[0001] Die Erfindung betrifft eine Durchflussmesseinrichtung für ein strömendes Fluid in einer Rohrleitung, mit einem Messrohr mit einem zentralen Durchflusskanal sowie einem mit dem Messrohr verbundenen Durchflussmessgerät, wobei der Durchflusskanal am Eintrittsbereich einen Konfusor und am Austrittsbereich einen Diffusor aufweist.
[0002] Derartige Messeinrichtungen dienen dazu, mittels eines Durchflussmessgerätes Durchflussmengen in Rohrleitungen zu messen, welche von einem Fluid, insbesondere einer Flüssigkeit oder einem Gas, durchströmt werden. Aus EP-A2-0 708 313 ist eine derartige Durchflussmesseinrichtung bekannt, welche über Anschlussflanschen in eine Rohrleitung eingebaut werden kann. Ein Messrohr weist einen Durchflusskanal auf, welcher am Eintrittsbereich des Fluids einen Konfusor und am Austrittsbereich einen Diffusor aufweist. Als Durchflussmessgerät ist ein Ultraschall-Durchflussmessgerät vorgeschlagen, wobei zwei Ultraschallwandler vorgesehen sind. Diese sind in Fliessrichtung des Fluids voneinander beabstandet, und das Messrohr weist Reflektoren auf, um die Messsignale der Ultraschallwandler in die richtige Richtung umzulenken.
Messeinrichtungen dieser Art haben den Nachteil, dass Störeinflüsse in der Strömung des Fluids, z.B. durch unsymmetrische Strömung, zu ungenauen und falschen Messungen führen. Insbesondere bei geprüften Durchflussmessgeräten, z.B. bei Wärmezählern, sind deshalb Prüfverfahren vorgeschrieben, welche Störungen in der Strömung des Fluids erzeugen und die Messgenauigkeit definieren. Diese Prüfverfahren sind in nationalen und internationalen Normen festgelegt. Für Wärmezähler findet beispielsweise die europäische Norm EN 1434 Anwendung. Bei der genannten vorbekannten Lösung wird deshalb vorgeschlagen, im Bereiche des Konfusors und über eine daran anschliessende Strecke im Durchflusskanal ein Drallblech einzubauen, welches nicht symmetrische Strömungen, z.B. Drall in der Strömung, beseitigen soll.
Die Wirkung derartiger Drallbleche ist jedoch ungenügend, und sie erhöhen den Strömungswiderstand und sind aufwendig im Einbau in die Messeinrichtung. Für unterschiedliche Nenndurchmesser der Rohrleitung müssen unterschiedliche Drallbleche eingesetzt werden und deren Form und Gestaltung muss durch aufwendige Versuche ermittelt werden. Im Stand der Technik sind eine Vielzahl von Lösungen bekannt, welche Einbauten in die Rohrleitung oder das Messrohr beschreiben, um Störeinflüsse in der Strömung des Fluids zu beheben oder die Strömung gleichzurichten. Diese Einrichtungen sind alle technisch aufwendig und haben einen hohen Herstellungsaufwand zur Folge, und sie erhöhen den Strömungswiderstand. Trotzdem ist die Reduktion der Störeinflüsse und damit der Messfehler in vielen Fällen nicht befriedigend.
Je nach Art der Einbauten zur Strömungsberuhigung muss die Anordnung der Messeinrichtung am Messrohr durch Versuche ermittelt werden, und sie verändert sich auch noch bei unterschiedlichen Nenndurchmessern der Rohrleitung.
[0003] Es ist auch bekannt, an Stelle eines Ultraschall-Messgerätes eine Durchflussmessung nach dem Prinzip der magnetischen Induktion zu verwenden. Derartige Geräte werden als MID-Messgeräte bezeichnet, und eine entsprechende Messeinrichtung ist beispielsweise aus US-A-4 290 312 bekannt. Auch bei Verwendung derartiger MID-Messeinrichtungen werden in die Rohrleitung und/oder das Messrohr zusätzliche mechanische Einrichtungen eingebaut, um die Strömung des Fluids gleichzurichten und Störeinflüsse zu reduzieren. Dabei treten die gleichen Nachteile auf wie bereits oben beschrieben.
[0004] Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Durchflussmesseinrichtung der beschriebenen Art zu schaffen, bei welcher keine zusätzlichen Einbauten in der Rohrleitung und/oder dem Durchflusskanal notwendig sind und welche eine einfache Konstruktion aufweist, bei welcher die Störeinflüsse in der Strömung des Fluids auf ein zulässiges Mass reduziert werden, bei welcher das Durchflussmessgerät am Messrohr eine Position aufweist, in welcher die Störeinflüsse in der Strömung des Fluids minimal sind und keine störenden Messfehler verursachen, und die Messfehler sollen so gering sein, dass die Normvorschriften z.B. gemäss der europäischen Norm EN 1434 mindestens erfüllt sind.
[0005] Diese Aufgabe wird in Verbindung mit dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 definierten Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich nach den Merkmalen der abhängigen Patentansprüche.
[0006] Die erfindungsgemässe Durchflussmesseinrichtung macht von der Erkenntnis Gebrauch, dass die Störeinflüsse in der Strömung, insbesondere verursacht durch unsymmetrische Strömung, reduziert und damit die Messfehler auf eine zulässige Grenze vermindert werden können, und zwar wenn der Konfusor am Eintrittsbereich des Durchflusskanals erfindungsgemäss dimensioniert und gestaltet wird und gleichzeitig die Position des Messgerätes bzw. der Messsignale am Messrohr nach einer erfindungsgemässen Funktion in Abhängigkeit von den Abmessungen des Konfusors gewählt wird. Dazu sind keine zusätzlichen und aufwendigen mechanischen Einbauten im Messrohr und/oder in der Rohrleitung notwendig.
