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Einrichtung zur exakten Bestimmung der Durchflußmenge eines eine Rohrleitung
durchströmenden idealen Gases Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur exakten
Bestimmung der Durchflußmenge eines eine Rohrleitung durchströmenden Gases. Eine
Bestimmung der Durchflußmenge kann in bekannterWeise dadurch vorgenommen werden,
daß an einer in der Rohrleitung angeordneten, den Querschnitt verengenden Staueinrichtung,
beispielsweise an einer Meßblende, ein Wirkdruck abgenommen und in eine andere,
zumeist elektrische Größe umgeformt und zur Anzeige gebracht wird. Hierfür stehen
verschiedene Bauelemente zur Verfügung, insbesondere ist die Verwendung von Stromwaagen
zu diesem Zweck bekannt. Exakt ist eine solche Durchflußmengenbestimmung nicht,
weil der Durchfluß nicht nur vom Wirkdruck, d. h. also von der Differenz der Drücke
vor und hinter der Staueinrichtung, sondern auch noch vom Gasdruck selbst und der
Gastemperatur abhängig ist, und zwar wird diese Abhängigkeit - unter der Voraussetzung,
daß das die Rohrleitung durchströmende Gas als ideal angesehen werden kann - durch
die Formel
gegeben. Darin bedeutet G den Gasdurchfluß in Gewichtseinheiten pro Zeiteinheit,
P den in Strömungsrichtung vor der Staueinrichtung fühlbaren Gasdruck, T die dort
fühlbare absolute Temperatur des Gases und AP P den von der Staueinrichtung verursachten
Wirkdruck.
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Es sind bereits Einrichtungen bekannt, die bei Durchflußmengenmessungen
den Einfluß des Gasdruckes und der Gastemperatur berücksichtigen. Das geschieht
durch die Zusammenschaltung von Widerständen in einem von einer Konstantspannungsquelle
gespeisten Stromkreis wobei die Widerstände zum Teil fest sind und zum anderen Teil
von dem WirkdruckdP, von dem Gasdruck P und der Gastemperatur T verändert werden,
oder durch eine geeignete Zusammenschaltung eines Wirkdrucktransmitters mit den
von dem Gasdruck und der Gastemperatur gesteuerten Widerständen. Innerhalb bestimmter
Druck- und Temperaturbereiche lassen sich die Widerstände so wählen, daß der in
dem Stromkreis fließende Strom ein hinreichend genaues Maß für den Durchfluß ist.
Abgesehen davon, daß sich hierbei nur näherungsweise richtige Meßwerte ergeben,
sind solche Einrichtungen nicht über beliebig große Meßbereiche verwendbar, weil
die Dimensionierung der Widerstände nur begrenzten Bereichen angepaßt werden kann.
Es sind ferner bei Dampfmengenmessern Spannungsteilerschaltungen vorgeschlagen worden,
die diese Nachteile vermeiden und eine genaue Messung ermöglichen, doch liegen bei
diesen die Meßwerte nur als Spannungen vor.
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Will man Ströme entnehmen, was bei der Ausnutzung der Messung zur
Erzeugung von Stell- oder Steuerkräften beispielsweise in Regelanlagen, erforderlich
wird, so
wird die Spannungsteilung gestört und der Meßwert verfälscht.
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Zur Vermeidung der vorstehend beschriebenen Schwierigkeiten wird
daher gemäß der Erfindung eine Einrichtung vorgeschlagen, bei der unter Verwendung
eines Wirkdrucktransmitters und einer selbstkompensierten elektrischen Kraftwaage
der vom Wirkdrucktransmitter erzeugte, diesem proportionale Strom durch einen Stromteiler
geteilt wird. Als Stromteiler wird ein Schleifdrahtpotentiometer benutzt, welches
mit seinen festen Kontakten in Reihe mit einem mit der Temperatur veränderlichen
Widerstand und der Spule eines elektrodynamischen Kraftgebers der Waage liegt, so
daß der eine der beiden Teilströme nacheinander den temperaturveränderlichen Widerstand
und die Spule des Kraftgebers durchfließt. Das durch den elektrodynamischen Kraftgeber
auf den Waagebalken ausgeübte Drehmoment ist dabei dem Teilstrom proportional. Das
Gegendrehmoment wird durch einen aus einer festen und einer mit dem Waagebalken
beweglichen Spule bestehenden Kompensationskraftgeber ausgeübt, wobei die beiden
Spulen in Reihe geschaltet sind und von dem Kompensationsstrom durchflossen werden.
Wie im folgenden dargelegt werden wird, ist der Kompensationsstrom ein genaues Maß
für die Durchflußmenge.
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Aufbau und Funktionsweise der Einrichtung seien an Hand der Abbildungen
erklärt.
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Abb. 1 zeigt den Aufbau der Einrichtung; Abb. 2 dient der Erklärung
der Funktionsweise.
