Die Erfindung bezieht sich auf eine Durchflussmessvorrichtung gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Solche Durchflussmessvorrichtungen eignen sich beispielsweise zur Messung der Durchflussmenge von Wärmeträgermedien in Heizungsanlagen und damit zur Wärmemengenerfassung. Auch die Regelung von Durchflussmengen ist mit einer solchen Vorrichtung möglich.
Eine Durchflussmessvorrichtung dieser Art ist aus der DE-OS 3 713 542 bekannt. Hierbei werden die Druckdifferenz über einem Ventilkörper und der Hub des Ventilkörpers gemessen und daraus ein Durchflusskoeffizient berechnet.
Bekannt ist aus der DE-OS 3 700 898 ein Mengenregelventil, bei dem der Druck und die Temperatur vor und hinter dem Ventil sowie der \ffnungsquerschnitt des Ventils gemessen und mit einem Rechner weiter verarbeitet werden.
Ferner ist aus der EP-OS 0 110 325 ein Durchflussregelsystem bekannt, bei dem die Druckdifferenz über einer Messblende erfasst wird. Die Anström- und Abströmseite der Messblende wird ausserdem durch ein mit einem Bypassventil verschliessbares Bypassrohr verbunden. Mittels einer Recheneinrichtung erfolgt eine Korrektur der berechneten Strömungsmenge entsprechend dem Verhältnis der Querschnittsflächen der Messblende und des Durchflussquerschnitts des Bypassventils.
Bei solchen Durchflussmess- und -regelsystemen nach dem Prinzip der Wirkdruckmessung besteht grundsätzlich das Problem, dass die Erfassungsgrösse Druckdifferenz eine Wurzelfunktion der gewünschten Grösse Strömungsgeschwindigkeit darstellt. Das Problem äussert sich in der erzielbaren Genauigkeit der Messung. Erfolgt die Messung des Differenzdruckes genügend genau in einem Bereich zwischen 10 und 100% des Nenndurchflusses der Messeinrichtung, also in einem Bereich 1:10, so stehen die zugehörigen Strömungsgeschwindigkeiten im Verhältnis 1: 2ROOT 10.
Daraus folgt, dass gewöhnliche Messeinrichtungen für Strömungsgeschwindigkeiten nur einen kleinen Messbereich mit genügender Messgenauigkeit besitzen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kostengünstig herstellbare Messeinrichtung zu schaffen, deren Messbereich genügender Genauigkeit gegenüber dem Bekannten deutlich grösser ist.
Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockschema einer Durchflussmessvorrichtung,
Fig. 2 ein schaltbares Drosselorgan und
Fig. 3 eine Messvorrichtung zur Erfassung der Druckdifferenz.
In der Fig. 1 bedeutet 1 ein Rohr, das von dem Strömungsmedium, dessen Durchflussmenge bestimmt werden soll, durchflossen wird. In diesem Rohr 1 ist ein Drosselorgan 2 verschiebbar angeordnet. Dieses weist eine erste \ffnung 3a und eine zweite \ffnung 3b auf, wobei in der gezeichneten Stellung die \ffnung 3a wirksam ist und somit den wirksamen Querschnitt des Drosselorgans darstellt. Mit 4 ist ein Differenzdrucksensor bezeichnet, der den Druck des Strömungsmediums vor und hinter dem Drosselorgan 2 erfasst und daraus die Druckdifferenz bildet, die er in Form eines Signals an seinem Ausgang 5 abgibt. Der Ausgang 5 des Differenzdrucksensors 4 ist mit dem Eingang eines Schwellwertschalters 6 und mit einem Rechenglied 7 verbunden.
Der Schwellwertschalter 6 weist zwei Ausgänge auf: Einen ersten Ausgang 8, an den ein auf das Drosselorgan 2 wirkender Antrieb 9 angeschlossen ist, und einen zweiten Ausgang 10, der mit dem Rechenglied 7 verbunden ist.
Die Funktionsweise der beschriebenen Vorrichtung ist wie folgt:
Das durch das Rohr 1 mit einer bestimmten Geschwindigkeit fliessende Strömungsmedium erzeugt an der \ffnung 3a des Drosselorgans 2 eine Druckdifferenz, die mit dem Differenzdrucksensor 4 erfasst wird. Das Signal des Differenzdrucksensors 4 gelangt einerseits auf den Eingang des Schwellwertschalters 6 und andererseits auf den einen Eingang des Rechenglieds 7.