Dieser Vorteil wird dadurch erreicht, dass der grösste Durchmesser des Konfusors dem Nenndurchmesser der Rohrleitung entspricht und der kleinste, bzw. reduzierte Durchmesser des Konfusors ein Mass zwischen 40% und 80% des Nenndurchmessers der Rohrleitung aufweist. Die Messsignale des Messgerätes treten in einem ersten Übergangsbereich in das Fluid ein und/oder aus, welcher einen vorbestimmten Abstand zu einer Ebene aufweist, welche eine Normalebene zur Fliessrichtung des Fluids ist und in welcher der kleinste Durchmesser des Konfusors liegt. Es wurde überraschenderweise festgestellt, dass dieser Abstand in einem Bereich liegt, welcher etwa 30% bis 200% des grössten Durchmessers des Konfusors beträgt, wobei dieser Durchmesser dem Nenndurchmesser der Rohrleitung entspricht.
Die genaue Position innerhalb dieses Bereiches ist, insbesondere bei Ultraschall-Messeinrichtungen, in an sich bekannter Weise von verschiedenen Faktoren abhängig, wie dem Material des Messrohres, der Art des Fluids, der Oberflächenbeschaffenheit des Messrohres, etc. Damit ist die Position, in welcher die Messsignale des Messgerätes in das Fluid ein- und/oder austreten sowohl bei der Verwendung von Ultraschallmessgeräten wie auch von MID-Messgeräten bestimmt.
[0007] Eine vorteilhafte Ausbildung des Erfindungsgegenstandes sieht vor, dass der Konfusor einen Kegelstumpfmantel bildet und der Scheitelwinkel des zugehörigen Kegels mindestens 10[deg.] und maximal 100[deg.] beträgt. Veränderungen des Scheitelwinkels des Kegels innerhalb dieses Bereiches haben praktisch keinen Einfluss auf die Veränderung der relativen Abweichung im Messfehler im Bereiche des nachfolgenden Messgerätes. Als besonders vorteilhaft erweist sich ein Scheitelwinkel des Kegels von etwa 14[deg.], da in diesem Bereich der Druckverlust im Wesentlichen kompensiert wird. Bevorzugt ist eine Ausgestaltung des Konfusors, bei welcher der kleinste Durchmesser des Konfusors etwa 65-67% des grössten Durchmessers des Konfusors beträgt.
Bei der Wahl dieser Durchmesserverhältnisse am Konfusor ergibt sich eine optimale Reduktion der Störeinflüsse in der Strömung des Fluids, wobei insbesondere asymmetrische Strömungen so beeinflusst werden, dass sie im Bereiche des Messgerätes keine unzulässigen Abweichungen im Messfehler zur Folge haben. Nach dem Durchlaufen des Bereiches mit dem Messgerät nehmen die Störeinflüsse in der Strömung des Fluids wieder zu. Bei der Kombination dieses Durchmesserverhältnisses am Konfusor mit einem Scheitelwinkel des Kegels von etwa 14[deg.] ergibt sich eine besonders vorteilhafte Lösung mit einer optimalen Reduktion der Störeinflüsse und damit der Messfehler im Bereiche des Messgerätes. Diese Anordnung ergibt einen langgestreckten Konfusor.
Wenn kürzere Baumasse des Konfusors gewünscht werden, kann ein grösserer Scheitelwinkel des Kegels gewählt werden, z.B. 35[deg.] oder ein anderer Wert bis gegen 100[deg.]. In gleicher Weise kann der Scheitelwinkel am Diffusor angepasst werden. Dabei entstehen Veränderungen der Druckverluste im strömenden Fluid. Diese Druckverluste können in an sich bekannter Weise minimiert werden, indem die bekannten Gestaltungsprinzipien für Venturirohre zur Anwendung gelangen. Grundsätzlich sollte der Diffusorwinkel so klein als möglich gewählt werden, auch wenn ein grosser Scheitelwinkel am Konfusor gewählt wird.
[0008] Dabei wird der Druckverlust, welcher durch die Verengung entsteht, durch geeignete Auswahl der Scheitelwinkel am Konfusor und insbesondere am Diffusor in wesentlichem Ausmass kompensiert. Diese Technologie ist beispielsweise aus dem Fachbuch "Flow Measurement Engineering Handbook", R.W. Miller, 1983, McGraw-Hill Company (ISBN 0-07-042045-9) bekannt.
[0009] Gemäss einer besonderen Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes ist das Messgerät ein Ultraschallmessgerät mit zwei Ultraschallwandlern. Der erste Ultraschallwandler ist dabei im Bereich des ersten Übergangsbereiches angeordnet, in welchem die Messsignale des Messgerätes in das Fluid ein- und/oder austreten. Der zweite Ultraschallwandler ist in Fliessrichtung des Fluids vom ersten Ultraschallwandler beabstandet und ist in einem zweiten Übergangsbereich angeordnet, in welchem die Messsignale dieses zweiten Ultraschallwandlers in das Fluid ein- und/oder austreten. Der Abstand zwischen den beiden Ultraschallwandlern ist dabei eine Funktion des Durchmessers des Messrohres, der Art des Fluids sowie anderer an sich bekannter Faktoren und kann in bekannter Weise ermittelt werden.
Es wird weiter vorgeschlagen, dass sowohl der erste wie auch der zweite Übergangsbereich der Messsignale der beiden Ultraschallwandler in das Fluid, in einem Abstand von etwa 30% bis 200% des grössten Durchmessers des Konfusors, von der Ebene mit dem kleinsten Durchmesser des Konfusors angeordnet sind. Wenn die beiden Ultraschallwandler des Ultraschall-Messgerätes in dieser Weise am Messrohr angeordnet werden, befinden sie sich in einem Bereich, in welchem die Störeinflüsse in der Strömung in der gewünschten Weise reduziert sind und deshalb auch die Messfehler soweit reduziert werden, dass beispielsweise bei Wärmezählern die europäische Norm EN 1434 erfüllt werden kann.
