NL8501529A

NL8501529A - Werkwijze en inrichting voor het meten en beheersen van een door een leiding stromende gasmassastroom.

Info

Publication number: NL8501529A
Application number: NL8501529A
Authority: NL
Original assignee: Tno
Priority date: 1985-05-29
Filing date: 1985-05-29
Publication date: 1986-12-16
Also published as: EP0205204B1; ATE46216T1; DE3665500D1; EP0205204A1; JPS6212815A

Description

N.Ö. 33148

Korte aanduiding: Werkwijze en inrichting voor het meten en beheersen van een door een leiding stranende gasmassastrocm.

In eerste instantie heeft de uitvinding betrekking op een werkwijze voor het meten van een door een leiding stromende gas-massastroon, waarbij het gas door een vernauwing wordt gevoerd.

Voor vele industriële en wetenschappelijke toepas-5 singen is het gewenst de massastroon dat wil zeggen de per tijdseenheid door een leiding stromende massa van een gas nauwkeurig te kunnen roeten. Vele bekende gasmeters meten het debiet in m3 per uur. Om dit debiet nauwkeurig te kunnen vaststellen, zouden de dichtheid en de temperatuur bekend moeten zijn. Bij niet variërende strcmings-10 omstandigheden wordt echter volstaan met eenvoudig gecalibreerde openingen om de massastroon te meten. In de handel verkrijgbare meters voor het meten van de gasmassastrocm vertonen de nadelen van een beperkte nauwkeurigheid en grote responstijden.

Met de uitvinding wordt beoogd deze nadelen te 15 vermijden en een in de aanhef aangeduide werkwijze te verschaffen door middel waarvan de massastroon van een stromend gas zeer nauwkeurig kan worden vastgesteld en waarbij de responstijd verrassend klein is.

Volgens de uitvinding is de in de aanhef genoemde werkwijze hiertoe gekenmerkt doordat de druk stroomopwaarts van de 20 vernauwing zo veel groter is dan stroomafwaarts daarvan, dat het gas in de kleinste doorsnede van de vernauwing de sonische snelheid bereikt, en dat de waarde van de massastrocmsnelheid wordt berekend aan de hand van vastgestelde waarden van de totale druk en totale temperatuur stroomopwaarts van de vernauwing en van de kleinste doorsnede van de 25 vernauwing.

Om ter plaatse van de vernauwing de sonische snelheid te bereiken is het bij de aanvang nodig dat de druk stroomopwaarts van de vernauwing ongeveer minstens het dubbele is van de druk stroomafwaarts ervan. De massastroon van het gas is bij sonische condities 30 door de kleinste doorsnede van de vernauwing rechtevenredig met de totale druk stroomopwaarts van de vernauwing, rechtevenredig met het kleinste oppervlak van de vernauwing (keeloppervlak) en omgekeerd evenredig met de wortel van de totale temperatuur van het gas vóór de vernauwing.

85 S 152 9 2

In formule: _ A

M =-*- · ptx · Yr?^ M = gasmassastroom 5 £ = Vandenkerckhove-functie.

Pi-1 = totale druk stroomopwaarts van de vernauwing.

At = oppervlak van sonische doorsnede.

R = de gasconstante van het betreffende gas.

10 Tt1 = totale temperatuur stroomopwaarts van de vernauwing.

Als het oppervlak van de sonische doorsnede en de gassoort bekend zijn zullen slechts totale druk en temperatuur gemeten hoeven te worden on de massastroan te kunnen berekenen. Anderzijds kan 15 men bij een bepaalde totale druk en temperatuur de massastroan beheersen door de kleinste doorsnede van de vernauwing te variëren. Zo een beheersing van de massastrocm is bij vrijwel constante totale temperatuur en constante doorsnede van de vernauwing ook mogelijk door de totale druk te variëren. Een beheersing door toedoen van de variatie 20 in de doorsnede van de vernauwing kan echter de voorkeur hebben cm grote massastrocmvariaties te bewerkstelligen.

De uitvinding betreft voorts een inrichting voor het met behulp van bovenstaande werkwijze meten en beheersen van een per tijdseenheid door een leiding stromende gasmassa waarbij die inrichting 25 is voorzien van een vernauwing. Volgens de uitvinding is ten minste de kleinste doorsnede van de vernauwing variabel.

