DE10022063A1 - Durchflußmeßgerät - Google Patents

Abstract

Gerät zur Messung der Durchflußmenge eines Fluids, bestehend aus einem fluidführenden Gehäuse (1), aus mindestens einem in Abhängigkeit von einer aktuellen Durchflußmenge ein entsprechend variierendes Ausgangssignal (Q) erzeugenden elektronischen Sensor (2), aus einem ein Temperatursignal (T) erzeugenden Temperatursensor (2.1), und wobei eine Verarbeitung der Sensorsignale (Q, T) in einer Auswerteeinheit (3) erfolgt. In mindestens einem Datenspeicher (4, 4.1-4.4) sind temperaturabhängige Stoffwerte von ein oder mehreren Fluiden abgelegt. Die temperaturabhängigen Stoffwerte sind auf den verwendeten Sensor (2) bezogen und eine Recheneinheit (5, 5.1) ermittelt die Durchflußmenge als Funktion von den Stoffwerten eines zu messenden Fluids und eines momentanen Sensorsignals (Q). Dabei ist die Recheneinheit (5, 5.1) mit dem Datenspeicher (4, 4.1-4.4) und dem Sensor (2, 2.1) verbunden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Gerät zur Messung einer Durchflußmenge von einem Fluid und ein Verfahren zur Durchführung der Messung.

Zur Messung der Durchflußmenge eines in einem Rohrleitungssystem fließenden Fluids sind verschiedene Meßprinzipien bekannt. Von Bedeutung sind hier diejenigen Durchflußmeßgeräte, bei denen ein elektronischer Sensor in Abhängigkeit von der aktuellen Durchflußmenge ein variierendes Ausgangssignal liefert. Um einen Zusammenhang zwischen dem Ausgangssignal des Sensors und der tatsächlichen Durchflußmenge zu erhalten, sind Eichvorgänge erforderlich. Dabei werden die Zusammenhänge zwischen dem Durchflußmeßgerät mit dem darin verwendeten Sensor und dem zu messenden Fluid genau ermittelt. Das vom Sensor gelieferte Spannungssignal kann damit und anhand einer Eichkurve der tatsächlichen Durchflußmenge zugeordnet werden.

Durch die unterschiedlichen Fluide, die sich in ihrem Verhalten und in den Stoffwerten unterscheiden, ergibt sich eine weitere Einflußgröße, die Auswirkungen auf eine Messung hat. Gewöhnlich unterliegen die Stoffwerte noch zusätzlichen Temperatureinflüssen. Die Eigenschaften der Fluide müssen deshalb in aufwendiger Weise berücksichtigt werden, um mit dem jeweils verwendeten Meßgerät und dessen elektronischen Sensor einen genauen Rückschluß auf die tatsächlich vorhandene Durchflußmenge zu erhalten.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, für ein Durchflußmeßgerät und dessen elektronischen Sensor eine Möglichkeit zu entwickeln, um bei Durchflußmessungen von verschiedenen fließfähigen Fluiden einen genauen Meßwert über den tatsächlichen Durchfluß zu erhalten.

Die Lösung dieses Problems sieht vor, daß in mindestens einem Datenspeicher temperaturabhängige Stoffwerte von ein oder mehreren Fluiden abgelegt sind, daß die temperaturabhängigen Stoffwerte auf den verwendeten Sensor bezogen sind, daß eine Recheneinheit die Durchflußmenge als Funktion von den Stoffwerten eines zu messenden Fluides und eines momentanen Sensorsignals ermittelt, und daß die Recheneinheit mit dem Datenspeicher und dem Sensor verbunden ist.

Mit dieser Lösung ergibt sich die Möglichkeit, einen Sensor zur Durchflußmessung von verschiedenen Fluiden unterschiedlicher Dichte, Viskosität, Wärmeleitfähigkeit oder weiteren Stoffwerten Verwendung finden zu lassen. Somit kann ein Meßgerät für die verschiedene Fluide oder Fluide mit sich verändernden Stoffeigenschaften Verwendung finden.

