DE3624093A1 - Vorrichtung zur messung der dichte stroemender gase - Google Patents
Vorrichtung zur messung der dichte stroemender gaseInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Messung der
Dichte strömender Gase.
Für die Messung der Dichte strömender Gase ist die Entnahme einer
Gasprobe erforderlich. Die Zusammensetzung dieser Probe wird
analysiert und daraus die Dichte bestimmt. Die Bestimmung der
Dichte ist damit zur Zeit nur stark zeitverzögert und mit großem
Aufwand möglich. Eine solche indirekte Messung kann daher nur in
größeren Zeitabständen durchgeführt werden.
In vielen Industriezweigen sind Gase zu fördern, die eine ungenau
bekannte Zusammensetzung haben, die sich zudem zeitlich ändern
kann. Weiter haben solche Gase vielfach sich zeitlich ändernde
Temperaturen und Prozeßdrücke. Die vorstehenden Variablen lassen
sich durch die indirekte Messung nicht erfassen. Die Dichtebestimmung
ist damit bei variablen Zustandsgrößen mehr oder
weniger ein Zufallsergebnis. Für die Gasförderung werden im
allgemeinen Ventilatoren, insbesondere Radialventilatoren verwendet.
Diese Ventilatoren werden für bestimmte Betriebsparameter
angeboten, unter denen die Dichte des Gases ein wesentlicher
Parameter ist. Bei der Inbetriebnahme der Ventilatoren muß der
Nachweis geführt werden, daß die Parameter, die dem Angebot
zugrunde gelegen haben, eingehalten werden, also der Ventilator
richtig ausgelegt und dimensioniert ist. Es würde den Nachweis
wesentlich erleichtern und präzisieren, wenn neben der Messung
der Druckerhöhung und des Volumenstromes, die relativ exakt
erfaßbar sind, auch die Fluiddichte ρ direkt gemessen werden
könnte. Eine direkte und zeitlich unverzögerte Messung der
Dichte ρ ist darüber hinaus bei der Überwachung von strömenden
Medien ein dringender Wunsch.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zu schaffen, mit
der mit einfachen Mitteln eine kontinuierliche und zeitlich
unverzögerte Messung der Dichte in strömenden Medien möglich ist.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch die im kennzeichnenden
Teil des Patentanspruchs 1 herausgestellten Merkmale.
Zweckmäßige Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielsweise veranschaulicht
und im nachstehenden anhand der Zeichnung beschrieben.
Fig. 1 zeigt die Vorderansicht einer Sonde mit zylindrischem
Meßkörper.
Fig. 2 zeigt die Sonde um 90° gedreht von der Anströmseite aus
gesehen.
Fig. 3 zeigt einen Schnitt längs der Linie III-III in Fig. 1.
Fig. 4 zeigt ähnlich Fig. 1 die Vorderansicht einer Sonde mit
einem keilförmigen Strömungskörper.
Fig. 5 zeigt die Sonde nach Fig. 4 von der Anströmseite aus
gesehen teilweise im Schnitt.
Fig. 6 zeigt einen Schnitt längs der Linie VI-VI in Fig. 4.
Fig. 7 zeigt im größeren Maßstab einen Schnitt durch einen
Detektor zur Messung der Wirbelfrequenz.
Fig. 8 zeigt eine Schaltung zur Verarbeitung der mit der Sonde
gemessenen Daten als Blockschaltbild.
Die vorliegende Erfindung geht davon aus, daß der dynamische
Druck in einer Strömung, die Dichte des Mediums und die Strömungsgeschwindigkeit
eine Beziehung nach folgender Gleichung
haben
Aus dieser Gleichung ergibt sich für die Dichte
ρ = 2 (p t - p s ) · w -2 (2)
In den vorstehenden Gleichungen bedeuten:
p t = Totaldruck (Pa), p s = statischer Druck (Pa), w = Strömungsgeschwindigkeit (m/s) und ρ = Dichte (kg/m³).
p t = Totaldruck (Pa), p s = statischer Druck (Pa), w = Strömungsgeschwindigkeit (m/s) und ρ = Dichte (kg/m³).
Der dynamische Druck
p d = (p t - p s ) (3)
ist mit einer klassischen Prandtl-Sonde meßbar.
Die Strömungsgeschwindigkeit w wird aus der dimensionslosen
Strouhalzahl
ermittelt, in der f = Wirbelfrequenz (1 · sec-1) und d die Querabmessung
einer Strouhalsonde (m) ist. d · Sr -1 ist für eine
gegebene Strouhalsonde für bestimmte Meßbereiche eine Konstante
k. Damit ergibt sich für diese Bereiche
w = f · k (5)
Mit der im nachstehenden zu beschreibenden Sonde sind die
Parameter p t , p s und f meßbar. Aus diesen Parametern läßt sich
dann nach den obenstehenden Formeln die Dichte ρ ermitteln.
