DE2521952B2

DE2521952B2 - Durchflußmesser

Info

Publication number: DE2521952B2
Application number: DE2521952A
Authority: DE
Inventors: Charles Richard San Antonio Tex. Gerlach (V.St.A.)
Original assignee: Southwest Research Institute SwRI
Current assignee: Southwest Research Institute SwRI
Priority date: 1974-05-17
Filing date: 1975-05-16
Publication date: 1979-09-06
Also published as: CA1040884A; IT1038183B; DE2521952A1; JPS50159765A; US3910112A; DE2521952C3; GB1486130A

Description

A₁ & 4-3* 4-

Meßkammer (13) befindlichen Ringfläche proportional zur Quadratwurzel der Kolbenauslenkung χ ist

Ar. = Flächeninhalt anströmseitigen Fläche des

Primärkolbens (12),
A'\: — Flächeninhalt der abströmseitigen Fläche

des Primärkolbens (12),
A'r. — Flächeninhalt der atu>trömseitigen Fläche

des SekundärkoHiens (16),
Ar. — Flächeninhalt der absts jmseitigen Fläche des Sekundärkolbens (16).

2. Durchflußmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundäröffnung (26) der Bohrung (24) an der Seitenwand des Schaftes (15) angeordnet ist

3. Durchflußmesser nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch ein den Doppel-T-Kolben (12, 16) gegen die Strömungsrichtung vorspannendes elastisches Organ.

4. Durchflußmesser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das elastische Organ eine sich an der abströmseitigen Fläche des Sekundärkolbens (16) sowie am äußeren Ende (36) im Zylinder (21) abstützende Spiralfeder (18) ist

5. Durchfiußmesser nach Anspruch 1 oder folgende., dadurch gekennzeichnet, daß die Meßkammer (1.5) anströmseitig in ein sich verjüngendes, dem Außenumfang des Primärkolbens (12) angepaßtes Ende (34) übergeht

6. Durchflußmesser nach Anspruch 1 oder folgende, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Sekundftrkolben (16) und der Innenwand des Zylinders (21) wenigstens ein Dichtungsring (17) angeordnet ist

7. Dufdiflußniessef nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Dichtungsringe (17) im Abstand nacheinander angeordnet sind

8. Durchflußmesser nach Anspruch 1 oder folgende, dadurch gekennzeichnet, daß der Konuswinkel der Meßkammer (13) so gewählt ist, daß der Flächeninhalt A(x)der zwischen der Seitenwand des Primärkolbens (12) und der Innenwand (25) der Die Erfindung bezieht sich auf einen Schwebekörper-Durchflußmesser gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die Messung einer Fluidströmung ist in zahlreichen

■ο Betriebsfällen erforderlich, bei welchen die Durchflußrate bekannt sein muß, um einen Prozeß, ein Produkt oder irgendeinen anderen Vorgang, der eine vorgegebene Durchflußrate erfordert, einwandfrei regeln zu können. Eine genaue Messung ist besonders dann schwierig, wenn das zu messende Fluid hohe Viskosität hat und zusätzlich starken Temperaturschwankungen unterworfen ist In diesen Fällen wirken sich temperaturbedingte Viskositätsänderungen nachteilig auf die Genauigkeit der Durchflußratenanzeige aus. Gegebeneafalls können hierbei Meßfehler auftreten, welche den für den jeweiligen Anwendungsf all zulässigen Toleranzbereich überschreiten.

Die Viskosität eines Fluids wird oft als innere Reibung bezeichnet und läßt sich aligemein als die Leichtigkeit beschreiben, mit welcher die Moleküle einer Flüssigkeit Ober- und/oder durcheinandergleiten. Die physikalischen Eigenschaften eines Fluides ermöglichen es, in diesem eine von der Strömungsgeschwindigkeit abhängende gewisse Schubspannung aufzubauen, aufrechtzuerhalten und dadurch der Strömung einen ständigen Widerstand entgegenzusetzen.