Niet uitgesloten is dat de vernauwing bestaat uit een opening in een schuif die van vele openingen met verschillende doorsneden is voorzien, waarbij de doorsnede van de opening waar doorheen 30 het gas stroomt, kan worden gevarieerd. Een veel eenvoudiger en nauwkeuriger middel voor het variëren van de doorsnede van de vernauwing wordt echter gegeven wanneer in de vernauwing een pen van afnemende doorsnede steekt en middelen aanwezig zijn cm de pen meer of minder ver in de vernauwing te verplaatsen.

35 De middelen on de stand van de pen nauwkeurig te kunnen vaststellen bestaan bijvoorbeeld uit een servomotor of een nonius.

Voor een nauwkeurige meting van de totale druk en temperatuur stroomopwaarts van de vernauwing is het van belang dat het 8501529 3 gas grotendeels tot rust wordt gebracht. Vandaar dat zich stroomopwaarts van de vernauwing een suskamer van relatief grote doorsnede ten opzichte van de leidingdoorsnede bevindt. Het gas komt in deze suskamer zodanig tot rust dat het verschil tussen statische druk respec-5 tievelijk temperatuur enerzijds en totale druk respectievelijk temperatuur anderzijds verwaarloosbaar is.

In die suskamer monden dus middelen uit voor het meten van de temperatuur en druk.

Door voor de vernauwing een afgekapte De Laval 10 straalpijp te kiezen worden verliezen van de totale druk tot een minimum beperkt. De supersone versnelling van de gasstrocm zal wat minder zijn dan bij een volledig divergerende straalpijp.

Opgemerkt wordt dat de curve volgens welke de doorsnede van de in de vernauwing stekende pen af neemt, vrij willekeurig 15 gekozen kan worden, bijvoorbeeld zodanig dat het verband tussen de lengtepositie van de pen en de massastroctn rechtevenredig is,

De uitvinding zal nu worden toegelicht aan de hand van de figuur, waarin een schematisch beeld wordt gegeven van een doorsnede van een in een gasleiding aan te brengen meter voor het meten 20 van de gasmassa die per tijdseenheid door de leiding stroomt.

Het weergegeven meetinstrument omvat een huis 1 met een ingangsgedeelte 2 en een uitgangsgedeelte 3. In het huis is een vemauwingselement 4 aangebracht in de vorm van een afgekapte De Laval straalpijp.

25 In de vernauwing 5 steekt een conisch toelopende pen 6. Deze is in een uitstulping 1a van het huis 1 geschroefd. Cm het verschuiven van de pen bij hogere drukken in het meetinstrument te vergemakkelijken is de pen voorzien van een drukkanaaltje en een schroefconstructie zodanig dat de drukbelasting qp de schroefdraad en 30 dus de wrijving minimaal is.

Tussen het ingangsgedeelte 2 en het vemauwingselement 4 bevindt zich een suskamer 7 van aanmerkelijk grotere doorsnede dan het ingangsgedeelte.

Een thermokoppel 8 voor het meten van de temperatuur 35 en een drukmeetorgaan 9, zoals een piëzoresistief element voor het meten van de druk steken door de wand van het huis in de suskamer.

In de suskamer is de gassnelheid zeer laag hetgeen nodig is voor het verkrijgen van betrouwbare meetresultaten. Bij een snelheid van 10 va/s of minder blijkt tussen de totale druk en tempera- 8501523 4 tuur en de statische druk en temperatuur een verwaarloosbaar verschil te bestaan. De te berekenen c.q. te beheersen massastroom per tijdseenheid is namelijk een functie van de totale druk en temperatuur en niet van de statische druk en temperatuur. De meting van de statische 5 druk en temperatuur in de suskamer kan dus zonder bezwaar doorgaan voor een meting van de totale druk en temperatuur.

Het aanvankelijk verschil tussen de drukken stroomopwaarts en stroomafwaarts van de vernauwing 5 wordt zodanig gekozen dat in de vernauwing het gas ten minste de sonische snelheid bereikt.