Dabei können die beiden Ultraschallwandler auf der gleichen Seite des Messrohres angeordnet sein und nach dem Reflexionsprinzip der Ultraschallstrahlen zusammenwirken, oder sie sind an gegenüberliegenden Seiten angeordnet und wirken nach dem Direktprinzip der Ultraschallstrahlen zusammen.
[0010] Eine weitere Ausbildung der Erfindung sieht vor, dass das Messgerät ein magnetisches Induktionsmessgerät (MID-Gerät) mit Magneten, welche ein Magnetfeld erzeugen, und Elektroden ist und die Magnete, bzw. das Magnetfeld und die Elektroden in einer Normalebene zur Fliessrichtung des Fluids angeordnet sind. Dabei ist diese Normalebene im Bereiche des ersten Übergangsbereiches der Messsignale in das Fluid angeordnet. Bei dieser Ausgestaltung werden die Messsignale in bekannterweise durch die induzierte Spannung erzeugt, welche zwischen zwei sich gegenüberliegenden Elektroden am Messrohr abgegriffen wird. Beim Einsatz eines derartigen MID-Gerätes wird nur in einer Messebene gemessen und es ist nur ein erster Übergangsbereich von Messsignalen, welche vom Fluid ein- und/oder austreten, vorhanden.
[0011] Eine weitere Ausbildung der Erfindung sieht vor, dass beim Einsatz eines MID-Messgerätes der erste Übergangsbereich, bzw. die Ebene mit den Magneten und dem Magnetfeld sowie den Elektroden, zur Ebene mit dem kleinsten Durchmesser des Konfusors einen Abstand von etwa 100% des grössten Durchmessers des Konfusors aufweist. Diese Anordnung führt bei dieser Art von Messgeräten zu einer optimalen Reduktion der Messfehler bei Durchflussstörungen. Sie stellt gleichzeitig auch sicher, dass das Messgerät in einem Bereich des Messrohres angeordnet ist, in welchem die Störeinflüsse in der Strömung des Fluids maximal reduziert sind.
[0012] Da die geometrische Ausgestaltung des Konfusors und auch die Anordnung der Messeinrichtung am Messrohr in Abhängigkeit vom Nenndurchmesser der Rohrleitung bestimmt sind, ergibt sich für jeden Nenndurchmesser einer Rohrleitung und die entsprechende Durchflussmesseinrichtung immer eine vorbestimmte Anordnung gemäss Erfindung. Dadurch wird auch bei der Durchflussmesseinrichtung für unterschiedliche Nenndurchmesser immer eine bestmögliche Reduktion der Störeinflüsse in der Strömung und eine minimale relative Abweichung im Messfehler bei Durchflussstörungen im Fluid gewährleistet.
Zusätzlich zum Vorteil, dass weder in der Rohrleitung noch im Messrohr zusätzliche mechanische Einbauten notwendig sind, führt dies zu erheblichen Vereinfachungen bei der Konstruktion und beim Bau derartiger Durchflussmesseinrichtungen und es wird auch die Genauigkeit und Sicherheit der Durchflussmessung erhöht.
[0013] Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
<tb>Fig. 1<sep>ein Ultraschall-Durchflussmessgerät mit einem erfindungsgemässen Messrohr mit Konfusor im Längsschnitt und in schematischer Darstellung, und
<tb>Fig. 2<sep>ein Magnetinduktions-Durchflussmessgerät mit einem Messrohr mit Konfusor in einem Längsschnitt.
[0014] Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemässe Durchflussmesseinrichtung mit einem Ultraschall-Durchflussmessgerät 1 in einem Längsschnitt und in schematischer Darstellung. Dabei ist die Durchflussmesseinrichtung über Verbindungsflansche 34 in eine Rohrleitung 3 eingebaut. Durch diese Rohrleitung 3 strömt ein Fluid, z.B. Wasser, in Richtung des Pfeiles 8. Die Durchflussmesseinrichtung weist ein Messrohr 4 mit einem Durchflusskanal 5 auf. Am Eintrittsbereich 6 des Durchflusskanals 5, bzw. des Messrohres 4, an welchem das Fluid in den Durchflusskanal 5 eintritt, ist ein Konfusor 9 ausgebildet. Dieser Konfusor 9 weist an der Eintrittsseite des Fluids einen grössten Durchmesser 11 auf, wobei dieser grösste Durchmesser 11 des Konfusors 9 dem Nenndurchmesser 13 der Rohrleitung 3 entspricht.
In Fliessrichtung 8 des Fluids konvertiert der Konfusor auf den kleinsten Durchmesser 12, welcher dem Durchmesser des Durchflusskanals 5 entspricht. Der Konfusor 9 bildet dabei einen Kegelstumpfmantel 18, welcher Teil eines gestrichelt dargestellten Kegelmantels mit einem Scheitelwinkel 19 ist. Dieser Scheitelwinkel 19 liegt zweckmässigerweise in einem Bereich zwischen 10[deg.] und 100[deg.], wobei im dargestellten Beispiel ein Scheitelwinkel 19 von 90[deg.] gewählt ist. Der kleinste Durchmesser 12 des Konfusors 9 weist dabei ein Mass 20 auf, welches zwischen 40% und 80% des Nenndurchmessers 13 der Rohrleitung 3, bzw. des grössten Durchmessers 11 des Konfusors 9 beträgt. Im dargestellten Beispiel beträgt die Abmessung 20 des kleinsten Durchmessers 12 des Konfusors 950% des grössten Durchmessers 11 des Konfusors 9. Mit diesen Angaben ist auch die Länge des Konfusors 9 bestimmt.
[0015] Am Aussenmantel des Messrohres 4 ist das Durchflussmessgerät 1 angeordnet. Im dargestellten Beispiel handelt es sich um ein Ultraschallmessgerät mit zwei Ultraschallwandlern 21, 22. Dabei sind diese beiden Ultraschallwandler 21, 22 in Fliessrichtung 8 des Fluids voneinander beabstandet, und sie arbeiten im Reflexionsmodus. Es ist aber auch möglich, die beiden Ultraschallwandler im Direktmodus zu betreiben, wobei dann der zweite Ultraschallwandler 22 an der Gegenseite des Messrohres 4 angeordnet wäre. Der erste Ultraschallwandler 21 ist in einem vorbestimmten Abstand 17 zu einer Ebene 16 mit dem kleinsten Durchmesser 12 des Konfusors 9 am Messrohr 4 angebracht.
