DE1573125A1

DE1573125A1 - Device for measuring the mass flow rate of gases

Info

Publication number: DE1573125A1
Application number: DE19661573125
Authority: DE
Inventors: Mclachlan Kenneth Roy; Powell John William
Original assignee: WESTWIND TURBINES Ltd
Current assignee: WESTWIND TURBINES Ltd
Priority date: 1965-04-02
Filing date: 1966-04-01
Publication date: 1970-09-17
Also published as: NL6604428A; GB1086628A

Description

Gerät zuin Messen der Mengendurchflussgeschwindigkeit von Gasen Die Erfindung betrifft ein Gerät zum Messen der Mengendurchflussgeschwindigkeit von Gasen.Device for measuring the mass flow rate of gases The invention relates to a device for measuring the mass flow rate of Gases.

Es ist bekannt, dass der Mengendurchfluss eines Gases mit hilfe von drei Faktoren, nämlich 1.) dein volumetrischen Durchfluss, 2.) dem Druck und J.) dcr Temperatur berechnet werden kann. Es war bisher so, dass das Gerät beim Feststellen mindestens eines der Merkmale nichtgeradlinig reagierte, so dass für die Berechnung der Mengendurchflussgeschwindigkeit eine relativ komplizierte Rechenanlage notwendig war. It is known that the mass flow of a gas with the help of three factors, namely 1.) your volumetric flow, 2.) the pressure and J.) the temperature can be calculated. It was previously the case that the device was detected at least one of the characteristics reacted in a non-linear manner, so that for the calculation the mass flow rate requires a relatively complicated computer system was.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, Verbesserungen zu schaffen, die das Messen der Mengendurchflussgeschwindigkeit von Gasen mit relativ einfachen Geräten ermöglichen. It is the object of the invention to provide improvements that measuring the mass flow rate of gases with relatively simple devices enable.

Die Mengendurchflussgeschwindigkeit eines Gases ist proportional zu V. P, worin: T V 5 die volumetrische Durchflussgeschwlndigkcit, der absolute Druck und 19 = die absolute Temperatur ist. The mass flow rate of a gas is proportional to V. P, where: T V 5 is the volumetric flow rate, the absolute Pressure and 19 = the absolute temperature.

Das erfindungsgemässe Gerät zum Messen der Mengendurchflussgeschwindigkeit eines Gases ist gekennzeichnet durch Mittel zum Herleiten erster, zweiter und dritter elektrischer Signale, die jeweils in linearer Beziehung zu dem volumetrischen Durchfluss, dem jeweiligen absoluten Druck und dem reziproken Wert der jeweiligen absoluten Gastemperatur stehen, Mittel zum Herstellen einer Rechteckimpulswelle, bei der die Frequenz, die Amplitude und die Dauer der Impulse jeweils dem entsprechenden ersten, zweiten und dritten elektrischen Signal linear proportional ist, und zwar in jeder beliebigen Reihenfolge, Mittel zum Integrieren der Impulswelle sowie Mittel zum Anzeigen des Integrationswertes in Einheiten der Mengendurchfluss geschwindigkeit. The device according to the invention for measuring the mass flow rate a gas is characterized by first, second and third deriving means electrical signals, each in a linear relationship to the volumetric flow, the respective absolute pressure and the reciprocal value of the respective absolute Gas temperature stand, means for producing a square pulse wave, in which the Frequency, amplitude and duration of the impulses each to the corresponding first, second and third electrical signal is linearly proportional, in each any order, means for integrating the pulse wave and means for Display of the integration value in units of the mass flow rate.

