DE3528624C2 - Vorrichtung zum Messen der Durchflußmenge einer Flüssigkeit - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zum Messen der Durchflußmenge einer Flüssigkeit, bei der die Höhe eines Flüssigkeitsspiegels in einem stromaufwärtigen Raum eines von der Flüssigkeit durchströmten Überlaufs gemessen wird, und die Durchflußmenge aus einem vorbestimmten, von der Form des Überlaufs abhängigen Zusammenhang zwischen der Höhe des Flüssigkeitsspiegels und der Durchflußmenge an dem Überlauf ermittelt wird.

Die Erfindung bezieht sich in besonderem Maße auf eine Vorrichtung der vorstehend genannten Art zum Messen des Kondensats in einem Strömungsrohrsystem, in dem Dampf, insbesondere Wasserdampf, geführt ist. Obgleich bei sich änderndem Druck ein Kondensat in einem derartigen System erneut verdampfen kann, strömt das Kondensat ohne Verdampfung durch den Überlauf, weil im Raum vor dem Überlauf und im Raum nach dem Überlauf derselbe Druck herrscht.

Der hier zu schaffende Flüssigkeitsdurchflußmesser verwendet einen sogenannten proportionalen Überlauf, in dem die Flüssigkeitsdurchflußmenge dem Flüssigkeitsspiegel auf der Stromaufwärtsseite des Überlaufs proportional ist. Der Innenraum des Gehäuses dieses Durchflußmessers ist durch eine vertikale Wand aufgeteilt in einen stromaufwärtigen Raum mit einem Einlaß, der in dessen oberem Teil gebildet ist und mit dem Meßsystem in Verbindung steht, und in einen stromabwärtigen Raum mit einer Flüssigkeitsaustrittsöffnung, die in dessen unterem Teil gebildet ist, wobei der stromaufwärtige Raum und der stromabwärtige Raum miteinander durch die Querschnittsfläche des Überlaufes oberhalb der Trennwand in Verbindung stehen. Ein Schwimmerventil, das die Flüssigkeit automatisch abführen kann, befindet sich bei der Flüssigkeitsaustrittsöffnung, und der Flüssigkeitsspiegel im stromaufwärtigen Raum wird mit einem Schwimmer oder dergleichen gemessen. Bekanntlich ist die durch eine Öffnung strömende Flüssigkeitsdurchflußmenge proportional der Quadratwurzel des Abstandes der Flüssigkeitsoberfläche zur Öffnung.

Aus der DE-Gm 18 70 988 ist ein als Durchflußmesser gestalteter Meßbecher bekannt, der eine schlitzartige und in Längsrichtung des Bechers verlaufende Durchflußöffnung im Bechermantel aufweist, wobei die Schlitzbreite sich nach oben hin ändern, z. B. abnehmen kann. Diese Breitenänderung des Durchflußschlitzes ist dafür vorgesehen, diesen einfachen Durchflußmesser an verschiedene Geräte bzw. Geräte mit unterschiedlichen Durchfluß- Soll-Werten anzupassen.

Ein weiterer bekannter Durchflußmesser wird in der US-PS 1 505 050 beschrieben. Die Durchflußöffnung oder der Überlaufschlitz des bekannten Durchflußmessers soll so gestaltet sein, daß zu jedem Zeitpunkt die Durchflußmenge proportional zum Quadrat der Höhe des Flüssigkeitsspiegels ist. Ferner soll der Genauigkeitsgrad unter Einhaltung dieser Beziehung zwischen einem unteren und einem oberen Flüssigkeitsspiegel konstant bleiben. Demgemäß hat der Durchfluß- oder Überlaufschlitz eine parabelförmige Kontur, und eine Durchströmöffnung ist in dieser US-PS 1 505 050 nicht beschrieben.

Bei bekannten Vorrichtungen nimmt die Meßgenauigkeit ab, wenn die Durchflußmenge abnimmt, weil der Meßfehler beim Messen des Flüssigkeitsspiegels im stromaufwärtigen Raum verursacht wird durch die Turbulenz der Flüssigkeitsoberfläche und/oder den Widerstand zwischen den Kontaktflächen der Gleitteile eines Mechanismus, der die Schwimmerbewegung in ein entsprechendes elektrisches Signal umwandelt. Diese Faktoren, die zum Meßfehler führen, sind unabhängig vom Flüssigkeitsspiegel, und folglich wird das Maß, indem diese Faktoren, die zum Meßfehler führen, die Meßgenauigkeit beeinflussen, größer, wenn die Durchflußmenge abnimmt.