Die für die Messung der Dichte verwendete Sonde kann, wie in Fig.
1 bis 3 einerseits und Fig. 4 bis 6 andererseits ersichtlich,
unterschiedliche Querschnitte haben. Die Sonde 1 nach Fig. 1 bis
3 hat einen runden Querschnitt und ist als Zylinderkörper 2
ausgebildet. Dieser Zylinderkörper ist mit einem koaxialen
Gewindeansatz 4 und auf der anderen Seite mit einer Sackbohrung 3
mit einem Innengewinde 5 versehen, mit denen die Sonde in einer
Halterung so befestigbar ist, daß die Kennung beeinträchtigende
Randwirbel vermieden werden.
Die Sonde 1 ist auf einem Durchmesser 6 mit einer Gesamtdruckbohrung
8 versehen. Die Sonde wird wie eine Prandtl-Sonde mit
dieser Bohrung der Strömungsrichtung S entgegengerichtet montiert.
Im Abstand von der Gesamtdruckbohrung sind in gleichem Abstand
von diesen Bohrungen 10, 12 angeordnet, die senkrecht zur
Tangente an den Kreisquerschnitt münden und damit quer zur
Strömung auf der Oberfläche des zylindrischen Sondenkörpers
liegen. Die Bohrung 8 mündet in einer achsparallelen Bohrung 9
und die Bohrungen 10 bzw. 12 in achsparallelen Bohrungen 14 bzw.
16.
Bei Anströmung der Sonde in Richtung des Pfeiles S tritt hinter
dem größten Durchmesser 18 eine Strömungsablösung auf, die zur
Ausbildung von Karmann′schen Wirbeln hinter dem größten Durchmesser
der Sonde quer zur Strömungsrichtung führt.
Im Abstand vom Durchmesser 18 sind in gleichen Winkelabständen α
Detektorbohrungen 20, 22 vorgesehen, in denen Detektoren für die
abwechselnd auftretenden Ablöseimpulse der Strömung innerhalb der
Karmann′schen Wirbelstraße gemessen werden. Als Detektoren können
Druckaufnehmer oder thermische Detektoren vorgesehen werden. Es
sind jedoch auch andere Detektoren möglich, die auf die Ablöseimpulse
ansprechen und für die Ablöseimpulse jeweils ein Signal
abgeben.
Die Detektoren 20 und 22 sind mit Anschlüssen versehen, die durch
eine axiale Bohrung 24 nach außen geführt sind.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 4 bis 6 ist der Sondenkörper 26
keilförmig ausgebildet, wie aus Fig. 6 ersichtlich, wobei der
keilförmige Körper eine Basis 28 mit einer Breite x und eine Höhe
y über der Basis hat, wobei der Keil symmetrisch zur Basis ausgebildet
ist. Der Sondenkörper ist hier beidseitig mit einem
Gewindestutzen 30, 32 versehen. Zwischen dem Gewindestutzen und
dem Sondenkörper ist jeweils ein Ring 34, 36 ausgebildet.
Der keilförmige Sondenkörper ist an seiner Spitze mit einer
Gesamtdruckbohrung 38 versehen und in den angrenzenden Keilflächen
jeweils mit Bohrungen 40, 42, deren Achsen senkrecht zu
den Keilflächen 44, 46 liegen. Die Gesamtdruckbohrung 38 mündet
in einer querliegenden Bohrung 48 und die beiden Bohrungen 40, 42
münden in einer querliegenden Bohrung 50. Die Kanten 52, 54 der
Basis 28 bilden die Ablösekanten, hinter denen sich die
Karmann′sche Wirbelstraße ausbildet. Senkrecht zur Basisfläche 28
sind in dem Sondenkörper Bohrungen zur Aufnahme von Detektoren
56, 58 angeordnet, die jeweils in Bohrungen 60, 62 münden, die
sich quer im Sondenkörper erstrecken und durch die die Anschlußleitungen
für die Detektoren hindurchgeführt sind. Die Bohrungen
48, 50, 60, 62 sind, wie aus Fig. 4 ersichtlich, einseitig durch
den Gewindeansatz 32 hindurchgeführt. Der gegenüberliegende
Gewindeansatz 30 dient zur Halterung auf der gegenüberliegenden
Seite des Sondenkörpers 26.