Dieser Abstand 17 ist dabei durch einen ersten Übergangsbereich 15 bestimmt, welcher durch diejenige Stelle festgelegt ist, an welcher die Messsignale 14 des ersten Ultraschallwandlers 21 in das Fluid ein- und/oder austreten. Dieser erste Übergangsbereich 15 ist durch eine strichpunktierte Linie dargestellt. Der Abstand 17 dieses ersten Übergangbereiches 15 von der Ebene 16 mit dem kleinsten Durchmesser 12 des Konfusors 9 liegt dabei in einem Bereich, welcher etwa 30% bis 200% des grössten Durchmessers 11 des Konfusors 9 entspricht. Der grösste Abstand von 200% kann nur benutzt werden, wenn nur ein Ultraschallwandler vorhanden ist (Doppler-Verfahren).
Wenn wie im dargestellten Beispiel zwei voneinander beabstandete Ultraschallwandler 21, 22 vorhanden sind, werden beide Ultraschallwandler 21, 22 innerhalb des Bereiches von etwa 30% bis 200% des grössten Durchmessers 11 des Konfusors 9 angeordnet. Die Messsignale 23 des zweiten Ultraschallwandlers 22 treten dabei in einem zweiten Übergangsbereich 24 in das Fluid ein und/oder aus. Dieser zweite Übergangsbereich 24 ist ebenfalls durch eine strichpunktierte Linie dargestellt. Dabei ist dieser zweite Übergangsbereich 24, welcher die Position des zweiten Ultraschallwandlers 22 festlegt, mit einem Abstand 25 von der Ebene 16 mit dem kleinsten Durchmesser 12 des Konfusors 9 bestimmt. Dieser Abstand 25 beträgt maximal bis etwa 200% des grössten Durchmessers 11 des Konfusors 9.
Der Abstand 17 des ersten Übergangbereiches 15 des ersten Ultraschallwandlers 21 kann zum Beispiel mit 30% des grössten Durchmessers 11 des Konfusors 9, bzw. des Nenndurchmessers 13 der Rohrleitung 3 festgelegt werden. Der Abstand zwischen den beiden Ultraschallwandlern 21, 22 und damit der Abstand 25 des zweiten Übergangsbereiches 24 von der Ebene 16 ergibt sich dann in bekannter Weise aus den technischen Gegebenheiten des Ultraschallmessgerätes 1, insbesondere dem Ein- und/oder Austrittswinkel der Messsignalstrahlen 14, 23 gegenüber den Oberflächen des Messrohres 4. Im Weiteren aber auch aus den Faktoren wie Material des Messrohres 4, Beschaffenheit der Oberfläche des Durchflusskanals 5 und der Art des Fluids.
Die technischen Gegebenheiten des Ultraschallmessgerätes 1 werden dazu so festgelegt, dass die beiden Ultraschallwandler 21, 22 immer innerhalb der beiden vorgegebenen Grenzen der Abstände 17, bzw. 25 von etwa 30% bis 200% des grössten Durchmessers 11 des Konfusors 9 angeordnet sind.
[0016] Die erfindungsgemässe Ausgestaltung des Konfusors 9 reduziert allfällige Störeinflüsse in der Strömung, z.B. durch unsymmetrische Strömung, und die beiden Ultraschallwandler 21, 22 sind in einem Bereich des Messrohres 4 angeordnet, in welchem die Störeinflüsse so weit reduziert sind, dass keine unzulässigen Abweichungen der Messfehler auftreten. Die erfindungsgemässe Durchflussmesseinrichtung kann somit in einfacher Weise geeicht werden und erfüllt die Bedingungen der nationalen und internationalen Normen wie beispielsweise der europäischen Norm EN 1434.
Eine optimierte Reduktion der Störeinflüsse bei gleichzeitig minimalem Druckverlust in der Strömung ergibt sich, wenn für den Scheitelwinkel 19 des Kegelmantels 18 am Konfusor 9 ein Winkel von 14[deg.] gewählt wird und gleichzeitig der kleinste Durchmesser 12 des Konfusors 9 eine Abmessung 20 von 65% des grössten Durchmessers 11 des Konfusors 9 bzw. des Nenndurchmessers 13 der Rohrleitung 3 aufweist. Bei dieser Auswahl der geometrischen Abmessungen wird die Baulänge des Konfusors 9 nicht ungewöhnlich lang.
[0017] Am Austrittsbereich 7 des Fluids aus dem Messrohr 4 ist ein Diffusor 10 angeordnet, welcher im dargestellten Beispiel die gleichen Abmessungen aufweist wie der Konfusor 9. Durch die Verengung zwischen Rohrleitung 3 und Messrohr 4 treten bekanntlich Druckverluste auf, wobei diese Druckverluste in an sich bekannter Weise durch Veränderung der Scheitelwinkel am Konfusor 9 und insbesondere am Diffusor 10 wesentlich kompensiert werden können. Dazu werden Kenntnisse angewendet, wie sie dem Fachmann aus dem Anwendungsgebiet der Venturirohre bekannt sind (siehe "Flow Measurement Engineering Handbook", R.W. Miller, 1983, McGraw-Hill Company, ISBN 0-07-042045-9). Die Länge der Durchflussmesseinrichtung zwischen dem Eintrittsbereich 6 und dem Austrittsbereich 7 ist ebenfalls durch die entsprechenden Normen, beispielsweise die europäische Norm EN 1434, bestimmt.
So ist beispielsweise für einen Nenndurchmesser 13 von 50 mm und bei einer Flanschverbindung eine Gesamtlänge von 300 mm vorgegeben. Für andere Nenndurchmesser sind gemäss den Normen, beispielsweise der europäischen Norm, andere Längen bestimmt bzw. vorgeschrieben.
