DD153431C2 - Kalorischer Durchflußmesser - Google Patents

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen kalorischen Durchflußmesser, der in einem großen Durchflußbereich und für verschiedene Medien ohne aufwendige Eichungen eingesetzt werden kann.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Die kalorischen Durchflußmesser gehören zur Gruppe der thermischen Durchflußmesser, für die sich zusammenfassende Beschreibungen in (Korotkov, A.A.: Teplowüje rasxodomeri Maschinostrojenie 1969; Bradshaw, P.: Thermal methods of flow measurement, Journ. of Scientific lnstr. 1968 Series 2 — Volume 1, p. 504/09; Calme, H.: Impfverfahren mit Chemikalien und radioaktiven Substanzen, thermische und kalorische Meßmethoden, VDI-Berichte Nr.86 [1964] S. 59/63; Schäfer, K: Thermische Durchflußmeßmethoden, VDI-Berichte Nr.254 [1976] S. 157/62) befinden. Beim kalorischen Durchflußmesser ergibt sich der Durchfluß (Massenstrom m) aus der Wärmebilanz zu

m =

Q — zu-bzw. abgeführte Wärmeleistung

с — spezifische Wärme des Fluids

ti, t₂ — mittlere Temperatur des Fluids am Ein- bzw. Austritt aus dem Bilanzraum.

Die eigentliche Schwierigkeit bei der Durchflußmessung nach dem kalorischen Prinzip besteht in der Ermittlung der mittleren Fluidtemperatur. Das Problem der Ermittlung der mittleren Temperatur wurde bisher auf prinzipiell zwei Wegen gelöst (Korotkov, A.A.: Teplowüje rasxodomeri Maschinostrojenie 1969):

Beim sogenannten „kalorischen Durchflußmesser mit Kontakt" werden die Temperaturfühler vor und nach einem auf die Rohrwand aufgebrachten Heizer in das Medium eingeführt. Dabei wird jedoch nicht die mittlere Fluidtemperatur gemessen, sondern die Temperatur des Temperaturprofiles, die dem radialen Abstand des Temperaturfühlers entspricht. Der Durchfluß ergibt sich dabei zu

Der experimentell zu ermittelnde Korrekturfaktor к ist eine Funktion der Wärmeübergangszahl α und damit sowohl von den Stoffwerten des Fluids als auch von der Störungsform (laminar bzw. turbulent) abhängig. Er korrigiert die gemessenen Temperaturwerte auf die reellen Mittelwerte. Bei dem in der gleichen Literaturstelle dargestellten sogenannten „kalorischen Durchflußmesser ohne Kontakt" werden die Temperaturfühler, ähnlich denen der Grenzschichtmesser, auf der Rohrwandung aufgebracht. Der Zusammenhang zwischen Durchfluß und gemessener Temperaturdifferenz ergibt sich für den turbulenten Bereich zu

exp 1- (d + In)]ι

α — Wärmeübergangszahl

d — Rohrdurchmesser

A — Wärmeübertragungsfläche

I_n — Abstand zwischen Heizer und Temperaturfühler 2

K — Korrekturfaktorfür nichtideale Isolierung

Für den laminaren Bereich ergibt sich eine ähnliche Beziehung.

Die beschriebene indirekte Ermittlung der mittleren Fluidtemperaturdifferenz über Korrekturfaktoren bzw. relativ komplizierte Auswerteformeln, die nur in engen Durchflußbereichen und für jeweils ein bestimmtes Medium gültig sind, erschwerten die verbreitete Anwendung des kalorischen Prinzips erheblich, da für jedes Gerät infolge der Toleranzen in der Geometrie von Rohr, Heizer und Temperaturfühler sowie für jedes Medium umfangreiche Eichungen durchzuführen sind. Aus diesem Grunde wurden kalorische Durchflußmesser bisher nur in einigen speziellen Einsatzfällen eingesetzt, obwohl sie vor allem zur Messung kleiner Durchflüsse wegen ihrer großen und über die Heizleistung auch einstellbaren Empfindlichkeit sowie ihres großen Meßbereiches gegenüber anderen Verfahren auch große Vorteile aufweisen.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht darin, einen Durchflußmesser bereitzustellen, der in einem großen Durchflußbereich und für verschiedene Medien ohne aufwendige Eichungen bzw. Korrekturen des Meßwertes eingesetzt werden kann.

Wesen der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Durchflußmesser auf dem kalorischen Prinzip zu schaffen, der in einem Durchlußbereich von ca. 1:100 durch direkte Messung der mittleren Fluidtemperaturdifferenz einen Fehler <1% aufweist. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem kalorischen Durchflußmesser, welcher aus einem Ein- und einem Austrittsbereich für das Fluid und dort angeordneten Temperaturfühlern, sowie einem zwischen diesen befindlichen beheizbaren Leitungsabschnitt besteht dadurch gelöst, daß der Eintrittsbereich aus einer Kammer mit einer bezüglich der Längsachse der Wärmequelle radial bzw. tangential angeordneten Zuleitung besteht, wobei die Kammer einen wesentlich größeren Strömungsquerschnitt aufweist als der Spalt, und daß der Austrittsbereich in Form einer Mischkammer mit axialer Ableitung ausgebildet ist.