Steigt nun die Strömungsgeschwindigkeit, so wird auch die gemessene Druckdifferenz grösser. Überschreitet die Druckdifferenz einen das Schaltverhalten des Schwellwertschalters 6 charakterisierenden oberen Schwellwert, so wechselt das Signal an den beiden Ausgängen 8 und 10 des Schwellwertschalters 6. Durch den Signalwechsel am Ausgang 8 wird der Antrieb 9 so angesteuert, dass er das Drosselorgan 2 bewegt, und zwar so, dass die erste \ffnung 3a aus dem Querschnitt des Rohres 1 herausbewegt und die zweite \ffnung 3b in den Querschnitt des Rohres 1 hineinbewegt wird, so dass nun die grössere \ffnung 3b den wirksamen Querschnitt des Drosselorgans 2 darstellt.
Da auch das Signal am Ausgang 10 des Schwellwertschalters 6 wechselt, erhält das Rechenglied 7 die Information, dass der obere Schwellwert des Schwellwertschalters 6 überschritten und demzufolge die zweite \ffnung 3b wirksam geworden ist. Deshalb ist das Rechenglied 7 nun in der Lage, das Ausgangssignal des Differenzdrucksensors 4 anders zu gewichten.
Fällt die Strömungsgeschwindigkeit wieder, so verringert sich auch die gemessene Druckdifferenz. Unterschreitet die Druckdifferenz einen das Schaltverhalten des Schwellwertschalters 6 charakterisierenden unteren Schwellwert, so wechselt wiederum das Signal an den beiden Ausgängen 8 und 10 des Schwellwertschalters 6. Durch den Signalwechsel am Ausgang 8 wird der Antrieb 9 so angesteuert, dass er das Drosselorgan 2 bewegt, und zwar jetzt so, dass die zweite \ffnung 3b aus dem Querschnitt des Rohres 1 herausbewegt und die erste \ffnung 3a in den Querschnitt des Rohres 1 hineinbewegt wird, so dass nun die kleinere \ffnung 3a den wirksamen Querschnitt des Drosselorgans 2 darstellt.
Da auch das Signal am Ausgang 10 des Schwellwertschalters 6 wechselt, erhält nun das Rechenglied 7 die Information, dass der untere Schwellwert des Schwellwertschalters 6 unterschritten und demzufolge die erste \ffnung 3a wirksam geworden ist. Deshalb ist das Rechenglied 7 nun in der Lage, das Ausgangssignal des Differenzdrucksensors 4 wiederum anders zu gewichten.
Das Rechenglied 7 hat also zwei Signale zu verarbeiten. An seinem ersten Eingang steht das Signal der Druckdifferenz zur Verfügung und an seinem zweiten Eingang ein Signal, das angibt, ob die erste \ffnung 3a oder die zweite \ffnung 3b wirksam ist. Im Rechenglied 7 ist der ersten \ffnung 3a ein erster Korrekturwert und der zweiten \ffnung ein zweiter Korrekturwert zugeordnet. Durch Multiplikation dieser Korrekturwerte mit dem Signal der Druckdifferenz berechnet das Rechenglied 7 die Durchflussmenge pro Zeiteinheit und/oder unter Berücksichtigung einer Zeitinformation die Durchflussmenge. Der Messwert der Durchflussmenge pro Zeiteinheit kann zur Regelung der Durchflussmenge verwendet werden, wenn die beschriebene Vorrichtung zusammen mit einem Sollwertgeber, einem Vergleicher und einem Stellglied eingesetzt wird.
Es ist auch möglich, die Vorrichtung zur Wärmemengenmessung heranzuziehen, wozu sie mit Mitteln zur Erfassung der Temperaturdifferenz zu ergänzen ist. Dabei kann mit Vorteil das Rechenglied 7 so ausgestaltet werden, dass ein zusätzlicher Eingang für die Temperaturdifferenz vorgesehen wird und das Signal an diesem Eingang mit dem Messwert für den Durchfluss multipliziert wird.
