DE2644302A1

DE2644302A1 - Vorrichtung zur messung des massendurchflusses eines stroemungsmediums

Info

Publication number: DE2644302A1
Application number: DE19762644302
Authority: DE
Inventors: Alan Thomas
Original assignee: Lucas Industries Ltd
Current assignee: ZF International UK Ltd
Priority date: 1975-10-04
Filing date: 1976-10-01
Publication date: 1977-04-14
Also published as: FR2326685B1; GB1554408A; US4050304A; IT1073319B; JPS5244663A; FR2326685A1

Description

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Birmingham / Eng]and

Vorrichtung zur Messung ilea Mas senil.ircL· t'iua 00 s tirit;s Sfc-rÖEUiiga—

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Oie Erfiiidaxig; betrifft eine Vorrichtung zur Messung des Massendurchfluss«; s eines Stföiaungsniediuras -

Die Vorrichtung zur Mesaung des Musseiniurchflusses einas Ströninngsmediunis besteht gemäß der Erfindung aus einem Fluidic-Oszillatür, dessen Schwingungsfreo^uenz eine Funktion des Volumendurchflusses ist, einer Einrichtung zur Erzeugung feines ersten elektrischen Signals, das von der Schwingungsfrequenz abhängt, ei^erEinrichtung zur Erzeugung eines zweiten elektrischen Signals, das von der Druckdifferenz in dein Oszillator abhängt, und einer auf das erste und zweite elektrische Signal ansprechenden Einrichtung zur Erzeugung eines Ausgangssignals, dts der Funktion

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proportional ist, worin S die Strouhal-Zahl des Oszillators, c der Düsenkoeffizient des Oszillators und A die äquivalente Quer-

ittsflache des Oszillators und banstaute Größen dee Oszillators sind, während P die Druckdifferena und f dia Schvingungsfrequenz sind.

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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht in einer parallel zu dem Oszillator angeordneten Drossel und einer Einrichtung, die auf das erste und zweite elektrische Signal anspricht und ein Ausgangssignal erzeugt, das der Funktion

2 S(c A + C₁₁A_n)C A -P/f ^v ο ο R ti' oo'

proportional ist, worin A die Querschnittsfläche der Drossel und c der Düsenkoeffizient der Drossel sind.

An Hand der Zeichnung werden Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen Fluidic-Oszillator und Einrichtungen zur Erzeugung elektrischer Frequenzsignale;

Fig. 2 eine Vorrichtung zur Messung des Massendurchflusses; sowie

Figg. 3

und 4 alternative Ausführungsformen von Vorrichtungen zur Messung des Massendurchflusses.

Der in Figur 1 dargestellte Oszillator ist aus zwei bistabilen Coanda-Effekt-Vorrichtungen aufgebaut, deren Steuer- und Ausgangsöffnungen miteinander verbunden sind. Die dargestellte Vorrichtung besteht aus einer Einströmdüse 10, die sich zur Verbindungsstelle zweier geneigter Kanäle 11, 12 hin öffnet. Nahe der Düse 10 sind zwei miteinander verbundene Steueröffnungen 13, 14 angeordnet, die den aus der Düse 10 austretenden Strahl ablenken, wenn aus einer der Steueröffnungen 13, 14 ein Strömungsmedium austritt. Bei der Anwendung lenkt daher ein aus der Steueröffnung 13 austretender Mediumimpuls den aus der Düse 10 ausströmenden Strahl in den Kanal 12, und infolge des Coanda- oder Wandeffektes bleibt diese Strömungsrichtung erhalten. In gleicher Weise lenkt ein aus der Steueröffnung 14 austretender Mediumimpuls den Strahl in den Kanal 11.

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Die beiden Kanäle 11, 12 verbinden die Einströmdüse 10 über zwei Durchflußdrosseln 16, 17 mit einer gemeinsamen Ausströmöffnung 15.

In dem Kanal 11 befindet sich ein Fühler 18, der aus einer dünnen Metallfolie oder einem Draht besteht, deren bzw. dessen Enden durch Leiter 19, 20 mit einer Steuer- und Verstärkungsschaltung 21 verbunden sind. Bei der Anwendung wird das Element 18 durch eine an die Leiter 19, 20 angelegte konstante Spannung erhitzt. Der durch die Leiter 19, 20 fließende Strom hängt von dem Widerstand des Elements 18 und damit von dessen Temperatur ab. Die Temperatur des Elements 18 wiederum hängt von der durch den Kanal 11 strömenden Menge des Strömungsmediums ab.

