DE3642067A1 - Stroemungsmesser mit elektronischer einstellbarkeit von messmodul und anzeige - Google Patents

Stroemungsmesser mit elektronischer einstellbarkeit von messmodul und anzeige

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Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Strömungsmesser und speziell auf Strömungsmesser zur Messung einer Fluidströmung verschiedener Gasdichten bei Strömungsdrücken, die von unteratmosphärischem Druck bis positiven Drücken reichen, die nur durch die Druckfestigkeit der Strömungsmesseranordnung begrenzt sind.
Strömungsmesser variablen Strömungsquerschnitts sind im Stand der Technik gut bekannt. Solche Strömungsmesser variablen Strömungsquerschnitts sind im Grunde Rohre, die im Innern konisch sind, wobei der größere Durchmesser sich am oberen Ende befindet. Ein Schwimmer genanntes Element mit einem Außendurchmesser, der geringfügig kleiner als der minimale Betriebsdurchmesser des Rohres ist, befindet sich im Innern des Rohres, und der Zwischenraum zwischen dem Schwimmer und der Rohrwand bildet eine ringförmige Öffnung. Das Rohr ist in eine Strömungsleitung so eingebaut, daß die Strömung von unten nach oben durch das Rohr verläuft und der Schwimmer sich nach oben bewegt und an einer Stelle getragen wird, wo die Öffnung gerade groß genug ist, daß die Fluidströmung durch das System strömen kann.
Wenn man das Rohr transparent macht, sodaß man die Schwimmerposition durch das Rohr sehen kann, läßt sich die Schwimmerposition ausgedrückt in Zahlen auf einer Skala ablesen, wenn eine solche längs des Rohres angebracht ist. Diese Skalenwerte können zweier unterschiedlicher Arten sein. Die erste Art ist von willkürlicher Natur, die für sich bedeutungslos ist, jedoch aussagekräftig wird, wenn man sie mit einer Eichkurve vergleicht. Die zweite Art kann vorgeeicht sein, um eine direkte Ablesung zu ermöglichen, die das herrschende Strömungsvolumen in gegebenen Einheiten, beispielsweise in Kubikfuß pro Minute oder cm3/min. usw. des Fluides angibt, für das die Meßvorrichtung geeicht ist.
Gegenwärtig sind Strömungsmesser der beschriebenen Art von verschiedenen Herstellern im Handel. Sie werden gewöhnlich für ein spezielles Gas bekannten spezifischen Gewichts geeicht vertrieben und sind in Strömungsraten bei atmosphärischem Druck geeicht. Beispielsweise ist ein Strömungsmesser, der für Luft geeicht ist, die ein spezifisches Gewicht von 1,0 hat, in Standardkubikfuß (scfh) (= 0,0283 m3) pro Stunde geeicht, wobei diese Einheit eine Strömungsrate bei 1 at bei 22,2°C angibt.
Strömungsmesser, die für Gase unterschiedlicher spezifischer Gewichte und/oder bei unterschiedlichen Drücken verwendet werden, erfordern Strömungsratenumrechnungen auf der Grundlage von Gleichungen nach den Gesetzen idealer Gase. Diese Umrechnungen können etwas langwierig sein und beschwören die Gefahr von Fehlern herauf. Gegenwärtig gibt es keine Strömungsmesser, die eine direkte Ablesung von Strömungsraten von Gasen unterschiedlicher Dichte und/oder unterschiedlichen Drucks zulassen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen neuen und verbesserten Strömungsmesser anzugeben, der so eingerichtet ist, daß er eine direkte Ablesung von Strömungsraten bei unterschiedlichen Dichten und/oder Drücken ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Von der Erfindung wird demnach ein Strömungsmesser angegeben, der ein innen konisch verlaufendes transparentes Strömungsrohr enthält, das einen Schwimmer aufnimmt, der sich in dem Rohr in Abhängigkeit von dem von unten nach oben darin strömenden Fluid nach oben bewegt. Das Rohr ist innerhalb eines Gehäuses angeordnet, das eine Eingangsleitung zum unteren Ende des konischen Rohres und eine Ausgangsleitung vom oberen Ende desselben aufweist. Dicht benachbart dem Rohr ist eine sich vertikal erstreckende, elektrisch beleuchtbare Anzeigetafel angeordnet. Speichereinrichtungen, die Daten zur Erzeugung einer Vielzahl von abgestuften vertikalen Skalen entsprechend den Größen der spezifischen Gewichte für zu messende Fluide enthalten, erzeugen elektrische Signale zur Beleuchtung der Anzeigetafel und wählen eine bestimmte Werteskala benachbart dem Rohr aus. Mit den Speichereinrichtungen sind Eingabeeinrichtungen verbunden, mit denen Daten bezüglich des spezifischen Gewichts des Fluides eingegeben werden können, um dadurch die elektrischen Signale zu erzeugen, die die Anzeigetafel so beleuchten, daß eine abgestufte vertikale Skala von numerischen Werten erzeugt wird, mit einem oberen numerischen Wert, der eine Funktion des spezifischen Gewichts des Fluides und dessen Druck ist, und mit absteigend abgestuften Werten bis zu einem unteren numerischen Wert am unteren Ende der Skala.
