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PATENTANSPRÜCHE
1. Durchflussmessvorrichtung für Fltissigkeiten, Gase und Dämpfe mit einem eine Messblende variablen Durchflussquerschnitts aufweisenden Leitungsabschnitt und mit einer Messeinrichtung (4) für den durch die Messblende verursachten Druckabfall im durch den Leitungsabschnitt strömenden Medium, gekennzeichnet durch eine auf die variable Messblende (2, 3) einwirkende Regeleinrichtung (5, 6, 10, 6), welche den Druckabfall (Ap) auf einen vorgegebenen Sollbereich (#pmax-#pmin) oder Sollwert (Apsoll) einstellt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Regeleinrichtung (5, 6) den Druckabfall (Ap) auf einem vorgegebenen Sollwert (#psoll) konstant halt, gekennzeichnet durch eine Auswerteeinrichtung (7), die ein dem Durchflussquerschnitt (Ao) der variablen Messblende (2, 3) direkt entsprechendes bzw. proportionales Ausgangssignal (k) erzeugt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Messfiihler (8, 9) für den Druck (pl) des strömenden Mediums vor der Messblende und vorzugsweise auch fir die Temperatur (T) desselben sowie eine mit diesen Messfuhlern und der Regeleinrichtung (10, 6) sowie der Messeinrichtung (4) fir den Druckabfall zusammenarbeitende Auswerteeinrichtung (10) vorgesehen sind, welche Auswerteeinrichtung die Durchflussrate (qm(t)) des strömenden Mediums aus den von den Messfiihlern (8, 9) und der Messeinrichtung (4) erfassten Grössen (pl, T1 Ap), dem Durchflussquerschnitt (Ao) der Blende (2,3) und vorgegebenen Parametern ermittelt.
4. Vorrichtung nach eincm der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass die variable Messblende (2, 3) ein feststehendes Blendenelement (2) mit einer Blendenöffnung (21) und einem relativ dazu verstellbaren Blendenkörper (3) umfasst, wobei der Blendenkörper (3) je nach Stellung (z) zur Blendenöffnung (21) unterschiedliche Durchflussquerschnitte (Ao) freigibt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4 und einem der Ansprtiche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (7, 10) als Mass für den Durchflussquerschnitt (Ao) die Relativstellung (z) des Blendenkörpers (3) zur Blendenöff- nung (21) verwertet.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Blendenkörper (3) im wesentlichen zylindrisch oder prismatisch ausgebildet ist, wobei seine äussere Oberfläche der Form der Blendenöffnung (21) angepasst ist, und dass er an seiner vorderen, der Blendenöffnung (21) zugewandten Seite eine keilförmige, sich nach vorne öffnende Ausnehmung (33) aufweist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in der keilförmigen Ausnehmung (33) ein keilförmiges Umlenkorgan (34) angeordnet ist, dessen Keilschneide (35) im wesentlichen quer zur Keilschneide (36) der Ausnehmung verläuft.
Die Erfindung betrifft eine Durchflussmessvorrichtung gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Vermehrt werden heute Durchflussmessvorrichtungen mit sehr grossen Messbereichen (1:100 bis 1:500) benötigt. Dieser Trend ist vor allem erkennbar, wo solche Messungen z.B.
zwecks Energie-Bestimmung und allenfalls auch -Einsparung durchgefuhrt werden (Dampf, Gas, Fltissigkeit).
Für Durchflussmessungen mit weitem Messbereich werden heute vorwiegend Turbinen- und Wirbel-Durchflussmessgeräte eingesetzt. Diese Geräte haben den Vorteil, dass das Mess-Signal jeweils direkt-proportional zum Durchfluss ist, und sie somit eine relativ genaue Messung tiber einen recht grossen Messbereich gewährleisten. Neben diesen Geräten, die oft störanfällig oder schmutzempfindlich sind, werden wegen ihrer einfachen Handhabung die altbe währten, mit einer Messblende bzw. der an dieser abfallenden Druckdifferenz arbeitenden Messvorrichtungen nach wie vor sehr oft eingesetzt.