In denjenigen Anwendungsfällen, in denen unterschiedliche Fluide durch die gleiche Leitung zu verschiedenen Zeiten transportiert werden, wäre es von großem Vorteil, einen Durchflußmesser zu haben, der Viskositätsänderungen kompensieren kana Je nach den Eigenschaften des zu transportierenden Fluides muß besondere Sorgfalt auf die Wahl des richtigen Durchflußmessers gelegt werden.

Zur Zeit ist es noch erforderlich, für Fluide mit unterschiedlicher Viskosität unterschiedliche Modelle und Bauformen von Durchflußmessern mit bestimmten Eichungen für bestimmte, beschränkte Viskositätsbereiche zu verwenden.

Ein Durchflußmesser gemäß der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Gattung ist aus der US-PS 37 89 644 bekannt Mit dem bekannten Durchflußmesser soll die Aufgabe gelöst werden, unter Verwendung lediglich hydraulischer Hilfsmittel eine Anzeige der zu

so messenden Strömung auch an einem entfernt liegenden Ort darüber zu gestatten, ob ein vorgegebener Durchflußratenbereich eingehalten wird oder nicht Eine Viskositätskompensation ist hierbei nicht vorgesehen. Das gleiche gilt für den aus der US-PS 34 15 119 bekannten Schwebekörper-Durchflußmesser.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, den Schwebekörper-Durchflußmesser der eingangs genannten Gattung derart weiterzuentwickeln, daß er ggf. eintretende Viskositätsänderungen des zu messenden

Fluides kompensiert

Diese Aufgabe Wird durch das Kennzeichen des Anspruchs 1 gelöst

Diese Lösung hat den Vorteil, daß ein einziges Meßgerät für viele unterschiedliche Arten von Fluidsn verwendbar ist und demgemäß — nicht wie früher — mehrere Durchfiußmesser mit bestimmten Eichungen für bestimmte, beschränkte Viskositätsbereiche auf Lager gehalten werden müssen.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die in den Zylinder mündende Sekundäröffnung der Bohrung an der Seitenwand des Schaftes angeordnet Hierdurch kann die Länge der Bohrung auf ein Mindestmaß reduziert werden.

Um die auf den Doppel-T-Kolben einwirkende Gegenkraft unabhängig von der sonst wirksamen Schwerkraft je nach Bedarf aaswählen zu können, ist ein den Doppel-T-Kolben gegen die Strömungsrichtung vorspannendes elastisches Organ, vorzugsweise eine sich an der abströmseitigen Fläche des Sekundärkolbens uswie am äußerer. Ende am Zylinder abstützende Spiralfeder vorgesehen.

Eine derartige Gegenfeder ist zwar an sich aus der GB-PS 12 82 353 bekannt Hierbei handelt es sich aber nicht um einen Durchflußrnessf.r mit Viskositätskompensation.

Eine automatische Zentrierung und Halterung des Doppel-T-Kolbens wird dadurch bewirkt, daß die Meßkammer anströmseitig in ein sich verjüngendes, dem Außsnumfssg des Primärkolbens angepaßtes Ende fibergeht

~ Zur weiteren Erhöhung der Zentrierwirkung, guten Führung des Doppel-T-Kolbens und Gewährleistung einer sicheren Trennung der unterschiedlichen Druckbereiche in der Meßkammer und im Zylinder sind zwischen dem Sekundärkolben und der Innenwand des Zylinders wenigstens ein, vorzugsweise zwei Dichtungsringe im Abstand nacheinander angeordnet

Für eine lineare Beziehung zwischen der Durchflußrate und der auf den Doppel-T-Kolben wirkenden resultierenden Kraft wird dadurch gesorgt, daß der Konuswinkel der Meßkammer so gewählt ist, daß der Flächeninhalt der zwischen der Seitenwand des Primärkolbens und der Innenwand der Meßkammer befindlichen Ringfläche proportional zur Quadratwurzel der Kolbenauslenkung ist

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der schematischen Darstellungen näher erläutert

In den Zeichnungen zeigt

F i g. 1 eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt, des Ausführungsbeispiels und

Fig.2 eine graphische Darstellung der Relation zwischen den verschiedenen Druckdifferenzen und Durchflußraten.

