CH684657A5 - Verfahren und Einrichtung zur Erfassung des Durchflusses in einem Leitungsrohr. - Google Patents
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Description
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Beschreibung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren sowie eine Einrichtung zur Erfassung des Durchflusses in einem Leitungsrohr gemäss den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 6.
Solche Verfahren werden vorteilhaft zur Erfassung des Durchflusses eines flüssigen oder gasförmigen Strömungsmediums angewendet, wobei der erfasste Durchfluss beispielsweise der Energieverrechnung dienen kann.
Ein Verfahren zur Ermittlung des Durchflusses eines durch eine Drosselstelle strömenden Mediums ist aus DIN 1952 (Durchflussmessung mit Blenden, Düsen und Venturirohren in voll durchströmten Rohren mit Kreisquerschnitt, Deutsches Institut für Normung, Juli 1982) bekannt. Im Verfahren werden die Temperatur des Mediums und die Differenz der statischen Drücke über der Drosselstelle gemessen und danach der Durchfluss mittels einer Standardformel berechnet.
Die Standardformel zur Berechnung des Volumendurchflusses q lautet demnach in einer ersten Gleichung (G1):
q = a • E • (d2Jt/4) • (2 • 8p/r)i'2 (Q1 )
wobei a die Durchflusszahl,
E die Expansionszahl,
d der Durchmesser der Öffnung der Drosselstelle,
8p die Druckdifferenz über der Drosselstelle und r die temperaturabhängige Dichte des Mediums ist.
Mit kleiner werdender Druckdifferenz wird die Standardformel zunehmend ungenauer; die Einflüsse der Reynoldszahl und der Temperatur des Mediums werden relativ gross.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Erfassung des Durchflusses anzugeben, das auch bei kleinen Volumenströmen genau ist, und eine Einrichtung zur genauen Erfassung des Durchflusses zu schaffen, die mit wenig Aufwand abgleichbar ist.
Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 6 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau einer Einrichtung zur Erfassung des Durchflusses und
Fig. 2 ein Datenflussdiagramm zum Abgleich der Einrichtung.
In der Fig. 1 bedeutet 1 ein von einem flüssigen oder gasförmigen Strömungsmedium durchflosse-nes Leitungsrohr, welches eine Drosselstelle 2 aufweist. Eine Einrichtung zur Erfassung des Durchflusses q im Leitungsrohr 1 weist eine über der Drosselstelle 2 angeordnete Druckdifferenz-Messein-richtung 3, eine Temperatur-Messeinrichtung 4 sowie eine gestrichelt dargestellte Recheneinheit 5 auf.
Mit der Temperatur-Messeinrichtung 4 ist die Temperatur T des Strömungsmediums messbar, während durch die Druckdifferenz-Messeinrichtung 3 die in DIN 1952 als Wirkdruck bezeichnete Druckdifferenz 5p im Strömungsmedium über der Drosselstelle 2 erfassbar ist.
Der prinzipielle Aufbau der Recheneinheit 5 ist anhand eines Datenflussdiagrammes dargestellt. In der gewählten, aus der Literatur bekannten Darstellungsart (D. J. Hatley, I. A. Pirbhai: Stratégies for Real-Time System Spécification, Dorset House, NY 1988) bedeutet ein Kreis eine Aktivität (activity), ein Rechteck ein angrenzendes System (terminator) und ein Pfeil einen Kommunikationskanal (Channel) zur Übertragung von Daten und/oder Ereignissen, wobei die Pfeilspitze in die wesentliche Datenflussrich-tung zeigt. Ein Datenspeicher (pool), der allgemein mehreren Aktivitäten zur Verfügung steht, ist durch zwei gleich lange, parallele Linien dargestellt. Im weiteren ist beispielsweise eine Anordnung aus zwei durch einen Kommunikationskanal verbundene Aktivitäten mit einer einzigen Aktivität, welche alle Aufgaben der beiden Aktivitäten erfüllt, äquivalent.
