DE1245155B

DE1245155B - Durchflussmessgeraet fuer elektrisch nichtleitende Fluessigkeiten

Info

Publication number: DE1245155B
Application number: DEB70575A
Authority: DE
Inventors: John Max Henness; Darrell Edwin Newell
Original assignee: Bendix Corp
Current assignee: Bendix Corp
Priority date: 1962-02-02
Filing date: 1963-02-01
Publication date: 1967-07-20
Also published as: US3164990A; FR1346098A; GB981749A

Description

DEUTSCHES W¥W PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

DeutscheKl.: 42 e- 23/05

Nummer: 1 245 155

Aktenzeichen: B 70575 IX b/42 e

Ύ 24 5 133 Anmeldetag: 1. Februar 1963

Auslegetag: 20. Juli 1967

Die Erfindung betrifft ein Gerät zur Messung der in der Zeiteinheit einen vorgeschriebenen Querschnitt einer Rohrleitung durchsetzenden Masse einer elektrisch nichtleitenden Flüssigkeit.

Es sind Durchflußmeßgeräte für elektrisch nichtleitende Flüssigkeiten bekanntgeworden, bei denen durch die Kraftwirkung der Flüssigkeit die Kapazität eines Plattenkondensators verändert und aus der Kapazitätsänderung auf den Durchsatz geschlossen wird. Bei bekannten Meßgeräten dieser Art liegen die Elektroden des Kondensators im Strömungsweg, so daß der zwischen den Elektroden befindliche Raum von der strömenden Flüssigkeit erfüllt und durchsetzt wird und die Flüssigkeit als Dielektrikum dieses Kondensators dient. Der Kondensator ist an einen Wechselstromkreis so angeschlossen, daß er eine Kenngröße dieses Wechselstromkreises beeinflußt; diese Kenngröße wird gemessen und dient als Maß des Durchsatzes.

Bei den bekannten Meßgeräten dieser Art wird der Flüssigkeitsstrom an der Meßstelle um 180³ umgelenkt. Durch diese Maßnahme läßt sich zwar eine hohe Kraftwirkung auf das bewegliche Organ des Kondensators erzielen, doch bereitet der Einbau derartiger Meßgeräte in bereits bestehende Rohrleitungen oft Schwierigkeiten, und in jedem Fall muß eine zweite Umlenkung um nochmals 180° vorgesehen werden, um die ursprüngliche Strömungsrichtung wiederherzustellen. Außerdem treten durch die Umlenkung erhöhte Verluste an Strömungsenergie auf. In vielen Fällen war deshalb aus Platz- oder Kostengründen die Anwendung des den bekannten Einrichtungen zugrunde liegenden kapazitiven Meßverfahrens nicht möglich.

Die vorliegende Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, ein Durchflußmeßgerät für elektrisch nichtleitende Flüssigkeiten zu schaffen, bei dem ebenfalls das kapazitive Meßprinzip angewandt wird, jedoch bei unverändert hoher Empfindlichkeit die Flüssigkeit nicht umgelenkt wird und infolgedessen die Nachteile der bekannten Konstruktionen vermieden werden.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe geht die Erfindung aus von einem Gerät zur Messung der in der Zeiteinheit einen vorgeschriebenen Querschnitt einer Rohrleitung durchsetzenden Masse einer elektrisch nichtleitenden Flüssigkeit, das ausgestattet ist mit einem Kondensator, dessen Elektroden senkrecht zur Strömungsrichtung innerhalb des der Messung dienenden Bereichs derart im Pfade der Strömung liegen, daß der zwischen den Elektroden befindliche Raum von der strömenden Flüssigkeit erfüllt und Durchflußmeßgerät für elektrisch nichtleitende
Flüssigkeiten

Anmelder:

The Bendix Corporation,
Detroit, Mich. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing. Η. Negendank, Patentanwalt,
Hamburg 36, Neuer Wall 41