Aus diesem Grunde wird die Interpretation von Meßergebnissen bei bekannten Einrichtungen schwierig, weil je nach Absoluthöhe des Flüssigkeitsspiegels mit einem unterschiedlichen Fehler gerechnet werden muß.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß eine konstante relative Genauigkeit geschaffen wird, so daß unabhängig von der absoluten Höhe des Spiegels der Flüssigkeit immer mit demselben relativen Meßfehler gerechnet werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im Patentanspruch 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche 2 bis 6 kennzeichnen vorteilhafte Weiterbildungen davon.

Wie bereits erwähnt, sind die durch Turbulenzen oder mechanische Einflüsse, insbesondere Reibungseinflüsse des Schwimmersystems verursachten Fehler unabhängig von der Höhe des Flüssigkeitsspiegels. Gemäß der Erfindung wird dieser, von der Höhe unabhängige konstante Fehler in einen ebenso von der Höhe unabhängigen, konstanten "Fehler" der Durchflußmenge umgesetzt, so daß über den gesamten Meßbereich mit ein und demselben konstanten Fehler gerechnet werden kann.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der sich nach oben aufweitende Überlaufspalt symmetrisch, wobei die Kontur der von der sich schließenden Spitze ausgehenden Seiten des Spaltes einen exponentiellen Verlauf zur Symmetrieachse aufweist.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Durchströmöffnung kreisförmig.

Die vorstehend genannten Maßnahmen haben den Vorteil, daß die Kontur des Überlaufspaltes auf einfache Weise berechnet und damit auch gefertigt werden kann. Außerdem können durch unterschiedliche Spaltkonturen unterschiedliche vorgegebene mechanische und sonstige Meßfehler in konstante Gesamtfehler des Systems umgesetzt werden. Das Vorsehen einer Durchströmöffnung unterhalb der Spaltspitze hat den Vorteil, daß konstante und reproduzierbare Anfangsbedingungen geschaffen werden.

Bei weiteren bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung erfaßt ein Schwimmer die Höhe des Flüssigkeitsspiegels in dem stromaufwärtigen Raum. Der Schwimmer ist mit einem Rohr versehen, das gleitend mit einem konzentrischen dünnwandigen Rohr verbunden ist. Es ist ferner am Schwimmer ein erstes ferromagnetisches Element befestigt. In dem dünnwandigen Rohr läuft eine Betätigungsstange mit einem zweiten ferromagnetischen Element, und schließlich arbeitet die Betätigungsstange mit einem Lagesensor zusammen.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß durch berührungslose Übertragung der Schwimmerbewegung auf einen Lagesensor mechanische Fehler durch Reibung und dergleichen ausgeschaltet werden. Auch erlaubt diese Anordnung in besonders vorteilhafter Weise eine physikalische Trennung zwischen dem von Flüssigkeit erfüllten stromaufwärtigen Raum vom eigentlichen Meßraum, was Korrosion und ähnliche negative Begleiterscheinungen ausschließt.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Schwimmer an seinem Umfang in einer Ebene senkrecht zur Rohrachse mit Schaufeln versehen, und es sind Mittel vorgesehen, die die zuströmende Flüssigkeit auf die Schaufeln lenken. Bevorzugt sind die Mittel als U-Rohr oder als Zufuhrkanal ausgebildet, und die Flüssigkeit tritt tangential zu dem Schwimmer in den stromaufwärtigen Raum ein.

Diese Maßnahmen haben den Vorteil, daß ein negativer Effekt durch Haftreibung verhindert wird, wenn sich der Schwimmer aus einer konstanten Position des Flüssigkeitsspiegels bewegen soll. Durch die konstante Drehung des Schwimmers infolge der bei einem konstanten Flüssigkeitsspiegel stets zuströmenden Flüssigkeit wird vielmehr erreicht, daß zwischen dem Rohr des Schwimmers und dem dünneren Rohr des Meßsystems nur eine Gleitreibung vorhanden ist, die bei sich änderndem Flüssigkeitsspiegel leicht überwunden werden kann, ohne daß tote Zonen, Hysteresen oder dergleichen auftreten.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung.

