DE8522950U1

DE8522950U1 - Vorrichtung zum Messen der Durchflußmenge einer Flüssigkeit

Info

Publication number: DE8522950U1
Application number: DE8522950U
Authority: DE
Original assignee: TLV Co Ltd
Current assignee: TLV Co Ltd
Priority date: 1984-08-09
Filing date: 1985-08-09
Publication date: 1985-11-21
Also published as: JPH0464414B2; AU577604B2; KR860002004A; FR2569002A1; KR900002320B1; ZA856040B; DE3528624C2; IT8521892A0; GB2163558A; IT1208567B; FR2569002B1; JPS6145924A; US4715225A; GB8519855D0; NL8502096A; GB2163558B; DE3528624A1; AU4485385A; BR8503704A

Description

/' . Anmelderin; Stuttgart, 7- August 1985

TLV Co., Ltd. Gm 1120 W-ef

Hibiya Kokusai Bldg., 8F, 2-3

Uchisaiwai-cho 2-chome

Chiyoda-Ku

Tokyo

100 JAPAN

Vertreter:

Kohler - Schwindling - Späth
Patentanwälte
Hohentwielstraße 41
7000 Stuttgart 1

Vorrichtung zum Messen der Durchflußmenge
einer Flüssigkeit

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zum Messen der Durchflußmenge einer Flüssigkeit, "bei der die Höhe eines Spiegels der Flüssigkeit in einem stromaufwärtigen Raum eines von der Flüssigkeit durchströmten Überlaufs gemessen wird und die Durchflußmenge aus einem vorbestimmten, von der

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Form des Überlaufes abhängenden Zusammenhang zwischen der Höhe des Spiegels 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 Kondensat» ift eiriem StruinurigsrohrsysOem, 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.

Die Erfindung schafft einen Plüssigkeitsdurchflußmesser, bei dem ein sogenannter proportionaler Überlauf verwendet wird, in dem die Flüssigkeitsdurchflußmenge dem Flüssigkeitsspiegel auf der Stromaufwärtsseite des Überlaufs proportional ist. Der Innenraum des Gehäuses dieses üurchflußmessers ist durch eine vertikale Wand aufgeteilt in einen stromaufwärtigen Raum mit einem Einlaß, der in dessen oberem Teil gebildet ist und mit den Meßsystem in Verbindung steht, und C.) i" 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 o. dgl. gemessen. Bekanntlich ist die durch eine

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Öffnung strömende FlÜBsigkeitsdürchflußmenge proportional der Quadratwurzel des Abstandes der Flüssigkeitsob.erfläche zur Öffnung.

Bei bekannten Vorrichtungen nimmt die Meßgenauigkeit ab, wsnn dis SurciifluSmsn^s abnixust vsil der MsSfshlsr bein! Messen des Flüssigkeitsspiegel 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, ?ie 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 •i 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 bzw. ein Verfahren der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß eine konstante Genauigkeit geschaffen wird, so daß unabhängig von der absoluten Höhe des Spiegels der Flüssigkeit immer mit demselben Meßfehler gerechnet werden fcann.

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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die
Breite des Überlaufs in Abhängigkeit von der Höhe so bemessen ist, daß das Verhältnis einer Durchflußmengenzu- bzw.
-abnähme zur gesamten Durchflußmenge unabhängig von der Höhe
des Spiegels im Meßbereich konstant ist.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird damit vollkommen gelöst.

Wie bereits erwähnt, sind die durch Turbulenzen oder mecha- &

nische Einflüsse, insbesondere Reibungseinflüsse des Schwim- h

mersystems verursachten Fehler unabhängig von der Höhe des |

Flüssigkeitsspiegels. Gemäß der Erfindung wird dieser, von f

der Höhe unabhängige konstante Fehler in einen ebenso von \

der Höhe unabhängigen, konstanten "Fehler" der Durchfluß- »

menge umgesetzt, so daß über den gesamten Meßbereich mit ein f-

und demselben konstanten Fehler gerechnet werden kann. \

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist der f

Überlauf die Form eines sich nach oben aufweitenden symme- j

trischen Spaltes auf, wobei die Kontur der von einer sich >

schließenden Spitze ausgehenden Seiten des Spaltes einen \

exponentiellen Verlauf zur Symmetrieachse aufweist. j

Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung f

ist im Abstand unterhalb der Spitze eine Durchströmöffnung ' angeordnet.

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Die vorstehend genannten Maßnahmen haben den Vorteil, daß die Kontur des Spaltes auf einfache Weise berechnet und damit auch gefertigt werden kann. Außerdem können durch unterschiedliche Spaltkonturen unterschiedliche vorgegebene mechanische und sonstige Meßfehler erfindungsgemäß 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 Plussigkeitsspiegels in dem stromaufwärtigen Raum. Insbesondere ist der Schwimmer dabei 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 7-agesensor mechanische Fehler durch Reibung u. dgl. 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.

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Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Schwimmer an seinem Umfang mit Schaufeln versehen, und es sind Mittel vorgesehen, die die zuströmende Flüssigkeit auf die Schaufeln lenken. Insbesondere sind die Mittel als U-Rohr oder als Zufuhrkanal ausgebildet, und die Flüseigkeit tritt tangential zu dem Schwimmer in den stromaufwärt igen 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 o. dgl. auftreten.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und der ( ^ beigefügten Zeichnung.