Einer der grössten Mangel dieser klassischen Durchflussmessgeräte auf Lochblendenbasis besteht jedoch in ihrer stark (in erster Näherung quadratisch) gekrummten Durchfluss-Druckdifferenz-Kennlinie, welche zumindest mit den bisher erhältlichen Drucktransmittern nur verhältnismässig enge Messbereiche zulässt, innerhalb welcher die Messung ausreichend genau ist. So hat eine Durchflussänderung von 1:10 bei einem solchen Gerät eine Anderung des Differenzdrucks von 1:100 zur Folge, was fur die meisten Drucktransmitter bereits kaum zu verkraften ist und insbesondere in Richtung niedriger Druckdifferenzen zu hohen Messfehlern führt.
Anderseits sind auch schon Durchflussmessgerate auf Lochblendenbasis bekannt geworden (siehe z.B. Chemical Engineering, 14. Januar 1980, pp 97 und 98), welche einen linearen Zusammenhang zwischen Messgrösse (Druckdifferenz vor und nach der Messblende) und dem Durchfluss aufweisen. Diese Geräte besitzen eine automatisch verstellbare Messblende, die aus einer feststehenden Lochblende und einem relativ zu dieser beweglichen Blendenkörper (oder umgekehrt) besteht, wobei der Blendenkörper je nach seiner Relativstellung die Blendenöffnung mehr oder weniger freigibt und damit deren aktiven Durchflussquerschnitt regelt.
Der bewegliche Teil ist mit einem Federbalg in der Weise verbunden, dass der Durchflussquerschnitt mit zunehmendem Durchfluss vergrössert wird. Durch geeignete Formgebung von Lochblende und Blendenkörper sowie entsprechende Abstimmung des Federbalges ist dafür gesorgt, dass sich insgesamt eine lineare Kennlinie ergibt.
Diese bekannten Durchflussmessgeräte besitzen zwar aufgrund ihrer linearen Kennlinie einen erheblich weiteren Messbereich als die klassischen Geräte mit fixer Blende, haben jedoch dafter zahlreiche andere Nachteile. So führen sie z.B. bei grösseren Durchflüssen zu relativ hohen Druckabfällen und damit unerwiinschten Energieverlusten. Ausserdem sind diese Geräte mechanisch heikel und anfällig auf Verschmutzungen, insbesondere im Bereich des Federbalges, da sich dadurch ihre Charakteristik und damit die Kennlinie des gesammten Geräts sehr leicht verändern kann.
Durch die Erfindung soll nun eine Durchflussmessvorrichtung der eingangs definierten Art dahingehend verbessert werden, dass sie unter Vermeidung der Mangel vergleichbarer bekannter Vorrichtungen eine ausreichende Genauigkeit tiber einen breiteren Messbereich gewährleistet und dabei gleichzeitig den Druckabfall in der Messblende frei zu wählen bzw. zu optimalisieren gestattet.
Die diese Anforderungen erftillende erfindungsgemässe Durchflussmessvorrichtung ist im Patentanspruch I beschrieben. Bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Prinzipschema eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemässen Vorrichtung,
Fig. 2 ein Prinzipschema eines zweiten Ausführungsbei spiels,
Fig. 3 eine besonders zweckmässige Ausftihrungsform eines in der Vorrichtung benötigten Blendenkörpers im Schrägriss und
Figs. 4 und 5 zwei Schnitte durch diesen Blendenkörper gemiss den Linien IV-IV bzw. V-V der Fig. 3.
Die in Fig. 1 dargestellte erfindungsgemässe Durchfluss
messvorrichtung umfasst einen Leitungsabschnitt I mit einer darin befindlichen, aus einem feststehenden Blendenelement 2 und einen beweglichen Blendenkörper 3 bestehenden variablen Messblende, einen tiber Anschlüsse 11 und 12 vor bzw. nach der Messblende an den Leitungsabschnitt 1 ange schlossenen Druckdifferenztransmitter 4, ein aus einem Regler 5 und einer Stelleinrichtung 6 bestehendes Regelsystem und eine Auswerteeinrichtung 7.