In Fig. 7 ist in größerem Maßstab ein Ausschnitt im Bereich der
Basis 28 des Sondenkörpers wiedergegeben. Es ist hier die Aufnahme
58 für den Impulsdetektor dargestellt. Es ist hier eine
Bohrung 64 dargestellt, die durch eine mit der Basisfläche 28
abschließenden Hülse 66 abgeschlossen ist, die einen vorbestimmten
Durchmesser d aufweist. Im übrigen sind für die hier nicht
besprochenen Einzelheiten die in Fig. 6 erscheinenden Bezugszeichen
verwendet.
In Fig. 8 ist schematisch die Sonde 1 dargestellt mit ihren
Ausgängen für den Gesamtdruck p t und den Ausgängen für den
statischen Druck p s . Dargestellt sind ferner die Ausgänge der
Impulsdetektoren.
Aus dem Gesamtdruck p t und dem statischen Druck p s wird der
dynamische Druck p d ermittelt - Block 70 -, während aus den von
den Detektoren 56 bzw. 58 abgegebenen Impulsen die Gesamtimpulsfrequenz
f bestimmt wird - Block 72. Die Geschwindigkeit wird
durch Multiplikation der Impulsfrequenz mit der sich aus der
Strouhalzahl und der Querabmessung der Sonde ergebenden Konstanten
ermittelt - Block 74. Es kann dann die Dichte gemäß der Formel
ρ = 2 p d · w -2 errechnet werden - Block 76. Die so ermittelte
Dichte wird dann einem Anzeige- und/oder Aufzeichnungsgerät 78
zugeleitet.
Wie oben erwähnt, kann für viele für die Praxis interessante
Meßbereiche der Quotient d · Sr -1 als Konstante angesehen werden.
Bei größeren Meßbereichen kann die Viskosität der Gase einen
Einfluß auf das Meßergebnis haben. Durch sich ändernde Viskositäten
ändert sich die Reynolds-Zahl. Die Viskosität von Gasen
ist im wesentlichen abhängig von der Temperatur. Es kann daher in
Näherung ausreichen, bei der Errechnung der Dichte Viskositätsänderungen
als eine Funktion der zeitgleich gemessenen Gastemperatur
zu berücksichtigen. Damit würde dann der Faktor k, der
oben als Konstante angegeben ist, eine Funktion der Temperatur
und müßte als solche bei der Berechnung der Dichte berücksichtigt
werden.
Mit der beschriebenen Vorrichtung läßt sich somit kontinuierlich
und jeweils in Echtzeit die Dichte des strömenden Mediums ermitteln
und so eine kontinuierliche Überwachung der Dichte in strömenden
Medien auch bei sich ändernden Parametern für die Medien durchführen.
Claims (3)
1. Vorrichtung zur Messung der Dichte strömender Gase, gekennzeichnet
durch eine Sonde mit zwei parallelen, quer in der
Strömung liegenden Ablösekanten, hinter denen jeweils in
gleichen Abständen von der Kante Detektoren zur Messung der
Wirbelfrequenz angeordnet sind, mit einer Gesamtdruckbohrung
an der der Strömung entgegengerichteten Seite des Sondenkörpers
und mit symmetrisch angeordneten senkrecht zu der
Sondenoberfläche liegenden Bohrungen zur Messung des
statischen Druckes, und durch eine Schaltung zur Verarbeitung
der Meßgrößen nach der Formel
ρ = 2 (p t - p s ) · w -2,worin bedeuten: ρ = Dichte (kg/m³), p t = Totaldruck (Pa),
p s = statischer Druck (Pa), w = Strömungsgeschwindigkeit des
Mediums (m/s),
worin w ermittelt wird aus der Strouhalzahl (Sr) nach der Formelw = f · d · Sr -1,worin f = Wirbelfrequenz 1 · s -1, d = Querabmessung der Sonde und Sr die Strouhalzahl ist.
worin w ermittelt wird aus der Strouhalzahl (Sr) nach der Formelw = f · d · Sr -1,worin f = Wirbelfrequenz 1 · s -1, d = Querabmessung der Sonde und Sr die Strouhalzahl ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Sonde einen runden Querschnitt hat und mit ihrer Achse quer
in der Strömung liegt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Sonde einen keilförmigen Querschnitt hat, wobei die Basis
quer zur Strömungsrichtung liegt und die Spitze mittig vor
der Basis angeordnet ist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE (1) | DE3624093A1 (de) |
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-
1986
- 1986-07-17 DE DE19863624093 patent/DE3624093A1/de not_active Withdrawn
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