DE2626450C3 - Vorrichtung zur Massendurchflußmessung - Google Patents
Vorrichtung zur MassendurchflußmessungInfo
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Description
M =
wobei w und C Apparatekonstanten sind, eine dem
Massendurchsatz pro Zeiteinheit proportionale Ausgangsspannung erzeugt.
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Massendurchflußmessung
von Flüssiggas, das aus einem Vorratstank od. dgl. über eine Meßstelle zu einem Verbraucher, gegebenenfalls in Form eines Speicherbehälters
od. dgl., gepumpt wird, mit einer zwischen Meßstelle und Verbraucher abzweigenden Kurzschlußleiuing,
die über ein Ventil an den Vorratstank anschließbar ist zum Abkühlen des Leitungsbereiches
mit der Meßstelle mittels Umwälzen des Flüssiggases vor der Messung unter die Siedetemperatur.
Die Behandlung von Flüssiggasen wird grundsätzlich durch den Umstand erschwert, daß sie bei Umgebungs-
temperatur bereits einen erheblich über Atmosphärendruck liegenden Dampfdruck erzeugen und daher
bestrebt sind, in die dampfförmige Phase überzugehen. Sie müssen deshalb bei sehr tiefen Temperaturen
gehalten werden, im Falle von Kohlensäure bei etwa
ίο -30°C, im Falle von Stickstoff bei etwa -180M
Durch die DE-OS 22 57 582 ist ein Durchflußmesser mit einem verschiebbaren Meßkörper bekanntgeworden.
Der Meßkörper wird von der Strömung ausgelenkt und verstellt dabei einen Schiebewiderstand. Für sehr
γ, tiefe Temperaturen des zu messenden Mediums ist dieses Prinzip allerdings nicht anwendbar, denn die
verschiebbare Anordnung des Meßkörpers ist von der Werkstoffseite her nur mit aufwendigen Konstruktionen
zu lösen. Durch die direkte Verbindung des Meßkörpers mit dem Schiebewiderstand wird außerdem
der Bewegungswiderstand erhöht und die Anspreehgenauigkeit verringert Ein weiterer Nachteil
besteht darin, daß das elektrische Widerstandselement für die Temperaturkompensation in der Rohrwand sitzt
und durch Wärmeleitung von der Wand starken Temperaturverfälschungen ausgesetzt ist
Durch die DE-AS 10 34 875 ist eine Einrichtung zur Berücksichtigung schwankender Temperatur und
schwankenden Druckes bei der Messung des Gewichts-
M) durchflusses gasförmiger Stoffe bekanntgeworden, wo
der Temperatur-Meßwiderstand als Spule in der Strömung sitzt Dabei wird die Strömung gestört und
verwirbelt; die Spule muß daher einen erheblichen Abstand zur Meßblende aufweisen, damit die dortigen
π Druckverhältnisse nicht verfälscht werden. Man hat
dabei allerdings keine Kontrolle, inwieweit sich die Temperatur des Mediums zwischen der Temperaturmeßstelle
und der Druckmeßstelle geändert hat
Die DE-OS 25 49 002 betrifft einen Massenstrommesser
für gasförmige Medien mit eitjr Drossel aus einem
System von parallelen engen Kanälen und zusätzlichen Hilfsdrosseln. Die Druckmessung erfolgt über Halbleitermembranen,
deren elektrischer Widerstand der Absoluttemperatur des zu messenden Mediums propor-
4-> tional ist. Ein separater Temperaturfühler erübrigt sich
daher. Dieses System ist jedoch wegen der zahlreichen Strömungskanäle relativ aufwendig in der Herstellung
und im übrigen nur für laminare Strömungsverhältnisse geeignet.
-,ο Die GB-PS 6 37 738 betrifft einen Feuchtemesser, bei
dem die Temperaturkompensation mit Hilfe eines Widerstandes mit negativer Kennlinie erfolgt.