Wenn der Düse 10 ein Strömungsmedium unter Druck zugeführt wird, so wird diese Strömung mit einer Geschwindigkeit, die von dem Volumendurchfluß durch den Oszillator abhängt, auf die Kanäle 11 und 12 aufgeteilt. Die Temperatur des Elementes 18 fluktuiert daher mit der Schwingungsfrequenz des Oszillators, und die Schaltung 21 liefert ein Ausgangssignal dieser Frequenz.

Ein weiterer Fühler 22 kann zusätzlich in dem Kanal 12 angeordnet und in analoger Weise mit einer Steuer- und Verstärkungsschaltung 23 verbunden werden. Das Ausgangssignal der Schaltung 23 ist ein Frequenzsignal, dessen Phase derjenigen des Signals der Schaltung 21 entgegengesetzt ist.

Der Oszillator kann eine Kammer 24 enthalten, die über Drosseln 25, 26 mit den entsprechenden Kanälen 11, 12 verbunden ist. In der Kammer kann zusätzlich zu den oder anstelle eines oder beider der vorbeschriebenen Fühler 18, 22 ein Fühler 27 angeordnet sein. Die Druckdifferenz zwischen den Kanälen 11, 12 kehrt sich zweimal mit jeder Schwingung des Oszillators um, so daß das Frequenz-Ausgangssignal einer dem Fühler 27 zugeordneten Steuer- und Verstärkungsschaltung 28 das Doppelte der Frequenz des Fluidic-Oszillators ist.

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'S-

Es versteht sich, daß die Fühler 18, 22, 27 einzeln oder sämtlich unter entsprechender Modifikation der Steuerschaltung z.B. auch als Druckfühler ausgebildet sein können. Ferner können die Fühler selbstverständlich an jeder Stelle des Oszillators angeordnet sein, an der eine pulsierende oder sich umkehrende Strömung auftritt.

Auch versteht es sich, daß jede oszillierende Fluidic-Vorrichtung bei der Erfindung verwendet werden kann, deren Schwingungsfrequenz dem Volumendurchfluß proportional ist.

In Figur 2 ist bei 30 ist eine Oszillator- und Anemometervorrichtung dargestellt, wie an Hand von Figur 1 beschrieben. Sie liegt in Eeihe mit einem Brennstoffkanal 31 und liefert über eine Leitung 32 eine Signal, das von der Schwingungsfrequenz abhängt. Ein Druckgeber 33 ist zu der Vorrichtung 30 parallel geschaltet und liefert über eine Leitung 34 ein Signal, das eine Funktion der Druckdifferenz an der Vorrichtung 30 ist.

Eine Schaltung 35, die einen Digital/Analog-Konvert^r für die über die Leitung 32 ankommenden Signale oder einen Analog/Digital-Konverter für die über die Leitung 34 ankommenden Signale enthalten kann, liefert über eine Leitung 36 ein Ausgangssignal, das dem Brennstoff-Massendurchfluß durch den Oszillator proportional i st.

Die Arbeitsweise der Schaltung 35 beruht auf folgenden Beziehungen. Der Massendurchfluß M durch den Oszillator ist

M=P-Q,
ο J ^o

worin f die Dichte des Strömungsmediums und Q der Volumendurchfluß sind. Somit ist

Ferner gilt:

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^Mo = SV^{2 P}y

worin c der Düsenkoeffizient des Oszillators, A die äquivalente Querschnittsfläche des Oszillators, P die Druckdifferenz am Oszillator und c sowie α festgelegte Größen bei einem gegebenen Oszillator sind.

Weiterhin gilt die Beziehung:

Q₀ = fA_o ^²Zs (3),

worin f die Schwingungsfrequenz und S die Strouhal-Zahl des Oszillators bedeuten. S ist eine festgelegte Größe bei einem gegebenen Oszillator.

Aus der Gleichung (2) erhält man durch Quadrieren

2 2 2 M = c A .2 Pe

O OO *

Setzt man darin für j> den Ausdruck aus Gleichung (l) ein, so ergibt sich

M ² = C²A ².2 PM /Q

O OO O'

oder M = c²A²«2P/Q .

O OO '^O

Darin für Q den Ausdruck aus Gleichung (3) eingesetzt ergibt:

M = c²A²-2PS/f (4).

0 0 0' ^V '

2 2

Vie oben angegeben, ist der Wert c A S bei einem gegebenen Oszillator eine Konstante, so daß man für Gleichung (4) auch schreiben kann:

M = KP/f.

ο '

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- 4S -

Die Schaltung 35 liefert daher auf Grund der über die Leitungen 34 und 35 eingehenden Signale ein dem Massendurchfluß proportionales Ausgangssignal.

Manchmal kann es notwendig sein, Massendurchflüsse zu messen, die größer als solche sind, die ohne Schwierigkeiten mit einem Fluidic-Oszillator gemessen werden können. Figur 3 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, mit der solche Messungen vorgenommen werden können.