[0018] In Fig. 2 ist eine erfindungsgemässe Durchflussmesseinrichtung dargestellt, welche mit einem Magnetinduktions-Durchflussmessgerät 2 ausgestattet ist. Derartige Geräte werden abgekürzt als MID-Geräte bezeichnet. Das MID-Durchflussmessgerät 2 weist zwei sich gegenüberliegende Magnete 26 auf, welche je aus einer Spule 27 und einem Kern 28 bestehen. Bei den Magneten 26 handelt es sich um Elektromagnete, welche mit nicht dargestellten elektrischen Zuleitungen versehen sind. Die beiden Magnete 26 sind am Messrohr 4 angeordnet, wobei die gesamte Anordnung von einem Gehäuse 31 umgeben ist. Zwischen den beiden Magneten 26 wird ein Magnetfeld aufgebaut, welches rechtwinklig zur Fliessrichtung 8 des Fluids im Durchflusskanal 5 des Messrohres 4 steht.
Bekanntlich wird durch das Fluid, welches in Richtung des Pfeiles 8 durch das Magnetfeld strömt, eine Spannung induziert, welche mit Elektroden 29 abgegriffen und gemessen werden kann. Im dargestellten Beispiel sind zwei Elektroden 29 angeordnet, welche gegenüber den Magneten 26 um 90[deg.] versetzt sind, wobei die beiden Elektroden 29 ebenfalls gegenüberliegend im Messrohr 4 angeordnet sind. Sowohl die Magnete 26 wie auch die Elektroden 29 sind in einer Normalebene 30 zur Strömungsrichtung 8 des Fluids angeordnet. Dabei entspricht diese Normalebene 30 dem zu Fig. 1beschriebenen ersten Übergangsbereich 15, in welchem die Messsignale in das Fluid ein- und/oder austreten. Im vorliegenden Beispiel werden die Messsignale durch die induzierte Spannung erzeugt und über die Elektroden 29 abgeleitet.
[0019] Der Durchflusskanal 5 im Messrohr 4 weist am Eintrittsbereich 6 einen Konfusor 9 auf, welcher in gleicher Weise gestaltet ist, wie bereits zu Fig. 1beschrieben. Am Austrittsbereich 7 des Durchflusskanals 5 bzw. des Messrohres 4 ist auch hier ein Diffusor 10 ausgebildet. In diesem Beispiel beträgt der Scheitelwinkel am Diffusor 10 16[deg.]. Als Verbindungselemente 32, 33 zu der nicht dargestellten Rohrleitung 3 sind am Gehäuse 31 beidseitig Schraubstutzen ausgebildet. Diese Verbindungselemente, bzw. Schraubstutzen 32, 33 weisen eine Durchgangsbohrung auf, welche dem Nenndurchmesser 13 entspricht. Der grösste Durchmesser 11 des Konfusors 9 ist gleich gross wie der Nenndurchmesser 13.
Der kleinste Durchmesser 12 des Konfusors 9 weist auch bei diesem Ausführungsbeispiel eine Abmessung 20 auf, welche zwischen 40% und 80% des Nenndurchmessers 13 der Rohrleitung 3, bzw. des grössten Durchmessers 11 des Konfusors 9 beträgt. Im dargestellten Beispiel beträgt die Abmessung 20 des kleinsten Durchmessers 12 des Konfusors 9 67% des grössten Durchmessers 11 des Konfusors 9. Der Scheitelwinkel 19 des Kegelstumpfmantels 18 beträgt 30[deg.].
[0020] Wie im dargestellten Beispiel vorgesehen, ist normalerweise bei derartigen Durchflussmesseinrichtungen mit einem Magnetinduktions-Durchflussmessgerät 2 nur ein derartiges MID-Durchflussmessgerät 2 vorhanden. Die Normalebene 30, in welcher die Elektroden 29 liegen, weist zur Ebene 16, in welcher der kleinste Durchmesser 12 des Konfusors 9 liegt, einen Abstand 17 auf, welcher gemäss der Erfindung etwa 30% bis 200% des grössten Durchmessers 11 des Konfusors 9 bzw. des Nenndurchmessers 13 entspricht. Im dargestellten Beispiel beträgt der Abstand 17 100% des Nenndurchmessers 13 bzw. des grössten Durchmessers 11 des Konfusors 9.
Auch bei dieser Ausführungsform reduziert der Konfusor 9 allfällige Störeinflüsse in der Strömung, z.B. durch unsymmetrische Strömung, und die Elektroden 29 sind in einem Bereiche des Messrohres 4 angeordnet, in welchem die Störeinflüsse so weit reduziert sind, dass keine unzulässigen Abweichungen der Messfehler auftreten. Auch diese Ausführungsform erfüllt die Bedingungen der nationalen und internationalen Normen, z.B. der europäischen Norm EN 1434, und sie kann ebenfalls in einfacher Weise geeicht werden. Das dargestellte Ausführungsbeispiel ist für einen Nenndurchmesser 13 von 15 mm bestimmt.
The invention relates to a flow measuring device for a flowing fluid in a pipeline, comprising a measuring tube with a central flow channel and a flowmeter connected to the measuring tube, wherein the flow channel at the inlet region has a Confusor and at the outlet region a diffuser.
Such measuring devices are used to measure by means of a flow meter flow rates in pipelines, which are flowed through by a fluid, in particular a liquid or a gas. From EP-A2-0 708 313 such a flow measuring device is known, which can be installed via connecting flanges in a pipeline. A measuring tube has a flow channel, which has a confuser at the inlet region of the fluid and a diffuser at the outlet region. As a flowmeter, an ultrasonic flowmeter is proposed, wherein two ultrasonic transducers are provided. These are spaced apart in the direction of flow of the fluid, and the measuring tube has reflectors in order to deflect the measuring signals of the ultrasonic transducers in the correct direction.