Schließlich ist durch die DE-OS 23 13 099 ein Durchflußmeßgerät für siedende Flüssigkeiten bekanntgeworden,
das eine Drosselstelle mit variablem Querschnitt aufweist. Dabei ist ein Verdrängungskörper
über eine Spindel mehr oder weniger weit radial in das Rohr einfahrbar. Durch ein Schauglas wird festgestellt,
ob an der Drosselstelle Verdampfung stattfindet. Bei
bo diesem Gerät handelt es sich um ein Laborgerät, das für
den betrieblichen Einsatz zu unsicher ist. Denn es fehlt vor allem an einer zuverlässigen Temperaturkompensation,
und außerdem ist die Abdichtung der Spindel mittels der Stopfbuchse bei den auftretenden Temperate
turunterschieden einem raschen Verschleiß ausgesetzt.
Die Massendurchflußmessung von Flüssiggasen erfolgt daher üblicherweise dadurch, daß man die
umgepumpte Flüssiggasmenge durch Wiegen des
Speicherbehälters vor und nach dem Füllvorgang ermittelt Diese Methode ist. allerdings recht kostspielig,
da für jeden Speicherbehälter eine eigene Waage bereitgestellt und diese Waage in bestimmten Zeitabständen
geeicht werden muß. Daher sind neuerdings -> auch Meßverfahren entwickelt worden, die in der
Meßstelle einen Flügelrad- oder Turbinenzähler zur kontinuierlichen Durchflußmessung enthalten. Problematisch
an dieser bekannten Einrichtung ist der hohe Lagerverschleiß an der Flügelrad- bzw. der Turbinen- m
welle aufgrund der tiefen Temperatur. Es müssen deshalb sehr kostspielige Lagermetalle eingesetzt
werden. Bei der Förderung von flüssigem Stickstoff läßt sich aber auch hierdurch noch keine befriedigende
Betriebssicherheit und Lebensdauer erzielen. ι -,
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Meßvorrichtung für Flüssiggas zu entwickeln, die auch
bei besonders tiefsiedenden Flüssigkeiten wie beispielsweise Luft oder Stickstoff mit absoluter Sicherheit
eingesetzt werden kann. Weiterhin soll sich die :n
erfindungsgemäße Vorrichtung durch hohe Genauigkeit und einfachen sowie kostengünstigen Aufbau auszeichnen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Drossel in Form eines Kolbens, der radial in die r>
Strömung ragt und in einer Kugelkappe ausläuft, als Differenzdruckgeber vorgesehen ist, daß vor der
Meßstelle ein Druckschalter und hinter der Meßstelle ein Druckwiderstand eingebaut ist und daß der
Druckschalter nach Oberschreiten eines bestimmten jo
Mindestdruckes und Verstreichen einer gewissen Sicherheitszeitspanne die Leitung zum Verbraucher
freigibt und daß ein Halbleiter zur Berücksichtigung der Flüssigkeitsdichte im Drosselkolben angeordnet ist,
dessen Widerstandscharakteristik bezüglich der Tempe- j-,
ratur auf den Dichteverlauf der Meßflüssigkeit abstimmbar ist, wozu ein Potentiometer parallel und ein weiteres
Potentiometer in Reihe zu dem Halbleiter geschaltet ist.
