DE1498271C - Durchflußmesser ohne bewegliche Teile zur Anzeige eines Massenstromes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Durchflußmesser ohne bewegliche Teile zur Anzeige eines Massenstromes, mit wenigstens zwei Leitungen verschiedenen Durchmessers, einer am Eingang angeordneten Vorrichtung, die das durch eine Leitung mit kleinerem Durchmesser hindurchströmende Medium in einen wirbelnden Zustand versetzt, und einem Meßfühler, der so weit stromabwärts von der Verwirbelungsvorrichtung angeordnet ist, daß er eine für die Präzession des Niederdruckzentrums des Wirbels des in die erweiterte Leitung übertretenden Mediums kennzeichnende Anzeige abgibt. ;

Ein bereits vorgeschlagener Durchflußmesser dieser Gattung dient für volumetrische Durchflußmessungen und vermeidet bereits die Nachteile der bekannten Durchflußmesser, die mit Turbinenläufern, Rügelrädern oder anderen beweglichen Teilen arbeiten. Die Meßgenauigkeit läßt sich erhöhen, die Abnutzungserscheinungen werden verringert, und auch die Ansprechzeit verhält sich günstig.

In vielen Fällen ist es jedoch wichtiger, den Massendurchfluß von Fluiden zu messen. So werden beispielsweise in der Chemie die verschiedenen Mengen von Reaktionsstoffen am besten mittels ihrer Masse bestimmt. Wenn volumetrisch messende Meßgeräte verwendet werden, kann die strömende Masse durch Multiplikation der Volumenmessungen mit der Dichte des Fluids bestimmt werden. Dementsprechend können volumetrische Durchflußmeßgeräte geeichte Anzeigevorrichtungen enthalten, die die Dichte berücksichtigen. Solche Geräte haben aber offensichtlich begrenzte Genauigkeit. Es ist.hinlänglich bekannt, daß die Dichte eines Fluids sowohl eine Funktion seiner Temperatur als- auch des auf es ausgeübten Druckes ist. Ist das Fluid ein Gas, so kommt die Abhängigkeit der Dichte von Temperatur und Druck deutlicher zum Ausdruck. Daher ist es nicht möglich, einen konstanten Proportionalitätsfaktor zwischen dem Volumen und der Masse des gemessenen Fluids zu liefern. Deshalb haben die bekannten indirekten Massenmessungen an einem strömenden Fluid auf Grund von volumetrischen Messungen nur begrenzte Genauigkeit.

Es sind Massendurchflußmesser und auch Dichtemesser bekannt, die die Messung der Laufzeit von Schallwellen durch eine Flüssigkeit ausnutzen. Dazu braucht man einen Schallsender mit entsprechendem. Schaltungs- und Energieaufwand, und es ist eine weitere Schaltung zur Analyse und Verarbeitung der erzeugten Signale erforderlich. Deshalb sind Ultra-Schallmeßgeräte ziemlich kostspielig in der Herstellung und Bedienung.

Die vorliegende Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, einen Durchflußmesser zur Anzeige eines Massenstromes zu schaffen, der von einfachem Aufbau ist und einen guten Genauigkeitsgrad der Größenordnung von besser als 3 % aufweist. Zur Lösung dieser Aufgabenstellung wird ein Durchflußmesser der eingangs als bekannt vorausgesetzten Gattung erfindungsgemäß so gestaltet, daß die von dem Meßfühler ausgehenden Signale zur Anzeige des Massenstromes des Fluids Anschluß an einen Frequenz-Diskriminator und an einen Amplitudendetektor haben, die ihrerseits an einen Divisionsschaltkreis Anschluß haben.

Vorzugsweise wird die Anordnung so getroffen, daß der Divisionsschaltkreis Anschluß an ein Anzeigegerät für den Massendurchfluß hat.

Dabei hat gemäß einem weiteren Erfindungsmerkmal der Divisionsschaltkreis Anschluß an einen Integrator zur Anzeige des Gesamt-Massendurchflusses. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß der Fühler in an sich bekannter Weise ein druckempfindlicher Meßumformer oder ein temperaturempfindlicher Meßumformer ist.

