DE3424079A1

DE3424079A1 - Verfahren und vorrichtung zur messung der gasstroemung in einem rohr

Info

Publication number: DE3424079A1
Application number: DE19843424079
Authority: DE
Inventors: Lars Jönköping Johnsson
Original assignee: UK Secretary of State for Defence
Current assignee: UK Secretary of State for Defence
Priority date: 1983-07-01
Filing date: 1984-06-29
Publication date: 1985-01-10
Also published as: FR2548359B1; GB8416467D0; SE457665B; GB2142437B; SE8303786D0; GB2142437A; FR2548359A1; SE8303786L

Description

PATENT- UND RECHTSANWÄLTE PATENTANWÄLTE DIPL.-ΙΝΘ. W. EITLE · DR. RER. NAT. K. HOFFMANN · DIPL.-ΙΝΘ. W. LEHN DIPL.-ΙΝΘ. K. FuCHSLE ■ DR. RER. NAT. B. HANSEN . DR. RER. NAT. H.-A. BRAUNS · DIPL.-ΙΝΘ. K. GDRG DIPL.-INQ. K. KOHLMANN · RECHTSANWALT A. NETTE

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40 486

Fläkt Aktiebolag, Nacka / Schweden

Verfahren und Vorrichtung zur Messung der Gasströmung in einem Rohr

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der Durchflußmenge eines Gases in einem Rohr gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und 5.

Bekannte Meßverfahren zur Bestimmung der Durchflußmenge eines Gases in einem Rohr mittels eines elektrischen Meßausgangssignals von einem Meßfühler ergeben eine bezeichnende nichtlineare Beziehung zwischen der Durchflußmenge und dem Meßsignal. Im tatsächlichen Betrieb muß diese Nichtlinearität in speziellen elektronischen Schaltkreisen berichtigt werden/ bevor man ein praktisch verwertbares Steuersignal erhält, ein Verfahren, das nicht nur ein unnötig kompliziertes Gerät erfordert, sondern bei dem ebenfalls die Gefahr von Fehlmessungen .groß ist.·

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein einfaches und zuverlässiges Verfahren der eingangs genannten Art für Strömungsregler zur Messung der Durchflußmengen in Belüftungssystemen zu schaffen, und das weiter in allen Arten von Verbindungen, in denen die Durchflußmenge.

RABELLASTRASSE 4 · D-8OOO MÜNCHEN 81 · TELEFON COBSJ 911087 ■ TELEX O5-29619 CPATHEJ · TELEKOPIERER 9183O6

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- 7 eines Gases gemessen werden soll, verwendbar ist.

Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 gekennzeichnete Erfindung gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Weiter soll mit der Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung geschaffen werden, wobei bereits am Meßfühler ein Meßsignäl erzeugt wird, das ungefähr linear proportional zur gesuchten Durchflußmenge in einem Rohr ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 das bekannte Prinzip der Durchflußmengenmessung mittels eines elektrisch beheizten, in einem Belüftungsrohr oder irgendeinem anderen Rohr,

durch das Gas fließt, angeordneten Anemometer,

Fig. 2 das bekannte . Prinzip der Durchflußmengenmessung mittels einer Meßblende und einem Differenzdruckmesser,

Fig. 3 das Prinzip der Durchflußmengenmessung gemäß der Erfindung,

Fig..4 Einzelheiten des Aufbaus eines Gasdurchflußmen-

genmessers gemäß der Erfindung,

Fig. 5 den Aufbau eines Meß- und Regelschaltkreises für einen Gasdur.chflußmengenmesser gemäß der Erfindung, und

-β-ι Fig. 6 ein Diagramm zur Darstellung der Stromänderungen über einen Strömungsfühlerwiderstand als Funktion der gemessenen Gasströmung in einer Meßsonde, die in dem erfindungsgemäßen Meßsystem verwendet wird.