F i g. 1 zeigt den inneren Aufbau des Durchflußmessers und die äußere Ableseskala, welche die Durchflußrate des Fluides anzeigt Der Durchflußmesser ist zum Einbau in eine das Fluid fördernde Leitung (nicht gezeigt) bestimmt Das Fluid tritt in den Durchflußmes* ser in eine Eintrittsöffnung If ein, fließt dann um einen Primärkolben 12 und gelangt in eine Meßkammer 13 im Hauptkörper 30 des Durchflußmessers. Der Fluidaustritt aus der Meßkammer 13 erfolgt durch eine Austrittsöffnung 14, an welcher eine Verbindungsleitung (nicht gezeigt) angeschlossen ist Die Pfeile zeigen die Durchflußrichtung des Fluides an.

Der einzige sich bewegende Teil im Durchflußmesser ist ein aus dem Primärkolben 12 und einem Sekundärkolben 16 bestehender Doppelkolben. Die Kolben 12 und 16 sind durch einen Schaft 15 miteinander verbunden. Der Schaft 15 reicht bi» in einen Ablesebzw. Anzeigebereich 32, in welchem er den Durchfluß auf einem Durchflußanzeiger 20 anzeigt Eine Spiralfeder 18 hält den Primärkolben 12 in einem sich verjüngenden Ende 34 der Meßkammer 13. Wenn kein Fluid strömt, sitzt der Pr'jnärkolben 12 im konturierten Hals bzw. sich verjüngenden Ende 34 der Meßkammer 13; der Durchflußmesser zeigt dann einen Nulldurchfluß an. Die Spiralfeder 13 stützt sich zwischen dem äußeren Ende 36 eines den Sekundärkolben 16 aufnehmenden Zylinders 21 und dem Sekundärkolben 16 ab. Ferner ist am äußeren Ende 36 des Zylinders 21 ein Entlüftungsventil 19 vorgesehen.

Zwischen dem Sekundärkolben 16 und der Wand des Zylinders 21 sind Dichtungsringe 17 vorgesehen, die verhindern, daß Fluid vom Zylinder 21 in die

to Meßkammer 13 gelangt Die Dichtungsringe 17 wirken ferner als Lagerungslemente zwischen dem Zylinder 21 und dem Sekundärkolben 16.

Die Innenwandung 25 der Meßkammer 13 ist so gestaltet, daß das den Primärkolben 12 umströmende Fluid eine direkte Anzeige der Durchflußrate als Funktion des Kolbenhubes innerhalb der Meßkammer 13 zur Folge hat Im dargestellten Ajsführungsbeispiel hat die anströmseitige Fläche A 1 des Primärkolbens 12 einen kleineren Durchmesser als die abströmseitige Fläche AV. Hierdurch wird erreürit, daß sich der Priniärkolben 12 im verjüngenden Ende 34 selbst zentriert und einen einwandfreien Sitz hat, wenn kein Fluid strömt Strömt das Fluid, hat die auf den Primärkolben 12 wirkende Druckdifferenz zur Folge, daß sich dieser in Richtung der Fluidströmung gegen die Spiralfeder 18 bewegt Die Federkonstante K der Spiralfeder 18 ist auf die gewünschte Vorbelastung des Primärkolbens 12 abgestimmt Wenn der Vorbelastungsfaktor, der Druckabfall über den Primärkolben 12, die Federeichung und die Wandkontur des der Meßkammer 13 bekannt sind, können die Strömungsparameter des Fluides bestimmt werden.