Measuring devices of this type have the disadvantage that disturbances in the flow of the fluid, e.g. due to asymmetrical flow, lead to inaccurate and incorrect measurements. Especially with tested flowmeters, e.g. in heat meters, therefore, test methods are prescribed which generate disturbances in the flow of the fluid and define the measurement accuracy. These test methods are specified in national and international standards. For heat meters, for example, the European standard EN 1434 applies. In the aforementioned prior art solution, it is therefore proposed to install in the region of the confuser and over a subsequent distance in the flow channel a swirl plate, which is not symmetrical flows, e.g. Swirl in the flow, to eliminate.
However, the effect of such swirl plates is insufficient, and they increase the flow resistance and are expensive to install in the measuring device. For different nominal diameter of the pipeline different swirl plates must be used and their shape and design must be determined by extensive experiments. In the prior art, a variety of solutions are known which describe internals in the pipeline or the measuring tube in order to eliminate disturbances in the flow of the fluid or to rectify the flow. These devices are all technically complex and have a high production cost result, and they increase the flow resistance. Nevertheless, the reduction of the interference and thus the measurement error in many cases is not satisfactory.
Depending on the type of internals for flow calming the arrangement of the measuring device on the measuring tube must be determined by experiments, and it also changes at different nominal diameters of the pipeline.
It is also known to use a flow measurement according to the principle of magnetic induction instead of an ultrasonic measuring device. Such devices are referred to as MID measuring devices, and a corresponding measuring device is known for example from US-A-4 290 312. Even with the use of such MID measuring devices, additional mechanical devices are incorporated in the pipeline and / or the measuring tube in order to rectify the flow of the fluid and to reduce interference. The same disadvantages occur as already described above.
The invention is based on the object to provide a flow measuring device of the type described, in which no additional fittings in the pipeline and / or the flow channel are necessary and which has a simple construction, in which the disturbing influences in the flow of the fluid be reduced to a permissible level at which the flowmeter on the measuring tube has a position in which the disturbing influences in the flow of the fluid are minimal and cause no disturbing measurement errors, and the measurement errors should be so low that the standard regulations eg according to European standard EN 1434.
This object is achieved in conjunction with the preamble of claim 1 by the features defined in the characterizing part of claim 1. Advantageous developments of the invention will become apparent after the features of the dependent claims.
The inventive flow measuring device makes use of the knowledge that the disturbing influences in the flow, in particular caused by asymmetrical flow, reduced and thus the measurement errors can be reduced to an acceptable limit, and that if the confuser according to the invention dimensioned at the inlet region of the flow channel and is designed and at the same time the position of the measuring device or the measuring signals on the measuring tube is selected according to an inventive function of the dimensions of the confuser. For this purpose, no additional and expensive mechanical installations in the measuring tube and / or in the pipeline are necessary.
This advantage is achieved in that the largest diameter of the confuser corresponds to the nominal diameter of the pipeline and the smallest or reduced diameter of the confuser has a dimension between 40% and 80% of the nominal diameter of the pipeline. The measuring signals of the measuring device enter and / or leave the fluid in a first transition region, which has a predetermined distance from a plane which is a normal plane to the direction of flow of the fluid and in which the smallest diameter of the confuser lies. It has surprisingly been found that this distance is in a range which is about 30% to 200% of the largest diameter of the confuser, this diameter corresponding to the nominal diameter of the pipeline.
The exact position within this range, in particular in ultrasonic measuring devices, in a conventional manner depends on various factors, such as the material of the measuring tube, the type of fluid, the surface finish of the measuring tube, etc. Thus, the position in which the Measuring signals of the measuring device in the fluid entering and / or exit determined both when using ultrasonic measuring devices as well as MID measuring devices.
An advantageous embodiment of the subject invention provides that the Confusor forms a truncated cone mantle and the apex angle of the associated cone is at least 10 [deg.] And a maximum of 100 [deg.]. Changes in the vertex angle of the cone within this range have virtually no effect on the change in the relative deviation in the measurement error in the areas of the subsequent measuring device. Particularly advantageous is an apex angle of the cone of about 14 [deg.], Since in this area the pressure loss is substantially compensated. An embodiment of the confuser is preferred in which the smallest diameter of the confuser is approximately 65-67% of the largest diameter of the confuser.
The choice of these diameter ratios at the confuser results in an optimal reduction of the disturbing influences in the flow of the fluid, in particular asymmetrical flows being influenced in such a way that they do not result in unacceptable deviations in the measurement error in the area of the measuring device. After passing through the area with the measuring device, the disturbing influences in the flow of the fluid increase again. The combination of this diameter ratio at the confuser with a vertex angle of the cone of about 14 [deg.] Results in a particularly advantageous solution with an optimal reduction of the disturbing influences and thus the measuring error in the region of the measuring device. This arrangement results in an elongated confuser.
If shorter dimensions of the confuser are desired, a larger vertex angle of the cone may be chosen, e.g. 35 [deg.] Or another value up to about 100 deg. In the same way, the vertex angle can be adapted to the diffuser. This causes changes in the pressure losses in the flowing fluid. These pressure losses can be minimized in a conventional manner by applying the known design principles for venturi tubes. Basically, the diffuser angle should be chosen as small as possible, even if a large vertex angle is selected at the confuser.
In this case, the pressure loss, which arises through the constriction, compensated by suitable selection of the apex angle on Konfusor and in particular on the diffuser to a significant extent. This technology is known for example from the textbook "Flow Measurement Engineering Handbook", R.W. Miller, 1983, McGraw-Hill Company (ISBN 0-07-042045-9).
According to a particular embodiment of the subject invention, the measuring device is an ultrasonic measuring device with two ultrasonic transducers. The first ultrasonic transducer is arranged in the region of the first transition region in which the measuring signals of the measuring device enter and / or exit the fluid. The second ultrasonic transducer is spaced apart from the first ultrasonic transducer in the direction of flow of the fluid and is arranged in a second transition region in which the measurement signals of this second ultrasonic transducer enter and / or exit the fluid. The distance between the two ultrasonic transducers is a function of the diameter of the measuring tube, the type of fluid and other factors known per se and can be determined in a known manner.