Es ist zweckmässig, die Frequenz der Rechteckimpulswelle in eine lineare Beziehung zu dem ersten Signal zu bringen und in einem bevorzugten Ausiührungsbeispiel wird bewirkt, dass das erste Signal eine Frequenz aufweist, die zu dem volumetrischen Gasdurchfluss in linearer Beziehung steht. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Mittel zum Herleiten des ersten Signals mit einer Turbine versehen, die gasgeschmierte Lager aufweist, sowie ein Mittel zum ERze@gen eines elektrischen Strome vorgegehen, dessen Frequenz in linearer Beziehung zu der Drehzahl der Turbine steht. Ein solcher Strom kann von der Turbine hergeleitet werden indem eine magnetische oder kapazitive Sonde den Turbinenschaufeln benachbart angeordnet wird. It is useful to convert the frequency of the square pulse wave into a to bring a linear relationship to the first signal and in a preferred Ausiührungsbeispiel the first signal is caused to have a frequency that corresponds to the volumetric Gas flow is linearly related. In a preferred embodiment the means for deriving the first signal is provided with a turbine which Has gas-lubricated bearings, and a means for ERze @ gen an electrical Currents proceed whose frequency is linearly related to the speed of the turbine stands. Such a current can be derived from the turbine using a magnetic one or capacitive probe is placed adjacent to the turbine blades.

Durch die geringe Reibung der Gaslager, auf denen die Turbine läuft1 bleibt die Turbinendrehzahl in linearer Beziehung zu dem Durchfluss und ermöglicht es, dass der Durchfluss über einen sehr grossen Bereich gemessen werden kann, Die Amplitude der Rechteckimpulswelle kann zu dem zweiten Signal in lineare Beziehung gebracht werden und in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel steht die Amplitude des zweiten Signals in linearer Beziehung zu dem jeweiligen absoluten Gasdruck. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist das Mittel zum Herleiten des zweiten Signals einen Membran-Druckwandler auf, dessen Membran während der Messung der Mengendurchfluss geschwindigkeit dem Gasdruck ausgesetzt wird. : Die Erzeugung einer elektrischen Aus gangs grösse kann durch Verfahren, wie beispielsweise durch die Verwendung von Widerstandselementen, die die Beanspruchung wahrnehmen und an der Membran befestigt sind, oder einer Spule, deren Induktivität durch die Bewegung eines Eisenkerns verändert wird, oder einer anderen benachbarten Spule, die an der Membran befestigt ist, erreicht werden Druckwandler, deren Ausgangsleistung linear proportional zu dem Druck ist, sind im Handel erhältlich. Due to the low friction of the gas bearings on which the turbine runs1 the turbine speed remains in a linear relationship to the flow and enables it that the flow can be measured over a very large area, The The amplitude of the square pulse wave can be linearly related to the second signal are brought and in a preferred embodiment, the amplitude is of the second signal in a linear relationship to the respective absolute gas pressure. In the preferred embodiment, the means for deriving the second Signals a membrane pressure transducer, the membrane of which during the measurement of the mass flow speed is exposed to the gas pressure. : The generation of an electric The initial variable can be achieved through processes such as, for example, the use of Resistance elements that perceive the stress and attached to the membrane or a coil whose inductance changes due to the movement of an iron core or another adjacent coil attached to the membrane are pressure transducers whose output power is linearly proportional to the pressure, are commercially available.

Die Impulsdauer kann zu dem dritten Signal in lineare Beziehung gebracht werden und in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel hat das dritte Signal eine Amplitude, die in linearer Beziehung zu dem Kehrwert der jeweiligen absoluten Temperatur steht. In diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist das Mittel zum Herleiten des ES dritten Signals ein Kupferwiderstandsthermometer auf, das von dem Gas beim Messen der Mengendurchflussgeschwindigkeit umströmt wird und beispielsweise die Form einer Spirale hat, die um den Gasströmungsweg herum angeordnet ist, Bei extremen Temperaturen mögen Widerstandsthermometer, bei denen andere Materialien verwendet werden, vorteilhafter sein, Für einige Anwendungszwecke des Geräts könnten Thermoelemente ebenfalls mit Erfolg verwendet werden. The pulse duration can be linearly related to the third signal and in a preferred embodiment the third signal has an amplitude which are in a linear relationship to the Reciprocal of the respective absolute Temperature is standing. In this preferred embodiment, the means for Deriving the ES third signal on a copper resistance thermometer, which is operated by the Gas is flowed around when measuring the mass flow rate and, for example is in the form of a spiral arranged around the gas flow path, Bei Extreme temperatures like resistance thermometers, at which other materials may be more advantageous for some uses of the device Thermocouples can also be used with success.