Aktivitäten sind als elektronische Schaltung und/oder als Prozess, Programmstück oder Routine verwirklicht.
Die Recheneinheit 5 weist einen ersten Eingang 6 für einen ersten, der Temperatur T zugeordneten Kommunikationskanal 7, einen zweiten Eingang 8 für einen zweiten, der Druckdifferenz 8p zugeordneten Kommunikationskanal 9 und einen Ausgang 10 für einen dritten, dem Durchfluss q zugeordneten Kommunikationskanal 11 auf. Im weiteren verfügt die Recheneinheit 5 über eine erste Aktivität 12, eine zweite Aktivität 13 und einen mit der zweiten Aktivität 13 verbundenen Datenspeicher 14. Die erste Aktivität 12 ist mit der zweiten Aktivität 13 über einen vierten, der Dichte r des Strömungsmediums zugeordneten Kommunikationskanal 15 verbunden.
Der erste Kommunikationskanal 7 verbindet die Temperatur-Messeinrichtung 4 mit der ersten Aktivität 12 und auch mit der zweiten Aktivität 13, während der zweite Kommunikationskanal 9 von der Druckdif2
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ferenz-Messeinrichtung 3 zur zweiten Aktivität 13 führt. Über den dritten Kommunikationskanal 11 ist eine Anwendungseinheit 16 mit der zweiten Aktivität 13 verbunden.
Die Einrichtung zur Erfassung des Durchflusses im Leitungsrohr 1 ist in der Fig. 2 zur Durchführung eines Abgleichverfahrens mit einer gestrichelt dargestellten Abgleicheinrichtung 17 verbunden, welche eine dritte Aktivität 18 aufweist. Das Leitungsrohr 1 ist derart durch einen Referenz-Durchflussmesser 19 geführt, dass der Durchfluss des Strömungsmediums im Leitungsrohr 1 als ein Referenz-Durchfluss qR vom Referenz-Durchflussmesser 19 hochgenau erfassbar ist.
Der Referenz-Durchflussmesser 19 ist beispielsweise ein bekannter magnetisch-induktiver Durchflussmesser.
Über den dritten Kommunikationskanal 11 ist der Durchfluss q von der zweiten Aktivität 13 zur dritten Aktivität 18 übertragbar. Im weiteren sind die Temperatur-Messeinrichtung 4 über den ersten Kommunikationskanal 7, die Druckdifferenz-Messeinrichtung 3 über den Kommunikationskanal 9 und der Refe-renz-Durchflussmesser 19 über einen fünften, dem Referenz-Durchfluss qR zugeordneten Kommunikationskanal 20 mit der dritten Aktivität 18 verbunden.
Im weiteren ist die dritte Aktivität 18 mit Vorteil über einen sechsten Kommunikationskanal 21 mit dem Datenspeicher 14 verbunden.
Bei Bedarf ist zwischen der Recheneinheit 5 und der Abgleicheinrichtung 17 physikalisch nur ein einziger bidirektionaler Kanal verwirklicht, über den alle zwischen der Recheneinheit 5 und der Abgleicheinrichtung 17 auszutauschenden Daten leitbar sind.
Die Fig. 1 zeigt den Datenfluss der Einrichtung in einer Betriebsphase, in welcher die Recheneinheit 5 aus der von der Temperatur-Messeinrichtung 4 gemessenen Temperatur T und der von der Druckdifferenz-Messeinrichtung 3 gemessenen Druckdifferenz Sp den für die Anwendungseinheit 16 benutzbaren Durchfluss q des beispielsweise in der Richtung eines Pfeiles 22 durch die Drosselstelle 2 fliessenden Strömungsmediums berechnet.