Die Fluidströmung hängt von der dimensionslosen Reynolds-Zahl ab. Für diese gilt:

Reynolds-Zahl =

οι ρ

wobei gilt

d ■■= Durchmesser des Rohres [cm],

ω = Durchflußgeschwindigkeit [cm/sec],

ρ = Dichte des Fluides in Masseneinheiten [g/cm³],

μ - absolute Viskosität [Poise].

Bekanntlich ist durch den Wert der Reynolds-Zahl die Strömungsart festlegbar. Oberhalb eines kritischen Wertes der Reynolds-Zahl wird die Strömung als turbulent bezeichnet, unterhalb dieses Wertes wird die

so Strömung als laminar oder viskos bezeichnet Der erfindungsgemäße Durchflußmesser ist unabhängig vom jeweiligen Wert der Reynolds-Zahl.

Die Kontur der Meßkammer 13 und die scharfe Hinterkante des Primärkolbens 12 sollen mögliche Auswirkungen eine·· Veränderung der Reynolds-Zahl weiter herabsetzen. Diese baulichen Merkmale bewirken darüber hinaus eine lineare und zuverlässige Anzeige der Fluiddurchflußrate.
Zur Erläuterung der zur Durchflußrate direkt proportional Auslenkung des Doppel-T-Kolbens in

Abhängigkeit von der Ausgestaltung des Primärkolbens

12 und der Meßkammer 13 dienen die folgenden

Ausführungen. Es sei zunächst eine Fluidströmung mit hoher

Reynolds-Zahl durch den Durchflußmesser angenommen. Unter dieser Bedingung ist der Strörriungsaus* trittskoefflzient Cd der zwischen dem Primärkolben 12 und der Wandkontur der Meßkammer 13 fließenden

Strömung im wesentlichen konstant. Das Verhältnis von Durchflußrate zur Auslenkung ergibt sich aus den folgenden Überlegungen:

Q =

wobei gilt:

Q = Durchflußrate, Cd — Austrittskoeffizient,

A(x) = Ringfläche zwischen dem Primärkolben 12 und der Meßkammer 13; diese Größe ist eine Funktion der Kolbenauslenkung x,

χ = Kolbenauslenkung,

Q = Fluiddichte,

Δ Ρ — Druckdifferenz am Kolben.

Ferner sei angenommen, daß die Beziehung zwischen der effektiven Druckdifferenz fund der Kolbenauslenkung χ folgender Gleichung genügt:

F_r,«.u =( \P)[Ap) = [K)[X),

wobei gilt:

Ap = effektiver Flächeninhalt des Kolbens,

Δ Ρ = effektive Druckdifferenz,

K = Federkonstante,

χ = Kolbenauslenkung.

Aufgrund der Formgebung der Innenwand 25 der Meßkammer 13 und der Außenwandung des Primärkolbens 12 gilt folgende Gleichung:

-4(X) = C₁ ix, (3)

wobei gilt:
Ci = willkürliche Konstante.

Einsetzen der Gleichungen (2) und (3) in die Gleichung 1 ergibt:

Gemäß Gleichung (4) ist Q, d. h. also die Durchflußrate, direkt proportional zur Kolbenauslenkung x, falls Q konstant ist

Die Faktoren Ci, Ap und K sind Parameter, die so gewählt werden können, daß die gewünschte Auslenkung des Durchflußmessers erhalten wird Diese Information in Kombination mit der Dichte und der Reynolds-Zahl der Strömung wird zur Bestimmung der für eine besondere Durchflußgeschwindigkeit erforderliche Kolbenauslenkung verwendet Die Durchfluß-Ableseskala 20 ist so geeicht, daß der Durchfluß unmittelbar abgelesen werden kann.

Entscheidend für die Viskositätskompensation des erfindungsgemäßen Durchflußmessers ist nun eine Bohrung 24, welche den Zylinder 21 mit dem Rand des Primärkolbens 12 verbindet Die Bohrung 24 mündet an einer Sekundäröffnung 26 im Schaft 15 innerhalb des Zylinders 21. Von der Sekundäröffnung 26 verläuft die Bohrung 24 über den Schaft 15 zum Primärkolben 12 in welchen sie abgewinkelt ist und an einer Primäröffnung 23 im ringförmigen Teil des Primärkolbens 12 endet

Im folgenden wird nun die Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Durchflußmessers beschrieben.