Es ist ferner möglich, einen solchen Mengenmesser so auseubilden, dass er den Durchfluss eines beliebigen Gases in Einheiten eines Normalvolumens, beispielsweise in Kubikfuss je Minute anzeigt. It is also possible to design such a flow meter so that that it shows the flow of any gas in units of a normal volume, for example in cubic feet per minute.

Der Durchfluss in Standardvolumeneinheiten ergibt sich aus V. P, Ts PT s worin V = volumetrischer Durchfluss, P = effektiver Druck, Ps = Normaldruck und T5 Normaltemperatur ist. The flow rate in standard volume units results from V. P, Ts PT s where V = volumetric flow, P = effective pressure, Ps = normal pressure and T5 is normal temperature.

Daraus ergibt sich dann ein Mengenmesser, der für alle Gssarten verwendbar ist. Für jedes Gas mit einer bekannten Gaskonstante kann der Mengenmesser so ausgebildet sein, dass er die Mengendurchflussgeschwindigkeit nach VP RT worin lt die Gaskonstante ist, anzeigt, Ein solcher Mengenmesser kann so ausgebildet sein> dass er die Mengendurchflussgeschwindigkeit von verschiedenen Gasarten anzeigt, indem als Rechenanlage zweckmässige elektronische Schaltungen vorgesehen werden, die es ermöglichen, die Alternativwerte der Gaskonstante auszuwählen. This then results in a flow meter that can be used for all types of food is. For every gas with a known gas constant, the flow meter can be designed in this way be that it is the mass flow rate according to VP RT where lt is the gas constant is, indicates, Such a flow meter can be designed in such a way that it Indicates mass flow rate of different types of gas by as a calculating system Appropriate electronic circuits are provided that allow the Select alternative values for the gas constant.

Da alle drei Wandlerelemente, d. h. für die volumetrische Strömung, den Druck und die Temperatur, Ausgangsgrössen aufweisen, die sich linear mit der gemessenen Menge ändern, können sehr einfache Schaltungen verwendet werden, wobei im Vergleich mit den bekannten Vorrichtungen, bei denen keine solche Linearität vorhanden ist und ein Druck-und Temperaturausgleich vorgenommen werden muss, eine gute Gesamtgenauigkeit und ein breiter Strömungsbereich erzielt werden. Since all three transducer elements, i. H. for the volumetric flow, the pressure and the temperature, output quantities that are linear with the change measured amount, very simple circuits can be used, wherein in comparison with the known devices in which there is no such linearity is available and a pressure and temperature equalization must be made, a good overall accuracy and a wide flow range can be achieved.

In den Zeichnungen, die ein Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigen, ist Fig, 1 ein Schaubild zur Erläuterung des Grundprinzips für die umrechnung der Mengendurchflussgeschwindigkeit; Fig, 2 ein Blockschaltbild der Rechenanlage; Fig. 3 ein Schaltbild der Rechenanlage und Fig. 4 ein mittlerer Vertikalschnitt durch eine Wandleranordnung mit einer Turbine als Wandler für den volumetrischen Durchfluss, mit einem Membran-Druckwandler und einem Kupfer wider standsthermometer als Te mperaturwandler. In the drawings showing an embodiment of the invention, Fig. 1 is a diagram for explaining the basic principle for converting the Mass flow rate; Fig. 2 is a block diagram of the Computer system; FIG. 3 shows a circuit diagram of the computer system and FIG. 4 shows a central vertical section by a converter arrangement with a turbine as a converter for the volumetric Flow, with a diaphragm pressure transducer and a copper resistance thermometer as a temperature converter.

