DE1098220B

DE1098220B - Device for the exact determination of the flow rate of an ideal gas flowing through a pipeline

Info

Publication number: DE1098220B
Application number: DEA27462A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Hans-Joachim Altenheim; Horst Ziegler
Original assignee: Continental Elektronidustrie AG
Current assignee: Continental Elektronidustrie AG
Priority date: 1957-07-04
Filing date: 1957-07-04
Publication date: 1961-01-26

Description

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.Device for the exact determination of the flow rate of an ideal gas flowing through a pipeline The invention relates to a device for the exact determination of the flow rate of a gas flowing through a pipeline. The flow rate can be determined in a known manner by taking an effective pressure from a cross-section narrowing damper, for example a measuring orifice, arranged in the pipeline and converting it into another, mostly electrical, variable and displaying it. Various components are available for this, in particular the use of current balances is known for this purpose. Such a flow rate determination is not exact, because the flow rate depends not only on the effective pressure, i.e. on the difference between the pressures upstream and downstream of the dam, but also on the gas pressure itself and the gas temperature. that the gas flowing through the pipeline can be regarded as ideal - by the formula given. Here, G denotes the gas flow in weight units per unit of time, P the gas pressure that can be sensed in the direction of flow in front of the dam, T the absolute temperature of the gas that can be sensed there, and AP P the differential pressure caused by the dam.

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. There are already devices known that are used in flow rate measurements take into account the influence of the gas pressure and the gas temperature. This happens by interconnecting resistors in one of a constant voltage source powered circuit where the resistors are partly fixed and the other part can be changed by the differential pressure dP, the gas pressure P and the gas temperature T, or by suitable interconnection of a differential pressure transmitter with the resistors controlled by gas pressure and temperature. Within certain Pressure and temperature ranges, the resistances can be selected so that the in the current flowing in the circuit is a sufficiently accurate measure of the flow. Apart from the fact that the measured values are only approximately correct, such facilities cannot be used over any large measuring range, because the dimensioning of the resistors can only be adapted to limited areas. Voltage divider circuits have also been proposed for steam flow meters, which avoid these disadvantages and allow an accurate measurement, but are included these the measured values are only presented as voltages.

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.If you want to take currents, what to do when using the measurement Generation of actuating or control forces, for example in control systems, is required will so the voltage division is disturbed and the measured value is falsified.

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. To avoid the difficulties described above, therefore proposed according to the invention a device when using a differential pressure transmitter and a self-compensated electrical force balance the proportional current generated by the differential pressure transmitter through a flow divider is shared. A sliding wire potentiometer is used as a current divider, which with its fixed contacts in series with one that changes with temperature Resistance and the coil of an electrodynamic force transmitter of the balance is so that one of the two partial currents successively the temperature-variable resistance and flows through the coil of the force transmitter. That through the electrodynamic force generator The torque exerted on the balance beam is proportional to the partial current. That Counter torque is generated by one of a fixed and one with the balance beam moving coil exerted compensation force transducer, with the two Coils are connected in series and are traversed by the compensation current. As will be set out below, the compensation current is an accurate measure for the flow rate.

Aufbau und Funktionsweise der Einrichtung seien an Hand der Abbildungen erklärt. The structure and function of the facility are based on the illustrations explained.

Abb. 1 zeigt den Aufbau der Einrichtung; Abb. 2 dient der Erklärung der Funktionsweise. Fig. 1 shows the structure of the device; Fig. 2 is used for explanation the way it works.

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. In Fig. List through 1 a pipe through which an ideal gas flows shown, which contains a measuring diaphragm. The differential pressure created at the measuring orifice will via the lines 2 and 2 'to a differential pressure transmitter 3 supplied to the Differential pressure proportional current I generated, which the grinder 5 and the fixed Terminal 4 of the potentiometer 22 is supplied.

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.The potentiometer 22 is located in a further, from the partial current I ' traversed circuit with the variable resistor 6 and the coil 7 of the Power transmitter 25 in series. In the gas flow in front of the measuring orifice 19 is a pressure measuring device 15 arranged, which the measured value for the pressure via line 20 to the actuator 17, which controls the wiper 5 of the potentiometer 22.

