DE3140663A1

DE3140663A1 - "duesenpitot-messfuehler"

Info

Publication number: DE3140663A1
Application number: DE19813140663
Authority: DE
Inventors: Robert O. 27529 Garner N.C. Brandt jun.
Original assignee: Brandt Industries Inc USA
Current assignee: Brandt Industries Inc USA
Priority date: 1980-10-14
Filing date: 1981-10-13
Publication date: 1982-08-26
Also published as: US4372171A; FR2492094A1; JPS57110919A; GB2086590A

Description

-4- NACHQEREICHT

Düsenpitot-Meßfühler

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Düsenpitot-Meßfühler ("primary") zur wirksamen Erfassung und Messung von des Differenz- oder Geschwindigkeitsdrucks eines Systems von in einer Leitung oder einem Kanal strömender Luft oder Gas. Indem man den Differenz- oder Geschwindigkeitsdruck mißt, läßt sich, wie einzusehen ist, die Luft- bzw. Gasströmungsstärke leicht bestimmen.

Es sind Meßfühleranordnungen zur Bestimmung einer Luftströmung bekannt und im Handel; vergl. die Offenbarung der US-PSn 3 981 193, 4 036 054 und 3 785 206. Diese Meßfühler weisen eine Anordnung aus statischen und Gesamtdruckpitots in einem Kanal derart auf, daß sie die Strömung über die Querschnittsfläche des Kanals mitteln. Derartige Meßfühler arbeiten jedoch meistens nicht sehr genau. Obgleich sie mit Mitteln arbeiten, ist das Geschwindigkeitsprofil an den Seiten und Ecken des Kanals nicht gleichmäßig; der resultierende Fehler kann daher erhebliche Werte annehmen.

Die vorliegende Erfindung schafft einen mittelwertbildenden Düsenpitot-Meßfühler, der genauere Strömungsmeßwerte als die bekannten handelsüblichen Meßfühler ermöglicht.

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Insbesondere beseitigt der mittelwertbildende Düsenpitot-Meßfühler nach der vorliegenden Erfindung die von bekannten Meßfühlern aufgeworfenen Probleme, indem er ein besser vorhersagbares. Geschwindigkeitsprofil insbesondere in den Außen- und Eckbereichen des Strömungssystems erzeugt. In der Tat erhält man mit dem Meßfühler nach der vorliegenden Erfindung ein vorhersagbares Geschwindigkeitsprofil über im wesentlichen die gesamte Querschnittsfläche des Düsenteils des Meßfühlers, so daß man eine Gruppenanordnung aus statischen- und Gesamtdruckpitots so anordnen kann, daß die Geschwindigkeit der Strömung im System genauer gemittelt wird.

Zusätzlich wurden bei der Entwicklung des mittelwertbildenden Düsenpitot-Meßfühlers nach der vorliegenden Erfindung bestimmte körperliche Zusammenhänge zwischen der Düse, der Pitotanordnung und der Größe des Hauptkanals ermittelt, die für die Konstruktion wesentlich sind. Beispielsweise scheint bei einer zylindrischen Konstruktion das Verhältnis dejs Durchmessers der Pitotgruppe zum Innen- bzw. Halsdurchmesser der Düse für das Messen und Mitteln der Geschwindigkeit in der Strömung wesentlich zu sein, desgleichen, das Verhältnis des Innen- bzw. Halsdurchmessers der Düse zum Durchmesser des Hauptkanals. Diese Einflußfaktoren und ihre Nutzung in einer speziellen Konstruktion werden unten ausführlicher behandelt.

Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen genauer arbeitenden, mittelwertbildenden Pitot-Meßfühler anzugeben, mit dem sich die Strömung in einem Strömungssystem genauer messen läßt.

Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, einen mittelwertbildenden Pitot-Meßfühler der oben erläuterten Art anzugeben, der Mittel, um die Strömung so einzuschnüren, daß man ein vorhersagbares Geschwindigkeitsprofil

erhält, sowie eine Gruppenanordnung aus mittelwertbildenden statischen und Gesamtdruckpitots aufweist, die so im eingeschnürten Bereich angeordnet sind, daß sie die Geschwindigkeitsdruckdifferenz in diesem Bereich messen kön^nen·

Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, einen mittelwertbildenden Pitot-Meßfühler der oben erläuterten Art anzugeben, der eine Einschnüreinrichtung in der Art ^q einer Düse aufweist, um ein allgemein vorhersagbares Geschwindigkeitsprofil zu erzeugen.

Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, einen mittelwertbildenden Düsenpitot-Meßfübler anzugeben, der !5 eine- verhältnismäßige scharfe Wandgrenze aufweist, um das Formen eines vorhersagbaren Geschwindigkeitsprofils zu unterstützen, und der die Probleme der bekannten Me.ßfühler vermeidet, bei denen das Geschwindigkeitsprofil· an den Seiten und Ecken unregelmäßig und nicht vorhersagbar ist.

Fig. 1 ist ein Seitenriß des Meßfühlers

nach der vorliegenden Erfindung; Fig. 2 ist ein Schnitt durch den erfindungsgemäßen Meßfühler auf der Ebene 2-2 der Fig. 1;

Fig. 3 ist eine Schnittdarstellung zur Erläuterung des Gamma- und Beta-Verhältnisses, wie sie in der vorliegenden Offenbarung verwendet sind;

Fig. 4 ist ein Diagramm aufgrund von Labormessungen zur Bestimmung von C₁ (vergl. die folgende Offenbarung) für einen Beta-Wert von 0,707.

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— Π —

Die Zeichnung zeigt den mittelwertbildenden Düsenpitot-Meßfühler nach der vorliegenden Erfindung in Form einer allgemein mit dem Bezugszeichen 12 bezeichneten Spulenanordnung, die betrieblich in eine Hauptleitung 10 eingeschaltet ist, die die zu messende Strömung führt.

Die Anordnung 10 weist zwei zylindrische Abschnitte 14, 16 mit jeweils zwei zu Flanschen ausgestalteten Enden 18 auf. Stromaufwärts und innerhalb des Abschnitts 14 befindet sich eine Einrichtung 20 zur Stromungsbegradxgung, die vorzugsweise einen Wabenquerschnitt hat und typischerweise aus Aluminium oder nichtrostendem Stahl ausgeführt sein kann. Diese Einrichtung richtet die Strömung gradlinig aus, bevor sie den unten erläuterten Meßfühler erreicht.

Innerhalb des Abschnitts 12 und insbesondere zwischen den zylindrischen Abschnitten 14, 16 ist eine die Strömung einschnürende Einrichtung in Form einer Düse vorgesehen.

Diese^Düse weist einen Flanschteil 22 auf, der zwischen den Flanschenden 18 der beiden zylindrischen Abschnitt 14, 16 liegt und zwischen ihnen mit den Bolzen 21 festgelegt ist, die durch den üüsenflansch 22 und durch Bohrungen in den Flanschenden 18 verlaufen. Vorzugsweise befinden sich Dichtungen zwischen den Seitenflächen des Düsenflansches 22 und den Flanschenden der Abschnitte 14, 16.

Wie die Zeichnung zeigt, weist die Düse einen Hauptwandabschnitt 24 auf, der vom Einlaßende 26 der Düse zum Aus-³Q laßende 28 verläuft. Aus dem Wesen einer Düse ergibt sich, daß ihr Durchmesser von Einlaßende 26 zum Auslaßende 28 hin kleiner wird, wobei der Innendurchmesser der Düse (Halsdurchmesser) in der hier erläuterten Konstruktion

der Durchmesser am Auslaßende 28 ist. 35

-δι Der Düse ist eine Gruppenanordnung von mittelwertbildenden Pitots zugeordnet, die allgemein mit dem Bezugszeichen 30 bezeichnet ist. Diese Pitotanordnung 30 weist eine Serie von abwechselnd angeordneten beabstandeten statischen und Gesamtdruckpitots 32 bzw. 34 auf. Die Pitots 32, 34 sind zu einem Kreis allgemein koaxial mit der Düsenachse zu einem Muster angeordnet, dessen Durchmesser kleiner als der Innen- bzw. Halsdurchmesser der Düse ist.