Die Erfindung wird nachstehend unter Hinweis auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen axialen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Durchflußmessers;

Fig. 2 eine Endansicht eines Ausführungsbeispiels eines Überlaufs sowie eine grafische Darstellung der Abhängigkeit zwischen der Höhe des Flüssigkeitsspiegels und der Durchflußrate bei dem beispielsweise dargestellten Überlauf.

In Fig. 1 ist eine Detektiereinheit 10 eines Flüssigkeitsdurchflußmessers mit einem Gehäuse versehen, das aus einem Körper 12 und einem Deckel 14 besteht, der mit Schrauben am Körper 12 befestigt ist. Im Gehäuse befindet sich ein muldenförmiges Trennelement 16. Das Innere des Trennelementes 16 und ein Raum, der sich oberhalb des Trennelementes 16 erstreckt, bilden einen stromaufwärtigen Raum 18, während die Außenseite des Trennelementes 16 und ein Raum, der sich unterhalb des Trennelementes 16 befindet, einen stromabwärtigen Raum 20 bilden.

Ein Einlaß 22, der mit einem zu messenden System verbindbar ist, steht mit dem oberen Teil des stromaufwärtigen Raumes 18 in Verbindung, und zwar über einen zylindrischen Schirm 24, einen durch ein Element 13 gebildeten Flüssigkeitssammelbehälter 15 und einen Zufuhrkanal 17. Im unteren Teil des stromabwärtigen Raumes 20 ist eine Flüssigkeitsaustrittsöffnung 26 angeordnet. Die Flüssigkeitsaustrittsöffnung 26 steht über einen vertikalen Kanal mit einem Auslaß 28 in Verbindung.

Der stromaufwärtige Raum 18 und der stromabwärtige Raum 20 stehen mittels durchgehender Öffnungen 30 miteinander in Verbindung, wobei diese Öffnungen 30 am oberen Ende des Trennelements 16 angeordnet sind. Während des Betriebes der Detektiereinheit 10 ist ein automatisches Auslaßventil, beispielsweise ein in der Zeichnung nicht dargestelltes Schwimmerventil, am Auslaß 28 vorgesehen, damit im stromabwärtigen Raum 20 derselbe Druck wie im stromaufwärtigen Raum 18 aufrechterhalten wird. Das Trennelement 16 ist ferner mit einer Öffnung 32 und einem Überlauf 34 in seiner Umgebungswand versehen.

Die Form des Überlaufs 34 wird durch die folgende Überlegung bestimmt:

Zunächst werden Werte für die Durchflußmeßgenauigkeit und die Durchflußmenge bei einem dem Boden des Überlaufs 34 entsprechenden Flüssigkeitsspiegel spezifiziert.

Weiter wird eine Öffnung geschaffen, durch welche die spezifizierte Durchflußmenge fließt und die Höhe des Flüssigkeitsspiegels mit dem Boden des Überlaufs bei gegebener Durchflußmeßgenauigkeit, die nicht größer ist als der spezifizierte Wert, übereinstimmt. Weiter werden, in der Annahme, daß der Überlauf aus mehreren rechteckigen Öffnungen besteht, die je eine konstante geringe Höhe aufweisen und sich übereinander befinden, die jeweiligen Breiten der rechteckigen Öffnungen so bestimmt, daß das Verhältnis eines durch die Stelle einer rechteckigen Öffnung bestimmten Inkrements der Durchflußmenge zu der gesamten Durchflußmenge mit der spezifizierten Durchflußmeßgenauigkeit zusammenfällt.

Verfahren, um auf der Grundlage der Bernoullischen Gleichungen durch Integration oder Iteration eine Durchflußmenge einer Flüssigkeit an einem Überlauf in Abhängigkeit von der Höhe des Spiegels der Flüssigkeit und der Form des Überlaufs zu bestimmen, sind an sich bekannt. Derartige "Überfallmessungen" sind beispielsweise in "Dubbel's Taschenbuch für den Maschinenbau", 12. Auflage, 1963, Band 1, Seite 288 ff., beschrieben.