It is further proposed that both the first and the second transition region of the measurement signals of the two ultrasonic transducers are arranged in the fluid, at a distance of about 30% to 200% of the largest diameter of the confuser, from the plane with the smallest diameter of Confusor , If the two ultrasonic transducers of the ultrasonic measuring device are arranged in this way on the measuring tube, they are in an area in which the disturbing influences in the flow are reduced in the desired manner and therefore the measurement errors are reduced so far that, for example, in heat meters the European standard EN 1434 can be met.
In this case, the two ultrasonic transducers can be arranged on the same side of the measuring tube and cooperate according to the reflection principle of the ultrasonic beams, or they are arranged on opposite sides and act together according to the direct principle of the ultrasonic beams.
A further embodiment of the invention provides that the meter is a magnetic induction meter (MID device) with magnets which generate a magnetic field, and electrodes and the magnets, or the magnetic field and the electrodes in a plane normal to the flow direction of the Fluids are arranged. In this case, this normal plane is arranged in the region of the first transition region of the measurement signals in the fluid. In this embodiment, the measurement signals are generated in a known manner by the induced voltage, which is tapped between two opposing electrodes on the measuring tube. When using such a MID device is measured only in a measurement plane and there is only a first transition region of measurement signals, which enter and / or exit from the fluid present.
A further embodiment of the invention provides that when using an MID measuring device of the first transition region, or the plane with the magnets and the magnetic field and the electrodes, to the plane with the smallest diameter of Confusor a distance of about 100% having the largest diameter of the confuser. This arrangement leads to an optimal reduction of the measurement errors with flow disturbances in this type of measuring instruments. At the same time, it also ensures that the measuring device is arranged in a region of the measuring tube in which the disturbing influences in the flow of the fluid are maximally reduced.
Since the geometric configuration of the confuser and also the arrangement of the measuring device are determined on the measuring tube in dependence on the nominal diameter of the pipe, there is always a predetermined arrangement according to the invention for each nominal diameter of a pipe and the corresponding flow measuring device. As a result, the best possible reduction of the disturbing influences in the flow and a minimum relative deviation in the measurement error in the case of flow disturbances in the fluid are always ensured in the case of the flow measuring device for different nominal diameters.
In addition to the advantage that additional mechanical installations are not required either in the pipeline or in the measuring tube, this leads to considerable simplifications in the design and construction of such flow measuring devices and also increases the accuracy and safety of the flow measurement.
In the following the invention will be explained in more detail by means of embodiments with reference to the accompanying drawings. Show it:
<Tb> FIG. 1 <sep> an ultrasonic flowmeter with an inventive measuring tube with Konfusor in longitudinal section and in a schematic representation, and
<Tb> FIG. 2 <sep> a magnetic induction flowmeter with a measuring tube with Confusor in a longitudinal section.
Fig. 1 shows a flow meter according to the invention with an ultrasonic flow meter 1 in a longitudinal section and in a schematic representation. In this case, the flow measuring device is installed via connecting flanges 34 in a pipeline 3. Through this pipe 3, a fluid, e.g. Water, in the direction of arrow 8. The flow measuring device has a measuring tube 4 with a flow channel 5 on. At the inlet region 6 of the flow channel 5, or the measuring tube 4, at which the fluid enters the flow channel 5, a confuser 9 is formed. This confuser 9 has a largest diameter 11 at the inlet side of the fluid, this largest diameter 11 of the confuser 9 corresponding to the nominal diameter 13 of the pipeline 3.
In the direction of flow 8 of the fluid, the confuser converts to the smallest diameter 12, which corresponds to the diameter of the flow channel 5. The confuser 9 in this case forms a truncated cone jacket 18, which is part of a conical jacket with a vertex angle 19 shown by dashed lines. This vertex angle 19 is expediently in a range between 10 [deg.] And 100 [deg.], Wherein in the illustrated example a vertex angle 19 of 90 [deg.] Is selected. The smallest diameter 12 of the confuser 9 in this case has a dimension 20 which is between 40% and 80% of the nominal diameter 13 of the pipeline 3, or of the largest diameter 11 of the confuser 9. In the example shown, the dimension 20 of the smallest diameter 12 of the confuser is 950% of the largest diameter 11 of the confuser 9. This information also determines the length of the confuser 9.
On the outer jacket of the measuring tube 4, the flow meter 1 is arranged. In the illustrated example, it is an ultrasonic measuring device with two ultrasonic transducers 21, 22. In this case, these two ultrasonic transducers 21, 22 are spaced apart in the direction of flow 8 of the fluid, and they work in the reflection mode. But it is also possible to operate the two ultrasonic transducers in direct mode, in which case the second ultrasonic transducer 22 would be arranged on the opposite side of the measuring tube 4. The first ultrasonic transducer 21 is mounted at a predetermined distance 17 to a plane 16 with the smallest diameter 12 of the confuser 9 on the measuring tube 4.
This distance 17 is determined by a first transition region 15 which is defined by the point at which the measurement signals 14 of the first ultrasonic transducer 21 enter and / or exit the fluid. This first transition region 15 is represented by a dot-dash line. The distance 17 of this first transition region 15 from the plane 16 with the smallest diameter 12 of the confuser 9 is in a range which corresponds to about 30% to 200% of the largest diameter 11 of the confuser 9. The greatest distance of 200% can only be used if only one ultrasonic transducer is present (Doppler method).