In der bevorzugten Ausführungsform enthält die Anzeige numerische und lineare Indizes, die durch eine Vielzahl von elektrisch beleuchtbaren Zellen, wie beispielsweise Flüssigkristallanzeigeelemente (LCD) oder Leuchtdioden (LED), gebildet sind. In den verschiedenen Ausführungsformen werden die anzuzeigenden numerischen Indizes durch einen programmierten Mikroprozessor in Abhängigkeit von einer Tastatureingabe erzeugt, welche Eingabe durch das spezifische Gewicht des Fluides und dessen Leitungsdruck bestimmt ist.
Die Erfindung soll nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.
Fig. 1 zeigt eine spezifische Darstellung eines Strömungsmessers mit den Merkmalen der Erfindung, wobei das Strömungsrohr gestrichelt gezeichnet ist, und weiterhin die Gradeinteilungen und eine Skala erkennbar sind, wo numerische Indizes angezeigt werden;
Fig. 2 zeigt ein Beispiel einer elektrisch beleuchteten Zellengruppe, die bei der Erfindung verwendet wird;
Fig. 3A, 3B und 3C zeigen die Skala des Strömungsmessers nach Fig. 1 mit unterschiedlichen numerischen Indizes darauf; und
Fig. 4 ist ein Blockschaltbild, das die Zuordnung des durch eine Tastatur skalierten Strömungsmessers und einer Mikroprozessoreingabe zeigt.
Ein Strömungsmesser 10 mit den Merkmalen der Erfindung ist in Fig. 1 gezeigt und besteht aus einem Gehäuse 11 mit einer Fluidzuströmleitung 12 und einer Fluidausströmleitung 13. Die Zuströmleitung ist mit einem Strömungsrohr 14 innerhalb des Gehäuses 11 am unteren Ende des Strömungsrohres verbunden. Die Ausströmleitung 13 ist mit dem Strömungsrohr 14 an dessen oberem Ende verbunden. Ein Fluid, das in den Strömungsmesser eintritt, wird über die Zuströmleitung 12 zugeführt, strömt durch das Strömungsrohr 14 nach oben und verläßt den Strömungsmesser durch die Ausströmleitung 13.
Das Rohr 14 ist innen leicht konisch ausgeführt, wobei der Innendurchmesser von unten nach oben zunimmt. Das Rohr 14 nimmt einen Schwimmer 15 auf, der an der Nullstelle oder untersten Skalenstelle aufsitzt, wenn der Strömungsmesser nicht in Gebrauch ist. Das Strömungsrohr 14 ist durchsichtig und ist hinter einem durchsichtigen Fenster 16 angeordnet, das eine Skala trägt mit langen Anzeigestrichen 17 und dazwischenliegenden Teilstrichen 18.
Das Gehäuse 11 hat eine Anzeigetafel 19 neben dem Fenster 16 und enthält eine Vielzahl elektrisch beleuchtbarer Zellengruppen 20, die jeweils aus einer oder mehreren elektrisch beleuchtbaren Anzeigen bestehen, die hier in Form von üblichen Sieben-Segment-Anzeigeelementen dargestellt sind (siehe Fig. 2), wie sie bei Flüssigkristallanzeigen anzutreffen sind. Fig. 1 zeigt eine Tafel 19 mit einer Vielzahl von Zellengruppen 20 und entsprechenden Hinweispfeilen, die selektiv in Übereinstimmung mit einer gewünschten Skalenteilung beleuchtet werden können. In der dargestellten Ausführungsform haben die Zellengruppen 20 in vertikaler Richtung gleichmäßigen Abstand, dies braucht jedoch nicht immer so zu sein, wie man versteht. Eine spezielle Zellengruppe 21 ist auch am oberen Ende der Tafel 19 angeordnet, um den Druck in Pfund pro Quadratzoll (PSIG) bzw. in Pascal des untersuchten Fluids anzuzeigen. Auf der Tafel 19 ist weiterhin eine Zellengruppe 22 angeordnet, an der das spezifische Gewicht des beobachteten Fluids angezeigt wird.