Die zweite Aktivität 13 berechnet den Durchfluss q vorteilhaft nach einer neuen Formel unter Verwendung der Temperatur T, der von der ersten Aktivität 12 berechneten Dichte r des Strömungsmediums, der Druckdifferenz 8p sowie mindestens einer Berichtigungskonstante, einem Abgleichwert K und einer Abgleichtemperatur Ta-
In einer ersten vorteilhaften Variante der Recheneinheit 5 sind die Berichtigungskonstante/Berichtigungskonstanten, der Abgleichwert K und die Abgleichtemperatur Ta im Datenspeicher 14 abgespeichert und für die zweite Aktivität 13 verfügbar.
In einer zweiten vorteilhaften Variante der Recheneinheit 5 sind nur die Berichtigungskonstante/Berichtigungskonstanten sowie der Abgleichwert K im Datenspeicher 14 abgespeichert, während die Abgleichtemperatur Ta als ein vorbestimmter Wert der zweiten Aktivität 13 verwirklicht ist.
Mit einer einzigen Konstante Z hat die in der ersten Gleichung (G1) genannte Standardformel den Aufbau gemäss einer zweiten Gleichung (G2):
q = Z ■ (8p/r)1/2 (G2)
Die einzige Konstante Z der zweiten Gleichung (G2) wird vorteilhaft durch das aus dem Abgleichwert K und einer ersten Berichtigungskonstante Di gebildete Produkt ersetzt, womit sich für die Standardformel der Aufbau nach einer dritten Gleichung (G3) ergibt:
q = K • Di - (Sp/r)i/2 (G3)
Die neue Formel, mit welcher der berichtigte Durchfluss qb berechenbar ist, wird mit Vorteil aus der dritten Gleichung (G3) entwickelt, indem die dritte Gleichung (G3) mit einem ersten Term 01 und einem zweiten Term 02 zu einer vierten Gleichung (G4) ergänzt wird:
qb = K • Di • (5p/r)1/2 + 61+02 (G4)
Mit einer zweiten Berichtigungskonstante D2 wird der erste Term ©i vorteilhaft nach einer fünften Gleichung (G5) definiert:
01 = K2 • Da • (Sp/r) (G5)
und der zweite Term 02 wird mit einer dritten Berichtigungskonstante D3 vorteilhaft nach einer sechsten Gleichung (G6) bestimmt:
02 = K • Di • D3 • (T-Ta) • (5p/r)1/2 (G6)
Durch Einsetzen der fünften Gleichung (G5) und auch der sechsten Gleichung (G6) in der vierten Gleichung (G4) ergibt sich in einer siebten Gleichung (G7) eine erste vorteilhafte Variante der neuen Formel mit welcher der Durchfluss qb als berichtigter Volumendurchfluss berechenbar ist:
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qb = K • Di • (8p/r)1/2 + K2 • D2 • (8p/r) + K • Di • D3 • (T-Ta) • (8p/r)i'2 (G7)
Es versteht sich von selbst, dass anstelle des Volumendurchflusses ebensogut der Massendurchfluss in der gezeigten Art berichtigt werden kann, wenn anstelle der ersten Gleichung (G1) die entsprechende Standardformel für den Massendurchfluss erweitert wird. Die Ausrichtung des Verfahrens auf den Volumendurchfluss ist daher als Beispiel zu verstehen.
Eine zweite vorteilhafte Variante der neuen Formel wird gebildet, indem in der vierten Gleichung (G4) der zweite Term 62 weggelassen wird. Die zweite Variante ist damit eine achte Gleichung (G8):
qb = K • Di • (8p/r)i/2 + K2 - D2 • (Sp/r) (G8)
Die beiden Varianten der neuen Formel sind derart vorteilhaft aufgebaut, dass sie den einzigen Abgleichwert K sowie die in einer Phase des Abgleichverfahrens mit wenig Aufwand bestimmbaren Berichtigungskonstanten Di, D2 bzw. D3 enthalten.
Im folgenden wird ein Korrekturverfahren beschrieben, durch welches der Abgleichwert K und die Berichtigungskonstanten Di, D2 und D3 bestimmbar sind.