Eines der am meisten verwendeten Verfahren zur elektrischen Bestimmung einer Gasdurchflußmenge besteht darin, daß man auf die eine oder andere Weise die Kühlung eines in einer Gasströmung angeordneten elektrisch beheizten Körpers mißt. Das Prinzip dieses Meßverfahrens ist in Fig. 1 dargestellt, in der R den Widerstand des durch einen elektrisch beheizten Meßfühler 2 fließenden Stroms, I der durch den Meßfühler fließende Strom und U die Spannungsunterschiede im Strom zwischen den Zuleitungen 3 und 4 darstellt. Zur besseren Erläuterung des Verfahrens enthält die Beschreibung eine Anzahl Konstanten k₁, kp...k₁₀ - wobei jedoch deren genaue Bedeutung für die weitere Erläuterung irrelevant ist. Um sicherzustellen, daß das Gerät als Durchflußmengenmesser arbeitet, muß sich der Widerstand R entsprechend der Temperatur ändern, jedoch vollständig unabhängig von den Eigenschaften des Meßfühlers, wobei die erzeugte Wirkung P im allgemeinen gleich ist:
25

P=U-I=R-I² (1)

Im Gleichgewichtszustand wird die gleiche Wärmewirkung

der Gasströmung q. im Rohr entsprechend der Formel: 30

P = (Ic₁ + k₂ ^₁) A t (2)

zurückgeführt, wobei A t die Temperaturdifferenz zwischen dem Meßfühler und dem Gas darstellt. Wenn die Temperatur des Meßfühlers, die Gastemperatur und die Wirkung bekannt sind, kann die Durchflußmenge des Gases wie folgt berechnet werden:

«1 ^=k3 ' < "äV-V²

Als Meßverfahren kann in der Regel wahlweise der Strom so geändert werden, daß die Temperatur des Meßfühlers konstant gehalten wird, mit dem Ergebnis, daß der Widerstand R ebenfalls konstant ist. In diesem Fall kann Gleichung (3) geschrieben werden als: 10

die, wenn die Gastemperatur konstant ist, vereinfacht werden kann zu:

q_n = k₄ · (I² - I₀ ²)² (5)

wobei die Konstante I_Q gleich dem Strom bei der Gasströmung, q« gleich 0 ist. Der Vorteil dieses Meßverfahrens ist, daß es nicht notwendig ist, die genaue Temperaturabhängigkeit des Widerstandes zu kennen. Aus dem gleichen Grund werden andere, eng verwandte Meßverfahren gewöhnlich verworfen, die auf der Möglichkeit basieren, zum · Beispiel den Strom oder die Spannung konstant zu halten. Andererseits ist die mittels Gleichung (5) ausgedrückte bezeichnende Nichtlinearität ein offenkundiger Nachteil.

Fig. 2 zeigt ein anderes bekanntes Meßverfahren, das beispielsweise oft bei Handpräzisionsmessungen in Belüftungsrohren verwendet wird. Der über der Meßblende 5 mittels des Meßgerätes 6 gemessene Druckabfall ist in diesem Fall wie folgt qadratisch von der Strömung abhängig:

A^p = P P ^{= k q2}

die ebenfalls als

-ιοί q-, = k₆ · JTp (7)

geschrieben werden kann.

Die Beziehung zwischen der Gasströmung und dem gemessenen Wert ist ebenfalls in diesem Fall beträchtlich nichtlinear und in Anbetracht der niedrigen in einer Belüftungsleitung gestatteten Druckabfälle muß das Druckmeßgerät höchst empfindlich sein. Ein offensichtlicher Nachteil ist jedoch die Tatsache, daß der gemessene Wert eine Direktmessuhg der mittleren Gasströmung q₁ ist, die nicht im Fall eines elektrisch beheizten Meßfühlers gemäß Fig. 1 genau ist, wo stattdessen der gemessene Wert die Messung der örtlichen Geschwindigkeit genau im Meßpunkt ist.

Fig. 3 zeigt das Prinzip gemäß der Erfindung. Um eine klare Vorstellung zu erhalten, ist die Meßzelle 13 im vergrößerten Maßstab dargestellt. In einer typischen Ausführungsform liegt der Durchmesser in der Größenordnung von 3-10 mm, wohingegen der Durchmesser des Hauptrohres 1, z.B. in einem Belüftungssystem, in der Größenordnung von 0,1 bis 1 m liegt. Der Druckabfall über die Meßblende 5 zwingt eine kleine Gasströmung q₂ durch die Meßzelle,

²^ wobei ihre Zuführleitungen 9 und 10 mit einer oder einigen Drosselanordnungen versehen sind. Eine Drosselanordnung ist ausreichend, um die Funktion des Gerätes sicherzustellen, wobei jedoch mit zwei Drosselanordnungen 11 bzw. 12 in der Meßzelle ein Gasvolumen eingeschlossen

wird, das Unterbrechungen kurzer Dauer ausgleicht.