Wenn die Fluidströmung durch die Eintrittsöffnung 11 anwächst, hat die zwischen dem Fluid in der Eintrittsöffnung 11 und in der Meßkammer 13 bestehende Druckdifferenz zu Folge, daß sich der Primärkolben 12 entgegen der Spiralfeder 18 bewegt

ίο Bei zunehmendem FluiddurchfluB bewegt sich der Primärkoiben 12 in Richtung zur Austrittsöffnung 14. Demgemäß bewegt sich der Sekundärkolben 16 weiter in den Zylinder 2t hinein. Das Ende 38 des Schaftes 15 dient zur Anzeige der Durchflußrate an der geeichten

i-> Ableseskala 20. Die Ableseskala 20 befindet sich an einem Fenster, das in der Wand des Zylinders 21 vorgesehen und durch welches das Ende 38 des Schaftes 15 beobachtbar ist. Ferner kann eine geeignete Einrichtung zur Fernablesung vorgesehen werden.

In F i g. 2 wird mit P\ der Druck oberstromseitig des Primärkolbens 12 in der Eintrittsöffnung 11, mit Pi der Druck unterstromseitig des Primärkolbens 12 innerhalb der Meßkammer 13 und mit Pj der Druck im ringförmigen Bereich um den Primärkolben 12 bzw. an der Primäröffnung 23 bezeichnet Der Druck P₃ am ringförmigen Bereich des Primärkolbens 12 ist gleich dem im Zylinder 21 herrschenden Druck, da beide Bereiche durch die Bohrung 24 miteinander verbunden sind.

jo Die graphische Darstellung gemäß Fig.2 zeigt die Relation zwischen zunehmender Druckdifferenz und Durchflußrate für Fluide hoher und niedriger Viskosität. Durch Laboratoriumsversuche wurde ermittelt daß sich die Druckdifferenzen (P_t - P₂) und (P, - P₃) gemäß den

j5 Kurven in F i g. 2 verhalten. Im allgemeinen verändern sich bei Fluiden niedriger Viskosität die Werte (P\ — P2)n.v. und (Pi — Ρ₃)κν. proportional zur Durchflußrate; die Differenz zwischen den beiden Druckdifferenzen ist klein; also (Pi-Pi)Nv. etwa gleich (Pi-P₃)Hv..

Dies ist dadurch bedingt daß sich die Strömung eines Fluides niedriger Viskosität innerhalb der konturicrtcn Meßkammerwandung 25 im ringförmigen Bereich um den Primärkolben 12, in welchem sich die öffnung 23 befindet im wesentlichen wie eine Eintrittsströmung durch eine öffnung mit einer scharfen Endkante verhält und daß P₃ »P2 ist und zwar unabhängig vom Durchfluß. Im Gegensatz hierzu besteht bei strömenden Fluiden hoher Viskosität ein beachtlicher Unterschied zwischen den Druckdifferenzen (Pi-Pi)Hv. und

so (Pt-P₃)HV.. Der Druck P₃ an der Eintrittsöffnung 23 ^:st größer als der Druck P₂ innerhalb der Meßkammer 13. Die Druckdifferenz (Pi - P₂)k v. sei mit 4P_C bezeichnet
Wie F ig. 2 zeigt, gilt:

(P₁ - P₃)H. κ - Wc) = (Λ -

Man erhält also bei hoher Viskosität die gleiche Auslenkung des Kolbens wie bei niedriger Viskosität wenn man dafür sorgt, daß die auf den Kolben wirkende Kraft der folgenden Gleichung genügt:

F = [B(P₁ - P₃) - B(P₃ - P₂)] . (6)
Hierbei muß B eine Konstante sein. Denn wegen

PiStPi, also P₃-P₂SiO für Fluide niedriger Viskosität und wegen Gleichung (5) bei hoher

Viskosität erhält man dann die gleiche wirksame ausgebildet, daß gilt: Druckdifferenz.