Die mittelwertbildende Pitotanordnung 30 weist eine Reihe von statischen Pitots 32 auf derart, daß ihre Längsachse allgemein parallel zur Achse der Düse und zylindrischen Abschnitte 14, 16 verläuft. Entsprechend sind die Gesamtdruckpitots 34 ebenfalls so angeordnet, daß sie allgemein parallel zur Achse der Düse und der zylindrischen Abschnitte 14, 16 verlaufen. Es ist einzusehen, daß die statischen Pitots 32 eine öffnung entlang der Spitze enthalten und die öffnungen in einer Ebene allgemein parallel zur Strömungsrichtung im Hauptkanal 10 und in der An-Ordnung 12 liegen. Weiterhin enthalten die Gesamtdruckpitots 34 Spitzenöffnungen, die quer zur allgemeinen Strömungsrichtung liegen.

Von der mittelwertbildenden Pitotanordnung 30 verläuft ein Hochdruckauslaßrohr 38 ab, das mit den Gesamtdruckpitots 34 verbunden ist und von diesen ein Gesamtdrucksignal aufnimmt. Ein Niederdruckrohr 36 ist mit den statischen Pitots 32 verbunden und übernimmt von der Gruppe der mittelwertbildenden statischen Pitots ein dem statisehen Druck entsprechendes bzw. Niederdrucksignal.

Indem man nun das Hoch- und das Niederdruckrohr 38, 36 der Pitotanordnung 30 an einen Druckdifferenzgeber - beispielsweise Modell 21DPT2000 der Fa. Brandt - anschließt, läßt ^5 sich ein Druckdifferenzsignal erzeugen, indem man den statischen vom Gesamtdruck subtrahiert. Man erhält so eine

Anzeige dessen, was auch als Geschwindigkeitsdruckdifferenz ("-differential velocity pressure") bezeichnet wird, die vom Quadrat der Geschwindigkeit abhängt. Man kann nun also die Geschwindigkeit bzw. Strömung in der Hauptleitung 10 rein rechnerisch bestimmen.

Um die Druckverluste zu vermindern und allgemein das Profil zu verbessern, sieht man in der Mitte der Pitotgruppe stromaufwärts gerichtet einen projektilförmigen Vorsprung 40 vor (Fig. 2) .

Bei einer Testreihe hat sich ergeben, daß eine Anzahl baulicher Zusammenhänge innerhalb des mittelwertbildenden Düsenpitot-Meßfühlers wesentlich ist. 15

Beispielsweise hat sich für eine zylindrische bzw. kreisförmige Konstruktion das Verhältnis des Durchmessers der Pitotanordnung zum Hals- bzw. Innendurchmesser der Düse als wichtig ergeben; dieses Verhältnis wird auch als Gamma-Wert bezeichnet (Fig. 3) und ist selbst in Fällen wichtig, in denen die Düse und/oder der Hauptkanal nicht kreisrund bzw. zylindrisch sind.

Bei der Konstruktion des mittelwertbildenden Düsenpitot- ^ Meßfühlers nach der vorliegenden Erfindung wird als wünschenswert erachtet, eine gewisse Unempfindlichkeit gegenüber der Reynoldszahl zu erreichen. Aus einer Testreihe für einenderartigen Meßfühler von 162 mm (6 in.) beispielsweise hat sich ein Gamma-Wert von 0,633 als ge-

eignet ergebe. Bei diesem speziellen Gamma-Wert und bei Reynoldszahlen von mehr als 100.000 hat die Reynoldszahl eine verhältnismäßig schwache Auswirkung auf die Arbeitsweise der Meßfühleranordnung. Auf der Grundlage dieses und anderer Versuche hat sich ergeben, daß der Gamma-Wert für die Meßfühleranordnung nach der vorliegenden Erfindung etwa 0,6 33 betragen sollte.