Zum Stande der Technik sei noch darauf hingewiesen, daß es an sich bekannt ist (USA.-Patentschrift 2 887 879), daß ein mit größerer Winkelgeschwindigkeit mit Wirbelbewegung durch ein Rohr . geführter Luftstrom im Zentrum des Wirbels auf Grund der Zentrifugalkraft einen merklich verminderten Druck aufweist. Mit dieser Druckverminderung ist eine adiabatische Ausdehnung der Luft im Wirbelzentrum und entsprechende Energieübertragung an die Luft in den äußeren Teilen des Wirbels verbunden. Die Luft in den äußeren Teilen des Wirbels wird somit verdichtet, und im Wirbelzentrum erfolgt eine Abkühlung der Luft. Auf dieser Erkenntnis bauen bekannte Geräte zur Geschwindigkeitsmessung von Flüssigkeiten auf. Es sind damit aber keine Anhaltspunkte gegeben worden, wie ein Durchflußmesser für den Massendurchfiuß aufzubauen sei.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß ein einziger Meßumformer an das strömende Fluid mittels zweier Anzapfleitungen angeschlossen ist, die an einander diametral gegenüberliegenden Stellen stromaufwärts von der Wirbelvorrichtung in der Leitung verringerten Durchmessers münden.

Eine andere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß zwei Meßumformer stromabwärts von der Wirbelvorrichtung in Verbindung mit zwei einander diametral gegenüberliegenden Stellen der Leitung kleineren Durchmessers stehen.

Die Meßumformer können dabei zweckmäßig parallel oder in Reihe geschaltet sein.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß die Wirbelvorrichtung aus im Inneren der Leitung fest angebrachten Schaufeln besteht. Damit

■ wird insbesondere auch die erwünschte Linearität zwischen den gemessenen Änderungen der Präzession des Wirbelzentrums und der Änderung der zu messenden Strömung erzielt. Für dieses Merkmal . wird hier kein selbständiger Schutz begehrt.

Ein Massendurchflußmesser nach der Erfindung . zeichnet sich auch dadurch aus, daß er sich in Verbindung mit allen homogenen Fluiden benutzen läßt. Er hat eine kurze Ansprechzeit und kann im ganzen Arbeitsbereich sowohl laminare als auch turbulente Strömungen messen. Er kommt ohne aktiv betriebene Meßumformer aus. Eine vorgenommene Eichung bleibt für lange Zeit aufrechterhalten. Er ist auch auf einfache Weise in Rohrleitungen praktisch aller Dimensionen und für die verschiedensten Durchsatzmengen einbaubar. Der Massendurchflußmesser nach der Erfindung kann auch in einen höchstgenauen volumetrischen Durchflußmesser umgewandelt oder gleichzeitig als solcher betrieben werden.

Es folgt die Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung an Hand der Zeichnung. Es zeigt

F i g. 1 einen Längsschnitt durch eine Leitungsanordnung mit zwei Leitungen verschiedenen Durchmessers und angebautem Meßfühler zur Vornahme von Messungen des Massenstromes,

3 4

F i g. 2 eine der F i g. 1 entsprechende Darstellung der Amplitude der Wirbelpräzession kommen Mem-

mit zwei angebauten Meßfühlern, bran-Druckmeßumformer, ein piezoelektrischer Kri-

Fig. 3 eine Querschnittsansicht durch die Meß- stall oder auch ein thermoelektrisches Element, ein

fühler aus F i g. 2, Bolometer od. dgl. in Frage.

F i g. 4 ein Schaltschema der Parallelschaltung der 5 Das an den Ausgangsklemmen 33 und 34 abgege-

Meßfühler aus F i g. 2, · bene Wechselstromsignal ist somit gemäß den obigen

Fig. 5 ein Schaltschema, bei dem die Signalaus- Ausführungen in seiner Frequenz proportional zur

gänge der Meßfühler aus Fig. 2 mit einem Diffe- Geschwindigkeit der Fluidströmung und in seiner

rentialverstärker verbunden sind, Amplitude proportional zum Produkt aus der Dichte

Fig. 6 eine teilweise schematische Längsschnitt- io des Fluids und dem Quadrat der Geschwindigkeit

ansicht einer anderen Anordnung von Meßfühlern der Fluidströmung.