Wie Fig. 3 zeigt, werden die Zellengruppen 21 und 22 und die Zellengruppen 20 zum Leuchten gebracht, um die Skalenunterteilung von 0 bis 100 in Zehnerintervallen anzuzeigen, wobei ein Hinweispfeil 23 neben jeder numerischen Anzeige und ein weiterer Skalenteilstrich 24 zwischen den Hinweispfeilen vorgesehen sind. Die Hinweispfeile 23 sind auf die langen Skalenstriche 17 auf dem Fenster 16 ausgerichtet, während die dazwischen liegenden Teilstriche 24 auf die Teilstriche 18 auf dem Fenster 16 ausgerichtet sind.
Es sei hervorgehoben, daß die Skalenstriche 17, 18, die numerischen Anzeigen 21, 22 und die vorgenannten Indizes 23, 24 durch elektrisch beleuchtbare Zellen gebildet werden können, und daß die Skalierung in Übereinstimmung mit einem Algorithmus geändert werden kann, der die eingegebenen Daten über das spezifische Gewicht und den Leitungsdruck des Fluides verarbeitet.
Wie in Fig. 4 dargestellt ist, wird die Anzeigetafel 19 durch elektrische Signale von einem Mikroprozessor 26 zum Leuchten gebracht, der Daten verarbeitet, die über die Tastatur 27 eingegeben werden, um die für das spezifische Gewicht und den Leitungsdruck eingegebenen Werte in einer Serie von numerischen Werten umzuwandeln, die einer Skala für das zu messende Fluid entsprechen, und der die geeigneten elektrischen Signale erzeugt, um die Tafel 19 in entsprechender Weise zum Leuchten zu bringen. Die Tastatur 27 kann ein Teil des Gehäuses 10 sein, sie kann aber auch davon getrennt sein und mit dem Gehäuse durch ein Kabel verbunden sein.
Es wird nun auf Fig. 3B Bezug genommen, die die Tafel 19 zeigt, wobei die Zellengruppe 21 so beleuchtet ist, daß sie einen Überdruck von 0 anzeigt, während die Zellengruppe 22 ein spezifisches Gewicht von 1,56 anzeigt. Hier sind die Zellengruppen 20 so programmiert worden, daß sie eine Skala von 0 bis 80, unterteilt in Achter-Einheiten, zeigen. Fig. 3C zeigt die Tafel 19 in einer Programmierung, in der die Zellengruppen so leuchten, daß sie in einen Bereich von 0 bis 147 zeigen, in vorbestimmten Stufen unterteilt, mit einem angezeigten Überdruck von 35,0 und einem spezifischen Gewicht von 1,56.
Die Skala von Fig. 3A ist für Luft bei einem spezifischen Gewicht von 1,0 und atmosphärischem Druck und erlaubt eine Strömungsmessung von 0 bis 100 Volumeneinheiten pro Zeiteinheit.
Die Skala von Fig. 3C ist für Propan mit einem spezifischen Gewicht von 1,56 bei einem Überdruck von 35 PSig. Innerhalb der gleichen meßbaren Grenzwerte des Strömungsmessers sind die Skalenwerte so berechnet worden, daß Strömungsmessungen zwischen 0 und 147 Volumeneinheiten pro Zeiteinheit möglich sind.
Die Skalen werden durch einen Mikroprozessor wie folgt berechnet: wobei
Q 2 die korrigierte Strömung ist,
Q 1 die Strömung bei spezifischem Gewicht (SG) = 1,00 ist (Luft),
SG 2 das spezifische Gewicht des gemessenen Gases ist.
Für Luft bei einem spezifischen Gewicht von 1,0 ist Q 1 = 100. Für Propan bei atmosphärischem Druck (Fig. 3B) gilt:
Die Skala wird deshalb auf 0 bis 80 eingestellt mit numerischen Skalenwerten in Achter-Inkerementen.
Wenn das Gas Propan ist und der Überdruck 35,0 PSig ist (Fig. 4B), dann wird die Skala wie folgt abgeleitet: wobei
Q 2 die korrigierte Strömung beim Druck P 2 ist,
Q 1 die Strömung beim Druck P 1 ist,
P 2 der absolute Druck Q 2 ist, und
P 1 der absolute Druck bei Q 1 ist.