Zugunsten der Übersichtlichkeit wird die siebte Gleichung (G7) als eine neunte Gleichung (G9) umgeschrieben:
qb = {1 + D3 • (T-Ta)} • K • Di • (5p/r)iß + K2 - D2 • (5p/r) (G9)
Werden in der neunten Gleichung (G9) der Wert der ersten Berichtigungskonstante Di gleich eins und die Werte der zweiten Berichtigungskonstante D2 sowie der dritten Berichtigungskonstante D3 gleich null gesetzt, wird ein fehlerhafter Durchfluss q* nach einer zehnten Gleichung (G10) berechenbar:
q* = K - (8p/r)i/2 (G10)
Aus der zehnten Gleichung (G10) wird eine elfte Gleichung abgeleitet, mit welcher der Abgleichwert K in einem Abgleichpunkt bei der Abgleichtemperatur Ta bestimmbar ist:
K = q0 • (ro/5po)1/2 (G11)
wobei die mit null indizierten Grössen im gewählten Abgleichpunkt q0 bei der Abgleichtemperatur Ta messbar bzw. berechenbar sind.
Eine auf den Referenz-Durchfluss qR - den wahren Durchfluss - bezogene Messabweichung e wird in einer zwölften Gleichung (G12) definiert:
e = (q*/qR) - 1 (G12)
Mit einer die Messabweichung e kompensierenden Berichtigungsfunktion b wird für den berichtigten Durchfluss qb eine dreizehnte Gleichung (G13) aufgestellt:
qb = (1-b) • q* (G13)
worauf für die Berichtigungsfunktion b aus den drei Gleichungen (G13), (G9) und (G10) eine vierzehnte Gleichung (G14) gebildet wird:
b = [1- {1 + D3 • (T-Ta)} • Di] - D2 • q* (G14)
Eine auf den Referenz-Durchfluss qR bezogene Gesamtmessabweichung f des berichtigten Durchflusses qb wird in einer fünfzehnten Gleichung (G15) definiert:
f=(qb/qR)-1 (G15)
Die beiden Gleichungen (G12) und (G13) werden in der Gleichung (G15) eingesetzt und durch Umformen wird eine sechzehnte Gleichung (G16) gebildet:
f = e- b- e- b (G16)
Mit der Voraussetzung, dass die Messabweichung e klein ist, wird der gemischte Term e • b weggelassen und für die Gesamtmessabweichung f eine siebzehnte Gleichung (G17) definiert:
f <= e - b (G17)
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Zur Bestimmung der drei Berichtigungskonstanten Di, D2 und D3 wird für die Gesamtmessabweichung f in der siebzehnten Gleichung (G17) null eingesetzt und daraus eine achtzehnte Gleichung (G18) gebildet:
e = b (G18)
Durch Einsetzen der vierzehnten Gleichung (G14) in der achtzehnten Gleichung (G18) wird eine neunzehnte Gleichung (G19) für die Messabweichung e gebildet:
e = [1 - {1 + D3 - (T-Ta)} ■ Di] - D2 • q* (G19)
Mit drei vorteilhaft definierten Bestimmungspunkten, von denen ein erster Bestimmungspunkt beispielsweise der maximal einsetzbare Referenz-Durchflusswert qR2 mit der auftretenden Messabweichung e2 und ein zweiter Bestimmungspunkt der minimal einsetzbare Referenz-Durchflusswert qm mit der auftretenden Messabweichung ei ist, werden die drei Berichtigungskonstanten Di, D2 und D3 bestimmt:
Mit Di = 1 und T = Ta und den zwei definierten Bestimmungspunkten wird aus der neunzehnten Gleichung (G19) eine zwanzigste Gleichung (G20) gebildet:
D2 = (ei-e2)/(qR2-qm) (G20)
Die zweite Berichtigungskonstante D2 ist vorteilhaft nach der zwanzigsten Gleichung (G20) bestimmbar.