und - ,'■■■■ Wenn ein einzeln angeordneter Meßfühler nicht

Fig.7 das Blockschaltbild eines elektrischen Ge- nur den Druck- und Temperaturschwankungen enträtes zur Verarbeitung der von den Meßfühlern in sprechend der Präzession der Wirbelachse ausgesetzt den Fig. 1,3,4 und 5 erzeugten Signale zur Anzeige 15 ist, sondern auch anderen Druckschwankungen, beides Massendurchsatzes. spielsweise im Infraschallbereich, Schallbereich oder

Die vorliegende Erfindung nutzt zur Messung des Ultraschallbereich, so kann die Messung gestört wer-Massenstromes eines Fluidums in einer Leitungsan- den. Um das zu vermeiden, sind bei der Ausführungsordnung die Erkenntnis, daß die Amplitude der durch ' form nach der F i g. 2 zwei Druck-Meßfühler 40 und die Präzession der Achse eines Fluidwirbels in einer so 40' angeordnet, und zwar einander diametral gegen-Leitungsanordnung hervorgerufenen Druck- oder überliegend. (Im übrigen entsprechen die mit einem Temperaturschwankungen der kinetischen Energie Apostroph versehenen Bezugszeicheri in F i g. 3 dender Strömung, also dem Produkt der Dichte des jenigen aus F i g. 1.)

Fluids und dem Quadrat seiner Geschwindigkeit pro- Bei einer solchen Anordnung übt eine längs der portional ist, während die Frequenz der Druck- oder as Leitungsanordnung laufende Schallwelle im gleichen Temperaturschwankungen proportional zur Ge- Augenblick einen positiven Druckimpuls auf jeden schwindigkeit ist. Das Verhältnis von kinetischer der Meßumformer 40 und 40' aus. Die von'Schall-Energie und Strömungsgeschwindigkeit ist somit di- schwingungen herrührenden Druckimpulse sind also rekt proportional zum Produkt aus der Dichte des bezüglich beider Umformer gleichphasig. Das ist in Fluids und dem Volumendurchsatz und deshalb zum 30 der Fig. 3 durch Pfeile 41 und 41', die die von Massendurchsatz. Schallschwingungen herrührenden Druckimpulse dar-

F i g. 1 veranschaulicht eine Leitungsanordnung stellen, angedeutet.

aus einer Leitung 20 kleineren Durchmessers und Die von der Präzession des wirbelnden Fluids her-

einer Leitung 22 größeren Durchmessers, die über rührenden Druckimpulse auf die beiden Meßfühler

eine Erweiterung 24 miteinander in Verbindung ste- 35 40 und 40' sind jedoch im wesentlichen in der durch

hen. Die Erweiterung kann auch konisch sein. In die Pfeile 42 und 42',angedeuteten Weise um 180''

der engeren Leitung 20 befindet sich ein Stück strom- phasenverschoben. Das heißt, daß der Niederdruck-

aufwärts eine Verwirbelungsvorrichtung 26 in Form bereich des wirbelnden Fluids auf den Meßfühler

von fest im Inneren der Leitung angebrachten Schau- 40' z. B. mit einer Zeitwinkelverschiebung von im fein. Die Verwirbelungsvorrichtung kann auch durch 40 wesentlichen 180° bezogen auf den Meßfühler 40

Rippen gebildet werden. einwirkt. Ein ähnlicher Vorgang spielt sich bei Tem-

Das verwirbelte Strömungsfluidum tritt an der peraturimpulsen ab.

mit der Bezugsziffer 30 bezeichneten Stelle aus der Die Phasengleichheit der auf die beiden versetzten

engeren Leitung in die weitere Leitung über. Dabei Meßfühler 40 und 40' einwirkenden Schallschwingerät die Achse des Wirbels erfahrungsgemäß in die 45 gungen kann man nun ausnutzen, um den Einfluß

erwähnte Präzessionsbewegung, die ihrerseits die der Schallschwingungen auf das Meßergebnis zu eli-

genannten Druck- und Temperaturschwankungen be- minieren. Dazu werden die beiden Meßfühler 40 und

dingt. 40' in einem elektrischen Schaltkreis parallel oder

Zur Messung dieser Druck- und Temperaturschwan- in Reihe geschaltet. Mit der in Fig. 4 gezeigten Ankungen ist bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel 50 Ordnung wirken die von SchaHschwingungen herein Stück stromaufwärts von der Erweiterung 24 ein rührenden Druck-Temperaturimpulse einander entMeßfühler 28 angeordnet, der Ausgangsklemmen 33 gegen. Demgemäß erfolgt eine wechselweise Auslö- und 34 für die von dem Meßfühler erzeugten elek- schung. Die resultierenden Ausgangssignale der bei-, trischen Signale hat. den parallelen Meßfühler liegen an den Anschluß-

Stromabwärts von der Erweiterung 24 ist eine 55 klemmen 36 und 38.