Als Erfinder benannt:
John Max Henness,

Darreil Edwin Newell, Davenport, la. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 2. Februar 1962 (170 561)

durchsetzt wird, wobei die Flüssigkeit als Dielektrikum dieses Kondensators dient und von den Elektroden die erste Elektrode relativ zu der zweiten Elektrode derart beweglich angeordnet ist, daß sich der Abstand der Elektroden entsprechend der durch die Stärke der Strömung verursachten Druckkraft selbsttätig verändert, wobei die bewegliche Elektrode durch eine Feder gehalten wird, die auf Auslenkungen mit einer proportionalen Rückstellkraft reagiert; das Gerät arbeitet mit einem Generator für Wechselstrom hinreichender Frequenz, in dessen Stromkreis sowohl der Kondensator als auch ein Meßinstrument für eine Kenngröße des Wechselstromes liegt.

Nach der Erfindung erfolgt dabei die Lösung der gestellten Aufgabe dadurch, daß beide Elektroden den vollen Strömungsquerschnitt durchsetzen und derart stark perforiert sind, daß sie die Flüssigkeit, ohne in ihr einen beträchtlichen Druckabfall zu erzeugen, hindurchtreten lassen, daß ferner der Kondensator als die Frequenz des Wechselstromes bestimmendes Glied geschaltet ist und daß als Kenngröße des Wechselstromes die Frequenz desselben dient.

Das erfindungsgemäßen Gerät kann somit, da bei ihm eine Umlenkung der Flüssigkeit nicht erfolgt, in jede beliebige Rohrleitung in einfachster Weise eingebaut werden. Der Platzbedarf ist dadurch sowohl bei dem Gerät selbst als auch durch den Fortfall der bisher erforderlichen nochmaligen Umlenkung der Flüssigkeit ganz entscheidend vermindert. Auch die Strö-

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mungsverluste sind gegenüber den bekannten Einrichtungen herabgesetzt. Insbesondere bei Anwendung, wo es auf geringsten Platzbedarf ankommt, etwa auf Schiffen, in Flugzeugen oder Raketen, fällt die mit dem erfindungsgemäßen Gerät mögliche Platzersparnis stark ins Gewicht; vielfach wird erst durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Konstruktion der Einsatz eines kapazitiven Durchflußmeßgerätes überhaupt möglich. Das erfindungsgemäße Gerät kann sowohl zur Messung des Massendurchsatzes als auch zur Messung des Volumendurchsatzes dienen. Da als Kenngröße des zur Messung benutzten Wechselstromes die Frequenz dieses Wechselstromes benutzt wird, kann das erfindungsgemäßen Gerät leicht auch eine digitale Anzeige liefern, die für viele Anwendungszwecke besonders vorteilhaft ist; selbstverständlich kann auch eine analoge Anzeigegröße erzeugt werden.

Erfindungsgemäß ist es bei einer Anordnung, bei der der Kondensator als veränderliches Glied einer Kapazitätsmeßbrücke geschaltet ist, deren vier Zweige aus vier Kondensatoren bestehen, von Vorteil, daß die Ausgangsgröße der Brücke nach Verstärkung gleichgerichtet und einer bezüglich ihrer Kapazität steuerbaren Halbleiterdiode zugeführt wird, die so geschaltet ist, daß durch die Änderung ihrer Kapazität die Frequenz des Wechselstromgenerators verändert wird. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß der Wechselstromgenerator und der zur Durchfmßmessung dienende Kondensator wechselstrommäßig voneinander getrennt sind.

Die Erfindung wird in der nachfolgenden Beschreibung an einem Beispiel erläutert. In den Figuren stellt

F i g. 1 einen Längsschnitt durch das Meßgerät nach der Erfindung,

F i g. 2 schematisch einen Oszillator,

F i g. 3 einen Meßkreis mit den Elementen der Fi g. 1 und 2 dar.