Es versteht sich, daß die vorstehend geschilderten und die nachstehend noch erläuterten Merkmale auch jeweils in anderen Kombinationen oder einzeln verwendet werden können, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Die Erfindung wird nachstehend unter HinweiB auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

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' Pig. 1 einen axialen Schnitt durch ein Ausführung3bei-

* spiel eines erfindungsgemäßen Durchflußmessers;

Fig. 2 eine Endansicht eines Ausführungsbeispiels eines

, Überlaufs sowie eine grafische Darstellung der

Abhängigkeit zwischen der Höhe des Flüssigkeitsspiegeis und der Durchflußrate bei d<;m beispiels-

ί weise dargestellten Überlauf.

In Fig. 1 ist eine Detektier«sinheit 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 stromabwartigen Raumes 20 ist eine Flüssigkeitsaustrittsöffnung 26 angeordnet. Die Flüssigkeitsaustrittsöffnung 26 steht über einen vertikalen Kanal mit einem Auslaß 28 in Verbindung.

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Der stromaufwärtige HaUm 18 und der stromabwärtige Raum 20 Btehen 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 vereehen.

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

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der Durchflußmenge zu der gesamten Durchflußmenge mit der spezifizierten Durchflußmeßgenauigkeit zusammenfällt.

Verfahren, um auf der Grundlage der Bernoulli'sehen Glei-* chungen durch Integration oder Iteration eine Durchflußmenge f 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 ν. 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 nächstehenden Tabelle I angegeben:

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Höhe(mm) Breite (mm) Durchflussmenge tkg/h)_

1 0,23 21,75

2 0,34 22,63

3 0,42 23,55

4 0,49 24,50 ( ) 5 0,55 25,49

10 0,80 31,07

20 1,30 46,17

30 1,97 68,60

40 2,95 101,94

50 4.40 151,47

60 6,55 225,08

70 9,73 334,45

80 14,47 496,97

90 21,50 738,48

100 31,95 1097,33

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 in den stromabwärtigen Raum 20 und fließt dann durch den

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Auslaß 28 hinaus. Da die Beziehung zwischen dem Flüssigkeitsspiegel im stromaufwärtigen Räum 18 und der Durchflußmenge am Überlauf 34 bekannt ist, wird die Durchflußmenge am

f Überlauf 34 auf der Basis des gemessenen Flüssigkeits-

t> Spiegels erhalten.

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1 Das Verhältnis vom Inkrement oder Dekrement der Durchfluß-

« menge bei einer konstanten Veränderung des Flüssigkeits-

i ( Λ Spiegels zur gesamten Durchflußmenge ist konstant und fällt 1 mit der spezifizierten Meßgenauigkeit zusammen,* soweit der

!Bereich der Veränderung des Plüssigkeitsspiegels im stromauf wärtigen Raum 18 innerhalb der Höhe des Überlaufs 34 liegt. Andererseits ist der Plüssigkeitsspiegelmeßfehler praktisch konstant, unabhängig vom Flüssigkeitsspiegel.

Pig. 2 zeigt die jeweiligen Formen der Öffnung 32 und des

I Überlaufs 34, die auf der Basis der weiter vorne erläuterten

ϊ 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 Flüs-

■ 8igkeitsspi3gels im Überlauf 34 wiedergibt.
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\ In Fig. 1 ist ferner noch das Meßsystem zu erkennen, das zum

■ Erfassen des Flüssigkeitsspiegels dient.

■ Eine Isolierplatte 36 und Unterstützungselemente 38 und 40 I sind auf der Oberseite des Deckels 14 montiert. Ein Poten-I tiömeter 42 mit einer Verbindungseinrichtung 43 für die

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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 Hohlschwimmer 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. Polglich 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.

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Claims

η · ff · « Schutzansprüche

1. Vorrichtung zum Messen der Durchflußmenge einer Flüssigkeit, bei der die Höhe eines Spiegels der Flüssigkeit in einem stromaufwärbigen Raum (18) eines von de- Flüssigkeit durchströmten Überlaufs (34) gemesyen wird und die Durchflußmenge aus einem vorbestimmten, von der Form des Überlaufs (34) abhängenden Zusammenhang zwischen der Höhe des Spiegels und der Durchflußmenge an dem Überlauf (34) ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des Überlaufs (34) in Abhängigkeit von der Höhe so bemessen ist, daß das Vernältnis einer Durchflußmengenzu- bzw. -abnähme zur gesamten Durchflußmenge unabhängig von der Höhe des Spiegels im Meßbereich konstant ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Überlauf (34) die Form eines sich nach oben aufweitenden symmetrischen Spaltes aufweist, wobei die Kontur der von einer sich schließenden Spitze ausgehenden Seiten des Spaltes einen exponentiellen Verlauf zur Symmetrieachse aufweist.

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3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Abstand unterhalb der Spitze eine Durchströmöffnung (32) angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bi? 3, dadurch gekennzeichnet, daß stromaufwärts des Überlaufs (34) ein Schwimme!' (48) die Höhe des Flüssigkeitsspiegels in dem stromaufwärtigen Raum (18) erfaßt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwimmer (48) mit einem Rohr (50) versehen ist, das gleitena mit einem konzentrischen dünnwandigen Rohr (46) verbunden ist, daß am Hohlschwimmer (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.

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

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7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel als U-Rohr (51) und/oder als Zuführkanal (17) ausgebildet sind und daß die Flüssigkeit tangential zu dem Hohlschwimmer (48) in den stromäuf-'•wärtigen Raum (18) eintritt.

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