DE1573044C - Viskositätskompensiertes Durchflußmeßgerät nach dem Wirkdruckverfahren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Durchflußmeßgerät nach dem Wirkdruckverfahren für strömende Medien mit einer in die Meßstrecke eingeschalteten hydraulischen Vollbrücke, in deren Diagonalen ein Differenzdruckmesser angeordnet ist und bei der die Summe der Teilwiderstände in einem Brückenzweig zur Summe der Teilwiderstände im dazu parallelen Brückenzweig in konstantem Verhältnis steht, wobei die jeweils in der Brücke diagonal zueinander angeordneten Teilwiderstände von gleicher Art sind, und zwar derart, daß sie entweder einen im wesentlichen laminaren oder einen im wesentlichen turbulenten Anteil des Druckabfalls aufweisen.

Bei den üblichen Durchflußmeßgeräten mit einer einzigen Drosselstelle muß das zur Messung verwendete Drucksignal an einer vom zu messenden Medium durchströmten Querschnittsverengung (Düse, Blende) streng proportional dem Quadrat des Durchflusses sein. Physikalische Größen der Strömung (Dichte, Zähigkeit) und Geräteparameter dürfen nur als Konstanten den Proportionalitätsfaktor zwischen Druckdifferenz und dem Quadrat des Durchflusses beeinflussen.

Die Durchflußmessung nach dem Wirkdruckverfahren wird heute in großem Maße eingesetzt. Abmessungen und Einsatzbereich der hierzu verwendeten Drosselgeräte (Düsen, Blenden) sind in DIN 1952 festgelegt. Der Geräteaufwand ist gering, die erreichbare Meßgenauigkeit groß. Die geforderte strenge Proportionalität zwischen Drucksignal und dem Quadrat des Durchflusses ist bei Verwendung von Düsen und Blenden allerdings nur ab einer bestimmten Reynoldszahl Ri- > 10⁴ der Strömung in der angeschlossenen Rohrleitung gewährleistet. Ist der Kennwert Re (er charakterisiert das Verhältnis von Trägheits- zu Reibungskräften in der Strömung) kleiner als der angegebene Wert, dann wird der genannte Proportionalitätsfaktoi stark von der Viskosität des zu messenden Durchflußmediums beeinflußt. Die für die Durchflußmessunf:

geforderte Grundvoraussetzung, daß nur der Durchfluß eine Drucksignaländerung bewirken darf, ist dann nicht mehr erfüllt. Für Re = Re_c ist also die untere Grenze des Einsatzbereiches der Drosselgeräte nach DIN 1952 erreicht. In der gleichen Norm sind auch Spezialdrosselgeräte (z. B. Viertelkreisdüsen) beschrieben, die bis zu einer Meßbereichsgrenze von Re_c = 300 eingesetzt werden können. In kleineren Durchflußbereichen (Re < Re_c) ist die Anwendung des Wirkdruckverfahrens zur Durchflußmessung von Flüssigkeiten und Gasen mit den bekannten Drosselgeräten nur möglich, wenn man den Einfluß der Viskosität auf das Meßergebnis mitberücksichtigt, d. h., für genaue Durchflußmessungen ist zusätzlich die Viskosität des zu messenden Mediums zu erfassen.

Es sind auch schon Meßgeräte mit einer hydrauii-■ sehen Brückenschaltung bekannt. Zu erwähnen ist z.B. die französische Patentschrift 1 427 971, in der ein Durchflußmeßgerät nach dem Wirkdruckverfahren für Gase beschrieben wird. Es besteht aus einer Meßbrücke (Vollbrücke) mit vier ausgewählten Widerständen. Beaufschlagt man die eine Brückendiagonale mit dem zu messenden Durchflußstiom und setzt in die andere Diagonale ein Druckdii'ferenzmeßgerät, dann ergibt sich bei der gewählten Anordnung ein linearer Zusammenhang zwischen Drucksignal und Durchfluß. Dadurch kann bei vorgegebenem Meßbereich des Manometers ein wesentlich größerer Durchflußbereich erfaßt werden, als z. B. mit den Drosselgeräten, nach DIN 1952 (quadratische Abhängigkeit). Der Einfluß der Viskosität des Durchflußmediums auf das Drucksignal ist hier jedoch garn, erheblich (lineare Abhängigkeit). Auch die Firma FIo-Tron, Inc., Paterson N.J., baut ein Durchflußmeßgerät nach dem Wirkdruckverfahren, das aus vier zu einer Vollbrücke zusammengeschalteten, aber gleichen Widerständen besteht. Der zu messende Durchfluß wird in eine Diagonale der Meßbrücke geleitet. Die andere Brückendiagonale wird von einer Pumpe mit konstantem Förderstrom (dieser muß ein Vielfaches des Meßstroms betragen) beaufschlagt. Bei dieser Anordnung ist die an der Pumpe entstehende Druckdifferenz direkt proportional dem zu messenden Strom und dem Förderstrom der Pumpe, der konstant und

Δρ = Druckverlust an der Drosselstelle,
ζ = Widerstandsbeiwert des Drosselelements,
ρ = Dichte des Durchflußmediums,
V = mittlere Strömungsgeschwindigkeit im Drosselquerschnitt.