Ausgestaltungen der Erfindung sehen für diejenigen Fälle, in denen Messungen von Fluiden mit unter einem Temperatureinfluß sich verändernden Stoffwerten erfolgen, vor, daß mit einem Signal des Temperatursensors eine Aktualisierung der im Datenspeicher abgelegten Stoffwerte erfolgt, und daß die Recheneinheit mit solchen aktualisierten Stoffwerten die Durchflußmenge ermittelt. Somit finden die momentan vorhandenen Temperaturen und deren Auswirkungen auf ein Fluid eine Berücksichtigung. Ebenso ist vorgesehen, daß in mindestens einem Datenspeicher für den verwendeten Sensor die zugehörigen Kennwerte eines definierten Fluids abgelegt sind, daß die Recheneinheit unter Anwendung von dem Sensormeßprinzip entsprechenden Ähnlichkeitsgesetzen die Kennwerte des definierten Fluids korrigiert, und daß die Recheneinheit mit den korrigierten Kennwerten die Durchflußmenge ermittelt. Damit werden die Anwendungsfälle erfaßt, in denen die Auswertung mit Hilfe von Daten erfolgt, die auf Eichkurven oder entsprechenden Referenzwerten basieren. Dazu ist in dem Datenspeicher eine Sensorkennlinie für ein Eichfluid bei einer vorgegebenen Temperatur hinterlegt. Entsprechend der Größe der verwendeten Datenspeicher können darin werksseitig oder anwenderseitig die Stoffwerte der verschiedenen Fluide abgelegt werden, die in Abhängigkeit von den verschiedenen Temperaturen einer Änderung unterliegen.

Gemäß weiteren Ausgestaltungen der Erfindung sind in dem Datenspeicher ein oder mehrere Berechnungsformeln für dimensionslosen Kennzahlen abgelegt, wobei die Recheneinheit die dimensionslosen Kennzahlen bei der Ermittlung des Funktionswertes verwendet, oder in dem Datenspeicher sind ein oder mehrere Korrekturmöglichkeiten zur Kompensation von geometrischen Gestaltungseinflüsse abgelegt. Damit kann für die Ermittlung der Durchflußmenge beispielsweise ein Gehäusequerschnitt oder andere den Durchfluß beeinflussende geometrische Größen eine entsprechende Berücksichtigung finden. Denn die Abmessungen oder Ausbildungen eines Gehäuses, welches das Gerät bildet, üben einen Einfluß auf die Strömung aus. Um zu verhindern, daß dadurch ein Meßsignal in seinem Aussagegenalt ungünstig beeinflußt wird, sind entsprechende Korrekturen vorzunehmen. Solche auf die Sensorausgangswerte einwirkenden Korrektur­ maßnahmen können durch Formelwerte, Tabellenwerte oder Kurvenwerte erfolgen. Diese Werte sind in den entsprechenden Speicherelementen abgelegt.

Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist das Gerät mit Einbauten für eine Beeinflussung der Durchflußmenge versehen. Hierbei kann es sich bei den Einbauten um das Verschlußelement einer Armatur, um Einbauten in Form eines Laufrades einer Strömungsarbeitsmaschine oder um entsprechend andere Bauteile handeln. Das Durchflußmeßgerät kann somit direkt in das Gehäuse von Arbeits- oder Kraftmaschinen integriert werden. Auswirkungen der Einbauten, z. B. in Form eines Drosselvorganges, werden damit direkt erfaßt.

Ebenso ist es möglich, die Recheneinheit in der Auswerteeinheit anzuordnen und­ /oder die Auswerteeinheit ganz oder teilweise in das Gerät und/oder in mindestens einen Sensor zu integrieren. Somit ist der notwendige Platzbedarf erheblich reduziert und die Herstellungskosten werden gesenkt.