Fig. 1 zeigt eine Reihe von Rechteckimpulsen. Die Impulsfrequenz entspricht geradlinig der festgestellten volumetrischen Durchflussgeschwindigkeit. Die Amplitude der Impulse entspricht geradlinig dem festgestellten absoluten Druck. Die Impulsdauer entspricht geradlinig dem reziproken Wert der festgestellten absoluten Temperatur. Fig. 1 shows a series of square-wave pulses. The pulse frequency straight line corresponds to the determined volumetric flow rate. The amplitude of the impulses corresponds in a straight line to the determined absolute pressure. The pulse duration corresponds in a straight line to the reciprocal value of the determined absolute Temperature.

Fig. 2 ist ein Blockschaltbild, das zeigt, wie die drei Faktoren kombiniert werden, um ein Signal zu bilden, das einem Drehspulmesser zugeführt wird, der die durch eine Gaskonstante K modifizierte Mengendurchflussgeschwindigkeit anzeigt. Das direkt von der Turbine hergeleitete Signal gelangt zu einem Impulsformungskreis, der Rechteckimpulse erzeugt. Die Impulse werden durch den Impulsformer eingeleitet und durch ein von dem Temperaturwandler hergeleitetes Signal beendet, wobei die Dauer des Impulses dem reziproken Wert der Temperatur proportional ist. Die sich ergebenden "in der Dauer modifizierten" Impulse werden einer Vorrichtung scuge£ührt, die die Amplitude des Impulses entsprechend einem von dem Druckwandler kommenden Signal ändert. Die " in der Dauer modifizierten und amplutidenmodulierten" Impulse werden dann einem Drehspulenmesser zugeführt, dessen Anzeigewert der Integration der Impulse proportional ist. Fig. 2 is a block diagram showing how the three factors combined to form a signal that is fed to a moving coil meter, which indicates the mass flow rate modified by a gas constant K. The signal derived directly from the turbine is sent to a pulse shaping circuit, which generates square-wave pulses. The pulses are initiated by the pulse shaper and terminated by a signal derived from the temperature transducer, the The duration of the pulse is proportional to the reciprocal value of the temperature. Which resulting "duration modified" impulses are scuge £ ührt a device, which is the amplitude of the pulse corresponding to one coming from the pressure transducer signal changes. The "duration-modified and amplutide-modulated" pulses are then fed to a moving coil meter, the display value of which is the integration of the pulses is proportional.

Fig. 3 ist ein Schaltbild, das dem Blockschaltbild der Fig. 2 entspricht. Diese Schaltung hat den Vorteil, dass sie einfach, gedrungen und relativ billig ist. FIG. 3 is a circuit diagram corresponding to the block diagram of FIG. This circuit has the advantage of being simple, stocky, and relatively cheap is.

Sie erreicht eine Gesamtgenauigkeit von @ 2 % bei Temperaturveränderungen bis zu t 50 ° 0, bei Druckveränderungen in einem Bereich von 3:1 und bei volumetrischen Durchflussschwankungen in einem Bereich von 15:1. It achieves an overall accuracy of @ 2% with temperature changes up to t 50 ° 0, with pressure changes in a range of 3: 1 and with volumetric Flow fluctuations in a range of 15: 1.