Parallel zu der Vorrichtung 30 und dem Differenzdruckgeber 33 ist eine Drossel 40 geschaltet. Eine auf die über die Leitungen 32, 3^ eingehenden Signale ansprechende Schaltung liefert, wie bisher, über die Leitung 42 ein Ausgangssignal. Die Schaltung enthält jedoch eine Einrichtung, mit der der Ausgangssignal von dem Düsenquerschnitt A^ und dem Düsenkoeffizient c der Drossel

40 abhängig gemacht werden kann. Die Arbeitsweise der Schaltung

41 beruht auf folgenden Beziehungen.

Der Massendurchfluß M_ durch die Drossel 40 ist durch die Gleichung gegeben:

Aus den Gleichungen (2) und (5) erhält man:

Der Gesamtmassendurchfluß ist

M_T =

woraus man mit den Gleichungen (4) und (6) erhält

K_n, = M (c A + C_nA_n)Zc A . T o^v ο ο R R^7/ ο ο

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Einsetzen von Gleichung (4) ergibt:

M_T = 2 S(C₀A₀₊ c^ic^^P/f (7).

Bei gegebener Oszillator-Vorrichtung 30 und Drossel 40 ist der

Wert 2 S(c A + c^A^lc A eine Konstante, so daß man wiederum ^v ο ο R B/ ο ο '

schreiben kann:

M_T = K-P/f (8).

Das über die Leitung 42 abgegebene Signal ist daher dem Gesamtmassendurchfluß durch die Vorrichtung 30 und die parallelgeschaltete Drossel 40 proportional.

Bei der in Figur 4 dargestellten alternativen Ausführung ist eine Drossel 50 mit veränderlichem Querschnitt vorgesehen, die zu der Vorrichtung 30 und dem Differenzdruckgeber 33 parallel geschaltet ist. Der wirksame Düsenquerschnitt der Drossel 50 kann durch eine elektrische Stellvorrichtung 51 geändert werden. Ein Fühler 52 spricht auf die Einstellung der Drossel 50 an und liefert über eine Leitung 53 ein Signal, das von der Querschnittsfläche A_ und dem Düsenkoeffizient c der Drossel 50 abhängt.

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Eine Schaltung 54 spricht auf das über die Leitung 32 von der Oszillator-Vorrichtung 30 kommende Volumendurchflußsignal, das über die Leitung 34 von dem Druckgeber 33 kommende Differenzdrucksignal und auf das über die Leitung 53 kommende Ae -Signal an und liefert über die Leitung 55 ein Steuersignal an die Stellvorrichtung 51, durch das der wirksame Querschnitt der Drossel 50 derart geändert wird, daß der Differenzdruck konstant bleibt. Die Schaltung 54 liefert ferner über die Leitung 56 ein Ausgangssignal, das dem Gesamtmassendurchfluß durch die Vorrichtung 30 und die Drossel 50 proportional ist. Da in diesem Falle der Differenzdruck konstant gehalten wird, geht Gleichung (8) über in

M_T -K (A₀C_{0 +} A_Rc_R)/f (9).

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Claims

Ansprüche

1. Vorrichtung zur Messung des Massendurchflusses eines Strömungsmediums, gekennzeichnet durch einen Fluidic-Oszillator (Fig. 1), dessen Schwingungsfrequenz eine Funktion des Volumendurchflusses ist, eine Einrichtung (18, 22, 27) zur Erzeugung eines ersten elektrischen Signals, das von der Schwingungsfrequenz abhängt, eine Einrichtung (33) zur Erzeugung eines zweiten elektrischen Signals, das von der Druckdifferenz in dem Oszillator abhängt, und eine auf das erste und zweite elektrische Signal ansprechende Einrichtung (35) zur Erzeugung eines Ausgangssignals, das der Funktion

2 Sc A ²-P/f

00 '

proportional ist, worin S die Strouhal-Zahl des Oszillators,

c der Düsenkoeffizient des Oszillators und A die äquivalente ο 0 ^u

Querschnittsfläche des Oszillators und konstante Größen des Oszillators sind, während P die Druckdifferenz und f die Schwingungsfrequenz sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine parallel zu dem Oszillator (30) angeordnete Drossel (40, 50) und eine Einrichtung (41), die auf das erste und zweite elektrische Signal anspricht und ein Ausgangssignal erzeugt, das der Funktion

proportional ist, worin A die Querschnittsfläche der Drossel (40, 50) und c_ der Düsenkoeffizient der Drossel (40, 50) sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Drossel (50) variabel und eine auf das zweite elektrische Signal ansprechende Einrichtung (54) vorgesehen ist, die den Wirkquerschnitt der Drossel (50) so ändert, daß die Druckdifferenz im wesentlichen konstant bleibt.

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