Im folgenden wird als Beispiel ein Überlauf 34 gemäß Fig. 2 beschrieben. Es wird angenommen, daß die Durchflußmeßgenauigkeit 2% (bezogen auf 0,5 mm Höhe Höhendifferenz) ist, der Durchmesser der Öffnung 32 betrage 5 mm und der Abstand von der Öffnung 32 zum unteren Ende des Überlaufs 34 sei = 12,4 mm. Bei diesen Abmessungen strömt Wasser durch die Öffnung 32 mit einer Durchflußmenge von beispielsweise ca. 20,91 kg/h, wenn der Flüssigkeitsspiegel mit dem Boden des Überlaufs 34 zusammenfällt. Die berechneten Werte für die Höhe in mm des Flüssigkeitsspiegels im Überlauf 34 (relativ zum Boden des Überlaufs 34), die Breite in mm des Überlaufs und die Durchflußmenge in kg/h sind in der nachstehenden Tabelle I angegeben:

Tabelle I

Die Wirkung des vorstehend geschilderten Überlaufs 34 ist wie folgt:

Die Flüssigkeit strömt durch den Einlaß 22 in den stromaufwärtigen Raum 18, der durch die Trennwand 16 bestimmt wird, fließt anschließend durch die Öffnung 32 und den Überlauf 34 in den stromabwärtigen Raum 20 und fließt dann durch den Auslaß 28 hinaus. Da die Beziehung zwischen dem Flüssigkeitsspiegel im stromaufwärtigen Raum 18 und der Durchflußmenge am Überlauf 34 bekannt ist, wird die Durchflußmenge am Überlauf 34 auf der Basis des gemessenen Flüssigkeitsspiegels erhalten.

Das Verhältnis vom Inkrement oder Dekrement der Durchflußmenge bei einer konstanten Veränderung des Flüssigkeitsspiegels zur gesamten Durchflußmenge ist konstant und fällt mit der spezifizierten Meßgenauigkeit zusammen, soweit der Bereich der Veränderung des Flüssigkeitsspiegels im stromaufwärtigen Raum 18 innerhalb der Höhe des Überlaufs 34 liegt. Andererseits ist der Flüssigkeitsspiegelmeßfehler praktisch konstant, unabhängig vom Flüssigkeitsspiegel.

Fig. 2 zeigt die jeweiligen Formen der Öffnung 32 und des Überlaufs 34, die auf der Basis der weiter vorne erläuterten Tabelle I bestimmt werden, sowie eine grafische Beziehung, welche die Information gemäß Tabelle I als eine Beziehung zwischen der Durchflußmenge (Q) und der Höhe (H) des Flüssigkeitsspiegels im Überlauf 34 wiedergibt.

In Fig. 1 ist ferner noch das Meßsystem zu erkennen, das zum Erfassen des Flüssigkeitsspiegels dient.

Eine Isolierplatte 36 und Unterstützungselemente 38 und 40 sind auf der Oberseite des Deckels 14 montiert. Ein Potentiometer 42 mit einer Verbindungseinrichtung 43 für die Verdrahtung befindet sich in der Mitte des Unterstützungselementes 40. Das Potentiometer 42 ist durch eine Schutzhaube 44 abgedeckt. Die elektrische Verdrahtung und die elektrischen Anschlüsse, die nicht dargestellt sind, befinden sich innerhalb der Schutzhaube 44.

Ein dünnwandiges Rohr 46 erstreckt sich vom Potentiometer nach unten und hermetisch abgedichtet durch den Deckel 14 zum zentralen Bodenteil des Trennelementes 16. Ein Rohr 50, das sich durch einen kugelförmigen Schwimmer 48 erstreckt und an diesem befestigt ist, ist gleitend am Rohr 46 montiert. Am Rohr 50 des Schwimmers 48 bzw. an einer Betätigungsstange 54 des Potentiometers 42, die im dünnwandigen Rohr 46 läuft, sind Magnete 52 und 56 befestigt.

Der Schwimmer 48 ist mit Schaufeln 49 versehen. Beim Flüssigkeitssammelbehälter 15 befindet sich ein umgekehrtes U-förmiges Rohr 51, das sich nach unten erstreckt. Ein Ende des U-Rohres 53 erreicht die Ebene der Schaufeln 49, wenn der Schwimmer 48 auf dem Boden ruht, wobei die Richtung tangential ist.