Mit der zweiten Berichtigungskonstante D2 und T = Ta und einem Bestimmungspunkt, beispielsweise dem zweiten, wird aus der neunzehnten Gleichung (G19) eine einundzwanzigste Gleichung (G21) abgeleitet:
Di = 1 - 62 - D2 • qR2 (G21 )
Die erste Berichtigungskonstante Di ist vorteilhaft nach der einundzwanzigsten Gleichung (G21) bestimmbar.
Aus der neunzehnten Gleichung (G19) und mit Hilfe eines dritten Bestimmungspunktes, der bei einer Temperatur T ungleich der Abgleichtemperatur Ta und bei einem Referenz-Durchflusswert qRT und der dabei auftretenden Messabweichung ei festgelegt ist, wird schliesslich eine zweiundzwanzigste Gleichung (G22) definiert:
D3 = [1 - eT - D2 • qT - Di] / [Di • (T-Ta)] (G22)
Die dritte Berichtigungskonstante D3 ist vorteilhaft nach der zweiundzwanzigsten Gleichung (G22) bestimmbar.
Das Abgleichverfahren, nach welchem die Einrichtung zur Erfassung des Durchflusses im Leitungsrohr 1 (Fig. 2) vor der Betriebsphase abgleichbar ist, wird vorteilhaft wie folgt festgelegt:
In einem ersten Schritt wird nach der elften Gleichung (G11) der Abgleichwert K berechnet.
In einem zweiten Schritt wird der berechnete Abgleichwert K und bei Bedarf auch die Abgleichtemperatur Ta im Datenspeicher 14 abgespeichert.
In einem dritten Schritt, der zeitlich vor oder nach dem zweiten Schritt ausführbar ist, werden im Speicher 14 die erste Berichtigungskonstante Di auf den Wert eins, und die beiden Berichtigungskonstanten D2 und D3 je auf den Wert null gesetzt.
Nach den drei Schritten liefert die Recheneinheit den auf dem dritten Kommunikationskanal 11 bzw. am Ausgang 10 verfügbaren Wert des Durchflusses q - bedingt durch die gesetzten Werte der drei Berichtigungskonstanten Di D2 und D3 - gemäss der dritten Gleichung (G3), obwohl die zweite Aktivität den Durchfluss q nach der siebten Gleichung (G7) berechnet.
Nach den ersten drei Schritten werden in einem vierten Schritt für die drei definierten Bestimmungspunkte qRi, qR2 und qRT die sich für den Punkt qRi bzw. qR2 bzw. qRT ergebende Messabweichung ei bzw. e2 bzw. eT ermittelt.
Nach dem vierten Schritt werden in einem fünften Schritt in der nachfolgenden Reihenfolge
- die zweite Berichtigungskonstante D2 nach der zwanzigsten Gleichung (G20),
-die erste Berichtigungskonstante Di nach der einundzwanzigsten Gleichung (G21) und
- die dritte Berichtigungskonstante D3 nach der zweiundzwanzigsten Gleichung (G22) berechnet.
Die drei Berichtigungskonstanten Di, D2 und D3 werden nach ihrer Berechnung in einem sechsten Schritt im Datenspeicher 14 abgespeichert. Bei Bedarf sind der fünfte Schritt und der sechste Schritt mindestens teilweise zeitlich parallel (concurrent) durchführbar.
Das Abgleichverfahren ist vorteilhaft von der dritten Aktivität 18 selbsttätig ausführbar.
Nach dem sechsten Schritt liefert die Recheneinheit 5 den auf dem dritten Kommunikationskanal 11 bzw. am Ausgang 10 verfügbaren berichtigten Durchfluss qt>-
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Wird der berichtigte Durchfluss qb entsprechend der zweiten Variante der neuen Formel nach der achten Gleichung (G8) berechnet, wird das beschriebene Abgleichverfahren selbstverständlich entsprechend vereinfacht.