Die Funktionsweise der Vorrichtung wird weiter unten erläutert. An dieser Stelle sei lediglich erwähnt, dass das Regelsystem 5,6 den Druckabfall Ap, den das zu messende Medium beim Durchströmen der Messblende 2,3 erfährt, durch Verstellen des Blendenkörpers 3 relativ zum Blendenelement 2 und damit entsprechende Änderung des Durchflussquerschnitts der Messblende auf einen kostanten, in geeigneter Weise vorgewählten und eingestellten Sollwert Apsoii regelt. Die Stellung z des Blendenkörpers 3, die dem momentanen Durchflussquerschnitt enspricht, ist dann ein Mass für den Durchfluss und wird von der Auswerteeinrichtung 7 entsprechend verarbeitet.
Die in Fig. 2 dargestellte Variante der erfindungsgemassen Durchflussmessvorrichtung stimmt im mechanischen Teil im wesentlichen mit der Variante gemass Fig. 1 überein. Sie enthält jedoch zusätzlich einen Drucktransmitter 8 fitr den vor der Messblende 2,3 herrschenden Druck pl und einen Fühler 9 fir die Temperatur T1 des strömenden Mediums.
Ferner sind die Auswerteeinrichtung und der Regler durch einen Prozessrechner 10 realisiert.
Die allgemeine Funktionsweise ist im Prinzip ahnlich wie die der Variante nach Fig. 1. Der Prozessrechner 10 regelt tiber die Stelleinrichtung 6 und die variable Messblende 2,3 den durch diese verursachten Druckabfall #p im strömenden Medium auf einen Wert innerhalb eines vorgewählten Sollbereichs Apmax-Apmin. Dieser Sollbereich hängt vom Messmedium und dem eingesetzten Druckdifferenztransmitter ab.
Er sollte zur Vermeidung von Energieverlusten möglichst tief liegen und anderseits aus Präzisionsgründen möglichst in den optimalen Genauigkeitsbereich des eingesetzten Transmitters fallen. Aus der tatsächlich gemessenen Druckdifferenz Ap, dem Druck pl, eventuell der Temperatur T1, der dem momentanen Durchflussquerschnitt der Messblende entsprechenden momentanen Stellung z des Blendenkörpers 3 und einigen Systemparametern berechnet dann der Prozessrechner 10 nach der weiter unten angeführten Beziehung den momentanen Durchfluss qm(t).
Die variable Messblende 2,3 kann im Prinzip beliebig, beispielsweise etwa so wie in den Figs. 1 und 2 dargestellt, ausgebildet sein. Eine besonders zweckmässige Form ist in den Figs. 3-5 gezeigt. Der Blendenkörper 3 hat dabei im wesentlichen Zylinderform und passt genau in die entsprechend kreisrunde Blendenöffnung 21 des feststehenden Blendenelements 2. Die äussere Gestalt des Blendenkörpers 3 ist von untergeordneter Bedeutung - sie könnte beispielsweise auch prismatisch sein -, solange nur die Blendenöffnung 21 entsprechend angepasst ist. Auf seiner der Blendenöffnung 21 zugewandten Vorderseite ist der Blendenkörper 3 mit einer lurch zwei ebene Flächen 31 und 32 begrenzten keilför- migen Ausnehmung 33 versehen, in die ein ebenfalls keilför- miges Umlenkorgan 34 eingesetzt ist.
Die Keilschneide 35 lieses Umlenkorgans 34 ist senkrecht zur durch die Schnittline 36 der beiden Flächen 31 und 32 definierten Keilschneide der Ausnehmung 33 gerichtet. Das Umlenkorgan 34 dient, wie sein Name schon sagt, zum Umlenken der lurch die Blendenöffnung 21 und die Ausnehmung 33 strö- menden Mediums und verhindert dadurch unerwttnschte Ablagerungen im Bereich der Keilschneide 36, die sich bilden kdnnten, wenn es nicht vorhanden ware. Ausserdem ergibt es bessere Strömungsverhältnisse in der Blende.