In dem Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 1 enthält eine Rohrleitung 10, die als Längsschnitt durch die Rohrachse dargestellt ist, ein Zwischenstück 12 von größerem Durchmesser. Ein Ansatz 14 und ein Dichtungsring 16 im Inneren dieses Zwischenstückes 12 sind so angeordnet, daß sie den Flansch 18 eines metallischen Diaphragmas 20 unverrückbar zwischen sich einspannen. Der ringförmige Teil 22 ist im Flansch 18 befestigt und am Rand wulstartig aufgeworfen, damit das Mittelstück 24 des Diaphragmas, welches eine Vielzahl kleiner Perforationen aufweist, in Strömungsrichtung ausgebogen werden kann. Das Diaphragma 20 ist sehr empfindlich; es nimmt eine Lage ein, die sich in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit der Flüssigkeit ändert. Parallel zu dem Diaphragma 20 ist eine Schale 28 als zweite Elektrode angeordnet, deren Rand 26 unverrückbar in dem Dichtungsring 16 festgehalten wird und deren ebenes unmittelbar neben dem Mittelstück 24 des Diaphragmas 20 angeordnetes Mittelstück 30 eine Vielzahl kleiner Perforationen besitzt.

Mittelstück 24 und Mittelstück 30 bilden die Elektroden eines Kondensators. Die Elektroden tragen eine Vielzahl kleiner Perforationen, die nach Art eines Gitters oder einer Blende gebildet sind. Die Elektroden ermöglichen so ein Fließen der Flüssigkeit durch sie hindurch, ohne daß ihr ein überhöhter Widerstand entgegengesetzt wird; trotzdem sind die sich gegenüberliegenden Oberflächen genügend groß,

um einen Kondensator zu bilden, dessen Charakteristik dieselbe ist wie die eines Kondensators mit zwei ebenen und vollen Platten. Die Kapazität des von den Mittelstücken gebildeten Kondensators ändert sich sehr empfindlich umgekehrt proportional zur Entfernung, die zwischen ihnen liegt. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ersetzt die Flüssigkeit, deren Durchsatz gemessen wird, vollständig das Dielektrikum zwischen den Elektroden. Diese Bedingung muß

ίο jedoch nicht unbedingt eingehalten werden, wenn man die Dielektrizitätskonstante der Flüssigkeit kennt und einen zweiten Kondensator zur Messung der Dichte der Flüssigkeit verwendet. In diesem Fall multipliziert man die von beiden Kondensatoren gelieferten Meßergebnisse.

Die Elektrode in Form der Schale 28 und das Diaphragma 20 sind aus leitendem Material hergestellt, z. B. aus nicht oxydierendem Stahl, welches bei Berührung mit der Flüssigkeit nicht chemisch reagiert.

Die Schale 28 ist so stabil, daß sie unbeweglich in ihrer Lage bleibt, auch wenn die Flüssigkeit mit der größten Geschwindigkeit durch sie hindurchfiießt. Das Diaphragma 20 verändert demgegenüber in Richtung des Mittelstückes 30 der Schale 28 seine Lage, und zwar im Ausführungsbeispiel in linearer Abhängigkeit von der Kraft, die durch die Flüssigkeit ausgeübt wird.

Um das Verständnis der Erfindung zu erleichtern, ist es zweckmäßig, die nachfolgenden mathematischen Beziehungen anzugeben, welche jedoch nicht als Beschränkung der Erfindung aufzufassen sind.

Wenn man mit C die Kapazität des Kondensators bezeichnet, mit F seiner Oberfläche, mit d den Abstand der Elektroden voneinander, mit ε die Dielektrizitätskonstante der Flüssigkeit, erhält man die Formel

wobei K eine Konstante ist.

Die Dielektrizitätskonstante der Flüssigkeit kann als im Verhältnis K₁ proportional der Dichte der

Flüssigkeit ~ angesehen werden, eine Annahme, die

später noch diskutiert werden wird. Indem man K und K₁ durch K₂ ersetzt, erhält man

C = K,!^. g-d

In dem dargestellten Ausführungsbeispiel wirkt die Elastizität des Diaphragmas 20 einer Verringerung der Entfernung d zwischen den Elektroden entgegen, so daß die Entfernung d und die davon abhängige Kapazität sich mit der auf das Diaphragma durch die Flüssigkeit ausgeübten Kraft ändert.