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In Abb. list durch 1 ein von einem idealen Gas durchströmtes Rohr
dargesteUt, welches eine Meßblendei9 enthält. Der an der Meßblende entstehende Wirkdruck
wird
über die Leitungen 2 und 2' einem-Wirkdrucktransmitter 3 zugeführt, der den dem
Wirkdruck proportionalen Strom I erzeugt, welcher dem Schleifer 5 und dem festen
Anschluß 4 des Potentiometers 22 zugeführt wird.
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Das Potentiometer 22 liegt in einem weiteren, von dem Teilstrom I'
durchflossenen Stromkreis mit dem veränderlichen Widerstand 6 und der Spule 7 des
Kraftgebers 25 in Reihe. Im -Gasstrom vor der Meßblende 19 ist ein Druckmeßgerät
15 angeordnet, das den Meßwert für den Druck über die Leitung 20 dem Stellglied
17 zuführt, welches den Schleifer 5 des Potentiometers 22 steuert.
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Ebenso ist vor der Meßblende ein Temperaturmeßgerät 16 angebracht,
welches seinen Meßwert über die Leitung 21 dem Stellglied 18 zuführt, das den Schleifer
23 des Widerstandes 6 steuert. Mit 9 ist der Waagebalken einer elektrischen Kraftwaage
bezeichnet, mit 25 der elektrodynamische Kraftgeber, der aus der Spule7 und dem
Permanentmagneten 24 besteht. Der das kompensierende Drehmoment erzeugende Kompensationskraftgeber
8 besteht aus der beweglichen, am Waagebalken angebrachten Spule 26 und der fest
angeordneten Spule 27. Mit dem Waagebalken 9 bewegt sich die Schwenkspule 13, die
sich im Feld der beiden Spulen 14 befindet und die dadurch nach Maßgabe des Waagebalkenausschlages
eine Spannung induziert, die dem Verstärker 10 zugeführt wird und den Strom I" so
steuert, daß das durch den Kompensationskraftgeber 8 erzeugte Gegendrehmoment stets
dem durch den Kraftgeber 25 erzeugten Drehmoment das Gleichgewicht hält. Dabei durchfiießt
der Strom 1" nacheinander die Spulen 26 und 27, ein Meßregistriergerät 11 und gegebenenfalls
(im Falle der Anwendung der Einrichtung für Regelzwecke) einen Regler 12. Es sei
bemerkt, daß der Widerstand 6 auch direkt als Temperaturmeßgerät 16 Venvendung finden
und vor der Meßblende 19 angeordnet sein kann. In diesem FaU werden das Stellglied
18 und der Schleifer 23 entbehrlich, während der Widerstand 6 als Widerstandsthermometer
arbeitet.
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Es sei nun nachgewiesen, daß mit Hilfe der beschriebenen Anordnung
ein dem Ausdruck
genau proportionaler elektrischer Strom I" erzeugt wird.
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Zur Erleichterung des Nachweises diene Abb. 2. In ihr ist R der Gesamtwiderstand
und Rp der vom Druck P abhängige Teilwiderstand des Potentiometers. RT ist der von
derTemperatur abhängigeWiderstand (entsprechend6 in Abb. 1) und R' der Widerstand
der galvanometrischen Einrichtung (entsprechend 7 in Abb. 1).
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Der vom Wirkdrucktransmitter 3 erzwungene Strom 1 teilt sich in zwei
Ströme vom Betrage I' bzw. 1-1'.
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Es ist (1-1') Rp = I' (R-Rp+ RT + R'), woraus man - = Rp R + R' +
RT erhält. Nun ist das durch den Kraftgeber25 erzeugte Drehmoment proportional.
1' und das vom Kompensationskraftgeber 8 erzeugte Gegendrehmoment proportional dem
Quadrat von 1". Da sich die Waage im Gleichgewicht befindet, ist also und damit
Unter der erfindungsgemäßen Voraussetzung, daß INd P, Rp N P, R + R' + RT N T ist,
ergibt sich aus obiger Gleichung für 1"
Das bedeutet, daß I" genau proportional dem Durchfluß G ist. Da R und R' konstant
sind, ist die Abhängigkeit von RT und damit von T ebenso wie die Abhängigkeit von
Rp bzw. P linear. Diese Linearitäten sind vorteilhaft, da zur Steuerung von Schleifern
auf Potentiometern oder Widerständen in der Regel Druck- bzw. Temperaturmeßgeräte
zur Verfügung stehen, bei denen ein mechanisches Glied Verschiebungen erfährt, die
linear von den Druck- bzw. Temperaturänderungen abhängen. Es sind somit in der erfindungsgemäßen
Einrichtung nichtlinear zu verstellende Schleifer oder Widerstände mit nicht konstantem
Widerstand pro Längeneinheit, welche im allgemeinen schwierig herzustellen und schwer
zu justieren sind, vermeidbar.
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Bei der Durchflußmengenmessung von idealen Gasen ist der von der
Einrichtung angezeigte Meßwert exakt, doch lassen sich in derselben Weise auch beliebige
Gase mit hinreichender Genauigkeit messen, sofern ihr Verhalten nicht zu stark von
dem eines idealen Gases abweicht.