Es ist leicht einzusehen, dass der Blendenkörper 3 zusammen mit dem feststehenden Blendenelement 2 einen variablen Durchflussquerschnitt fir das strömende Medium definiert bzw. freigibt, welcher von seinerjeweiligen Relativstellung zum Blendenelement abhängt. Der Durchflussquerschnitt ist am griissten und übereinstimmend mit der Fläche der Blendenöffnung 21, wenn der Blendenkörper 3 vollständig aus der Blendenöffung 21 entfernt ist (in Figs. 1 und 2 rechts). Umgekehrt ist der Durchflussquerschnitt minimal bzw. null, wenn der Blendenkörper 3 wenigstens so weit (in Fig. 1 nach links) in das Blendenelement 2 eingeführt ist, dass die Blendenöffnung 21 hinter der Keilschneide 36 zu liegen kommt.
Die Figuren 4 und 5 zeigen eine mittlere Stellung. Der Zusammenhang f(z) zwischen Durchflussquerschnitt und Relativstellung des Blendenkörpers ist quadratisch.
Die Stelleinrichtung 6 zur Verschiebung des Blendenkör- pers 3 kann beliebig ausgebildet sein. Beispielsweise ist ein pneumatischer Antrieb oder ein elektrischer Schritt- oder Synchronmotor mit Spindeltrieb geeignet. Der Hub, also die Relativstellung z des Blendenkörpers 3 kann tiber ein zusätz- liches Messgerät in der Stelleinrichtung 6 gemessen und tiber eine Rückmeldeleitung 61 an den Prozessrechner 10 gemeldet werden (Fig. 2). Falls der Zusammenhang zwischen dem Steuersignal z* des Reglers 5 und der tatsächlichen Relativstellung z des Blendenkörpers 3 hinreichend genau angegeben werden kann, kann das Steuersignal z* selbst als Mass fir die Relativstellung verwendet werden (Fig. 1).
Der physikalische Vorgang beim Durchströmen der variablen Messblende kann als nicht-isotherme Entspannung (isenthalper oder adiabatischer Drosseleffekt, siehe z.B.
Chemical Engineering, Volume 1, J.M. Coulson and J.F. Richardson, Pergamon Press, Oxford 1977) beschrieben werden. Für inkompressible Medien und für Ao:A1 1 gilt für die gewichtsbezogene Durchflussrate qm folgende Beziehung:
EMI2.1
Dabei sind Ad der Durchflussquerschnitt der Messblende, A1 der freie Querschnitt des Leitungsabschnitts, Ao:A1 das sogenannte Offnungsverhältnis, CD ein vvom Offnungsverhältnis und der Reynolds-Zahl abhängiger Koeffizient und # die Dichte des Messmediums vor der Messblende.
Für kompressible Medien gilt, sofern die bekannte Beziehung p.Vx = konst. gültig ist, die Beziehung:
EMI2.2
bzw. füri ideale Gase:
EMI2.3
Darin sind p2 und pl die Mediendrticke nach bzw. vor der Messblende, und T1 die Temperatur des Messmediums, M sein mittleres Molengewicht, R die allgemeine Gaskonstante, und x der sog. Isentropenexponent des Mediums. Fir stark nicht-ideale Gase und für Dämpfe muss die Dichte Qi des Mediums aus einer i,s-Tafel entnommen werden.
Der Koeffizient CD ist für grosse Reynolds-Zahlen (im freien Blendenquerschnitt) Red bis 105 und kleine Öff- nungsverhältnisse Ao:A1 1 praktisch konstant (#0,61). Das Produkt Ao- CD kann daher unter diesen - praxisnahen Strömungsbedingungen als Eichfaktor betrachtet werden und wird im folgenden mit k bezeichnet.