Verschiedene dimensionslose Kennzahlen, wie zum Beispiel die Prandtlzahl, die Reynoldszahl, die Nußeltzahl und/oder ähnliche Kennzahlen von Fluiden, die die Recheneinheit aus deren bekannten Gleichungen bildet, bieten für den beim Meßvorgang verwendeten physikalischen Effekt einen vorteilhaften Aussagegenalt. Eine dimensionslose Kennzahl kann auch aus dem aktuellen Sensorsignal und deren Bezug auf einen Referenzwert des Sensorsignals gebildet werden. Anstelle der Kennzahlen können in dem Datenspeicher auch die Berechnungsformeln für die dimensionslosen Kennzahlen abgelegt sein. So hat sich z. B. bei der Verwendung eines thermischen Sensors für die Erfassung einer Durchflußmenge die Prandtlzahl und die Reynoldszahl als signifikante Größen für die Ermittlung eines Korrekturfaktors zur Umwandlung des Sensorsignals ergeben.

Ein Verfahren zur Durchführung der Messung sieht vor, daß ein zweiter Sensor die Temperatur des Fluids erfaßt und dieses Temperatursignal an die Recheneinheit liefert, daß die Recheneinheit mit Stoffwerten, mit durch das Temperatursignal korrigierten Stoffwerten, mit aus den Stoffwerten oder mit aus den temperatur­ kompensierten Stoffwerten gebildeten dimensionslosen Kennzahlen eine Durchflußmenge berechnet, daß die Recheneinheit die Durchflußmenge als Funktion der aus einen oder mehreren Datenspeichern abgerufenen Stoffwerte oder Kennzahlen berechnet, und daß die verwendete Funktion über die für das verwendete Meßprinzip des Sensors gültigen Ähnlichkeitsgesetze gebildet wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Fig. 1 und 2 dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

In der Fig. 1 ist ein Gehäuse 1 gezeigt, durch welches ein als Pfeil dargestelltes Fluid strömt. Im Gehäuse ist ein elektronischer Sensor 2 angeordnet. Bei dem Gehäuse kann es sich um ein Rohrstück einer Rohrleitung, um ein Gehäuse eines Ventils, um ein Pumpengehäuse oder um andere in Leitungssysteme integrierte Gehäuse handeln. Der elektronische Sensor 2 liefert in Abhängigkeit von der Menge des durchfließenden Fluids ein oder mehrere Meßsignale Q, das oder die in Abhängigkeit von dem Verwendung findenden Meßprinzip ein zur Durchflußmenge proportionales Meßsignal darstellen. Üblicherweise liegt das Meßsignal in Form einer Spannung oder eines Stromes vor.

In dem hier dargestellten Sensor 2 ist ein Temperaturfühler 2.1 integriert, der ein Temperatursignal T liefert. Alternativ dazu kann ein Temperatursignal T auch durch einen separat angeordneten Temperaturfühler erfaßt werden.

In einer Auswerteeinheit 3 sind in diesem Ausführungsbeispiel in mehreren Datenspeichern 4.1-4.4 die Werte von Stoffen hinterlegt, die als Fluid A, B, C oder D durch das Gehäuse 1 fließen. Die Stoffwerte dieser Fluide A-D sind abhängig von der jeweils zum Zeitpunkt der Messung vorherrschenden Temperatur. In Anlagen, in denen die Einhaltung einer konstanten Temperatur gewährleistet ist, werden in einem oder mehreren Datenspeicher 4 nur die für diese konstante Temperatur relevanten Stoffwerte abgelegt. Denn in einem solchen Fall muß eine Temperaturänderung nicht kompensiert werden.

In den Datenspeichern 4.1-4.4 sind in Kurvenform von verschiedenen Fluiden A bis D deren Abhängigkeiten von der Temperatur gespeichert. Diese Stoffwerte, wobei es sich je nach Fluid auch um verschiedene Stoffwerte handeln kann, sind in diesem Beispiel nach Art von Diagrammen über der Temperatur T aufgetragen. Für die Speicherung selbst können die bekannten Verfahren zur Ablage solcher Daten Anwendung finden. In dem Beispiel sind vier Fluidfamilien dargestellt, wobei von jeder Fluidfamilie drei unterschiedliche Konzentrationen A1-A3 bis D1-D3 und damit die zugehörigen unterschiedlichen Stoffwerte gespeichert sind.

