DE3528624C2 - Vorrichtung zum Messen der Durchflußmenge einer Flüssigkeit - Google Patents
Vorrichtung zum Messen der Durchflußmenge einer FlüssigkeitInfo
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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:
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.
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.
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