-ιοί Weiterhin hat sich herausgestellt, daß das Verhältnis des Hals- bzw. Innendurchmessers der Düse zum Durchmesser des das Strömungsmittel führenden Hauptkanals eine weitere wichtige Größe ist; es handelt sich hier um den Beta-Wert. Aufgrund einer Reihe von Tests hat sich ergeben, daß für Konstruktionen der hier offenbarten Art ein geeigneter Beta-Wert 0,707 ist.

Schließlich muß man infolge der Eigenart der Meßfühleran- ^q Ordnung nach der vorliegenden Erfindung einen Korrekturkoeffizienten C ermitteln, damit zunächst die wirksame Fläche A„ berechnet und damit die Strömung festgestellt werden kann.

In von der Anmelderin durchgeführten Versuchen hat sich ergeben, daß dieser Korrekturwert von drei Größen abhängt, nämlich zunächst von C₁, d.h. dem Geschwindigkeitsprofil· und dem Beta-Wert. Ein zweiter Faktor ist die Flächenreduktion in der Ebene der Pitotrohre, C-, die zum Gesamtkorrekturwert beiträgt. Schließlich ist eine Gamma-Korrektur C, zu bestimmen, da die Lage der Pitotgruppe relativ zur Düse die Strömungsmessungen beeinflussen kann.

Der endgültige Korrekturwert C läßt sich als Produkt aller drei C-Faktoren ansetzen, d.h. C = C . C„ . C . Diese einzelnen Einflußgrößen lassen sich aus Laborversuchen und aus ihnen dann der endgültige Gesamtkorrekturwert ermitteln.

Es folgt ein Beispiel zur Bestimmung des Korrekturwerts C für eine Düse mit einem Innendurchmesser von 22 Zoll (558,8 mm), einem Gamma-Wert von 0,640, einem Beta-Wert von 0,707 und acht Pitotsonden von je 3,175 mm (1/8 in.). Wie bereits erwähnt, ergibt sich der gesamte bzw. eridgültige Korrekturfaktor C als Produkt von C₁ (Korrektur für den Beta-Wert und das Profil), C2 (Korrektur für die

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Flächenreduktion durch die Pitotsonden) und C, (Korrektur bezüglich des Gamma-Werts).

Zu C₁ sei auf die Fig. 4 verwiesen; C₁ ist eine profilg bezogene Konstante und als Funk I. J on der Reynolds zahl aufgetragen. Dies kann auf der Grundlage von Labortests erfolgen; wie aus der Kurve ersichtlich, erhält man für einen Beta-Wert von 0,707 einen C₁ = 1,0479.

^C2 ^{= (A} -V^/A

mit A = Fläche der Düse

A= Fläche der Pitotrohre P

A= 22² χ TT / 576 = 2,6398 ft.² (= 0,24 52 m² ) A= ((1,T25² χ T )/576) χ 8 = 0,00068 ft.² (= 0,000063 m²) C₂ = 0,99974

Für C-; wurde eine Beziehung wie folgt abgeleitet:

²⁰

-C₃ = (0,25) ( 0,640) + 0,841675 = 1,0017

C, gilt hier nur für einen Beta-Wort von 0,707 sowie hohe Reynoldszahlen. Der größte Fehlerbeitrag des Gamma-Werts tritt für niedrige Reynoldszahlen auf; aus diesem Grund sollte der Gamma-Wert so nahe an 0,633 bleiben wie möglich. Es ergibt sich also der Wert C wie folgt:

= 1,0479 . 0,99974 . 1,0017 = 1,0404 30

Die wirksame Fläche A_t„ der Düse ergibt sich damit zu:

A„ = A.C = 2,6398 . 1,0017 = 2,77 ft.² (= 25,733 m²)

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L e e r s e i t e

Claims

Triple W Air Park, Fuquay-Varina, North Carolina 27 526, V.St.A.