Der Durchfluss qm ist also für grosse Reynoldszahlen proportional zum Eichfaktor k und somit auch zum Durchflussquerschnitt Ao. Wird nun durch entsprechende Steuerung des Durchflussquerschnitts der Druckabfall Ap konstant gehalten, so kann (bei konstantem Druck pl und konstanter Temperatur T1 und damit konstanter Dichte #1 des Mediums) der Durchflussquerschnitt Ao und damit der Eichfaktor k als direktes Mass fir den Durchfluss qm betrachtet werden (Variante gemiss Fig. 1).
Anderseits kann aber auch fiirjede beliebige Blendenöff- nung mit Beziehung (1) bzw. (2) oder (3) der effektive Durchfluss qrn berechnet werden. Es ist dabei aber zu beachten, dass die dazu notwendige Druckdifferenzmessung vor allem bei sehr kleinen Werten mit grossen Fehlern behaftet sein kann.
Aus diesem Grunde wird (siehe Ausführungsvariante nach Fig. 2) die Druckdifferenz durch entsprechende Verstellung der Messblende in einem geeignet gewählten, engen Bereich Apmax-Apmin. konstant gehalten, sodass der Messfehler weitestgehend reduziert wird.
In jedem Fall istjedoch der Durchfluss qm direkt dem Durchflussquerschnitt Ao proportional und damit unmittelbar von der Stellung z des Blendenkarpers 3 relativ zum Blendenelement 2 abhängig. Die Relativstellung z des Blen denkörpers 3 kann daher als Messgrösse fir den Durchfluss qm verwendet werden.
Die Kennlinie der Messvorrichtung, also der Zusammenhang zwischen Durchfluss qm und Messgrösse z, ergibt sich unmittelbar aus der Kennlinie der variablen Messblende selbst, also aus dem Zusammenhang zwischen dem Durchflussquerschnitt Ao und der Relativstellung z des Blendenkör- pers 3. Durch geeignete Formgebung von Blendenkörper 3 und Blendenöffnung 21 kann z.B. eine exponentielle Abhän- gigkeit der Form Ao(z) = a ehz mit a und b als Konstanten erreicht werden. Mit einer solchen Kennlinie würde sich eine konstante Messgenauigkeit (gleichbleibender relativer Messfehler) tiber den gesamten möglichen Messbereich ergeben.
Für kleinere Messbereiche oder bei beschränkten Genauigkeitsanforderungen kann eine quadratische Kennlinie etwa der Form Ao (z) = bz2 mit b als Konstanter verwendet werden. Eine solche quadratische Kennlinie ist z.B.
durch den in den Figuren 3-5 dargestellten Blendenkörper realisiert und hat den Vorteil, dass zu ihrer Realisierung verhältnismässig einfache Blendenkörperformen benutzt werden können. Die relative Messgenauigkeit bei einer quadratischen Kennlinie ist umgekehrt proportional der Wurzel aus dem Durchfluss, die Anderung iiber den gesamten Messbereich also immer noch bedeutend geringer als bei einer linearen Kennlinie der bekannten Durchflussmessgeräte.
Die erfindungsgemässe Durchflussmessvorrichtung kann prinzipiell nach zwei verschiedenen Betriebsarten eingesetzt werden. Es sind dies - Betrieb mit Differenzdruckregelung (Variante gemäss Fig. 1) und - Betrieb mit schrittweiser Anpassung der Blendenöffnung (Variante gemäss Fig. 2).
(Selbstverständlich kann die komplexere und vollständi- Ausführungsform nach Fig.2 auch gemäss Variante nach Fig. 1 betrieben werden.)
In beiden Betriebsarten müssen für die Durchflussmessung folgende Grössen bekannt sein, d.h. als Parameter angegeben bzw. voreingestellt oder programmiert werden: - Kennlinie des Eichfaktors k = Ao- CD der Durchflussmessvorrichtung als Funktion f(z) der Relativstellung z des Blendenkörpers - Dichte # 1 des zu messenden Mediums (respektive Molengewicht M bei idealen Gasen) - Isoentropenexponent X (bei Gasen).