Von der durch Verlaufspfeile dargestellten Messung der Durchflußmenge ist die Fluidfamilie C mit einer Fluidkonzentration G2 betroffen. Mit Hilfe des zum Zeitpunkt der Durchflußmessung aktuell erfaßten Temperatursignals T werden die entsprechenden Stoffwerte aus dem Speicher 4.3 abgerufen.

Die Berechnung der tatsächlichen Durchflußmenge Q_ist erfolgt in der Recheneinheit 5 als eine Funktion des Stoffwertes und des vom Sensor gelieferten Meßsignals Q. Die Recheneinheit 5 liefert somit aufgrund der temperaturkompensierten Stoffwerte ein direkt auf das Fluid und dessen Zusammensetzung bzw. dessen Konzentration bezogenes Ausgangssignal Q_ist. Die vom Sensor 2.1 erfaßte Temperatur T wird durch die Auswerteeinheit 3 und/oder die Recheneinheit 5 durchgeschleift und zusätzlich bereitgestellt.

Um für die Durchflußmessung die notwendigen Daten in das Gerät einzugeben, bzw. um diese Daten in der Auswerteeinheit 3 aus- oder anwählen zu können, finden übliche Schnittstellen 6, 7 für Tastaturen 8 oder andere bekannte Eingabegeräte Verwendung. Damit kann eine Auswahl oder Veränderung einer gespeicherten oder die Eingabe einer neu zu speichernden Fluidfamilie mit deren entsprechenden Stoffwerten stattfinden.

In der Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel gezeigt, wobei die Korrektur eines Sensor­ signals Q mit Hilfe einer Eichkurve erfolgt. Ein vom Sensor 2 geliefertes Temperatur­ signal T wird der Auswerteeinheit 3 zugeleitet und dort in einem Wandler 10 entsprechend aufbereitet. Hierbei kann es sich um einen Analog/Digital-Wandler, Verstärker oder eine sonstige dafür geeignete Einheit handeln, mit deren Hilfe das Signal bezüglich seiner Größe und Stärke beeinflußt und weiterverarbeitet werden kann.

In einem Datenspeicher 4 sind für die mit dem Sensor 2 zu messenden Fluide die entsprechenden Stoffwerte abgelegt. Über ein Eingabegerät 11 können für die Messung die verschiedenen Fluide ausgewählt werden. Die Buchstaben A-X stehen hierbei für die Namen der verschiedenen zu messenden Fluide.

Ebenso kann mit einem weiteren Eingabegerät 12 die zugehörige Fluidkonzentration der in der Datenbank 4 abgelegten Fluide ausgewählt werden. Als möglicher Konzentrationsbereich wurden die Werte von 0-90 Volumen% ausgewählt. Auf den Wert 100% wurde verzichtet, da dieser Wert dem Fluid selbst entsprechen würde. Bei dem gespeicherten Stoffwerten kann es sich um die Angaben für die kinematische Zähigkeit, den Wärmeleitquotient, die Dichte, die spezifische Wärmekapazität bei konstanten Druck und ähnlichen Werten handeln. Ebenso ist es möglich, weitere für die Berechnung eventuell notwendigen Konstanten oder Fluidkonstanten zu speichern. Aus dem Datenspeicher 4 fließen die für das zu messende Fluid maßgeblichen Stoffwerte in die Recheneinheit 5 ein. Dazu wird das gemessene Temperatursignal T vom Wandler 10 auch in den Speicher 4 geleitet, um mit dessen Hilfe für die Berechnung aus dem Datenspeicher 4 die auf die jeweils vorherrschende Temperatur bezogenen relevanten Stoffwerte entnehmen zu können.