Nach dem zweiten Newtonschen Gesetz ist die Kraft P gleich Masse mal Beschleunigung. Mit Masse gleich Gewicht G dividiert durch Erdbeschleunigung g und Beschleunigung gleich erste Ableitung der Geschwindigkeit ν nach der Zeit t erhält man

P=

g dt

oder

P-dt = — -dv.
g

Dieser Ausdruck von der Zeit Null bis zur Zeit t integriert:

P-t— — · (v — vo).

erhält man:

F-σ

C=K₉

F-v²

= K₅-

F ²-O²-V²

P · t nennt man den Kraftimpuls,

G-v

die Bewegungsgröße der Flüssigkeit.

Die letzte Beziehung soll als Funktion des Durchsatzes der Flüssigkeitsmasse geschrieben werden. Die Menge ist gleich dem Volumendurchsatz der Flüssigkeit (man erhält den Volumendurchsatz, indem man senkrecht zur Fließrichtung der Flüssigkeit schneidet, was die Oberfläche F ergibt, und diese mit der senkrecht zum Schnitt gemessenen Geschwindigkeit ν multipliziert) multiziert mit der Dichte ™, wodurch man

F-ν ο

erhält. Die Flüssigkeitsmasse, die während der Zeit t fließt, ist damit

F -ν at g

Die Ausdrücke für den Kraftimpuls und die Bewegungsgröße erhalten damit die Formen

P-t

F -ν a-t

(v — vo) Die Kapazität eines Kondensators, der durch das Diaphragma 20 und den Boden der Schale 28 gebildet wird, ist somit in Abhängigkeit von dem Produkt der Dielektrizitätskonstanten der Flüssigkeit und der Bewegungsgröße veränderlich; als Funktion des ίο Massendurchsatzes ist sie das Produkt des Massendurchsatzes

F- σ· ν

mit der Geschwindigkeit ν der Flüssigkeit und ihrer

Dichte — (in Wirklichkeit ^^r-, aber F ist eine Kong g

stante).

In F i g. 1 sind die als Elektroden des Kondensators anzusehenden Mittelstücke 24 und 30 elektrisch mit Klemmen 40 und 42 verbunden. Diese Klemmen sind mit den Eingängen 44 und 46 des Oszillators nach F i g. 2 verbunden, derart, daß der Kondensator ein kapazitives Schaltelement bildet, welches die Frequenz des Oszillators festlegt.

Die Arbeitsfrequenz / des Oszillators ist allgemein ausgedrückt:

K₆-Yl^l

Mit

■ ν ■ a

Die Größe

F-vo

(v — vo).

C = K_k

F ² · σ² · V²

J²

ist die Frequenz des Oszillators

gibt die in der Sekunde fließende Masse wieder, der rechte Teil dieses Ausdruckes die Änderung der Bewegungsgröße pro Sekunde. Somit ist die auf ein Hindernis ausgeübte Kraft gleich dem Verhältnis der Änderung der Bewegungsgröße, die durch dieses Hindernis hervorgerufen wird.

Wie auch die Konstruktion des Hindernisses sein mag: da seine Geometrie so festgelegt ist, daß die Fließrichtung der Flüssigkeit sich linear mit der Geschwindigkeit ändert, kann man die Verhältnisse so betrachten, als ob das Hindernis eine Richtungsänderung der Fließbewegung um 90° hervorrufen würde, und zwar mit einem Anteil K₃ der Flüssigkeit.

Die Größe (v — vo) kann somit durch K ₃V ersetzt werden, und der Ausdruck für die Kraft wird dadurch zu

F-vo „ „ F-v²-a K₁-IfL ·]/F²-σ²- ν² '

und wenn man L konstant hält,

K_a-F-o-v

K-g F-o-v

Somit stellt der Oszillator ein Mittel dar, die Quadratwurzel aus dem umgekehrt proportionalen Ausdruck

P =

K_s-v

die Kraft ist proportional der Bewegungsgröße der Flüssigkeit für eine Geometrie, die durch das Hindernis bestimmt ist.