Das beschriebene Ausführungsbeispiel weist ein Drosselorgan 2 mit zwei \ffnungen 3a und 3b auf und entsprechend haben auch die Ausgänge 8 und 10 des Schwellwertschalters 6 zwei mögliche Zustände. Zur Vergrösserung des Messbereichs ist es möglich, drei oder mehr verschieden grosse \ffnungen 3 vorzusehen und dazu passend einen Schwellwertschalter 6 mit drei oder mehr Schaltstufen und ein Rechenglied 7 mit drei oder mehr gespeicherten Korrekturwerten, die diesen Schaltstufen zugeordnet sind.
Die Fig. 2 zeigt eine vorteilhafte Ausführungsform eines schaltbaren Drosselorgans. Ein Gehäuse 20 umschliesst einen Strömungskanal 21 für das Strömungsmedium. Im Zuge des Strömungskanals 21 ist eine Kreislochblende 22 quer zur Strömungsrichtung angeordnet. In die \ffnung der Kreislochblende 22 taucht ein Verdrängungskörper 23 ein, wodurch zwischen der Kreislochblende 22 und dem Verdrängungskörper 23 ein Ringspalt 24 offen bleibt, der den wirksamen Querschnitt des Drosselorgans darstellt. Der Verdrängungskörper 23 besteht aus einzelnen Zylindern 25, 26 mit diskret abgestuften Aussendurchmessern. Der Verdrängungskörper 23 ist mittels einer Welle 27 im Gehäuse 20 längs seiner Achse seitenverschieblich gelagert, wobei die Position des Verdrängungskörpers 23 durch den Antrieb 9 (Fig. 1) verändert werden kann.
In der einen Lage befindet sich der erste Zylinder 25 innerhalb der Kreislochblende 22, in der zweiten Lage befindet sich der zweite Zylinder 26 innerhalb der Kreislochblende 22. Im ersten Fall ist der Ringspalt 24 grösser als im zweiten Fall. Es besteht eine Analogie zu den unterschiedlich grossen \ffnungen 3a und 3b des ersten Ausführungsbeispiels (Fig. 1).
Es ist möglich, statt der dargestellten zwei unterschiedlich grossen Zylinder 25, 26 deren drei oder mehr vorzusehen, um damit mehrere verschieden grosse Ringspalte 24 zu verwirklichen. Das Drosselorgan ist damit mehrstufig schaltbar.
Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass bei ihr keine besonderen Abdichtungsprobleme bestehen, da lediglich die Welle 27 durch das Gehäuse geführt und abgedichtet werden muss. Ausserdem ist die Genauigkeit der Positionierung des Verdrängungskörpers 23 unkritisch. Kleinere Unterschiede in der Position des Verdrängungskörpers 23 beeinflussen die Grösse des Ringspaltes 24 nicht. Deshalb kann auch der Antrieb 9 in vorteilhafter Weise sehr einfach ausgeführt sein. Zudem verändern thermisch bedingte Hubänderungen die Grösse des Ringspaltes 24 nicht.
Es ist vorteilhaft, die Kreislochblende 22 an ihrem inneren Rand scharfkantig auszuführen. Damit wird die Unempfindlichkeit gegen Ungenauigkeiten in der Position des Verdrängungskörpers 23 weiter gesteigert.
Es ist vorteilhaft, die Mittel zur Erfassung der Druckdifferenz innerhalb des Verdrängungskörpers 23 anzuordnen. Die Fig. 3 zeigt den Aufbau eines solchen Verdrängungskörpers 23. Innerhalb des Verdrängungskörpers 23 befindet sich ein Druckmesselement 30, das formschlüssig mit dem Verdrängungskörper 23 verbunden ist und über eine erste \ffnung 31 und eine zweite \ffnung 32 mit den Räumen vor und hinter der Kreislochblende 22 in Verbindung steht, so dass auf das Druckmesselement 30 direkt der Differenzdruck wirkt. Die Verformung des Druckmesselements 30 wird über eine Stange 33 direkt auf ein aus einem Magneten 34 und einer Hallsonde 35 bestehendes Messsystem übertragen. Die Druckdifferenz wird somit in einen Weg umgeformt, dessen Wert als Spannung an der Hallsonde 35 abgegriffen werden kann.
Dieser Spannungswert kann, wie beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 angegeben, an den Schwellwertschalter 6 und das Rechenglied 7 übermittelt werden.