Eine ausreichend wirksame Drosselanordnung erzeugt die Gasströmung q~ direkt pro portional zum Druckabfall:

q₂ = k₇ · Δ Ρ

Verbunden mit Gleichung (7) erhält man somit:

q, - k₈ · Vq₂-. (9)

Zusätzlich ergeben die Gleichungen (1) und (3) für einen in die Meßzelle eingesetzten elektrisch beheizten Meßfühler 14:

q₂ = Jc₃ · ( - Ic.,)² (10) Eingesetzt in Gleichung (9) erhält man:

_qi = k₉ · (U- - k.,) (11)

Wenn der Strom U das Meßausgangssignal darstellt und der Quotient I/At konstant gehalten wird, erhält man aus Gleichung (11) eine vollständig lineare Beziehung:

^(u - V

wobei Ü_Q dem Strom über dem Meßfühler bei einer Gasströmung q.. =0 entspricht.

Wenn kleinere Abweichungen von der vollständigen Linearität akzeptiert werden können, was in Verbindung mit Regelvorgängen häufig der Fall ist, kann man eine besonders einfache und zuverlässige Leistung der Erfindung erhalten, indem man den durch den elektrisch beheizten Meßfühler fließenden Strom I konstant hält. Dies erfordert, daß die Temperaturdifferenz A t sich nicht allzu stark ändert, was man erreichen kann, indem man den Meßfühler 14 als verstärkt beheiztes Halbleiterelement mit einem

großen negativen Temperaturkoeffizienten ausbildet. Wenn der Meßfühler mittels der Gasströmung q„ gekühlt wird, führt die bezeichnende Temperaturabnahme bereits bei diesem Zustand zu einem scharfen Anstieg des Wider-Standes R des Meßfühlers, der mittels des konstanten Stromes I ebenfalls eine beträchtliche Zunahme der Meßspannung U ergibt. Die letztere Wirkung führt zu einer verstärkten Wärmeerzeugung in dem Meßfühler, die dazu beiträgt, die Temperatur des Meßfühlers aufrechtzuerhalten.

Das Diagramm in Fig. 6 zeigt ein typisches Beispiel der Messung mittels dem in Fig. 3 dargestellten Gerät. Der Meßfühler 14 besteht in diesem Fall aus einem etwa 0,4 mm langen Thermistor, der auf ungefähr 15O⁰C mittels eines Stroms von 10,0 mA erwärmt wird. Man sieht, daß das erhaltene Meßausgangssignal von einer ungewöhnlichen Größe ist und die Kurve nur leicht von einer geraden Linie innerhalb von Druckverlustbereichen von 20 - 150 Pa abweicht, was dem normal anwendbaren Bereich in einem Belüftungssystem entspricht.

Fig. 4 zeigt einen besonderen Aufbau des in Fig. 3 dargestellten Gerätes. Die gesamte Meßzelle 15 kann ein- stückig hergestellt werden, z.B. mittels Druckgießen, wodurch es für die Drosselanordnungen 18 und 19 in den Versorgungsleitungen möglich ist, in die Meßzelle in Form von Kapillarröhren integriert zu werden. Die Druckverbindung wird durch die öffnungen 16 und 17 hergestellt und die Hohlräume 20 und 21 wirken schnellen Druckschwankungen entgegen. Der elektrisch beheizte Meßfühler 23 ist an das Meßrohr 20 durch die elektrischen Verbindungen 25 angebracht. Eine Temperatürfühleinheit 24, z.B. in Form eines nichtbeheizten Thermistors, gestattet die Kompensation von Temperaturänderungen des Gases.