Wenn man berücksichtigt, daß die Entfernung, welche die Elektroden voneinander haben, umgekehrt proportional der Kraft ist

so _g2
zu erhalten.

Da F-o-v proportional dem Massendurchsatz der Flüssigkeit ist, ist eine Veränderung der Frequenz des Oszillators umgekehrt proprotional der Veränderung des Massendurchsatzes. Wenn man die Konstante K₇ bestimmt hat, kann man sagen, daß die Arbeitsfrequenz des Oszillators umgekehrt proportional dem Massendurchsatz ist. Der Oszillator liefert eine Größe, welche den Durchsatz darstellt, und zwar in Form einer numerischen Größe.

Die vorstehenden Beziehungen setzen voraus, daß die Dielektrizitätskonstante sich linear mit der Dichte ändert. Die Formel von Clausius-Mossotti stellt diese Beziehung in folgender Weise her:

ε + 2

= r,

Claims

wobei £ die Dielektrizitätskonstante, ο die Dichte und R die spezifische Refraktion ist. Die Gleichung setzt voraus, daß die Moleküle der Substanz sphärisch und nicht polarisiert sind, daß keine Kurzschlußwirkungen zwischen den Molekülen auftreten und daß die räumliche Verteilung isotrop ist. Wenn jedoch die erste Bedingung erfüllt ist, werden die Fehler, die in Abhängigkeit von den anderen Bedingungen auftreten, nicht von der Dichte beeinflußt. Zum Beispiel zeigt Wasserstoff, welcher nur die erste Bedingung erfüllt, eine sehr genaue lineare Beziehung zwischen seiner Dielektrizitätskonstanten und seiner Dichte. Anders ausgedrückt, genügt eine Substanz in dem Bereich, in dem R für die Substanz konstant ist, dieser Gleichung. Wenn für eine gegebene Substanz/? sich mit der Dichte ändert und wenn diese letztere sich nur wenig ändert, wird das von dem Durchsatzmeßgerät gelieferte Meßergebnis um so genauer sein, je kleiner der Bereich der vorkommenden Dichtewerte ist. Da eine der Aufgaben der Erfindung darin liegt, ein Durchsatzmeßgerät für kälteerzeugende Flüssigkeiten zu schaffen, ist es sehr wichtig, daß die Beziehung zwischen der Dichte und der Dielektrizitätskonstanten für diese Flüssigkeiten sehr genau linear ist: Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff, Kohlendioxyd, Methan ebenso wie zahlreiche andere Substanzen. Wenn die Fließrichtung der Flüssigkeit in der Leitung umgekehrt wird, ist in bezug auf den Kondensator die Entfernung zwischen den Elektroden proportional der Kraft d ~ P, somit L = Kt- F-σ g-d Κ, F-ο g-P F-o 35 Wenn die Induktivität L des Oszillators konstant gehalten wird, ergibt die Frequenz des Oszillators l'L-C ' J 40 Die Spannung zwischen den Punkten 74 ist demgemäß proportional der Kapazität des Durchsatzmeßgerätes 52; diese Spannung ist an die Halbleiterverbindung einer zweiten Diode 78 gelegt, um deren kapazitive Reaktanz zu ändern. Diese zweite Diode dient als Steuerelement für die Frequenz des Oszillators 80, zwischen dessen Eingangsklemmen sie gelegt ist. Wie in dem Fall, der in F i g. 2 dargestellt wurde, ist die Frequenz des Oszillators 80 umgekehrt proportional dem Massendurchsatz der Flüssigkeit, welche durch das Durchsatzmeßgerät hindurchfließt. Hochfrequenzdrosseln 90 und ein Kondensator 92 dienen dazu, den Oszillator 80 hochfrequenzmäßig vom Meßteil zu trennen. Ein Widerstand 94 vervollständigt eine Rückführung für die Gleichstromkomponente, die am Ausgang des Gleichrichters 71 auftritt. Die Spannung zwischen den Punkten 74 ist gleichzeitig an ein Gleichstrommeßgerät 76 angelegt, welches ein analoges