Bei den beschriebenen Durchflussmessvorrichtungen arbeitet der Differenzdrucksensor 4 bzw. das Druckmesselement 30 immer im optimalen Messbereich.
The invention relates to a flow measuring device according to the preamble of claim 1.
Such flow measuring devices are suitable, for example, for measuring the flow rate of heat transfer media in heating systems and thus for measuring the amount of heat. The regulation of flow rates is also possible with such a device.
A flow measuring device of this type is known from DE-OS 3 713 542. The pressure difference across a valve body and the stroke of the valve body are measured and a flow coefficient is calculated from this.
A flow control valve is known from DE-OS 3 700 898, in which the pressure and the temperature upstream and downstream of the valve as well as the opening cross section of the valve are measured and further processed with a computer.
Furthermore, a flow control system is known from EP-OS 0 110 325, in which the pressure difference is detected via a measuring orifice. The inflow and outflow sides of the orifice plate are also connected by a bypass tube that can be closed with a bypass valve. The calculated flow quantity is corrected by means of a computing device in accordance with the ratio of the cross-sectional areas of the measuring orifice and the flow cross-section of the bypass valve.
In such flow measurement and control systems based on the principle of differential pressure measurement, there is basically the problem that the measured variable pressure difference is a root function of the desired variable flow velocity. The problem manifests itself in the achievable accuracy of the measurement. If the differential pressure is measured with sufficient accuracy in a range between 10 and 100% of the nominal flow rate of the measuring device, i.e. in a range of 1:10, the associated flow velocities are in the ratio 1: 2ROOT 10.
It follows that ordinary measuring devices for flow velocities only have a small measuring range with sufficient measuring accuracy.
The invention has for its object to provide an inexpensive to manufacture measuring device, the measuring range of sufficient accuracy compared to the known is significantly larger.
According to the invention, the stated object is achieved by the features of claim 1. Advantageous configurations result from the dependent patent claims.
Exemplary embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to the drawing.
Show it:
1 is a block diagram of a flow measuring device,
Fig. 2 is a switchable throttle body and
Fig. 3 shows a measuring device for detecting the pressure difference.
In FIG. 1, 1 means a pipe through which the flow medium, the flow rate of which is to be determined, flows. In this tube 1, a throttle body 2 is slidably arranged. This has a first opening 3a and a second opening 3b, the opening 3a being effective in the position shown and thus representing the effective cross section of the throttle member. 4 with a differential pressure sensor is referred to, which detects the pressure of the flow medium upstream and downstream of the throttle element 2 and from this forms the pressure difference which it emits in the form of a signal at its output 5. The output 5 of the differential pressure sensor 4 is connected to the input of a threshold switch 6 and to a computing element 7.
The threshold switch 6 has two outputs: a first output 8, to which a drive 9 acting on the throttle element 2 is connected, and a second output 10, which is connected to the computing element 7.
The functioning of the described device is as follows:
The flow medium flowing through the pipe 1 at a certain speed generates a pressure difference at the opening 3a of the throttle member 2, which pressure difference is detected by the differential pressure sensor 4. The signal of the differential pressure sensor 4 reaches the input of the threshold switch 6 on the one hand and the input of the computing element 7 on the other hand.
If the flow velocity now increases, the measured pressure difference also increases. If the pressure difference exceeds an upper threshold value that characterizes the switching behavior of the threshold switch 6, the signal changes at the two outputs 8 and 10 of the threshold switch 6. The signal change at the output 8 triggers the drive 9 so that it moves the throttle element 2, specifically such that the first opening 3a is moved out of the cross section of the tube 1 and the second opening 3b is moved into the cross section of the tube 1, so that the larger opening 3b now represents the effective cross section of the throttle element 2.
Since the signal at the output 10 of the threshold switch 6 also changes, the computing element 7 receives the information that the upper threshold value of the threshold switch 6 has been exceeded and, consequently, the second opening 3b has become effective. Therefore, the computing element 7 is now able to weight the output signal of the differential pressure sensor 4 differently.
If the flow velocity drops again, the measured pressure difference also decreases. If the pressure difference falls below a lower threshold value that characterizes the switching behavior of the threshold switch 6, the signal at the two outputs 8 and 10 of the threshold switch 6 changes again. The signal change at the output 8 drives the drive 9 so that it moves the throttle element 2, and now in such a way that the second opening 3b is moved out of the cross section of the tube 1 and the first opening 3a is moved into the cross section of the tube 1, so that the smaller opening 3a now represents the effective cross section of the throttle element 2.