Fig. 5 zeigt das Prinzip, wie die Erfindung in sehr einfacher Weise elektronisch durchgeführt werden kann.
Wie üblich, sind triviale Dinge, wie die Stromversorgung für die Betriebsverstärker 29, 36 und 40 nicht darge-

stellt. Der Strom durch den elektrisch beheizten Meßfühler 32 wird durch den Betrieb des Verstärkers 29
konstant gehalten, der den Spannungsabfall über den
Widerstand 33 so regelt, daß er gleich der Bezugsspannung vom Spannungsstabilisator 26 ist, die über den

Spannungsteiler 27 bis 28 erhalten wird. Die Summe des Spannungsabfalls über den Einheiten 32 und 33 wird mittels dem Verstärker 34-35-36-37 verstärkt und umgekehrt. Der Endverstärker 38-39-40-41-42 addiert eine konstante Spannung zum umgekehrten Signal von der Einheit 36, was einer Subtraktion des konstanten Spannungsabfalls über dem Widerstand 33 und der konstanten Spannung ü_Q in
Gleichung (12) entspricht. Das umgekehrte Ausgangssignal U₀ kann so direkt proportional zur gemessenen Gasströmung g- aufgrund der Analogie mit der Kurve in

Fig. 6 gemacht werden. Der Widerstand 43 entspricht dem in Fig. 4 dargestellten Temperaturfühler 24, mittels
dem Änderungen in der Gastemperatur kompensiert werden können.

Die Temperaturkompensation in anderen Teilen des Schaltkreises, der Ausgleich der leichten Krümmung der Meßwertcharakteristik mittels einem nichtlinearen Widerstand, die Leistung der Teile zur Verarbeitung des
Signals in einem Mikroprozessor einschließlich anderer ähnlicher Änderungen werden in diesem Zusammenhang als trivial angesehen und liegen im Bereich der Erfindung.

Claims

H OFF^AWN .--ΕΊΤΙ-Έ &.PARTN ER 3 4 2 A O 7 9 PATENT-UND RECHTSANWÄLTE PATENTANWÄLTE DIPL.-ING. W. EITLE · DR. RER. NAT. K. HOFFMANN · DIPL.-ING. W. LEHN DIPL.-ING. K. FCJCHSLE · DR. RER. NAT. B. HANSEN · DR. RER. NAT. H.-A. BRAUNS . DIPL.-ING. K. GORG DIPL.-ING. K. KOHLMANN · RECHTSANWALT A. NETTE 40 486 Fläkt Aktiebolag, Nacka / Schweden Verfahren und Vorrichtung zur Messung der Gasströmung in einem Rohr Patentansprüche

1. Verfahren zur Messung der Durchflußmenge eines Gases in einem Rohr, in dem eine Meßblende, eine Venturidüse oder eine ähnliche Einrichtung zu Meßzwecken angeordnet ist und mit dem eine Meßleitung durch Rohre (9, 10) verbunden ist, und Druckaustrittsöffnungen stromaufwärts und stromabwärts von der Meßblende angeordnet sind, um einen Teilgasstrom durch die Meßleitung abzutrennen, dadurch gekennzeichnet , daß der Teilgasstrom durch eine oder einige Drosse'lanordnungen (11, 12, 18, 19), die in der Meßleitung so angeordnet sind, daß durch sie eine laminare Strömung gegeben ist, die dem Druckverlust über der Meßblende proportional ist, begrenzt wird, daß der Teilgasstrom durch eine in der Meßleitung angeordnete, mit einem temperaturempfindlichen, elektrisch beheizten Strömungsfühlerwiderstand (14, 23, 32) versehene Meßzelle (13, 22) umgeleitet wird,

und daß ein elektrisches Meßausgangssignal von der Meßzelle abgegeben wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1/ dadurch g e k e η η zeichnet, daß der Spannungsabfall (U) über dem Strömungsfühlerwiderstand (14) das elektrische Meßausgangssignal darstellt, und daß dieses Meßausgangssignal in eine lineare Beziehung zum gesuchten Gasstrom (q-) im Hauptrohr (1) gebracht wird, indem man den Strom (I) durch den Strömungsfühlerwiderstand in eine lineare Beziehung zur Temperaturdifferenz zwischen dem Widerstand und dem umgebenden Gas bringt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Spannungsabfall (U) über dem Strömungsfühlerwiderstand (14) ein elektrisches MeBausgangssignal darstellt, daß dieses Meßausgangssignal in eine ungefähre lineare Beziehung zur gesuchten Gasströmung (g-) in der Hauptleitung (1) gebracht wird, indem der durch den Strömungsfühlerwiderstand fließende Strom (I) konstant gehalten wird, daß der einen hohen negativen Temperaturkoeffizienten aufweisende Widerstand auf eine hohe Temperatur

gebracht wird/ z.B. auf 15O⁰C, und daß eine Kompensation der Änderungen in der Gastemperatur durch Vergleichen des gemessenen Werts von dem aktiven Strömungsfühlerwiderstand mit dem gemessenen Wert eines ähnlichen, in einem stationären Gasvolumen

gleichen Drucks und gleicher Temperatur angeordneten Widerstands stattfindet.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η ze ichnet , daß der Spannungsabfall (U) über dem Strömungsfühlerwiderstand (14) ein elektrisches