Es ist dann:
Im allgemeinen verwendet die Software im Mikroprozessor einen Algorithmus, der die Wirkungen sowohl des spezifischen Gewichtes als auch des Leitungsdrucks berücksichtigt, d. h.:
Der hier verwendete Ausdruck "Leitungsdruck" bezieht sich auf den Druck am Einlaß des Strömungsmessers.
Die vorangehenden Berechnungen werden vorzugsweise in einem Mikroprozessor 26 (Fig. 4) ausgeführt, wobei das spezifische Gewicht des Gases und der Druck über eine Eingabeeinrichtung, wie beispielsweise die Tastatur 27, eingegeben werden. Der Mirkoprozessor ist so programmiert, daß er die geeignete Skala berechnet, wenn nur eine vorbestimmte Anzahl von Zellengruppen vorhanden sind (im dargestellten Beispiel elf Zellengruppen) und die Skala in im wesentlichen gleiche Intervalle in Abhängigkeit von dem Wert Q 2 für ein eingegebenes spezifisches Gewicht und einen Fluiddruck unterteilt. Alternativ kann der Mikroprozessor 26, wenn eine große Anzahl von Zellengruppen an der Tafel 19 vorhanden sind (beispielsweise 30 oder mehr), ein Untervielfaches in Übereinstimmung mit dem oberen Wert Q 2 auswählen und ausgewählte Zellengruppen beleuchten, um eine im wesentlichen gleichmäßig abgestufte Skala zwischen 0 und Q 2 zu erzeugen, oder er kann eine unterste Skalenzahl und die höchste Skalenzahl beleuchten. Die unterste Skalenzahl kann ggf. auch von 0 verschieden sein.
Wenn die Differenz zwischen null und Q 2 in Anbetracht der Anzahl der vorhandenen Zellengruppen nicht in gleichmäßige Intervalle unterteilt werden kann, dann ist der Mikroprozessor so programmiert, daß er die den Unterteilungen zugeordneten Zahlen in Übereinstimmung mit dem nächsten Primzahlteiler von Q 2 einstellt. Dies ist der Fall, der in Fig. 3C dargestellt ist, aus der sich ergibt, daß die Skala in sieben Schritte zu 15 Einheiten und drei Schritte zu 14 Einheiten unterteilt ist.
Die Rechenvorgänge hierfür werden nachfolgend erläutert:
  • 1. Berechne Q 2 im Hinblick auf das eingegebene spezifische Gewicht und den eingegebenen Überdruck.
  • 2. Bestimme die unterste Skalenzahl, sofern sie nicht null ist, die vom Benutzer eingegeben worden ist.
  • 3. Bestimme die Differenz N zwischen Q 2 und der untersten Skalenzahl.
  • 4. Bestimme die nächstliegende Zahl N 1, die in N : 10 teilbar ist und gleich oder größer als 10N 1 ist.
  • 5. Ermittle die Differenz zwischen 10N 1 und N.
  • 6. Stelle die Skalenzahlen so ein, daß die Differenz im wesentlichen gleichförmig längs der Skalenzahlen verteilt wird.
  • 7. Beleuchte die Zellengruppen 20 in Unterteilungen von N 1; oder N 1 und N 1-1.
Wenn die Tafel 19 mehr als elf vertikal angeordnete Zellengruppen enthält, dann können ausgewählte Gruppen in einem beliebigen Muster beleuchtet werden, um die Skalenunterteilung so gleichförmig wie möglich zu machen. In solchen Fällen können elf Zellengruppen oder mehr oder auch weniger als elf Zellengruppen beleuchtet werden.
Alternativ kann jede Zellengruppe mit einer zusätzlichen Zelle versehen sein, sodaß die Skalenzahlen auf Zehntel berechnet werden könnten. Auf diese Weise könnten alle Skalenzahlen mit elf Zellengruppen gleichmäßig unterteilt werden.
Wie man erkennt, können sowohl die numerischen Werte als auch die lineare Skalenunterteilung durch elektrische Signale erzeugt werden, die der beleuchtbaren Anzeigetafel zugeführt werden. Es kann aber auch die lineare Skalenunterteilung an festen Stellen aufgedruckt sein, wobei die geeigneten numerischen Werte benachbart dazu erzeugt werden. Augenscheinlich bringt die Erzeugung beider vorgenannter Sätze von Anzeigeelementen durch den Mikroprozessor die größte Flexibilität und die Möglichkeit, Skalen mit Werten zu erzeugen, die eine einfachere Interpolation erlauben. Bei der dargestellten Ausführungsform hat das Fenster eine darauf aufgedruckte lineare Skala, die beleuchtbare Anzeigetafel kann jedoch auch einen transparenten Fensterabschnitt aufweisen, um die lineare Skala vor dem Rohr elektrisch zu erzeugen.