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß der Massendurchfluß bei flüssig-dampfförmigen Mischpha- to
sen mit den\ bekannten Meßprinzip der Wirkdruckmessung an Drosselstellen ermittelt werden kann, wenn
man durch ausreichende Druckerhöhung in der Strömung dafür sorgt, daß keine Dampfphase vorliegt
und daß auch durch die Ausbildung des Kolbens ohne 4*1
scharfe Kanten oder vorspringende Teile kein lokales Ausdampfen zu befürchten ist. Da man keinerlei
bewegliche Teile in der Meßstelle benötigt, ergibt sich der weitere Vorteil, daß die Temperaturmessung
unmittelbar im Drosselkolben erfolgen kann. Dieser ist -,0 aufgrund seiner der Suomung ausgesetzten Position
keinen Temperaturverfälschungen durch Wärmeleitung von außer-, unterworfen und vermag auch schneller auf
Temperaturänderungen des Mediums anzusprechen. Außerdem wird die Meßgenauigkeit noch dadurch >-,
erhöht, daß der Ort für die Druck- und die Temperaturmessung derselbe ist und man keine
unkontrollierten Strömungswege zwischen beiden Meßpunkten in Kauf nehmen muß.
Der Radius der Kugelkappe des Meßkolbens und to damit auch der Radius des Meßkolbens selbst wird
zweckmäßigerweise etwa gleich dem Rohrradius gewählt. Dies hat sich bei Probemessungen als
besonders günstige Dimensionierung erwiesen.
Bezüglich der Anordnung der Querbohrungen für die t,*>
Messung des Wirkdruckverlustes ist es vorteilhaft, die eine Querbohrung im engsten Rohrquerschnitt der
Drosselstelle, die andrre Querbohrung zumindest um die Größe des Robrdurchmessers in Strömungsrichtung
davor anzuordnen, Dadurch läßt sich der Verlauf der Durehflußzahl als glatte Funktion der Reynoldszahl und
damit dss Massendurchsatzes M darstellen. Das
Auswerteverfahren wird hierdurch vereinfacht, und bezogen auf den Rechenaufwand ergibt sich eine
erhöhte Meßgenauigkeit.
Für die Auswertung ist es schließlich zweckmäßig, die dem Differenzdruck proportionale Spannung und die
dem spezifischen Volumen proportionale Spannung einem Analogrechner einzugeben, der entsprechend der
Gleichung
wobei m und C Apparatekonstanten sind, eine dem Massendurchsatz pro Zeiteinheit proportionale Ausgangsspannung
erzeugt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen näner beschrieben; dabei zeigt
F i g. 1 ein Fließschema,
F i g. 2 ein Zustandsdiagramm im Zwe.phasenbereich,
Fig. 3 die Schaltung des Halbleiters für die Temperaturmessung und
F i g. 4 den Verlauf des ohmschen Widerstandes und des Dicinekehrwertes über der Temperatur.
In dem Vorratstank 1 befindet sich Flüssiggas im Sättigungszustand, d. h., seine Druck- und Temperaturwerte liegen auf der in Fig.2 eingezeichneten
Grenzkurve. Eine Entnahmeleitung 2 führt über eine Pumpe 3 zur Meßstelle 4. Hinter der Meßstelle ist ein
Dreiwege-Ventil 5 angeordnet, welches das Flüssiggas entweder über die Kurzschlußleitung 6 zurück in den
Tank 1 oder über die Leitung 7 in den verbraucherseitigen Speicherbehälter 8 leitet. Das Dreiwege-Ventil 5
wird durch einen an der Meßstelle angeordneten Druckschalter 9 und ein nicht dargestelltes Zeitrelais
gesteuert.
Die Meßstelle 4 ist zur besseren Erläuterung vergrößert dargestellt. Sie besteht aus einem zylindrischen
Rohrstück, an dessen Einlauf ein Strömungsgleichrichter 10 zur Vergleichmäßigung der Strömung
angeordnet ist. Am Ende ist ein Strömungswiderstand Il angeordnet. Dazwischen sitzt ein in Radialrichtung
justierter Kolben !2, der an seinem in die Strömung ragenden Ende in einer Kugelkappe ausläuft. Im
Inneren des Kolbens 12 sitzt ein Temperaturfühler in Form eines Heißleiters 13.