If, as in the example shown, two ultrasonic transducers 21, 22 spaced apart from one another are present, both ultrasonic transducers 21, 22 are arranged within the range of approximately 30% to 200% of the largest diameter 11 of the confuser 9. The measurement signals 23 of the second ultrasound transducer 22 enter and / or exit the fluid in a second transition region 24. This second transition region 24 is likewise represented by a dot-dash line. In this case, this second transition region 24, which determines the position of the second ultrasonic transducer 22, determined at a distance 25 from the plane 16 with the smallest diameter 12 of the confuser 9. This distance 25 amounts to a maximum of about 200% of the largest diameter 11 of the confuser. 9
The distance 17 of the first transition region 15 of the first ultrasonic transducer 21 can be defined, for example, with 30% of the largest diameter 11 of the confuser 9, or of the nominal diameter 13 of the pipeline 3. The distance between the two ultrasonic transducers 21, 22 and thus the distance 25 of the second transition region 24 from the plane 16 then results in a known manner from the technical conditions of the ultrasonic measuring device 1, in particular the input and / or exit angle of the measurement signal beams 14, 23 against but also from the factors such as material of the measuring tube 4, nature of the surface of the flow channel 5 and the type of fluid.
The technical conditions of the ultrasonic measuring device 1 are set so that the two ultrasonic transducers 21, 22 are always within the two predetermined limits of the distances 17, or 25 of about 30% to 200% of the largest diameter 11 of the confuser 9 are arranged.
The inventive design of the confuser 9 reduces any disturbing influences in the flow, e.g. by asymmetrical flow, and the two ultrasonic transducers 21, 22 are arranged in a region of the measuring tube 4, in which the disturbing influences are reduced so far that no impermissible deviations of the measurement errors occur. The inventive flow measuring device can thus be calibrated in a simple manner and meets the requirements of national and international standards such as the European standard EN 1434.
An optimized reduction of the disturbing influences with at the same time minimal pressure loss in the flow results if an angle of 14 ° is selected for the apex angle 19 of the conical jacket 18 at the confuser 9 and at the same time the smallest diameter 12 of the confuser 9 has a dimension 20 of 65 % of the largest diameter 11 of the confuser 9 and the nominal diameter 13 of the pipeline 3. With this selection of geometrical dimensions, the length of the confuser 9 does not become unusually long.
At the outlet region 7 of the fluid from the measuring tube 4, a diffuser 10 is arranged, which in the example shown has the same dimensions as the Konfusor 9. Due to the constriction between the pipe 3 and measuring tube 4 known to occur pressure losses, said pressure losses in can be substantially compensated by changing the apex angle on Konfusor 9 and in particular on the diffuser 10. For this purpose, knowledge is used, as known to those skilled in the field of Venturi tubes (see "Flow Measurement Engineering Handbook", R. W. Miller, 1983, McGraw-Hill Company, ISBN 0-07-042045-9). The length of the flow measuring device between the inlet region 6 and the outlet region 7 is also determined by the corresponding standards, for example the European standard EN 1434.
For example, for a nominal diameter 13 of 50 mm and for a flange connection a total length of 300 mm is given. For other nominal diameters, other lengths are specified or prescribed according to the standards, for example the European standard.
In Fig. 2, an inventive flow measuring device is shown, which is equipped with a magnetic induction flow meter 2. Such devices are referred to as MID devices for short. The MID flow meter 2 has two opposing magnets 26, each consisting of a coil 27 and a core 28. The magnets 26 are electromagnets, which are provided with electrical leads, not shown. The two magnets 26 are arranged on the measuring tube 4, wherein the entire arrangement is surrounded by a housing 31. Between the two magnets 26, a magnetic field is established, which is perpendicular to the flow direction 8 of the fluid in the flow channel 5 of the measuring tube 4.
It is known that a voltage is induced by the fluid, which flows in the direction of arrow 8 through the magnetic field, which can be tapped and measured with electrodes 29. In the illustrated example, two electrodes 29 are arranged, which are offset by 90 ° relative to the magnets 26, the two electrodes 29 likewise being arranged opposite one another in the measuring tube 4. Both the magnets 26 and the electrodes 29 are arranged in a normal plane 30 to the flow direction 8 of the fluid. In this case, this normal plane 30 corresponds to the first transition region 15 described in relation to FIG. 1, in which the measurement signals enter and / or exit the fluid. In the present example, the measurement signals are generated by the induced voltage and derived via the electrodes 29.
The flow channel 5 in the measuring tube 4 has at the inlet region 6 to a confuser 9, which is designed in the same way, as already described for Fig. 1. At the outlet region 7 of the flow channel 5 and the measuring tube 4, a diffuser 10 is also formed here. In this example, the apex angle at the diffuser 10 is 16 [deg.]. As connecting elements 32, 33 to the pipe 3, not shown, threaded connectors are formed on both sides of the housing 31 on both sides. These connecting elements or screw socket 32, 33 have a through hole, which corresponds to the nominal diameter 13. The largest diameter 11 of the confuser 9 is the same size as the nominal diameter 13.
The smallest diameter 12 of the confuser 9 also has a dimension 20 in this embodiment, which is between 40% and 80% of the nominal diameter 13 of the pipeline 3, or of the largest diameter 11 of the confuser 9. In the example shown, the dimension 20 of the smallest diameter 12 of the confuser 9 is 67% of the largest diameter 11 of the confuser 9. The apex angle 19 of the truncated cone jacket 18 is 30 °.
As provided in the example shown, normally only such MID flow meter 2 is present in such flow measuring devices with a magnetic induction flow meter 2. The normal plane 30, in which the electrodes 29 are located, has a distance 17 to the plane 16 in which the smallest diameter 12 of the confuser 9 lies, which according to the invention is approximately 30% to 200% of the largest diameter 11 of the confuser 9 or 9 of nominal diameter 13. In the example shown, the distance 17 is 100% of the nominal diameter 13 or of the largest diameter 11 of the confuser 9.
Also in this embodiment, the confuser 9 reduces any disturbing influences in the flow, e.g. by asymmetrical flow, and the electrodes 29 are arranged in a region of the measuring tube 4, in which the disturbing influences are reduced so far that no impermissible deviations of the measuring errors occur. This embodiment also satisfies the conditions of national and international standards, e.g. European standard EN 1434, and it can also be easily calibrated. The illustrated embodiment is intended for a nominal diameter 13 of 15 mm.