Meßausgangssignal darstellt, daß dieses Meßausgangssignal in eine ungefähre lineare Beziehung zur gesuchten Gasströmung (q,.) in der Hauptleitung durch Konstanthalten des durch den Strömungsfühlerwiderstand fließenden Stroms (I) gebracht wird, daß der einen hohen negativen Temperaturkoeffizienten aufweisende Widerstand auf eine hohe Temperatur, z.B. 150⁰C, gebracht wird, und daß eine Kompensation der Änderungen in der Gastemperatur durch Berichtigen des von dem Strömungsfühlerwiderstand gemessenen Wertes' mittels eines am Widerstand angeordneten Thermometers stattfindet.

5. Gasstromungsmengenmesser zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Zuführleitungen (16, 17) einer Meßleitung, Drosselanordnungen (18, 19) und eine Meßzelle (22) in einem einstückigen Leitungssystem in einem Block (15) aus willkürlich gewähltem Material hergestellt sind, daß die Drosselanordnungen aus Kapillarröhren bestehen, daß Hohlräume (20, 21) ausgleichende Unterbrechungen zwischen den Drosselanordnungen und der Meßzelle angeordnet sind, daß die Meßzelle einen elektrisch beheizten Strömungsmeßfühler (23) aufweist, der elektrisch durch isolierte Verbindungen (25) verbunden ist, und daß eine Temperaturmeßeinrichtung (24), z.B. in Form eines temperaturempfindlichen Fühlers, in dem Leitungssystem für die Temperaturkompensation vorge-

sehen ist.

6. Gasstromungsmengenmesser zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Versorgungsleitungen (16, 17) des Meßrohres, die Drosselanordnungen

(18, 19) und die Meßzelle (22) aus einem einstückigen Leitungssystem in einem Block (15) aus willkürlich gewähltem Material hergestellt sind, daß die Drosselanordnungen aus Kapillarröhren bestehen, daß Hohlräume (20, 21) ausgleichende Unterbrechungen zwischen den Drosselanordnungen und der Meßzelle angeordnet sind, daß die Meßzelle einen elektrisch beheizten Strömungsmeßfühler (23) aufweist, der elektrisch durch isolierte Verbindungen (25) verbunden ist, daß ein dem Fühler gleicher Bezugsmeßwandler in einem geschlossenen, dem Meßrohr (22) gleichen Bezugsrohr für die Temperaturkompensation angeordnet ist, und daß das Bezugsrohr und das Meßrohr so miteinander in Verbindung stehen, daß am Bezugsmeßwandler der gleiehe Gasdruck wie am Strömungsmeßfühler erhalten wird.

7. Gasströmungsmengenmesser nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet , daß der Block (15) mit dem integrierten Rohrsystem eine Form darstellt, die zur Herstellung mittels Druckgießen, Pressen von Pulver oder ähnliche** Verfahren geeignet ist.

8. Gasströmungsmengenmesser nach einem der Ansprüche 5 bis η _t dadurch gekennzeichnet , daß ein elektronischer Meß- und Regelschaltkreis zur Bearbeitung des Meßausgangssignals einen Stromregler (27 bis 31, 33) darstellt, der dem beheizten Strömungsmeßfühlerwiderstand (32) einen konstanten Strom

zuführt, daß ein Umkehrverstärker (34 bis 37) zur Verstärkung des Meßausgangssignals von dem Widerstand (32) und zur Addition eines Temperaturkorrektursignals über einen Schaltkreis, der einen Temperaturme ßwiderstand (44) umfaßt, vorgesehen ist,

und daß ein Umkehrendverstärker (38 bis 42) vorgesehen ist/ um die konstanten Komponenten von dem temperaturkorrigierten Meßausgangssignal abzuziehen.