Der Widerstandsbeiwert ζ ist dabei eine Funktion der Reynoldszahl Re (F i g. 1). Dies kann wie folgt angegeben werden:

Re

C_T

^6o

c_R = Laminarfaktor.
c_T = Turbulenzfaktor.

Im allgemeinen sind die Größen c_R und c_r ebenfalls abhängig von Re. Für bestimmte ausgesuchte Leitungs-

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viskositätsunabhängig sein muß. Die Meßgenauigkeit ist also entscheidend von der Charakteristik der Hilfspumpe abhängig.

Alle bisher genannten Meßverfahren nach dem Wirkdruckverfahren sind entweder in ihrem Einsatzbereich beschränkt (Düse, Blende) oder erfordern zusätzliche Maßnahmen zur exakten Messung des Durchflusses, wie Messung der Viskosität des Durchflußmediums oder überlagerung eines streng konstanten Förderstroms, dessen Quelle (Pumpe) auch to viskositätsunabhängig sein muß.

Grundgedanke der Erfindung ist es, den im Drosselgerät unvermeidlichen Einfluß der Viskosität des zu messenden Durchflußmediums auf das Drucksignal durch Parallelschaltung geeignet dimensionierter Widerstände zu kompensieren.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß bei einem Gerät der eingangs genannten Art der laminare Anteil des Druckabfalls der jeweils parallelgeschalteten Widerstände gleich ist und die Widerstände ansonsten so ausgebildet sind, daß das Druckdifferenzsignal .:] p_D in der Brückendiagonalen unabhängig von der Viskosität des Durchflußmediums proportional dem Quadrat der Durchflußmenge pro Zeiteinheit ist.

Dadurch kann das Gerät bei beliebigen, also auch bei kleinsten Reynoldszahlen Re eingesetzt werden. Es bedarf also keiner weiteren Hilfsmessungen, und das Gerät ist in seinem Einsatzbereich unbeschränkt. Das Drucksignal ist wie bei den Drosselgeräten proportional dem Quadrat des Durchflusses. Für die Dimensionierung der Leitungselemente muß deren Widerstandsverhalten bekannt sein. Die Erfindung ist an Hand der Zeichnung durch Ausfuhrungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 den Widerstandsoeiwert einer Drosselstelle als Funktion der Reynoldszahl Re,

F i g. 2 und F i g. 3 den Aufbau einer hydraulischen Vollbrücke,

F i g. 4 ein Konstruktionsbeispiel für die Vollbrücke gemäß dem Schema nach F i g. 2,

F i g. 5 den viskositätsabhängigen Gesamtwiderstandsbeiwert ζ₀ und den viskositätsunabhängigen Druckdifferenzbeiwert C_D in der Diagonalen einer Meßbrücke gemäß der Erfindung als Funktion der Reynoldszahl Re und

F i g. 6 eine Anordnung zur viskositätskompensierten Durchflußregelung.

Allgemein wird der Druckverlust an einer Drosselstelle wie folgt beschrieben:

50 Verengungen sind sie jedoch konstant. Bildci man eine hydraulische Vollbrücke aus derartigen Drosselelementen (F i g. 2), und zwar derart, daß jeweils die in der Brücke gegenüberliegenden Widerstände (R₁) gleich und paralk liierende (R₁, R₂) unterschiedlich find, dann kann der für die Durchflußmessung störende Viskositätseinfluß kompensiert werden. Die eine Brükkendiagonale wird mit dem zu messenden Durchfluß Q beaufschlagt. Das Druckdifferenzmeßgerät wird in die andere Brückendiagonale geschaltet (F i g. 2). Der Durchflußstrom ist in den beiden Brückenzweigen gleich (Teilungsverhältnis 1:1), da diese den gleichen Gesamtwiderstand (R₁ + R₇) haben. Für die Gesamtdruckdifferenz I Ji₀ gill:

C₁ = /(R₁); :₂ = /(R₂).

• Weiter gilt nach Voraussetzung:
2 ■ C„

Für die Druckdifferenz in der Biückendiaaoualen

I/'« =■ ('1- -2) ·ί'/2 -V

- ^ι Ji₁ - ■ -R-,

-ί + ^.. — C ■

Rc

Wählt man die Geometrie der Widerstände F, und R₂ so aus, daß gilt:

und C_T

dann gilt

(C₁-C₂)

= (C_T{-C

_T2)

C_r.

