DE3642067C2 - - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Schwebekörper-Strömungsmesser zur Messung einer Fluidströmung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein solcher Strömungsmesser ist aus der Zeitschrift "Regelungstechnische Praxis", 1978, Heft 11, Seiten 317 bis 322 bekannt.

Dieser Strömungsmesser variablen Strömungsquerschnitts enthält ein Rohr, das im Innern konisch ist, wobei der größere Durchmesser sich am oberen Ende befindet. Ein Schwebekörper 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 Schwebekörper 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 Schwebekörper sich nach oben bewegt und an einer Stelle stationär getragen wird, wo die Öffnung gerade groß genug ist, daß die Fluidströmung durch das System strömen kann und die Gewichtskraft des Schwebekörpers ausgleicht.

Wenn man das Rohr transparent macht, so daß man die Schwebekörperposition durch das Rohr sehen kann, läßt sich die Schwebekörperposition 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 und 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. Auch bei dem eingangs genannten Strömungsmesser muß man die den Schwebekörperstellungen entsprechenden Strömungsraten Tabellen entnehmen, die ein Rechner aufgrund von Dichte- und Druckvorgaben erstellt.

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 in bekannter Art ein innen konisch verlaufendes transparentes Strömungsrohr enthält, das einen Schwebekörper 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 gemäß der Erfindung eine sich vertikal erstreckende Anzeigetafel mit durch elektrische Erregung zur Darstellung bringbaren Skalenwerten angeordnet. Speichereinrichtungen, die Daten zur Erzeugung einer Vielzahl von Skalenwerten enthalten, die in Abhängigkeit von den Größen der spezifischen Gewichte für zu messende Fluide abgestuft sind, erzeugen elektrische Signale zur Darstellung dieser Skalenwerte in der Anzeigetafel und legen eine ausgewählte Werteskala neben dem Rohr fest. Mit den Speichereinrichtungen sind Eingabeeinrichtungen verbunden, mit denen Daten bezüglich des spezifischen Gewichts des Fluids und ggf. des Drucks desselben eingegeben werden können, um dadurch die elektrischen Signale zu erzeugen, die die Anzeigetafel so erregen, daß eine abgestufte 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 erregbaren Zellen, wie beispielsweise Flüssig­ kristallanzeigeelemente (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 gemäß einem Ausführungsbeispiel 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 erregbaren 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 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 1 gezeigt und besteht aus einem Gehäuse 11 mit einer Fluidzuströmleitung 12 und einer Fluidausströmleitung 13. Die Zuströmleitung 12 ist mit einem Strömungsrohr 14 innerhalb des Gehäuses 11 am unteren Ende des Strömungsrohres 14 verbunden. Die Ausströmleitung 13 ist mit dem Strömungsrohr 14 an dessen oberem Ende verbunden. Ein Fluid, das in den Strömungsmesser 10 eintritt, wird über die Zuströmleitung 12 zugeführt, strömt durch das Strömungsrohr 14 nach oben und verläßt den Strömungsmesser 10 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 Schwebekörper 15 auf, der an der Nullstelle oder untersten Skalenstelle aufsitzt, wenn der Strömungsmesser 10 nicht in Gebrauch ist. Das Strömungsrohr 14 ist durchsichtig und ist hinter einem durchsichtigen Fenster 16 angeordnet, das eine Skala trägt, die lange Anzeigestriche 17 und dazwischenliegende Teilstriche 18 aufweist.

Das Gehäuse 11 hat eine Anzeigetafel 19 neben dem Fenster 16 und enthält eine Vielzahl elektrisch erregbarer Zellengruppen 20, die jeweils aus einer oder mehreren elektrisch erregbaren 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 erregt werden können. In der dargestellten Ausführungsform haben die Zellengruppen 20 in vertikaler Richtung gleichmäßig 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 elektrisch erregt, 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 erregt oder 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 eine Serie von numerischen Werten umzuwandeln, die einer Skala für das zu messende Fluid entsprechen, und der die geeigneten elektrischen Signale erzeugt, um die Skalenwerte auf der 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 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

Q₂ die korrigierte Strömung ist,
Q₁ die Strömung bei spezifischem Gewicht (SG) = 1,00 ist (Luft),
SG₂ das spezifische Gewicht des gemessenen Gases ist.

Für Luft bei einem spezifischen Gewicht von 1,0 ist Q₁ = 100. Für Propan bei atmosphärischem Druck (Fig. 3B) gilt:

Die Skala wird deshalb auf 0 bis 80 eingestellt mit numerischen Skalenwerten in Achter-Inkrementen.