Innerhalb eines homogenen Produktionsloses der beschriebenen Einrichtung sind die Berichtigungskonstanten Di, Ü2 und D3 nur in geringem Mass von einer einzelnen Ausführung innerhalb des Produktionsloses abhängig. Mit Vorteil werden die Berichtigungskonstanten Di, D2 und D3 für das Produktionslos nur ein einziges Mal bestimmt. Der Abgleichwert K hingegen wird bei jeder Einrichtung individuell ermittelt.
Claims (5)
1. In einem Verfahren zur Erfassung des Durchflusses eines flüssigen oder gasförmigen Mediums in einem eine Drosselstelle (2) aufweisenden Leitungsrohr (1) werden die Temperatur T des Mediums und auch die Druckdifferenz 8p über der Drosselstelle (2) im Medium gemessen und aus der gemessenen Druckdifferenz 8p, der Dichte r des Mediums und der gemessenen Temperatur T der Durchfluss berechnet, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist
[a] dass eine mit einem Ausdruck Z in der Form q = Z • (8p/r)1/2 darstellbare Standardformel zur Berechnung des Durchflusses q mit mindestens einem eine Berichtigungskonstante Di, D2 oder D3 aufweisenden Term zu einer einen Abgleichwert K aufweisenden neuen Formel erweitert wird, mit der der Durchfluss q berechenbar ist,
[b] dass in einer ersten Abgleichphase der Abgleichwert K in einem Abgleichpunkt p0 bei einer Abgleichtemperatur Ta ermittelt wird,
[c] dass in einer zweiten Abgleichphase die Berichtigungskonstante/Berichtigungskonstanten Di bzw. D2 bzw. D3 ermittelt wird/werden und
[d] dass in einer auf die beiden Abgleichphasen folgenden Benutzungsphase der Durchfluss q nach der neuen Formel berechnet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die neue Formel drei Berichtigungskonstanten Di, D2 und D3 aufweist und wie folgt aufgebaut ist q = K • Di • (8p/r)1/2 + K2 - D2 - ( Sp/r) + K • Di • D3 • (T-Ta) • (<5p/r)1/2
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die neue Formel zwei Berichtigungskonstanten Di und D2 aufweist und wie folgt aufgebaut ist q = K • Di ■ (8p/r)1/2 + W ■ D2 • (öp/r)
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung des Abgleichwertes K bei der Abgleichtemperatur Ta und beim Durchfluss q0 die Druckdifferenz 8p0 über der Drosselstelle (2) gemessen wird und der Abgleichwert K nach der Formel K = qo • (ro/8p0)1/2, wobei r0 die Dichte des Mediums bei der Abgleichtemperatur Ta ist.
5. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einer Druckdifferenz-Messein-richtung (3) mit der die Druckdifferenz 8p im Medium über der Drosselstelle (2) messbar ist und mit einer Temperatur-Messeinrichtung (4) mit der die Temperatur des Mediums messbar ist, dadurch gekennzeichnet,
[a] dass die Einrichtung über eine einen Ausgang (10) aufweisende Recheneinheit (5) mit einem Datenspeicher (14) verfügt, wobei am Ausgang (10) der erfasste Durchfluss q berichtigt verfügbar ist, b] dass die Recheneinheit (5) mit der Temperatur-Messeinrichtung (4) und der Druckdifferenz-Mess-einrichtung (3) verbunden ist,
[c] dass der Datenspeicher (14) mindestens eine Berichtigungskonstante Di, D2 oder D3 aufweist,
[d] dass die Einrichtung in einer Abgleichphase durch einen einzigen in einem Abgleichpunkt p0 bei einer Abgleichtemperatur Ta bestimmbaren Abgleichwert K abgleichbar ist und
[e] dass der Abgleichwert K von einer Abgleicheinrichtung (17) aus im Datenspeicher (14) speicherbar ist.
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Priority Applications (2)
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Applications Claiming Priority (1)
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Family Applications (1)
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Families Citing this family (3)
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1993
- 1993-02-16 CH CH47093A patent/CH684657A5/de not_active IP Right Cessation
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PL | Patent ceased |