10 Het oppervlak van die sonische doorsnede kan worden gevariëerd door de pen 6 meer of minder ver in de vernauwing 5 te brengen. Dat oppervlak van de sonische doorsnede is behalve van de stand van de pen 6 ook afhankelijk van de curve volgens welke de dwarsdoorsnede van de pen kleiner wordt in de richting van de vernauwing. Deze curve kan wille-15 keurig zijn doch moet voor het berekenen van de gasmassastroom per tijdseenheid bekend zijn. De stand van de pen kan door niet weergegeven middelen, zoals bijvoorbeeld een servomotor worden vastgesteld, Uit die stand en de genoemde bekende curve volgt de grootte van het sonische doorsnede oppervlak. Deze waarde en de gemeten waarden van de totale 20 druk en temperatuur kunnen worden gebruikt voor het berekenen van de massastroom per tijdseenheid. Bijvoorbeeld worden deze waarden gevoerd naar een microprocessor of computer waarin de berekening wordt uitgevoerd volgens reeds genoemde formule:

At

Μ = Γ . Pt . TrZfT

25 \ VRT

‘'l waarbij Γ en R voor een bepaald gas bekend zijn.

Van belang is dat de massastroan zeer gemakkelijk beheerst kan worden door verplaatsing van de pen waarbij de waarde van de door de verplaatsing veranderde massastroom onmiddelijk berekend en 30 bijvoorbeeld digitaal weergegeven kan worden.

Het beschreven meetinstrument werkt slechts indien het gas direct achter de vernauwing met ten minste sonische snelheid stroomt, immers is dan in de vernauwing de snelheid in hoofdzaak constant terwijl het debiet kan variëren. Daarentegen zou bij subsone 35 snelheid van het gas, onder handhaving van het debiet, versnelling van het gas optreden.

Belangrijke voordelen van het meetinstrument met een sonische opening van variabel doorsnede-oppervlak zijn dat het in een zeer breed gebied van temperatuur en druk en debiet zonder risico voor

850 1 5 2 S

5 storingen inzetbaar is en dat de massastroan per tijdseenheid niet alleen gemeten maar ook beheerst kan worden. Voorts is de meet-nauwkeurigheid groot (bijvoorbeeld beter dan 1,8 %) en zijn responstijden kort (bijvoorbeeld 10 ms).

5 Voor het meten en beheersen van de massastrocm is van belang dat het meetinstrument is voorzien van een sonische vernauwing waarvan de doorsnede variabel is. Veel wijzigingen zijn binnen het kader van de uitvinding mogelijk.

8501525

Claims

1. Werkwijze voor het meten van een per tijdseenheid door een leiding stromende gasmassa, waarbij het gas door een vernauwing wordt gevoerd, met het kenmerk, dat de druk stroomopwaarts van de vernauwing zo veel groter is dan stroomafwaarts daarvan 5 dat het gas in de kleinste doorsnede van de vernauwing de sonische snelheid bereikt, en dat de waarde van de massastroom wordt berekend aan de hand van vastgestelde waarden van de totale druk en temperatuur stroomopwaarts van de vernauwing en van de kleinste doorsnede van de vernauwing.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, m e t het kenmerk, dat voor het beheersen van de massastroom het oppervlak van de kleinste doorsnede van de vernauwing wordt gevariëerd.

3. Werkwijze volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat voor het beheersen van de massastroom de totale druk 15 stroomopwaarts van de vernauwing wordt gevariëerd.

4. Inrichting voor het met behulp van de werkwijze volgens conclusie 2 meten en beheersen van een per tijdseenheid door een leiding stromende gasmassa, welke inrichting is voorzien van een vernauwing, met het kenmerk, dat ten minste de kleinste 20 doorsnede van de vernauwing (5) variabel is.

5. Inrichting volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat in de vernauwing (5) een pen (6) van af nemende doorsnede steekt en middelen aanwezig zijn cm de pen meer of minder ver in de vernauwing te bewegen.

6. Inrichting volgens conclusie 5, geken merkt door middelen cm de stand van de pen nauwkeurig vast te stellen.

7. Inrichting volgens één van de conclusies 4-6, met het kenmerk, dat zich stroomopwaarts van de vernauwing 30 (5) een suskamer (7) van relatief grote doorsnede ten opzichte van de leidingdoorsnede bevindt.

8. Inrichting volgens conclusie 7, gekenmerkt door zich tot in de suskamer (7) uitstrekkende middelen (8, 9) voor het meten van de temperatuur en druk.

9. Inrichting volgens één van de conclusies 4-8, met het kenmerk, dat de vernauwing (5) door een afgekapte De Laval straalpijp (4) wordt begrensd. 8501529