Zwei Querbohrungen 14 und 15 sind an eine Differenzdruckdose 16 angeschlossen, die ein dem
Wirkdruckverlust entsprechendes Signal erzeugt. Während die eine Querbohrung 15 im engsten Strömungsquerschnitt angeordnet ist, richtet sich die Positionierung
der davor liegenden Querbohrung 14 nach dem Leitungsdurchmesser.
Die Funktion ist folgende: Sobald die Leitung 7 an den Verbraucherbehälter 8 angeschlossen ist, gibt ein
nicht dargestelltes Ventil die Leitung 2 frei. Der Druckschalter 9 hält dabei die Leitung 7 blockiert, die
Kurzschlußleitung 6 hingegen auf. Das Flüssiggas entspännt sieh zunächst im Leitungssystem und
zirkuliert von der Pumpe 3 angetrieben in zunächst noch gasförmiger Phase. Durch das Umwälzen im geschlossenen
Kreislauf wird das Leitungssystem allmählich heruntergekühlt, s? daß der Anteil der flüssigen Phase
zunimmt und der Förderdruck der Pumpe 3 ansteigt. Dieser Druckanstieg wird durch einen hinter der
Meßstrecke eingebauten Strömungswiderstand 17 begünstigt.
Ist der Leitungsdruck um ein vorbestimmtes Maß
über den Sättigungsdruck im Tank 1 angestiegen, so spricht der Druckschalter 9 an und schaltet ein nicht
dargestelltes Zeitrelais ein. Dieses Zeitrelais gibt nach etwa einer Minute die auf dem Dreiwege-Ventil 5
lastende Sperre frei, so daß nun nach Bedarf dieses Ventil umgeschaltet und der Verbraucherbehälter 8
gefüllt werden kann. Zugleich mit dem Umschalten des Ventils 5 wird auch der Durchflußzähler in Gang
gesetzt.
Durch das Zeitrelais wird sichergestellt, daß der Temperaturfühler für die Dichtekorrektur seinen
Betriebszustand erreicht.
F i g. 2 verdeutlicht die beim Umpumpen und Messen sich einstellenden Druck- und Enthalpieänderungen.
Der auf der Grenzkurve liegende Zustandspunkt 1 gibt im Tunk ! wieder. Um zu υ0ΓΓΠ^'^ρη
daß durch den an der Drossel eintretenden Wirkdruckverlust Δ ρ eine Zustandsänderung zur Dampfphase hin
erfolgt, entsprechend dem Zustandspunkt II, muß das Flüssiggas durch die Pumpe 3 auf einen höheren Druck,
beispielsweise entsprechend dem Zustandspunkt III, komprimiert werden. Die Entspannung an der Drosselstelle
führt dann zu einem oberhalb der Grenzkurve, also im Flüssigkeitsgebiet liegenden Zustandspunkt IV.
F i g. J zeigt die Schaltung des beispielshalber als Heißleiter Rudargestellten Tempcraturlühiers 13. Er ist
mit einem Potentiometer 18 parallel und einem weiteren Potentiometer 19 in Reihe geschaltet. Betrachtet man
lediglich den Heißleiter 13, so würde dieser eine Abhängigkeit seines ohmschen Widerstandes über der
Temperatur aufweisen, wie sie die durchgezogene Linie in Fig.4 zeigt. Durch entsprechendes Verstellen des
parallelgeschalteten Potentiometers 18 läßt sich der Verlauf des durch den Potentiometer und den Heißleiter
gebildeten Widerstandes in seiner Steigung verändern, so daß sich der gleiche Steigungsverlauf einstellt wie für
die Dichte o, entsprechend der strichpunktierten Linie.
Um beide Kurven zur Deckung zu bringen, bedarf es lediglich noch einer Ordinatenverschiebung, die mit
Hilfe des in Reihe geschalteten Potentiometers 19 erfolgt. Der Gesamtwiderstand aus beiden Potentiometern
und dem Heißleiter zeigt dann exakt dieselbe Temperaturabhängigkeit wie die Dichte oder proportional
der Dichte.