/(Re),

d. h., das auf die Dichte des Durchflußmediums bezogene Diucksignal Δp_D ist unabhängig von der Reynoldszahl Re bzw. der Viskosität des Durchflußmediums direkt proportional dem Quadrat des zu messenden Durchflusses.

Dieses Kompensationsprinzip kann generell auch für andere Durchflußteilungsverhältnisse (Bypass-Messung) verwendet werden (F i g. 3). Die Widerstände Ra, Rb, Rc und Rd müssen lediglich so ausgewählt werden, daß das Verhältnis der Durchflüsse in beiden Zweigen unabhängig von Re über den gesamten Meßbereich konstant bleibt.

Ein ausgeführtes Konstruktionsbeispiel zeigt F i g. 4. Als Widerstand R₁ wurde eine kegelige Querschnittsverengung, für R₂ ein Rohr mit konstantem Innendurchmesser gewählt.

F i g. 5 zeigt den Gesamtwiderstandsbeiwert C₀ des Meßelements und den Druckdifferenzbeiwert C₀ in der Diagonalen der Meßbrücke als Funktion der Reynoldszahl Re. Letzterer ist über den gesamten Meßbereich Re < 10⁴ konstant, d. h., in diesem Bereich ist das Drucksignal streng proportional dem Quadrat des Durchflusses.

Mißt man die Gesamtdrückdifferehz , I p₀ und die Druckdifferenz in der Brückendiagonalen, dann läßt sich über diese beiden Werte die Viskosität des Durchflußmediums berechnen. Für die in Fig. 4 dargestellte Meßbrücke lautet die Beziehung:

oder bei bestimmten vereinfachenden Voraussetzungen :

C,

\p_D

r = kinematische Viskosität des Durchflußmediums. Ki, K₂, K₃ und C₁ sind Gerätekonstanten.

Durch Umsetzen des Drucksignals Ap₀ der Brücke in eine elektrische oder mechanische Größe, die dann vor- oder nachgeschaltetes Steuerventil beeinflußt, kann ein viskositätskompensierter Stromregler gebaut werden. Die prinzipielle Möglichkeit einer solchen Anordnung zeigt F i g. 6. Hierin ist (1) die Meßbrücke, deren Drucksignal auf einen mit Federn beaufschlagten

ίο Differentialsteuerzylinder (3) geleitet wird, der das so gewonnene Wegsignal auf das Steuerventil (2) weitergibt. Am Knopf (4) kann der gewünschte Durchfluß eingestellt werden. Das Steuerventil (2) kann der Brücke vor- oder nachgeschaltet werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Durchflußmeßgerät für strömende Medien nach dem Wirkdruckverfahren mit einer in die Meßstrecke eingeschalteten hydraulischen Vollbrücke, in deren Diagonalen ein Differenzdruckmesser angeordnet ist und bei der die Summe der Teilwiderstände in einem Brückenzweig zur Summe der Teilwiderstände im dazu parallelen Brückenzweig in konstantem Verhältnis steht, wobei die jeweils in der Brücke diagonal zueinander angeordneten Teilwiderstände von gleicher Art sind, und zwar derart, daß sie entweder einen im wesentlichen laminaren oder einen im wesentlichen turbulenten Anteil des Druckabfalls aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß der laminare Anteil des Druckabfalls der jeweils parallelgeschalteten Widerstände {Ra/Rc und Rb/Rd bzw. RJR₂ und R₂IRi) gleich ist und die Widerstände ansonsten so ausgebildet sind, daß das Druckdifferenzsignal .1P₀ in der Brückendiagonalen unabhängig von der Viskosität des Durchflußmediums proportional dem Quadrat der Durchflußmenge pro Zeiteinheit ist.

2. Durchflußmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Widerstände Querschnitlserweiterungen verwendet werden.

3. Duvchflußmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei gleiche Widerstände (K₁, R₂) in der Brücke diagonal angeordnet sind.

4. Durchflußmeßgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der turbulente Anteil des Druckabfalls des einen Widerstands (R₁) wesentlich größer ist als der des anderen Widerstands (Ri)-

5. Durchflußmeßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Vollbrücke weitere Teilströme parallel geschaltet sind zur Erweiterung des Meßbereichs.

6. Durchflußmeßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Ein- und Ausgang der Vollbrücke ein zweiter Differenzdruckmesser angeschlossen ist zum Messen der Gesamtdruckdifferenz (Jp₀) zwecks Bestimmung der Viskosität des Durchflußmediums.