Signal in Abhängigkeit vom Quadrat des Massendurchsatzes abgibt. Das Meßgerät 76 kann beispielsweise ein quadratisches Galvanometer sein nach Deprez-d'Arsonval, das in Massenanteilen geeicht ist. Das Meßgerät nach F i g. 3 hat den Vorteil, daß eine direkte Verbindung des Durchsatzmeßgerätes der F i g. 1 und des Oszillators der F i g. 2 möglich ist und daß diese beiden Geräte gegeneinander abgeschirmt sind, wodurch eine höhere Präzision erreicht wird und in einem größeren Durchsatzbereich gearbeitet werden kann. In einer praktischen Anwendung wurde das in F i g. 1 dargestellte Durchsatzmeßgerät mit einem Transistoroszillator verbunden, dessen Oszillatibnsfrequenz mit einem klassischen Frequenzzähler gemessen wurde und zur Messung des Massendurchsatzes einer Flüssigkeit diente, wie z. B. von flüssigem Sauerstoff, von Kerosin, von JP-4 öl in einem Durchsatzbereich von 1 zu 10. Der Fehler war kleiner als 2fl/o, wobei die Messungen mit Instrumenten durchgeführt wurden, die einen Maximalfehler von l°/o aufweisen. Die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse war besser als 99 von 100. Die Größe am Ausgang des Oszillators ist eine numerische Größe proportional der Geschwindigkeit, die in einer Leitung mit vorbestimmten Dimensionen proportional dem Volumendurchsatz ist. Ein weiterer Meßkreis ist in der F i g. 3 dargestellt. Er enthält eine Brückenschaltung 50, welche ein Durchsatzmeßgerät gemäß F i g. 1 enthält, welches als Massendurchsatzmeßgerät arbeitet und in den Zweig 52 der Brücke geschaltet ist. Die anderen Brückenzweige enthalten Kondensatoren 54 und 56 und eine Halbleiterdiode 58. Die Diagonale 60 wird von einer Wechselstromquelle 62 gespeist. Die Ausgänge 64 der zweiten Diagonalen sind mit den Eingängen eines Verstärkers 66 verbunden, dessen Ausgänge 68 mit Leitungen 70 und 72 verbunden sind. Die Leitung 70 enthält eine Gleichrichterdiode 71, so daß zwischen den Punkten 74 eine Gleichspannung erscheint, die der Verstimmung der Brücke proportional ist. Diese Spannung wird an die Diode 58 angelegt. Es ist bekannt, daß die kapazitive Reaktanz dieser Diode 58 sich im inversen Sinne zur Gleichspannung, die ihr zugeführt wird, ändert. Daher enthält der Stromkreis eine Gegenkopplungsschleife, durch die die Brücke 50 im Gleichgewicht gehalten wird. Patentansprüche:

1. Gerät zur Messung der in der Zeiteinheit einen vorgeschriebenen Querschnitt einer Rohrleitung durchsetzenden Masse einer elektrisch nichtleitenden Flüssigkeit, ausgestattet mit einem Kondensator, dessen Elektroden senkrecht zur Strömungsrichtung innerhalb des der Messung dienenden Bereichs derart im Pfade der Strömung liegen, daß der zwischen den Elektroden befindliche Raum von der strömenden Flüssigkeit erfüllt und durchsetzt wird, und daß die Flüssigkeit als Dielektrikum dieses Kondensators dient, und von dessen Elektroden die erste Elektrode relativ zu der zweiten Elektrode derart beweglich angeordnet ist, daß sich der Abstand der Elektroden entsprechend der durch die Stärke der Strömung verursachten Druckkraft selbsttätig verändert, wobei die bewegliche Elektrode durch eine Feder gehalten wird, die auf Auslenkung mit einer proportionalen Rückstellkraft reagiert, ausgestattet ferner mit einem Generator für Wechselstrom hinreichender Frequenz, in dessen Stromkreis sowohl der Kondensator als auch ein Meßinstrument für eine Kenngröße des Wechsel-