Das vom Sensor 2 gelieferte Mengensignal Q fließt in einen Datenspeicher 13 ein, innerhalb dessen eine Bezugnahme auf dort hinterlegte Referenzwerte erfolgt, die im Ausführungsbeispiel als Eichkurve dargestellt sind. In dieser beispielhaft dargestellten Eichkurve ist das Sensorsignal über der Geschwindigkeit von Wasser (chemisches Zeichen H₂O) bei der Temperatur T = 25°C (Celsius) aufgetragen. Ein in diesem Datenspeicher umgewandeltes Sensorsignal fließt dann zusammen mit dem gemessenen Sensorsignal in die Recheneinheit 5 ein.

In der Recheneinheit 5 lassen sich mit Hilfe eines oder mehrerer Rechenschritte mit den bei der Durchflußmessung vorhandenen Temperatur T, der zugehörigen kinematische Zähigkeit ν, der Dichte ρ, der Wärmeleitfähigkeit λ, der spezifischen Wärmekapazität cp oder anderen Stoffwerten eines Fluids die tatsächliche Durchflußmenge Q_ist ermitteln. Da diese Stoffwerte eine Funktion von der vorhandenen Temperatur und der gegebenen Fluidkonzentration sind, ist deren Kenntnis von besonderer Bedeutung.

Die Recheneinheit 5 berechnet daraus einen Korrekturfaktor K, der als dimensionslose Zahl einen Bezug zwischen dem gemessenen Sensorsignal Q und einem entsprechenden Referenzsignal herstellt. Dieser Korrekturfaktor ist somit eine Funktion von den Stoffwerten des gemessenen Fluid, dem Sensorsignal und dessen Bezugsbasis. Die Recheneinheit berechnet aus dem Korrekturfaktor K und einer Information DN über die geometrischen Abmessungen in der zugehörigen Recheneinheit 5.1 die Durchflußmenge Q_ist.

Mit Hilfe von dimensionslosen Kennzahlen, wie zum Beispiel der Prandtlzahl, der Reynoldszahlen, der Nußeltzahl oder anderen, kann ein Zusammenhang ermittelt werden. Der daraus errechnete Wert fließt in die Recheneinheit 5, 5.1 ein, in der das Korrekturprinzip für den verwendeten Sensor und das zu messende Fluid abgespeichert ist.

Somit kann in einfacher Weise ein Durchflußmessignal berechnet werden, welches bezüglich des gemessenen Fluid und der vorhandenen Temperatur korrigiert wurde und somit einen sehr hohen Genauigkeitsgrad aufweist.

Ein solches Meßsignal kann dann für die weitere Bearbeitung verwendet werden. Dies kann eine Anzeige auf einem Display am Meßgerät selbst, eine Weiterver­ arbeitung innerhalb einer Meßanlage sein, Datenfernabfrage oder Einflußnahmen auf prozeßsteuernde Einrichtungen sein.

Claims (13)

1. Gerät zur Messung der Durchflußmenge eines Fluids, bestehend aus einem fluidführenden Gehäuse (1), aus mindestens einem in Abhängigkeit von einer aktuellen Durchflußmenge ein entsprechend variierendes Ausgangssignal (Q) erzeugenden elektronischen Sensor (2), aus einem ein Temperatursignal (T) erzeugenden Temperatursensor (2.1), und wobei eine Verarbeitung der Sensorsignale (Q, T) in einer Auswerteeinheit (3) erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß in mindestens einem Datenspeicher (4, 4.1-4.4) temperaturabhängige Stoffwerte von ein oder mehreren Fluiden abgelegt sind, daß die temperaturabhängigen Stoffwerte auf den verwendeten Sensor (2) bezogen sind, daß eine Recheneinheit (5, 5.1) die Durchflußmenge als Funktion von den Stoffwerten eines zu messenden Fluides und eines momentanen Sensorsignals (Q) ermittelt, und daß die Recheneinheit (5, 5.1) mit dem Datenspeicher (4, 4.1-4.4) und dem Sensor (2, 2.1) verbunden ist.