Der Flüssigkeitsspiegel wird wie folgt gemessen.

Der Schwimmer 48 bewegt sich nach oben oder unten entsprechend der Veränderung des Flüssigkeitsspiegels im stromaufwärtigen Raum 18. Die Betätigungsstange 54 wird dann entsprechend der Bewegung des Schwimmers 48 durch die Zusammenwirkung der Magnete 52 und 56 bewegt. Die Bewegung der Betätigungsstange 54 wird durch das Potentiometer 42 in ein entsprechendes elektrisches Signal umgewandelt. Folglich wird ein elektrisches Signal erzeugt, das den Flüssigkeitsspiegel im stromaufwärtigen Raum 18 wiedergibt.

Wenn die Durchflußmenge gering ist, sammelt die Flüssigkeit aus dem Einlaß 22 sich im Behälter 15, strömt intermittierend nach unten durch das umgekehrte U-Rohr 51 und trifft die Schaufeln 49, wodurch der Schwimmer 48 in Rotationsbewegung versetzt wird. Wenn die Durchflußmenge hingegen groß ist, strömt Flüssigkeit auch durch den Zufuhrkanal 17 und zum stromaufwärtigen Raum 18 in tangentialer Richtung um den Schwimmer 48, wodurch dieser mit der Flüssigkeit rotiert. Da der Schwimmer 48 infolgedessen eine Rotationsbewegung ausführt, kann er sich praktisch reibungslos nach oben und unten bewegen.

Claims (6)

1. Vorrichtung zum Messen der Durchflußmenge einer Flüssigkeit, bei der die Höhe eines Flüssigkeitsspiegels in einem stromaufwärtigen Raum (18) eines von der Flüssigkeit durchströmten Überlaufs (34) gemessen wird, und die Durchflußmenge aus einem vorbestimmten, von der Form des Überlaufs (34) abhängigen Zusammenhang zwischen der Höhe des Flüssigkeitsspiegels und der Durchflußmenge an dem Überlauf (34) ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet,
daß der Überlauf (34) die Form eines sich nach oben aufweitenden Spaltes aufweist, dessen Kontur so bemessen ist, daß die gesamte, durch den Überlaufspalt und eine Durchströmöffnung (32) fließende Flüssigkeitsmenge exponentiell abhängig vom Flüssigkeitsspiegel im Überlaufspalt wächst, und
daß die Durchströmöffnung (32) in einem vorgegebenen Abstand unterhalb der sich schließenden Spitze des Überlaufspalts und mit einem vorgegebenen Durchmesser angeordnet ist, wobei der Abstand und die Größe der Durchströmöffnung (32) so bestimmt sind, daß eine vorgegebene Durchflußmenge und eine vorgegebene Durchflußmeßgenauigkeit eingehalten ist, wenn der Flüssigkeitsspiegel in der Höhe der Spitze des Überlaufspalts liegt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Überlaufspalt nach oben symmetrisch aufweitet, wobei die Kontur der von der Spitze ausgehenden Seiten des Spaltes einen exponentiellen Verlauf zur Symmetrieachse aufweist, und daß die Durchströmöffnung (32) kreisförmig ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß stromaufwärts des Überlaufs (34) ein Schwimmer (48) die Höhe des Flüssigkeitsspiegels in dem stromaufwärtigen Raum (18) erfaßt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwimmer (48) mit einem Rohr (50) versehen ist, das gleitend mit einem konzentrischen dünnwandigen Rohr (46) verbunden ist, daß am Schwimmer (48) ein erstes ferromagnetisches Element (52) befestigt ist, daß in dem dünnwandigen Rohr (46) eine Betätigungsstange (54) mit einem zweiten ferromagnetischen Element (56) läuft und daß die Betätigungsstange (54) mit einem Lagesensor (38, 40, 42, 43, 44) zusammenarbeitet.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwimmer (48) an seinem Umfang in einer Ebene senkrecht zur Rohrachse mit Schaufeln (49) versehen ist, und daß Mittel vorgesehen sind, die die zuströmende Flüssigkeit auf die Schaufeln (49) lenken.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel als U-Rohr (51) und/oder als Zufuhrkanal (17) ausgebildet sind und daß die Flüssigkeit tangential zu dem Schwimmer (48) in den stromaufwärtigen Raum (18) eintritt.