Beim Betrieb mit Differenzdruckregelung kann, wie schon erwähnt, der Eichfaktor k bei konstanter Druckdifferenz Ap als direktes Mass für den Durchfluss betrachtet werden.
Diese Betriebsart eignet sich vor allem fir inkompressible Medien, wo der Durchfluss nach Beziehung (1) berechnet werden kann. Da diese Beziehung aber eine gute Näherung der Beziehungen (2) bzw. (3) darstellt, können auch Gase und Dämpfe mit fur viele Falle ausreichender Genauigkeit mit dieser Betriebsart gemessen werden. In jedem Falle sollte aber der relative Druckabfall #p:p tuber der Messblende klein ( 0,5) sein. Die praktische Realisierung dieser Betriebsart ist relativ einfach und beispielsweise in Fig. 1 dargestellt.
Beim Betrieb mit schrittweiser Anpassung der Blendenöff- nung konnen die Durchflusse auch von Gasen und Dampen mit grösster Genauigkeit gemessen werden. Bei dieser Betriebsweise werden Druck pi, Temperatur T1, Differenzdruck Ap und Blendenstellung z laufend (periodisch) gemessen und daraus gemass der Beziehung (1), (2) oder (3) der momentane Durchfluss qm(t) periodisch berechnet.
Ein Messzyklus kann etwa wie folgt aufgebaut sein: - Messwerterfassung pl, Ap, T1, z - Berechnungvonp2ausplundAp - Berechnung von k aus z nach Kennlinie k(z) = f(z) - Berechnung von qm(t) gemäss einer der Beziehungen (1)-(3) - Überprüfung, ob Differenzdruck innerhalb des gewtinschten Bereichs Apmox-Apmin liegt, ansonsten schrittweise Anpassung der Blendenkörperstellung via Stelleneinrichtung so, dass Ap in den gewünschten Bereich fällt.
- Neue Messwerterfassung, u.s.f.
Wenn sich die Messgrössen pl und T1 zeitlich nicht ändern, können sie auch als Konstantwerte in die Vorrichtung bzw.
das Programm des Prozessrechners eingegeben werden, wodurch sich eine gewisse Vereinfachung erzielen list.
Die Betriebsart mit schrittweiser Anpassung des Durchflussquerschnitts eignet sich vor allem für genaue Messungen, bei denen auch die Temperatur und der Absolutdruck des Messmediums zu beriicksichtigen sind. Daneben kann die Betriebsart auch in Fallen eingesetzt werden, in denen schnelle dynamische Durchflussanderungen zu erwarten sind. Im Gegensatz zum Betrieb mit Druckdifferenzregelung kdnnen hier keine Regelschwankungen auftreten, die die Genauigkeit und Dynamik der Messungen negativ beeinflussen. Ausserdem wird der aktuelle Durchfluss qm(t) auch dann mit grosser Genauigkeit bestimmt, wenn die Druckdifferenz Ap ausserhalb der gegebenen Limiten (z.B. bei extrem kleinen Durchfliissen) ist.
Der Eichfaktor k der Durchflussmessvorrichtung in Funktion der Blendenstellung z kann im Prinzip mit CD 0,61 näherungsweise berechnet werden. Ftir genauere Messungen empfiehlt sich jedoch eine Eichung. Eine solche kann z.B. für inkompressible Medien mit Wasser und für Gase oder Dämpfe mit Luft oder Stickstoff durchgefiihrt werden, wobei natiirlich diejenige Beziehung (1), (2) oder (3) verwendet wird, die dann auch im Messbetrieb eingesetzt wird. Die Grössen T1, p1, #p, qm sollten unter Verwendung spezieller Eichinstrumente mit entsprechender Genauigkeit gemessen werden.
Bei der Blendeneichung ist darauf zu achten, dass diese Eichmessungen möglichst im gleichen Reynolds Zahlen-Bereich durchgeführt werden wie bei der späteren eigentlichen Durchflussmessung.