2. Gerät nach Anspruch 1 zur Messung von Fluiden mit unter einem Temperatur­ einfluß sich verändernden Stoffwerten, dadurch gekennzeichnet, daß mit einem Signal des Temperatursensors (2.1) eine Aktualisierung der im Datenspeicher (4, 4.1-4.4) abgelegten Stoffwerte erfolgt, und daß die Recheneinheit (5, 5.1) mit solchen aktualisierten Stoffwerten die Durchflußmenge (Q_ist) ermittelt.

3. Gerät nach Anspruch 1 zur Messung von Fluiden mit unter einem Temperatur­ einfluß sich verändernden Stoffwerten, dadurch gekennzeichnet, daß in mindestens einem Datenspeicher (13) für den verwendeten Sensor (2) die zugehörigen Kennwerte eines definierten Fluids abgelegt sind und daß die Recheneinheit (5, 5.1) unter Anwendung von dem Sensormeßprinzip entsprechenden Ähnlichkeitsgesetzen die Kennwerte des definierten Fluids korrigiert und daß die Recheneinheit (5, 5.1) mit den korrigierten Kennwerten die Durchflußmenge ermittelt.

4. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Datenspeicher (13) eine Sensorkennlinie für ein Eichfluid bei einer vorgegebenen Temperatur hinterlegt ist.

5. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Datenspeicher (4, 4.1-4.4, 13) ein oder mehrere Berechnungsformeln für dimensionslose Kennzahlen abgelegt sind, wobei die Recheneinheit (5, 5.1) die dimensionslosen Kennzahlen bei der Ermittlung des Funktionswertes verwendet.

6. Gerät nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Datenspeicher (4.6) ein oder mehrere Korrekturmöglichkeiten zur Kompensation von geometrischen Gestaltungseinflüsse abgelegt sind.

7. Gerät nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Gerät mit Einbauten für eine Beeinflussung der Durchflußmenge versehen ist.

8. Gerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einbauten das Verschlußelement einer Armatur sind.

9. Gerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einbauten ein Laufrad einer Strömungsarbeitsmaschine sind.

10. Gerät nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Recheneinheit (5, 5.1) in der Auswerteeinheit (3) angeordnet ist.

11. Gerät nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinheit (3) ganz oder teilweise in das Gerät und/oder in mindestens einen Sensor (2) integriert ist.

12. Gerät nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Recheneinheit (5, 5.1) einen Korrekturfaktor unter Verwendung der bekannten Formeln für die Reynoldzahl, die Prandtlzahl, die Nußeltzahl, ähnlichen Kennzahlen von Fluiden und/oder eine dimensionslose Kennzahl ermittelt, wobei diese Kennzahl aus dem aktuellen Sensorsignal und deren Bezug auf einen Referenzwert des Sensorsignals gebildet ist.

13. Verfahren zur Messung des Durchflußes von einem Fluid, wobei ein elektronischer Sensor (2) ein sich in Abhängigkeit von der Durchflußmenge des Fluids veränderndes Signal (Q) liefert und eine Recheneinheit (5) das Signal in ein Durchflußsignal umwandelt und zur weiteren Verwendung bereitstellt, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Sensor (2.1) die Temperatur (T) des Fluids erfaßt und dieses Temperatursignal (T) an die Recheneinheit (5, 5.1) liefert, daß die Recheneinheit (5, 5.1) mit Stoffwerten, mit durch das Temperatursignal korrigierten Stoffwerten, mit aus den Stoffwerten oder aus den temperaturkompensierten Stoffwerten gebildeten dimensionslosen Kennzahlen eine Durchflußmenge berechnet, daß die Recheneinheit (5, 5.1) die Durchflußmenge als Funktion der aus einen oder mehreren Datenspeichern (4, 4.1-4.4, 13) abgerufenen Stoffwerte oder Kennzahlen berechnet, und daß die verwendete Funktion über die für das verwendete Meßprinzip des Sensors (2) gültigen Ähnlichkeitsgesetze gebildet wird.