Since the signal at the output 10 of the threshold switch 6 also changes, the arithmetic element 7 now receives the information that the lower threshold of the threshold switch 6 has been fallen below and, consequently, the first opening 3a has become effective. Therefore, the computing element 7 is now able to weight the output signal of the differential pressure sensor 4 differently.
The computing element 7 therefore has to process two signals. The signal of the pressure difference is available at its first input and a signal at its second input which indicates whether the first opening 3a or the second opening 3b is effective. In the arithmetic element 7, the first opening 3a is assigned a first correction value and the second opening a second correction value. By multiplying these correction values by the signal of the pressure difference, the computing element 7 calculates the flow rate per unit of time and / or taking the time information into account, the flow rate. The measured value of the flow rate per unit time can be used to regulate the flow rate if the device described is used together with a setpoint device, a comparator and an actuator.
It is also possible to use the device for measuring the amount of heat, for which purpose it must be supplemented with means for detecting the temperature difference. The arithmetic element 7 can advantageously be designed such that an additional input for the temperature difference is provided and the signal at this input is multiplied by the measured value for the flow.
The exemplary embodiment described has a throttle element 2 with two openings 3a and 3b and, accordingly, the outputs 8 and 10 of the threshold switch 6 also have two possible states. In order to enlarge the measuring range, it is possible to provide three or more openings 3 of different sizes and, in addition, a threshold switch 6 with three or more switching stages and a computing element 7 with three or more stored correction values which are assigned to these switching stages.
2 shows an advantageous embodiment of a switchable throttle element. A housing 20 encloses a flow channel 21 for the flow medium. In the course of the flow channel 21, a circular aperture 22 is arranged transversely to the direction of flow. A displacement body 23 is immersed in the opening of the circular aperture plate 22, as a result of which an annular gap 24 remains between the circular aperture plate 22 and the displacement body 23, which represents the effective cross section of the throttle element. The displacement body 23 consists of individual cylinders 25, 26 with discretely graduated outer diameters. The displacement body 23 is supported by a shaft 27 in the housing 20 so as to be laterally displaceable along its axis, the position of the displacement body 23 being able to be changed by the drive 9 (FIG. 1).
In one position, the first cylinder 25 is located within the circular aperture 22, in the second position the second cylinder 26 is located within the circular aperture 22. In the first case, the annular gap 24 is larger than in the second case. There is an analogy to the differently sized openings 3a and 3b of the first exemplary embodiment (FIG. 1).
Instead of the two cylinders 25, 26 of different sizes shown, it is possible to provide three or more of them in order to realize a plurality of ring gaps 24 of different sizes. The throttle element can thus be switched in several stages.
This embodiment has the advantage that there are no special sealing problems, since only the shaft 27 has to be guided and sealed through the housing. In addition, the accuracy of the positioning of the displacement body 23 is not critical. Smaller differences in the position of the displacement body 23 do not influence the size of the annular gap 24. Therefore, the drive 9 can also be made very simple in an advantageous manner. In addition, thermally induced changes in stroke do not change the size of the annular gap 24.
It is advantageous to design the circular aperture 22 with sharp edges on its inner edge. This further increases insensitivity to inaccuracies in the position of the displacement body 23.
It is advantageous to arrange the means for detecting the pressure difference within the displacement body 23. 3 shows the structure of such a displacement body 23. Inside the displacement body 23 there is a pressure measuring element 30 which is positively connected to the displacement body 23 and via a first opening 31 and a second opening 32 to the spaces in front of and behind the Circular hole orifice 22 is connected, so that the differential pressure acts directly on the pressure measuring element 30. The deformation of the pressure measuring element 30 is transmitted via a rod 33 directly to a measuring system consisting of a magnet 34 and a Hall probe 35. The pressure difference is thus converted into a path, the value of which can be tapped off as a voltage at the Hall probe 35.
As stated in the exemplary embodiment according to FIG. 1, this voltage value can be transmitted to the threshold switch 6 and the computing element 7.
In the flow measuring devices described, the differential pressure sensor 4 or the pressure measuring element 30 always works in the optimal measuring range.