Entwicklungsvorrichtung 32 vorgesehen, um einen Das gleiche Ergebnis läßt sich auch mit der An-

Teil des durch die Wirbelvorrichtung26 verursachten Ordnung nach Fig. 5 erzielen, in der die Meßfühler

Druckverlustes wieder zu beseitigen. Experimentell mit einem Differentialverstärker 44 verbunden sind,

wurde gefunden, daß eine Flächenzunahme zwischen Die Ausgangssignale des Differentialverstärkers wer-

der engeren Leitung 20 und der weiteren Leitung 22 60 den an den Anschlußklemmen 46 und 48 ab-

im Verhältnis 2:3 gute Ergebnisse liefert. . genommen.

Größere Flächenerweiterungen sind auch gut Nach Wunsch können die Meßfühler in Reihe

brauchbar. Die Verwirbelungsvorrichtung 26 ist in geschaltet werden.

einer zwei Durchmessern entsprechenden Entfernung Wenn man in bestimmten Winkelabständen rund

stromaufwärts vom Ende der engeren Leitung 20 an- 65 um die Leitung 20 bzw. 22 mehrere Meßfühlerpaare

geordnet, um die Präzession der Wirbelachse nicht anordnet, dann läßt sich die Zahl der Impulse pro Zeit-

zu stören. einheit vergrößern und damit eine genauere Wertbe-

AIs Meßfühler zur Messung der Frequenz und Stimmung des vorhandenen Durchsatzes ermöglichen.

In der in F i g. 6 gezeigten Ausführungsform der Erfindung haben gleiche Teile wie in den vorangehenden Figuren die gleichen Bezugszeichen, jedoch mit zwei Apostroph-Zeichen. Bei dieser Ausführungsform ist ein einziger Differential-Druck-Meßfühler 60 an zwei einander unmittelbar gegenüberliegende Punkte der Leitung 20 angeschlossen. Das geschieht mittels der Druck-Anzapfleitungen 61 und 61'. Auch bei dieser Anordnung heben sich die gleichphasigen Impulse in den beiden Anzapfleitungen 61 und 61' auf, während die in der Phase verschobenen Druckimpulse, die von dem" präzedierenden Fluidwirbel herrühren, zu einem verdoppelten Ausgangssignal führen: die störenden Schallschwingungen werden also eliminiert, während die zu messenden Druckimpulssignale um den Faktor 2 verstärkt sind. Die von dem Differcntial-Druck-Meßfühler 60 erzeugten Signale werden mittels Anschlußklemmen 66 und 68 übertragen. ■-■■■■' ■■"■' ν.' ■. ' ■.'- .. Y -ν':'.;':.'