Patentansprüche

( 1 J Düsenpitot-Meßfühler zur Messung einer Luft- oder Gasströmung in einem Strömungskanal, gekennzeichnet durch eine die Strömung einschnürende Einrichtung in Form eines Düsenkanals, dessen Außenwandung einen Strömungskanal bildet, der den Durchtritt eines Strömungsmittels wie Luft oder Gas gestattet, wobei die Düse bezüglich des Kanals so angeordnet werden kann, daß das durch den Kanal strömende Gas durch die Düse strömen muß, durch eine der Düse betrieblich zugeordnete Pitotanordnung in dem strömenden Gas, um die Geschwindigkeitsdruckdifferenz des durch die Düse strömenden Gases zu erfassen, wobei die Düse die Strömung einschnürt und das durchströmende Gas so ausrichtet, daß das resultierende Geschwindigkeitsprofil des strömenden Gases über einen wesentlichen Teil des Querschnitts der Düsendurchtrittsöffnung verhältnismäßig gleichmäßig ist, so daß die Gasströmung verhältnismäßig genau bestimmt werden kann.

* 2. Düsenpitot-Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse ein Einlaß- und ein Auslaßende aufweist, die Außenwand der Düse vom Einläßende aus zum Austrittsende eingeschnürt ist und daß die Pitotanordnung mittelwertbildende den statischen und den Gesamtdruck erfassende Pitotsonden in einer Kreisanordnung entlang der Düsenkontur aufweist, wobei die Fühlspitzen der Pitots der Anordnung allgemein in einer Querebene am Austrittsende der Düse liegen.
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3. Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Durchmessers der Pitotanordnung zum Innendurchmesser der Düse etwa 0,6 beträgt.

¹^ 4. Meßfühler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,daß der Durchmesser der Pitotanordnung zum Innendurchmesser der Düse im Bereich von etwa 0,5 bis 0,7 liegt.

5. Meßfühler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ^O der Kanal, durch den das Gas strömt, einen" allgemein kreisrunden Querschnitt hat und das Verhältnis des Innendurchmessers der Düse zum Durchmesser des Kanals etwa 0,7 beträgt.

6. Meßfühler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der das strömende Gas führende Kanal einen allgemein kreisrunden Querschnitt hat und das Verhältnis des Innendurchmessers der Düse zum Durchmesser des Kanals allgemein im

Bereich von 0,6 bis 0,8 liegt.
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7. Meßfühleranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung in der Gestalt einer Spule vorliegt, zwischen deren Enden die Düse angeordnet ist und die in den das Strömungsmittel führenden Kanal eingefügt

werden kann.

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NAOHQEREICHT

L 8. Meßanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, . daß die Spule zwei rohrförmige Abschnitte, die Düse einen nach außen abstehenden Flanschteil und die Spule Verbindungsmittel aufweisen, um den Flansch der Düse zwischen den aneinandergrenzenden Enden der Rohrabschnitte der Spule festzulegen.

9. Verfahren zum Messen der Strömung in einem durch einen Kanal strömenden Strömungssystem, dadurch gekennzeichnet,

IQ daß man das Strömungsmittel im Kanal einer Luftströmungsmeßstation zuführt, das Strömungsmittel in der Luftströmungsmeßstation in das Einlaßende einer Düse und dann vom Einlaßende aus in und durch einen Einschnürungsbereich stromabwärts des Düseneinlasses richtet, die Geschwindigkeitsdruckdifferenz des durch den Einschnürungsbereich' der Düse strömenden Strömungsmittels erfaßt und mißt, aus dem die Geschwindigkeit und die Strömung des Strömungsmittels sich leicht ermitteln lassen.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß man die Geschwindigkeitsdruckdifferenz ermittelt unter Benutzung einer Anordnung aus Pitotrohren für den statischen und den Gesamtdruck an der Düseneinschnürung, um die Geschwindigkeitsdruckdifferenz über das Strömungsprofil im Düsenhals zu mitteln, wobei man die Gruppe der Pitotrohre bezüglich des Durchmessers des Düsenhalses so anordnet, daß das Verhältnis des Durchmessers der Pitotgruppe zum Halsdurchmesser der Düse etwa 0,6 beträgt.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl der Kanals als auch der Einschnürbereich der Düse allgemein zylindrisch gestaltet sind und man einen Düsenbereich so vorsieht, daß das Verhältnis des Innendurchmessers der Düse zum Durchmesser des Kanals etwa 0,7 beträgt.