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.A temperature measuring device 16 is also attached in front of the measuring orifice, which feeds its measured value via the line 21 to the actuator 18, which the grinder 23 of the resistor 6 controls. With 9 is the balance beam of an electric power balance referred to, with 25 the electrodynamic force transmitter, which consists of the coil7 and the Permanent magnets 24 consists. The compensation force generator generating the compensating torque 8 consists of the movable coil 26 attached to the balance beam and the fixed arranged coil 27. With the balance beam 9 moves the swivel coil 13, the is located in the field of the two coils 14 and thereby according to the deflection of the balance beam induces a voltage which is fed to the amplifier 10 and the current I "so controls that the counter torque generated by the compensation force generator 8 always the torque generated by the force transmitter 25 keeps the balance. It flows through the current 1 ″ successively the coils 26 and 27, a measuring recorder 11 and possibly (in the case of using the device for control purposes) a controller 12. Let it be notes that the resistor 6 can also be used directly as a temperature measuring device 16 and can be arranged in front of the measuring orifice 19. In this FaU will be the actuator 18 and the wiper 23 can be dispensed with, while the resistor 6 is used as a resistance thermometer is working.

Es sei nun nachgewiesen, daß mit Hilfe der beschriebenen Anordnung ein dem Ausdruck genau proportionaler elektrischer Strom I" erzeugt wird.It should now be demonstrated that with the aid of the arrangement described, the expression exactly proportional electric current I "is generated.

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).To facilitate the verification, Fig. 2. In it, R is the total resistance and Rp is the partial resistance of the potentiometer that is dependent on the pressure P. RT is that of the temperature-dependent resistance (corresponding to 6 in Fig. 1) and R 'the resistance the galvanometric device (corresponding to 7 in Fig. 1).

Der vom Wirkdrucktransmitter 3 erzwungene Strom 1 teilt sich in zwei Ströme vom Betrage I' bzw. 1-1'. The current 1 forced by the differential pressure transmitter 3 is divided into two Currents of the magnitude I 'or 1-1'.

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.It is (1-1 ') Rp = I' (R-Rp + RT + R '), from which one gets - = Rp R + R' + RT. Now the torque generated by the force transducer 25 is proportional. 1 'and the counter-torque generated by the compensation force transmitter 8 is proportional to the square of 1 ". Since the balance is in equilibrium, and therefore Under the condition according to the invention that INd is P, Rp NP, R + R '+ RT NT, the above equation for 1 " This means that I "is exactly proportional to the flow rate G. Since R and R 'are constant, the dependence on RT and thus on T, as well as the dependence on Rp and P, are linear. These linearities are advantageous since they are used to control Sliders on potentiometers or resistors usually have pressure or temperature measuring devices at their disposal, in which a mechanical member experiences displacements that depend linearly on the pressure or temperature changes non-constant resistance per unit length, which are generally difficult to manufacture and difficult to adjust, can be avoided.

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. When measuring the flow rate of ideal gases, that of the Device displayed measured value exactly, but can also be arbitrary in the same way Measure gases with sufficient accuracy, provided that their behavior is not too strong deviates from that of an ideal gas.

Claims

PATENT CLAIM: Device for the exact determination of the flow rate of a gas flowing through a pipeline by measuring the amount of gas at one in the Pipeline-attached dam device resulting from the differential pressure and by taking it into account the values for gas pressure and gas temperature measured in front of the dam using a differential pressure transmitter to convert the differential pressure into a this proportional current and a self-compensated electric power balance, whose balance beam deflection is sensed by a measuring mechanism, which is used to generate a counter-torque on the balance, amplified in an amplifier Compensation current controls, characterized in that the differential pressure transmitter (3) generated current a potentiometer (22) via its fixed connection (4) and its grinder (5) controlled by the gas pressure, which with its two fixed connections in series with one controlled by the gas temperature Resistance (6) and a coil (7) a torque proportional to the coil current on the balance beam (9) generating electrodynamic force transmitter (25), and thereby, that the compensating torque is generated by a compensation force transmitter (8) which consists of a fixed coil (27) and one with the balance beam (9) movable Coil (26), which are connected in series with each other and from that of the measuring mechanism (13, 14) through the amplifier (10) controlled compensation current (1 ") flows through which is proportional to the square root of the compensating torque.

Considered publications: German Patent Specifications No. 813 898, 469 496; British Patent No. 485,332;