Wenn das Gas Propan ist und der Überdruck 35,0 PSig ist (Fig. 4B), dann wird die Skala wie folgt abgeleitet:

wobei

Q₂ die korrigierte Strömung beim Druck P₂ ist,
Q₁ die Strömung beim Druck P₁ ist,
P₂ der absolute Druck bei Q₂ ist und
P₁ der absolute Druck bei Q₁ 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 Mikroprozessor ist so programmiert, daß er die geeignete Skala berechnet, wenn nur eine vorbestimmte Anzahl von Zellengruppen vorhanden sind (im dargestellten Beispiel elf Zellengruppen), und er unterteilt die Skala in im wesentlichen gleiche Intervalle in Abhängigkeit von dem Wert Q₂ für ein eingegebenes spezifisches Gewicht und einen eingegebenen Fluiddruck. 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 Q₂ auswählen und ausgewählte Zellengruppen erregen, um eine im wesentlichen gleichmäßig abgestufte Skala zwischen 0 und Q₂ zu erzeugen, oder er kann eine unterste Skalenzahl und die höchste Skalenzahl erregen. Die unterste Skalenzahl kann ggf. auch von 0 verschieden sein.

Wenn die Differenz zwischen null und Q₂ 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 Primzahlenteiler von Q₂ 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 Q₂ 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 Q₂ und der untersten Skalenzahl.
• 4. Bestimme die nächstliegende Zahl N₁, die in N : 10 teilbar ist und gleich oder größer als 10 N₁ ist.
• 5. Ermittle die Differenz zwischen 10 N₁ und N.
• 6. Stelle die Skalenzahlen so ein, daß die Differenz im wesentlichen gleichförmig längs der Skalenzahlen verteilt wird.
• 7. Errege die Zellengruppen 20 in Unterteilungen von N₁; oder N₁ und N₁-1.

Wenn die Tafel 19 mehr als elf vertikal angeordnete Zellengruppen enthält, dann können ausgewählte Gruppen in einem beliebigen Muster erregt (zum Leuchten gebracht) werden, um die Skalenunterteilung so gleichförmig wie möglich zu machen. In solchen Fällen können elf Zellengruppen oder mehr oder auch weniger als elf Zellengruppen erregt werden.

Alternativ kann jede Zellengruppe mit einer zusätzlichen Zelle versehen sein, so daß 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 elektrisch erregbaren 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 elektrisch erregbare 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 erregbare 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 Temperatur­ änderungen hervorgerufen werden. Diese vorübergehenden Änderungen können jedoch im allgemeinen unbeachtet bleiben.

Claims (9)

1. Schwebekörper-Strömungsmesser mit einem vertikalen Rohr, dessen Innenquerschnitt von unten nach oben leicht zunimmt, einem Schwebekörper in dem Rohr, der dazu eingerichtet ist, in dem Rohr durch ein darin aufwärts strömendes Fluid nach oben bewegt zu werden und die Strömungsrate des Fluides in dem Rohr anzuzeigen, einer Meßskala neben dem Rohr für die Höhenstellungen des Schwebekörpers, einer Datenspeichereinrichtung, in der Höhenstellungen des Schwebekörpers Strömungsratenwerte des Fluides zugeordnet sind, und Einrichtungen zum Eingeben des spezifischen Gewichts und des Leitungsdrucks des in dem Rohr strömenden Fluides in die Speichereinrichtung, um die den Höhenstellungen des Schwebekörpers jeweils zugeordneten Strömungsratenwerte in Abhängigkeit vom spezifischen Gewicht und vom Leitungsdruck des Fluides zu verändern, wobei wenigstens das spezifische Gewicht des Fluides manuell eingebbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß neben dem Rohr (14) eine Anzeige­ einrichtung (19) angeordnet ist, die, durch die Speichereinrichtung (26) gesteuert, elektrisch derart erregbar ist, daß sie eine abgestufte Vertikalskala (20) numerischer Werte in Einheiten der Strömungsrate zur optischen Darstellung bringt, mit einem oberen numerischen Wert, der eine Funktion des spezifischen Gewichts 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 elektrisch erregbarer 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 vom Leitungsdruck des Fluides bestimmt.

4. Strömungsmesser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeigeeinrichtung (19) weiterhin einen Abschnitt enthält, der durch den Mikroprozessor (26) aktiviert wird, und weiterhin von Hand einstellbare Einrichtungen (27, 21, 22) zur Anzeige der Werte des spezifischen Gewichts und des Leitungsdrucks enthält, die dem Mikroprozessor 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 elektrisch erregbare 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 zur Darstellung zu bringen.

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.

9. Strömungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß er einen Druckwandler aufweist, der den Einlaßdruck des Fluides ermittelt und der mit der Speichereinrichtung (26) verbunden ist.