Die automatische Auswertung der Meßwerte geht folgendermaßen vor sich: Das Signal der Differenzdruckdose
16 wird in eine dem Differenzdruck Δ ρ proportionale Spannung Up umgewandelt. Der Heißleiter
in Verbindung mit seinen beiden Potentiometern erzeugt eine dem spezifischen Volumen l/ρ proportionale
Spannung U. Beide Spannungen werden einem Analogrechner zugeführt, der entsprechend der Gleichung
A/
wobei n< und C Apparatckonstanten sind, eine dem
Massendurchsatz pro Zeiteinheit M proportionale Aiisgangsspannung erzeugt. Diese Ausgangsspannung
w i'il mit einem Spannungs/Frequenzwandler in eine
Frequenz umgewandelt. Mit einem elektromechanischen Zähler wird diese Frequenz gezählt, so daß der
Zahler den Massendurchsatz, beispielsw.ijc in kg,
anzeigt.
Stromausfall, zu frühes Abschalten oder Ansaugen von Dampf bzw. Gas durch die Pumpe bewirken, daß
das Dreiwege-Ventil 5 umgesteuert wird und der Zähler stehenbleibt. Erst wenn das Zeitrelais das Dreiwege-Ventil
wieder entriegelt hat, kann das Umfüllen weitergehen.
Zusammenfassend besteht der Vorteil der vorliegenden Erfindung darin, daß man mit einfachen, kostengünstigen
Teilen ein noch für tiefste Temperaturen geeignetes und hochgenaues Verfahren zur Durchflußmessung
von Flüssiggasen gefunden hat.
llier/u 2 BhHi Zeichnungen
Claims (4)
1. Vorrichtung zur Massendurchflußmessung von
Flüssiggas, das aus einem Vorratstank od. dgl. über eine Meßstelle zu einem Verbraucher, gegebenenfalls
in Form eines Speicherbehälters od. dgl, gepumpt wird, mit einer zwischen Meßstelle und
Verbraucher abzweigenden Kurzschlußleitung, die über ein Ventil an den Vorratstank anschließbar ist
zum Abkühlen des Leitungsbereiches mit der Meßstelle mittels Umwälzen des Flüssiggases vor
der Messung unter die Siedetemperatur, dadurch gekennzeichnet, daß eine Drossel in Form
eines Kolbens (12), der radial in die Strömung ragt und in einer Kugelkappe ausläuft, als Differenzdruckgeber
vorgesehen ist, daß vor der Meßstelle (4) ein Druckschalter (9) und hinter der Meßstelle ein
Druckwiderstand (17) eingebaut ist und daß der Druckschalter (9) nach Überschreiten eines vorbestimmten
Mindestdruckes und Verstreichen einer gewissen Sicherheitszettspanne die Leitung (7) zum
Verbraucher (8) freigibt und daß ein Halbleiter (13) zur Berücksichtigung der Flüssigkeitsdichte im
Drosselkolben (12) angeordnet ist, dessen Widerstandscharakteristik
bezüglich der Temperatur auf den Dichteverlauf der Meßiiüssigkeit abstimmbar
ist, wozu ein Potentiometer (18) parallel und ein weiteres Potentiometer (19) in Reihe zu dem
Halbleiter (13) geschaltet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daJ der Radius der Kugelkappe und damit
auch des Kolbens (1?) etwa gleich dem Rohrradius ist.
3. Vorrichtung nach einem '!er vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Querbohrung (15) zur Bestimmung des Druckverlustes
Sp etwa im engsten Rohrquerschnitt der Drosselstelle, die andere Querbohrung (14) zumindest
um die Größe des Rohrdurchmessers in Strömungsrichtung davor angeordnet ist
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die deai
Differenzdruck proportionale Spannung und die dem spezifischen Volumen proportionale Spannung
einem Analogrechner eingegeben werden, der entsprechend der Gleichung
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