Eine gute Genauigkeit bei der Temperaturmessung wird insbesondere bei kleinen Rohrdurchmessern dann erzielt, wenn die Temperaturfühler in Rohrbögen so angeordnet werden, daß sie axial angeströmt werden. Durch die Verwendung von Thermoelementen als Temperaturfühler ist es aufgrund deren geringer Abmessungen möglich, ein gutes dynamisches Verhalten des kalorischen Durchflußmessers zu erhalten. Die Verwendung von Thermoelementen hat außerdem den Vorteil, daß durch Zusammenschalten der beiden Thermoelemente sofort die Temperaturdifferenz abgenommen werden kann, was die Weiterverarbeitung des Signals wesentlich vereinfacht.

Um sehr kleine Durchflüsse messen zu können, wird der erfindungsgemäße Durchflußmesser vorteilhaft so angeordnet, daß seine Achse senkrecht steht und die Strömung von unten nach oben geführt wird.

Der Hauptvorteil des erfindungsgemäßen Durchflußmessers besteht darin, daß sich der Durchfluß ohne Umrechungen direkt aus der Wärmebilanz ergibt, so daß bei Kenntnis der spezifischen Wärme des Fluids keine aufwendigen Dichtungen notwendig sind und damit ein universeller Einsatz möglich wird. Im Gegensatz zu den bisher verwendeten Ausführungsformen von kalorischen Durchflußmessern haben übliche Fertigungstolerenzen keinen Einfluß auf den Meßwert, was eine ökonomische Fertigung ermöglicht. Von Vorteil ist außerdem der große Meßbereichvon 1:100, der relativ kleine Fehler <1% und die hohe Empfindlichkeit, wodurch er besonders für die Messung von sehr kleinen Durchflüssen geeignet ist.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.

Eine Konstruktionsform des erfindungsgemäßen kalorischen Durchflußmessers, die bezüglich ihrer Kompaktheit und der erreichbaren Parameter besonders vorteilhaft ist, zeigt die Figur.

Das Fluid tritt hier über die Zuleitung 1 z. B. radial, in die Eintrittskammer 2 und umströmt die patronenförmige Wärmequelle bzw. -senke 3 in einem Ringspalt 4 axial. Durch das Anbringen von Schikanen ist auch eine schrauben- bzw. mäanderförmige Strömungsführung möglich. Die Austrittskammer 5 ist so ausgebildet, daß der Strömungsquerschnitt erst erweitert und anschließend auf den Durchmesser der Ableitung 6 düsenförmig verengt wird, wodurch eine innige Vermischung des Fluids und damit die Messung der mittleren Austrittstemperatur mit dem in einem Rohrbogen eingebrachten Mantelthermoelement 7 möglich wird.

Im Bedarfsfall ist es zur Verstärkung der Durchmischung möglich, in die Austrittskammer 5 Einbauten einzubringen. Die mittlere Eintrittstemperatur wird in der Zuleitung 1 mittels des Mantelthermoelements 8 ebenfalls in einem Rohrbogen gemessen. Der gesamte kalorische Durchflußmesser ist zweckmäßig mit einer Isolierung versehen, so daß der Wärmeverlust im gesamten Meßbereich nicht mehr als 0,5% beträgt. Die Vorarbeitung der Signale der Temperaturfühler und Wärmequelle bzw. -senke kann

z. B. durch die in der Literatur (Korotkov, A.A.: Teplowüje raszodemeri Maschinostrojenie 1969) angegebenen Brückenschaltungen erfolgen.

Claims (4)

1. Erfindungsanspruch:

   1. Kalorischer Durchflußmesser, bestehend aus einem Ein- und einem Austrittsbereich für das Fluid, in dem jeweils ein Temperpaturfühler angeordnet ist, und einem zwischen diesen·befindlichen beheizbaren Leitungsabschnitt, welcher vorzugsweise einen spaltförmigen Querschnitt aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Eintrittsbereich aus einer Kammer mit einer bezüglich der Längsachse der Wärmequelle radial bzw. tangential angeordneten Zuleitung besteht, wobei die Kammer einen wesentlich größeren Strömungsquerschnitt aufweist als der Spalt, und daß der Austrittsbereich in Form einer Mischkammer mit axialer Ableitung ausgebildet ist.
2. 2. Kalorischer Durchflußmesser nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturfühler in einem Rohrbogen der querschnittsgleichen Zu- bzw. Ableitung des Fluids unmittelbar an der Ein- bzw. Austrittskammer so angeordnet sind, daß sie axial angeströmt werden.
3. 3. Kalorischer Durchflußmesser nach Punkt 2, dadurch gekennzeichnet, daß alsTemperaturfühler Thermoelemente angeordnet sind.
4. 4. Kalorischer Durchflußmesser nach Punkt 1, insbesondere für kleine Durchflüsse, dadurch gekennzeichnet, daß seine Achse senkrecht angeordnet ist und die Strömungsführung von unten nach oben erfolgt.

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