Es sei betont, daß eine Kathodenstrahlröhre oder andere elektrisch beleuchtbare und veränderbare Anzeigeeinrichtungen verwendet werden können.
Obgleich die dargestellte Ausführungsform vom Benutzer verlangt, daß die Größe des Leitungsdrucks eingegeben wird, kann der Strömungsmesser einen Druckwandler enthalten, mit dem der Einlaßdruck ermittelt wird, um die Berechnungsgrundlagen dynamisch in Abhängigkeit von Druckänderungen zu variieren. Darüberhinaus kann der Strömungsmesser auch die Temperatur messen, und der Algorithmus kann so modifiziert werden, daß er Strömungsratenänderungen korrigiert, die durch Temperaturänderungen hervorgerufen werden. Diese vorübergehenden Schritte können jedoch unbeachtet bleiben.

Claims (8)

1. Strömungsmesser mit einem vertikalen Rohr, dessen Innenquerschnitt von unten nach oben leicht zunimmt, einem Schwimmer in dem Rohr, der dazu eingerichtet ist, in dem Rohr durch ein darin strömendes Fluid nach oben bewegt zu werden und die Strömungsrate in dem Rohr anzuzeigen, eine Einrichtung zum Verbinden des Rohres mit einer Strömungsleitung, wodurch das Fluid in der Leitung nach oben durch das Rohr strömt und den Schwimmer nach oben von einer Ruheposition abhebt, damit die Augenblicksposition des Schwimmers in dem Rohr die herrschende Strömungsrate des Fluides im Rohr anzeigt, dadurch gekennzeichnet, daß eine sich vertikal erstreckende, elektrisch beleuchtbare Anzeigeeinrichtung (19) dem Rohr (14) benachbart angeordnet ist, daß eine Speichereinrichtung (26) vorgesehen ist, die Daten zur Erzeugung einer Mehrzahl von abgestuften vertikalen Skalenwerten entsprechend spezifischen Gewichtsgrößen für zu messende Fluide und zum Erzeugen elektrischer Signale entsprechend einer erzeugten Skala zur Beleuchtung der Anzeigeeinrichtung (19) enthält, und daß eine manuell einstellbare Einstelleinrichtung (27) mit der Speichereinrichtung (26) verbunden ist zur Eingabe spezifischer Gewichte, um die Anzeigeeinrichtung (19) so zu beleuchten, daß eine abgestufte Vertikalskala numerischer Werte erzeugt wird, mit einem oberen numerischen Wert, der eine Funktion des spezifischen Gewichtes und des Drucks des Fluides ist und die auf einen unteren numerischen Wert am unteren Ende derselben stufenweise abnimmt.
2. Strömungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeigeeinrichtung (19) eine Mehrzahl beleuchtbarer Zellengruppen (20, 21, 22) aufweist.
3. Strömungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Speichereinrichtung einen Mikroprozessor (26) enthält, der die durch die Zellengruppen (20) angezeigten Skalenunterteilungen in Abhängigkeit von dem manuell eingegebenen spezifischen Gewicht des Fluides und des Leistungsdrucks des Fluides bestimmt.
4. Strömungsmesser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeigeeinrichtung (19) weiterhin einen Abschnitt enthält, der durch den Mirkoprozessor (26) aktiviert wird, und weiterhin von Hand einstellbare Einrichtungen (27, 21, 22) zur Anzeige des spezifischen Gewichts und des Leitungsdrucks enthält, die dem Mirkoprozessor eingegeben sind.
5. Strömungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeigeeinrichtung (19) einen Abschnitt enthält, der durch die von Hand einstellbare Einrichtung aktiviert wird zur Anzeige des spezifischen Gewichts und des Drucks des Fluides, die in den Strömungsmesser (10) eingegeben sind.
6. Strömungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beleuchtbare Anzeigeeinrichtung (19) sowohl lineare Skalenteilungen als auch die zugehörigen numerischen Werte erzeugt.
7. Strömungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeigeeinrichtung darauf aufgedruckte lineare Skalenteilungen enthält und die Speichereinrichtung (26) und die Eingabeeinrichtung (27) elektrische Signale erzeugen, um numerische Werte benachbart den Skalenteilungen zu erzeugen.
8. Strömungsmesser nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (14) und die Anzeigeeinrichtung (19) ein transparentes Fenster (16) aufweisen, das sich über das Rohr (14) erstreckt und darauf aufgedruckte lineare Skalenteilungen (17, 18) enthält.
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