Diese Schaltung basiert auf den Annäherungen: 1 # 1 # 1 # T° 1 + T T° T0 ergibt # T # 1 T° Fehler belaufen sich auf + 2% für # T t # 50°C. wenn TO 30000 ist, In der Schaltung der Fig. 3 sind die Bestandteile und Werte die folgenden: Kondensatoren C1 0,03 µ F C2 120 pF C3 120 pF c4 0,1@ F C5 500 pF C6 0,25µ F C7 150 pF C8 0,5µ F C9 0.1µ F C10 0.5µ F Widerstände R1 3.3 K# R2 100 K# R3 1 K# R4 63 K# R5 56 K # R6 1 K# R' 22 K# R8 27 K # R 27 K # R10 22 K# ~11 1 K A R12 68 K # R13 25 K # R14 10 K # R@@ 100 K R16 10 K# R17 4.7 K# R18 25 K# R19 25 K # R20 25 K# R21 100 K # R22 100 K A R23 330 K# R24 10 K # @R25 33 K # R26 1 K# R27 (entsprechend dem Widerstadn des Temperaturwandlers) R28 (entsprechend dem Widerstand des Druckwandlers) Transistoren TR - 1 2N706A (Standard Telephones & Cables, Ltd.) TR -2 " " TR - 3 3 n TR - 4 TR - 5 11 " TR - 6 TR - 7 " II Dioden D - 1 OA81 (Mullard Ltd.) D - 2 OA81 (Mullard Ltd.) D - 3 OA81 (Brush Cleeve Ltd.) D - 4 F34 (Brush Cleeve Ltd.) D - 5 F34 (Mullard Ltd.) S Schalter einpoliger Dreiweg- Bereichsschalter Transformatoren T - 1 Verhaltnis 1 : 2 Verstärkereinheiten A - 1 Temperaturwandler. Vorverstärker A - 2 Druckwandler-Vorverstärker Für den Fachmann auf dem Gebiet der Schaltungen für Rechenanlagen ist es selbstverständlich, dass kompliziertere Schaltungen nach bekannten Verfahren konstruiert werden können, um grössere Genauigkeit zu erzielen oder um mit grösseren Temperatur- und Druckschwankungen arbeiten zu können. This circuit is based on the approximations: 1 # 1 # 1 # T ° 1 + T T ° T0 results in # T # 1 T ° errors amount to + 2% for # T t # 50 ° C. if TO 30000, In the circuit of Fig. 3, the components and values are as follows: Capacitors C1 0.03 µ F C2 120 pF C3 120 pF c4 0.1 @ F C5 500 pF C6 0.25 µ F C7 150 pF C8 0.5µ F C9 0.1µ F C10 0.5µ F Resistors R1 3.3 K # R2 100 K # R3 1 K # R4 63 K # R5 56 K # R6 1 K # R '22 K # R8 27 K # R 27 K # R10 22 K # ~ 11 1 K A R12 68 K # R13 25 K # R14 10 K # R @@ 100 K R16 10 K # R17 4.7 K # R18 25 K # R19 25 K # R20 25 K # R21 100 K # R22 100 K A R23 330 K # R24 10 K # @ R25 33 K # R26 1 K # R27 (corresponding to the resistance of the temperature converter) R28 (corresponding to the resistance of the pressure transducer) Transistors TR - 1 2N706A (standard Telephones & Cables, Ltd.) TR -2 "" TR - 3 3 n TR - 4 TR - 5 11 "TR - 6 TR - 7 "II diodes D - 1 OA81 (Mullard Ltd.) D - 2 OA81 (Mullard Ltd.) D - 3 OA81 (Brush Cleeve Ltd.) D - 4 F34 (Brush Cleeve Ltd.) D - 5 F34 (Mullard Ltd.) S Single pole switch Three-way range switch transformers T - 1 ratio 1: 2 amplifier units A - 1 temperature converter. Preamplifier A - 2 pressure transducer preamplifiers For It is a matter of course for those skilled in the field of circuits for computer systems that more complicated circuits can be constructed according to known methods, to achieve greater accuracy or to deal with greater temperature and pressure fluctuations to be able to work.

Fig. 4 zeigt den Wandlersatz. Eine mit Schaufeln versehene Turbine 1 weist eine äussere Lagerbuchse 2 auf, in der mit Spiel eine feste innere Lagerbuchse 3 angeordnet ist. In der inneren Buchse 3 sind radiale Öffnungen 4 vorgesehen, durch die durch einen axialen Kanal 6 einer Gondel 7, die axial in dem durch eine Rohrleitung 9 strömenden Gasstrom 8 liegt, zugeführte Druckluft in einen Spalt 5 zwischen der inneren und äusseren Lagerbuchse einströmen kann, Die Luft verlässt das Radiallager an beiden Enden, um bei 5a und 5b Axialdrucklager zu bilden. Die Menge der aus den Lagerzwischenräumen 5a und 5b entweichenden Abluft ist geringfügig im Vergleich mit dem zu messenden Durchfluss und braucht nicht beachtet zu werden. Da ein derartiges "Luftkissenlager" der Drehung nur einen äusserst geringen Widerstand entgegensetzt, kann die Turbine 1 mit einer Drehzahl rotieren, die dem volumetrischen Durchfluss des Gases durch die Rohrleitung 9 linear proportional ist, Die Schaufeln der Turbine 1 sind so angeordnet, dass sie, entweder kapazitiv als Platte eines Kondensators oder magnetisch, mit einer magnetischen Sonde 10 zusammenarbeiten, die in der Wand der Rohrleitung v an*geordnt. ist. Fig. 4 shows the transducer set. A turbine with blades 1 has an outer bearing bush 2 in which a fixed inner bearing bush with play 3 is arranged. In the inner sleeve 3 radial openings 4 are provided through which by an axial channel 6 of a nacelle 7, which is axially in which by a pipeline 9 flowing gas stream 8 is, supplied compressed air in a gap 5 between the inner and outer bearing bush can flow in, the air leaves the radial bearing at both ends to form thrust bearings at 5a and 5b. The amount of from the Exhaust air escaping from storage spaces 5a and 5b is slight in comparison with the flow rate to be measured and does not need to be taken into account. There is such a thing "Air cushion bearing" only offers extremely little resistance to the rotation, the turbine 1 can rotate at a speed that corresponds to the volumetric flow of the gas through the pipe 9 is linearly proportional, the blades of the turbine 1 are arranged so that they are either capacitive as the plate of a capacitor or magnetic, cooperate with a magnetic probe 10 that is in the wall the pipeline v arranged *. is.

In Strömungsrichtung hinter der Turbine ist in der Wand der Rohrleitung 9 eine ringförmige Ausnehmung 12 vorgesehen, die ein Widerstandsthermometer 13 mit Kupferdrahtwicklung aufnimmt, das demnach den Durchfluss weder behindert noch Wirbelbildung verursacht. In the direction of flow behind the turbine is in the wall of the pipeline 9 an annular recess 12 is provided, which a resistance thermometer 13 with Absorbs copper wire winding, which therefore neither hampers the flow nor creates vortices caused.

Der Turbine axial gegenüber ist eine Öffnung 14 in der Wand der Rohrleitung 9 vorgesehen, die zu einem Membran-Druckwandler 15 führt. Axially opposite the turbine is an opening 14 in the wall of the pipeline 9 is provided, which leads to a membrane pressure transducer 15.

Claims

Claims 1. Device for measuring the mass flow rate a gas characterized by first, second and third deriving means electrical signals, each in a linear relationship to the volumetric flow, the respective absolute pressure and the reciprocal value of the respective absolute Gas temperature stand, means for producing a square pulse wave, in which the Frequency, amplitude and duration of the impulses each to the corresponding first, second and third electrical signal is linearly proportional, in each any order, means for integrating the pulse wave and means for Display the integration value.

2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the The frequency of the square pulse wave is linearly related to the first signal, the amplitude of the square pulse wave in linear relation to the second signal and the pulse duration is linearly related to the third signal.

3. Device according to claim 2, characterized in that the Frequency of the first signal in a linear relationship to the volumetric gas flow stands, the amplitude of the second signal is linearly related to the respective one absolute gas pressure and the amplitude of the third signal in a linear relationship the respective absolute temperature.

4. Apparatus according to claim 3, characterized in that the Means for deriving the first signal a turbine (1) with gas-lubricated bearings (5a, 5b) and means for generating an electrical signal are provided whose frequency is linearly related to the speed of the turbine (1).

5. Apparatus according to claim 3, characterized in that the Means for deriving the second signal comprise a diaphragm pressure transducer (15).

6. Apparatus according to claim 3, characterized in that the Means for deriving the third signal comprise a copper resistance thermometer (13).

7. device for measuring the mass flow rate of a gas, essentially as described with reference to the drawings.

L e r s e i t e