Es wurde bereits herausgestellt, daß bei der vorliegenden Erfindung'die Frequenz und die Amplitude der Druck- oder Temperaturschwankungen je für sich festgestellt und zur Ermittlung des Massendurchflusses herangezogen wird. Dazu dient die in F i g. 7 gezeigte Schaltung. Diese besitzt einen Verstärker 74 mit Eingängen70 und 72, die mit irgendeinem der Signalausgänge der oben beschriebenen Meßfühler-Anordnungen verbunden sein können. Der Ausgang des Verstärkers 74 ist mit dem Eingang eines herkömmlichen Frequenzdiskriminators 76 verbunden. Der Frequenzdiskriminator 76 übermittelt von seinem Ausgang ein Signal, das der Frequenz des eingegebenen Eingangssignals proportional ist. Der Ausgang des Verstärkers 74 ist auch mit dem Eingang eines herkömmlichen Amplitudendetektors 78 verbunden, der einen Gleichrichter und -ein Filter enthält. Der Ausgang des Amplitudendetektors 78 übermittelt ein Signal, welches der Amplitude des Eingangssignals proportional ist. Der Ausgang des Frequenzdiskriminators wird nun auf den Divisoreingang und der Ausgang des Amplitudendetektors 78 auf den Dividendeneingang eines herkömmlichen Analog-Divisions-Schaltkreises 80 gegeben. Dieser Schaltkreis 80 ist ein herkömmlicher Rechenverstärker, der in der Analogrechentechnik gut bekannt ist. Der Rechenverstärker führt eine Division durch und gibt an seinem Ausgang ein Signal ab, das den Quotienten der Dividenden- und der Divisorenrechengröße wiedergibt, die durch die seinen zwei Eingängen zugeführten Signale dargestellt werdend Gemäß den obigen'Ausführungen gibt alsodas Signal am Ausgang des^; Schaltkreises 80 den Massendurchsatz des durch ' die Leitungsanordnung fließenden Fluids wieder! ^ΛVν.'■".';■ '';■ .''■·' -""f"^;;" ;-'. '^v' .^v'' /;;..::.,;" v;" ^::.,^; "'/.;. · ·. Der Ausgang des Schaltkreises 80 kann mit einem herkömmlichen Anzeigegerät 82 für den Massendurchfluß pro Zeiteinheit verbunden sein.

/Wenn die gesamte Masse des durch die Leitungsanordnung fließenden Fluids zu eimitteln ist, kann der Ausgang des Schaltkreises mit einem Integrator 84 zur Anzeige des gesamten Massendurchflusses verbunden sein. Es handelt sich um einen Integrator herkömmlicher Bauart, wie beispielsweise einen gleichstrommbtorbetriebenen Räderwerk-Mechanismus, dessen Skala in Masseneinheiten geeicht ist.

Claims (8)

' Patentansprüche: ■''-'.'

1. Durchflüßmesser ohne bewegliche Teile zur Anzeige eines Massehstromes, mit wenigstens zwei Leitungen verschiedenen Durchmessers, einer am Eingang angeordneten Vorrichtung, die das durch eine Leitung mit kleinerem Durchmesser hindurchströmende Medium in einen wirbelnden Zustand versetzt, und einem Meßfühler, der so weit stromabwärts von der Verwirbelungsvorrichtung angeordnet ist, daß er eine für die Präzession des Niederdruckzentrums des Wirbels des in die erweiterte Leitung übertretenden Mediums kennzeichnende Anzeige abgibt, dadurch gekennzeichnet, daß die von dem Meßfühler (28,40,40', 60) ausgehenden Signale zur Anzeige des Massenstromes des Fluids Anschluß an einen Frequenz-Diskriminator (76) und an einen Amplitudendetektor (78) haben, die ihrerseits an einen Divisionsschaltkreis (80) Anschluß

'. haben.

2. Durchflußmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Divisionsschaltkreis (80) Anschluß an ein Anzeigegerät (82) für den Massendurchfluß hat.

3. Durchflußmesser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Divisionsschaltkreis (80) Anschluß an einen Integrator (84) zur Anzeige des Gesamt-Massendurchflusses hat.

4. Durchflußmesser nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Fühler (28) in an sich bekannter Weise ein druckempfindlicher 'Meßumformer (40. 40', 60) oder ein temperaturempfindlicher Meßumformer ist.

5. Durchflußmesser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein einziger Meßumformer (60) an das strömende Fluid mittels zweier Anzapfleitungen (61,61') angeschlossen ist, die an einander diametral gegenüberliegenden Stellen stromaufwärts von der Wirbelvorrichtung (26") in der Leitung (20') verringerten Durchmessers münden.

6. Durchflußmesser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Meßumformer (40,40') stromabwärts von der Wickelvorrichtung (26) in Verbindung mit zwei einander diametral gegenüberliegenden Stellen der Leitung kleineren Durchmessers stehen.

7. Durchflußmesser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßumformer (40,40') parallel oder in Reihe geschaltet sind. ^:

8. Durchflußmesser nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

/daß die Wirbelvorrichtung (26) aus im inneren der Leitung (20) fest angebrachten Schaufeln besteht. -

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen