für die Anregung des Schallhalse3 15 erforderlichen Mindestdruck erreicht, kann die Messung beginnen. Man löst dann das Öffnen des Ventils 14 aus, wobei gleichzeitig die Zählung in Gang gesetzt wird, beispielsweise durch Entsperren der Torschaltungen 22, die vor den Eingängen der Umeetzer 20, 21 angeordnet sind. Zu diesem Zweck wird der Zählbefehl OC in bestimmter zeitlicher Beziehung dem Ventil 14 und den Torschaltungen zugeführt.

Aus der vorstehenden Beschreibung ist zuerkennen, daß die Rechenanordnung 25 die nach der zuvor angegebenen Gleichung (2) ermittelte Strömungsmenge des Gases anzeigt. Der Zähler 26 bildet da3 Zeitintegral dieser

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Strömungsmenge durch Z us am me» ahle η der ihm von der S_chaltung 25 zugeführten Impulse, und er zeigt, den Zählwert der Gasmenge an, die seit dem Beginn der Messung durch den Schallhals geströmt ist.

Wenn die gezählte Gasmenge als ausreichend angesehen wird, wird das Schliessen des Ventils 14 durch einen Zählschlußimpuls oder noch einfacher durch Beendigung des Zählbefehls ausgelöst, wodurch auch die Torschaltungen 22 wieder geschlossen werden und der Zählvorgang stillgesetzt wird. Dieses Schliessen kann auch automatisch ausgelöst werden,beispielsweise mit Hilfe eines Druckschlters, der sich bei einem bestimmten Mindestdruck öffnet, oder auch mit Hilfe einer Schwelle ns cha It ung , die in den Druckmeßkreis eingefügt ist, wobei die Ansprechschwelle auf einen solchen Wert eingestellt ist, daß sie dem Mindestdruck entspricht, unter dem eine Entregung des Schallhalses entstehen würde, wodurch die Messung verfälscht würde, wenn sie nicht sofort unterbrochen würde.

Eine andere Ausführungsform der Erfindung ist in Fig.2 dargestellt. Bei dieser Anordnung ist das Ventil 10 durch ein Druckreduzierventil 1OA ersetzt, das von einem elektrischen oder pneumatischen Regler 30 so gesteuert wird, daß die Massendichte des Gases auf einem konstanten Wert gehalten wird. Bei einer elektrischen Ausführung wird der am Ausgang des Meßorgans 18 erhaltene, die gemessene Massendichte ausdrückende Strom in eine dazu proportionale Spannung U umgewandelt, die mit einer den Kennwert der Massendichte darstellenden Bezugsspannung U^ in einem Differenzverstärker verglichen wird, dessen Ausgangssignal zur Steuerung der Einstellung des Druckreduzierventils 1OA verwendet wird.

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Da dann die Massendichte ? ^uf einen konstanten Wert g₀ geregelt wird, ist die Messung der Strömungsmenge nach der Gleichung (2) auf die Messung des Wertes jfp"? zurückgeführt, der dann der einzige veränderliche Parameter ist Zu diesem Zweck kann man vorzugsweise als Meßorgan für den Wert p. eine Vorrichtung 32 mit einem schwingenden Element verwenden, wie sie beispielsweise in der französischen Patentanmeldung Nr. 69/34 951 vom 13.Oktober 1969 beschrieben ist. Bei Meßvorrichtungen dieser Art ist die Frequenz F des schwingenden Elements proportional zu der Quadratwurzel der darauf ausgeübten Kraft. Man verwendet beispielsweise einen evakuierten Balken, auf den der zu messende Druck von außen einwirkt, wobei die Frequenz der erhaltenen Signale dann der Quadratwurzel des Drucks proportional ist.

Um die Strömungsmenge zu erhalten, braucht dann nur noch die Frequenz F dieser Signale in einer Schaltung 33 mit einem konstanten Koeffizient multipliziert zu werden, welcher der Quadratwurzel der Fenn-Massendichte Q₀ propor tional ist, so daß die Gleichung

Q-s.f

erfüllt ist.

Durch Zusammenzählen der auf diese Weise während der Meßdauer erhaltenen Impulse mit der Frequenz F¹ in einem Zähler 34 erhält man wie zuvor den Zählwert der abgegebenen Gasmenge.

Fig.3 zeigt eine Vorrichtung mit mehreren Schallhälsen 15^A, 15B, 15C... mit verschiedenen Querschnitten S^, S₂, S,... , die wahlweise verwendbar sind, damit eine Strömungsmenge vorbestimmter Größenordnung dadurch erhalten werden kann, daß einige der Schallhälse nach Art eines Gewichts-

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satzes in Betrieb genommen werden. Diese Maßnahme kann natürlich ebensogut bei veränderlicher Massendichte nach dem Prinzip von Fig.1 als auch bei konstanter Massendichte nach dem Prinzip von Fig.2 angewendet werden. Die Strömungsmenge ist in diesem Fall durch die Gleichung (2) gegeben, in welcher dann der Querschnitt S die Summe der Querschnitte der zur Durchführung der Messung in Betrieb genommenen Schallhälse darstellt.

Die Erfindung ist vorstehend in Verbindung mit Ausführungsbeispielen von elektrischen Schaltungen beschrieben worden, doch kann sie natürlich ebensogut in Verbindung mit flui- (|

dischen Schaltungen angewendet werden, welche die gleichen Funktionen ausführen.

Patentansprüche

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Claims

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Patentansprüche

Vorrichtung für die Messung der Strömungsmenge eines Gases unter Verwendung seiner isentropischen Ausdehnung aus einer Hochdruckquelle in einen Schallhals, wobei ein Zwischenspeicher zwischen der Quelle und dem Schallhals angeordnet ist und der Druck im Innern des Zwischenspeichers ausreichend groß ist, um den Schallhals ita Unterschallbereich anzuregen, gekennzeichnet durch ein Meßorgan für die erzeugende Massendichte, ein Meßorgan für den erzeugenden Druck, der in dem Zwischenspeicher herrscht, Anordnungen zur Umwandlung der von den Meßorganen gelieferten Meßwerte in elektrische oder fluidische Signale und eine Rechenanordnung, welche die Quadratwurzel des Produkts dieser Signale liefert, die als Maß für die Strömungsmenge des Gases verwendet wird.
2. Vorrichtung.nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßorgan für die Massendichte des Gaees mit eines Regler verbunden ist, der auf ein am Eingang des Zwischenspeichers angeordnetes Druckreduzierglied so einwirkt, daß die Massendichte auf einem konstanten Wert gehalten wird.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch mehrere Schallhälse mit unterschiedlichen Querschnitten, die wahlweise verwendbar sind.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß hinter dem Schallhals ein Ventil vorgesehen ist, dessen Schliessen automatisch durch eine Vorrichtung ausgelöst wird, die auf einen Mindestdruck im Zwischenspeicher anspricht.

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5* Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Impulszählerschaltung, die an den Ausgang der Rechenanordnung angeschlossen ist, um den Zählwert der abgegebenen Gasraenge zu liefern.

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