Für die auf den Doppel-T-Kolben resultierende und Fluidkraft gilt:

A₂ ^ 2 A₁,

P₁A₁ + P₂A₂'- P₂Al - P₃A₂ ,

(7)

wobei gilt:

F - resultierende, gegen die Spiralfeder 18 wirkende FluidkrafS;

P, = Fluiddruck in der Eintrittsöffnung 11;
P₂ - Fluiddruck in der Meßkammer 13;
Pi --■ Fluiddruck im Zylinder 21;
A, - Flächeninhalt des Primärkolbens, auf welchen der Fluiddruck innerhalb der Eintrittsöffnung 11

wirkt;
A₂ = Flächeninhalt des Sekundärkoibens, auf weichen

der Fluiddruck innerhalb des Zylinders 21 wirkt; A'\= Flächeninhalt des Primärkolbens 12, auf welchen der Fluiddruck innerhalb der Meßkammer 13

wirkt;
A'2 - Flächeninhalt des Sekundärkolbens 16, auf welchen der Fluiddruck innerhalb der Meßkammer 13 wirkt

Durch Ordnen der vorangehenden Gleichung ergibt sich:

F = P₁A₁ + P₁(Ai - A[) - P₃A₁ .

(8)

erhält man durch Einsetzen der Gleichungen (9) und (10) in Gleichung (8) für die gegen die Spiralfeder 18 wirkende Kraft folgende Beziehung:

IO F = P₁A₁ + P₂A₁ - 2 P₃A,
= [A₁ (P, - P,)- A_x (P, - P₂)].

HD

Wird nun der Doppel-T-Kolben erfindungsgemäß so r, Aus einem Vergleich der Gleichungen (11) und (6) ergibt sich, daß Gleichung (11) in Gleichung (6) überführt werden kann, wenn man die Konstante B gleich der Konstanten A\ setzt

Hieraus foigt, daß der erfindungsgemäße Durchfiuömesser automatisch Viskositätsänderungen kompensiert.

Das Kompensationsverhalten sowie die lineare Funktion zwischen Durchflußrate und Auslenkung machen den erfindungsgemäßen Durchflußmesser zu- > sätzlich zu den normalen Strömungsüberwachungsfunktionen für zahlreiche Anwendungsfälle geeignet. Beispielsweise ist er zur Drehzahlregelung eines Hydromotors mit geschlossener Schleife und Fernanzeige verwendbar, wobei die Druckdifferenz oder ein hiervon

in abgeleitetes elektrisches Signal als Steuersignal für ein Regelventil dienen kann. Bei Verwendung des Durchflußmessers als Strömungsrückkopplungselement ist es möglich, eine genaue Strömungsregelung von unterschiedlichen Verfahrensfluiden aufrechtzuerhalten.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schwebekörper-Durchflußmesser mit einer sich in Strömungsrichtung konisch erweiternden Meßkammer, einem der Meßkammer nachgeordneten, gleichförmigen Zylinder, und zwei Ober einen Schaft starr miteinander verbundenen, im wesentlichen doppelt-T-förmig zueinander angeordneten Kolben, wobei der Primärkolben in der Meßkammer angeordnet, der Sekundärkolben im Zylinder eingepaßt und die Meßkammer mit dem oberhalb des Sekundärkolbens befindlichen Abschnitt des Zylinders über eine vom Primärkolben durch den Schaft zum Sekundärkolben geführte Bohrung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Primäröffnung (23) der Bohrung (24) im Bereich der Seitenwandung des Primärkolbens (12) angeordnet ist und die an- und abströmseitigen Flächen des Primär- (i2J und Sekundärkolbens (16) folgender Beziehung genügen: