DE10134264B4 - flowmeter - Google Patents
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Abstract
Messanordnung
für in
einem Fluidbett vorgegebener Geometrie geführte Fluide, aufweisend
ein
Sensormittel (3), umfassend
einen Sensor (3c, 10) zur Messung
der Fluidoberflächenhöhe bezogen
auf einen fluidunabhängigen
Bezugspunkt und
einen im vorbestimmten Winkel zur Fluidoberfläche angeordneten
Sensorkopf (3b, 3a) zur Bestimmung von Fließhöhe und Fließgeschwindigkeit,
und
eine Auswerteschaltung zur Auswertung der vom Sensormittel stammenden
Signale,
wobei die Auswerteschaltung dazu ausgebildet ist,
im
Ansprechen auf die Sensormittelsignale ein Fluidströmungsprofil
zu ermitteln,
daraus untere Schichten, bei denen eine Fließgeschwindigkeit
unterhalb eines bestimmten Grenzwertes liegt, als nicht fließend zu
bestimmen,
und damit unter Berücksichtigung der auf den fluidunabhängigen Bezugspunkt
bezogenen Fluidoberflächenhöhe und die
gegebene Fluidbettgeometrie Ablagerungen zu detektieren.Measuring arrangement for guided in a fluid bed of predetermined geometry fluids, comprising
a sensor means (3) comprising
a sensor (3c, 10) for measuring the fluid surface height with respect to a fluid-independent reference point and
a sensor head (3b, 3a) arranged at a predetermined angle to the fluid surface for determining flow height and flow velocity,
and an evaluation circuit for evaluating the signals originating from the sensor means,
wherein the evaluation circuit is designed to
determine a fluid flow profile in response to the sensor means signals
from that lower layers, where a flow velocity is below a certain limit, to be determined as not flowing,
and thus to detect deposits in consideration of the fluid surface height related to the fluid-independent reference point and the given fluid bed geometry.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft das oberbegrifflich Beanspruchte und befasst sich somit mit der Frage, wie Strömungen in Fluiden besonders gut gemessen werden können.The The present invention relates to the term claimed above and thus deals with the question of how fluid flows in particular can be measured well.
Es gibt eine Vielzahl von Anwendungen, bei denen es gewünscht wird, die Strömung von Fluiden leicht und dennoch präzise messen zu können. Dies ist etwa dann wichtig, wenn zu verfahrenssteuernden Zwecken der Zufluss einer Substanz durch eine Rohr- oder Druckleitung erfasst werden muss oder wenn Angaben über die Fluidströmung zu Kostenerfassungszwecken benötigt werden. Letzteres ist etwa dann der Fall, wenn Abwässer durch Abwassernetze von einer Kommune zu einer anderen Kommune geleitet werden, um dort aufbereitet zu werden. In solchen Fällen ist typisch ein von der zugeleiteten Menge abhängiges Entgelt zu entrichten, wozu die Menge bestimmt werden muß.It gives a variety of applications where it is desired the flow easily and yet accurately measure fluids. This is This is important if the inflow is used for procedural purposes a substance can be detected by a pipe or pressure line must or if information about the fluid flow needed for costing purposes become. The latter is about the case when sewage through Sewer networks directed from one municipality to another to be processed there. In such cases typically pay a fee dependent on the quantity delivered, what the quantity must be determined for.
Probleme ergeben sich zunächst, weil die Strömung über den Querschnitt des Strömungsbettes im Regelfall nicht konstant ist. So fließen Strömungen nahe von Wänden reibungsbedingt langsamer. Außerdem ergeben sich durch Ablagerungen Veränderungen des Fluidbettquerschnittes sowohl bezüglich der Form als auch bezüglich der Größe des verfügbaren Querschnittes. Entsprechende Probleme ergeben sich auch bei Gerinnen, Kanälen, Bächen und/oder kleinen Flüssen.issues arise first, because the flow over the Cross section of the flow bed usually not constant. Thus, currents flow near walls due to friction slower. Furthermore Deposits result in changes in the fluid bed cross-section both regarding the form as well as re the size of the available cross-section. Corresponding problems also arise in channels, channels, streams and / or small rivers.
Es
ist bereits ein Verfahren vorgeschlagen worden, mit welchem Strömungsprofilmessungen durchgeführt werden
können.
Ein diesbezügliches Verfahren
und eine Vorrichtung sind in der
Diese Anmeldung wird hiermit durch Bezugnahme zu Offenbarungszwecken voll umfänglich eingegliedert.These Application is hereby fully incorporated by reference for purposes of disclosure peripherally incorporated.
Ein
Problem bei dem bekannten Verfahren besteht darin, dass zwar eine
Messung in mehreren Ortsfenstern, d. h. für verschiedene Höhenschichten, erfolgt
und damit die Rückströmung im
Querschnittsprofil aufgelöst
werden kann, dass aber mit bekannten Sensoranordnungen Probleme
insbesondere bei Messaufgaben auftreten, bei denen der Fluidstand variiert,
das heißt
die Strömung
in Fluiden bei variierenden Höhen
gemessen werden muss. Es ist vorgeschlagen worden, einen Ultraschallsensor,
der nach dem Dopplerprinzip arbeitet, unter einem Schwimmer zu befestigen,
der wiederum über
eine flexible Befestigung an einem Gelenk an einem oberen Bereich
eines Rohres angebracht ist. Wenn nun der Fluidstand im Rohr variiert,
wird der Schwimmer entsprechend nach oben steigen oder absinken.
Ein derartiges System wird in der
Aus
der
Weitere
feste Messvorrichtungen sind beispielsweise in der
Die
Aus
der
Eine
weitere Vorrichtung zum Messen des pro Zeit durch einen offenen
Kanal strömenden
Flüssigkeitsvolumens
ist aus der
Die
Aus
der
Ein
Fluidmeßgerät für Abwasser
und dergleichen mit vorgeblich minimaler Strömungsbehinderung ist weiter
aus der
Die
Die
Aus
der
Aus
der
Die
Aus
der
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Messgenauigkeit ohne komplizierte Auswertung mehrerer Signale zu erhöhen.The The object of the present invention is the measurement accuracy without increasing complicated evaluation of several signals.
Die Aufgabe wird durch die Messanordnung nach dem Anspruch 1 und das Messverfahren nach dem Anspruch 6 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen befinden sich in den Unteransprüchen.The The object is achieved by the measuring arrangement according to claim 1 and the Measuring method according to claim 6 solved. Preferred embodiments are in the subclaims.
Gemäß einem ersten wesentlichen Aspekt der Erfindung wird also bei einer Messanordnung zur Messung von Strömungen in Fluiden bei variierenden Höhen mit einem aus bestimmter Lage die Fluidströmung erfassenden Sensorkopf und einer Halterung, um den Sensorkopf in der bestimmten Lage anzuordnen, vorgeschlagen, daß die schwenkbare Halterung starr ausgebildet ist, um den Sensorkopf zumindest im wesentlichen fluidströmungsunabängig in vorbestimmtem Winkel zur Fluidoberfläche anzuordnen.According to one The first essential aspect of the invention is thus in a measuring arrangement for measuring currents in fluids at varying heights with a sensor head detecting the fluid flow from a specific position and a holder for placing the sensor head in the specific position, suggested that the pivotable support is rigidly formed to the sensor head at least Substantially fluid flow independent in predetermined Angle to the fluid surface to arrange.
Damit gibt die vorliegende Erfindung zunächst die Lehre, dass die Messgenauigkeit der Messanordnung wesentlich erhöht werden kann, indem der Sensor nicht einfach auf- und abbewegt wird, sondern dabei auch eine vorbestimmte Ausrichtung zur Fluidoberfläche eingehalten wird. Es wird weiter angegeben, wie dies auf einfache Weise erfolgen kann, nämlich durch eine spezifizierte mechanische Ausbildung der Halterung. Es ist so möglich, die Meßgenauigkeit signifikant zu erhöhen, insbesondere ohne komplizierte elektronische Auswertung mehrerer Signale oder dergleichen.In order to First, the present invention teaches that the measurement accuracy the measuring arrangement substantially increased can be done by not simply moving the sensor up and down, but while also maintaining a predetermined orientation to the fluid surface becomes. It is further stated how this can be done in a simple way, namely by a specified mechanical design of the holder. It is so possible the measuring accuracy to increase significantly in particular without complicated electronic evaluation of several Signals or the like.
Bei
dem Sensorkopf handelt es sich bevorzugt um einen solchen, mit welchem
gepulste Signale gesendet und empfangen werden, wie dies beispielsweise
aus der
Die Messanordnung ist prinzipiell dann einsetzbar, wenn die Fluidströmung in einem vorgegebenen Fluidbett geführt wird, also in Druckleitungen, Rohrleitungen oder offenen Gerinnen. Während die Ausbildung der Messanordnung für Fluidströmungsmessungen prinzipielle Vorteile bietet, ist ein bevorzugtes Anwendungsgebiet die Messung von Strömungen in Schwebstoffen enthaltenden Fluiden wie Abwässern und dergleichen, wo die Erfindung mit besonderen Vorteilen eingesetzt werden kann, weil hier die Füllstandshöhen stark variieren.The Measuring arrangement is in principle applicable when the fluid flow in guided a predetermined fluid bed is, ie in pressure pipes, pipelines or open channels. While the formation of the measuring arrangement for fluid flow measurements in principle Benefits, a preferred application is the measurement of currents in suspended matter containing fluids such as waste water and the like where the Invention can be used with particular advantages, because here the level heights are strong vary.
In einer besonders bevorzugten Variante ist der Sensorkopf an einem Schwimmer angebracht, welcher seinerseits als Teil der Halterung über starre Zwischenstücke mit einer festen Verankerung verbundne ist, insbesondere gelenkig verbunden. Der Sensorkopf kann dabei unterhalb der Fluidoberfläche angeordnet werden, insbesondere unmittelbar an der Schwimmerunterseite.In In a particularly preferred variant, the sensor head is at one Float mounted, which in turn as part of the holder via rigid spacers with a solid anchorage verbundne is connected, in particular articulated. The sensor head can be arranged below the fluid surface especially at the bottom of the float.
In einer ersten Variante wird die Halterung als vorzugsweise lotrechte Schiene gebildet, längs welcher der Schwimmer auf- und abbeweglich ist. Durch eine entsprechend längliche Führung auf der Schiene wird die starre Ankopplung des Schwimmers zur Führung und damit die gewünschte Winkelausrichtung dann erhalten.In In a first variant, the holder is preferably vertical Rail formed along which the float up and down is movable. By a correspondingly elongated guide on the rail will the rigid coupling of the float to the guide and thus the desired angular orientation then received.
Bevorzugt ist allerdings eine Halterung mit einer storchenschnabelartigen Parallelschwinge, deren eines Ende am Schwimmer angelenkt ist und deren anderes Ende an einer festen Verankerung angelenkt ist. Diese Ausbildung ermöglicht es, bei Fluidstandshöhen, die unterhalb des Anlenkpunktes an der festen Verankerung liegen, die Schwinge zumindest weitgehend aus dem Fluid zu halten. Dies ist deshalb vorteilhaft, weil so die Ablagerung von Material an der Schwinge vermieden oder doch signifikant reduziert wird und auch keine Beeinflussung der Fluidströmung insbesondere nahe des Sensorkopfes durch die Halterung zu befürchten ist. Dies gilt um so mehr, wenn der Schwimmer stromlinienförmig gebildet ist.Prefers is however a holder with a storkbeak-like Parallel rocker whose one end is hinged to the float and whose other end is hinged to a fixed anchorage. These Training possible it, at fluid levels, which lie below the point of articulation at the fixed anchorage, to keep the rocker at least largely out of the fluid. This is therefore advantageous because so the deposition of material the swingarm is avoided or significantly reduced and also no influence on the fluid flow, in particular near the Sensor head through the bracket is to be feared. This is even more so when the float is streamlined is formed.
In
eine besonders bevorzugten Variante wird der Sensor ein Mittel aufweisen,
insbesondere ein Auswertemittel, um das Strömungsprofil höhenaufgelöst zu bestimmen,
wobei insbesondere eine schichtweise Auflösung der Profile erfolgen kann.
Die Messanordnung ist demgemäß besonders
bevorzugt für
Sensoren, deren Signale ausgewertet werden wie in der
Wenn ein solches Mittel vorhanden ist, wird der Sensor bevorzugt so ausgebildet, dass die Schichthöhen veränderbar sind, so dass bei niedrigem Fluidstand die Schichten näher zusammenrücken. Dies erhöht die Messgenauigkeit weiter.If such a means is present, the sensor is preferably formed so that the layer heights variable are so that at low fluid levels, the layers closer together. This elevated the measuring accuracy continues.
Die Schichthöhenauflösungsveränderung kann im Ansprechen auf Signale eines Sensorkopfes erfolgen, der seine Signale in einem Winkel zum ersten Sensorkopf emittiert. Insbesondere kann der zur Bestimmung der Schichthöhenauflösung eingesetzte Sensorkopf, der insbesondere den Abstand zwischen Schwimmer und dem ruhenden Untergrund darunter bestimmt, senkrecht nach unten emittieren, während der für die eigentliche Fluidströmung eingesetzte Sensorkopf schräg gegen die Strömung und die Fluidoberfläche emittiert. Der zweite Sensorkopf wird typischerweise nach unten emittieren. Dann ist es möglich, die Schichthöhenauflösung abhängig von der Höhe des strömenden Fluides festzulegen. Alternativ und/oder zusätzlich ist es möglich, einen Bezug zwischen der Fluidoberfläche und einem festen, d. h. nicht mit der Halterung fluidstandsabhängig beweglichen, Bezugspunkt herzustellen. Dies ist insbesondere in Rohren sinnvoll, wo der Schwimmer eine vorgegebene Entfernung von der oberen Rohrinnenseite bei niedrigem Fluidstand aufweist. Eine Messung sowohl nach oben als auch nach unten ist dann sinnvoll, wenn erwartet wird, dass im Fluidbett Stoffe abgelagert werden. Es kann dann durch Bezugnahme auf einen festen, d. h. nicht am beweglichen Teil der Halterung fluidstandabhängig veränderlich angebrachten Bezugspunkt, sei es eine vorgegebene Höhe oberhalb der maximal erwarteten Fluidhöhe oder eine vorgegebene Entfernung zur inneren Rohroberseite, der absolute Wasserstand oberhalb des Fluidbettgrundes bestimmt werden und durch Bestimmung des Abstandes zwischen Fluidoberfläche und dem nicht mehr bewegten Fluiduntergrund die Dicke der strömenden Fluidschicht ermittelt werden. Aus einer Differenzbildung beider Werte kann dann geschlossen werden, bis zu welcher Höhe sich bereits Ablagerungen gebildet haben. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn sehr genaue Abwassermengenmessungen gewünscht sind und/oder ein Hinweis auf das Erfordernis, eine Kanalräumung durchzuführen, gewünscht wird.The Layer height resolution change can in response to signals from a sensor head made its Signals emitted at an angle to the first sensor head. Especially the sensor head used to determine the layer height resolution can in particular, the distance between the float and the dormant Underground intended to emit vertically downward, while the for the actual fluid flow inserted sensor head diagonally against the current and the fluid surface emitted. The second sensor head is typically down emit. Then it is possible the layer height resolution depends on the height of the flowing fluid set. Alternatively and / or additionally, it is possible to obtain a reference between the fluid surface and a fixed, d. H. not movable in a fluid-level-dependent manner with the holder, Make reference point. This is especially useful in pipes, where the float is a given distance from the upper pipe inside at low fluid level. A measurement both upwards as well as down is meaningful when it is expected that in the fluid bed substances are deposited. It can then be referenced on a firm, d. H. not on the moving part of the holder fluid level dependent mutable attached reference point, be it a given height above the maximum expected fluid height or a predetermined distance to the inner tube top, the absolute water level can be determined above the Fluidbettgrundes and by determining the distance between the fluid surface and the no longer moving fluid background the thickness of the flowing fluid layer be determined. From a difference of both values can then be closed, to what amount are already deposits have formed. This is particularly advantageous when very accurate Wastewater quantity measurements desired and / or an indication of the need to perform a channel clearing is desired.
Die Erfindung beschränkt sich aber nicht darauf, die Meßgenauigkeit der Anordnung nur durch die Verbesserung der Halterung zu bewirken, sondern lehrt auch, wie optimaler Nutzen aus der erhöhten Meßgeometrie gezogen werden kann, wenn Ablagerungen zu erwarten sind.The Restricted invention but not on it, the accuracy to effect the arrangement only by improving the holder but also teaches how optimal benefit from the increased measurement geometry can be pulled when deposits are expected.
Dazu wird ein Meßverfahren vorgeschlagen, bei welchem zur Messung von Fluidströmungen in Fluiden mit variierendem Fluidstand und/oder variierenden Ablagerungen am Fluidbettgrund, wozu Meßsignale in Richtung auf den Fluidbettuntergrund gerichtet werden, um aus den rücklaufenden Signalen auf die Strömungsgeschwindigkeit zu schliessen, vorgesehen ist, daß die Höhe des Sensors über dem nichtfließenden Fluidbettgrund bestimmt wird, diese Höhe in eine Anzahl von Schichten unterteilt wird und eine Fluidströmungsmessung für diese Schichtung durchgeführt wird, so daß sich eine von der Höhe des Sensors über dem nichtfließenden Fluidbett abhängige Schichtdicke ergibt.To becomes a measuring method proposed, in which for the measurement of fluid flows in fluids with varying fluid level and / or varying deposits on the Fluid bed reason, including measurement signals directed in the direction of the fluid bed substrate to off the returning one Signals on the flow velocity to close, it is provided that the height of the sensor above the non-flowing fluid bed bottom it is determined this height is divided into a number of layers and a fluid flow measurement for this Layering performed will, so that one of the height of the sensor the non-flowing one Fluid bed dependent Layer thickness results.
Dieses Meßverfahren ist zunächst prinzipiell überall da interessant, wo in Fluiden Ablagerungen usw. auftreten können. So kann es vorteilhaft mit Sensoren verwendet werden, die fest in Rohrwände, Düker und dergl. eingebaut sind. Das Verfahren nutzt aber zugleich in optimaler Weise die korrekte geometrische Ausrichtung des Sensors, in welcher der Sensor in vorbestimmter Ausrichtung zur Fluidoberläche gehalten wird.This measurement methods is first basically everywhere interesting as where deposits of fluids etc. can occur in fluids. So It can be used to advantage with sensors that are fixed in pipe walls, culverts and the like are installed. The method uses but at the same time in optimal Determine the correct geometric orientation of the sensor in which the sensor is held in a predetermined orientation to the fluid surface becomes.
Es ist prinzipiell möglich, die Höhe über Grund mit dem selben Sensor zu bestimmen, mit welchem auch die Strömungsgeschwindigkeit erfaßt wird. Dies ist möglich, indem z. B. ein gepulst Ultraschallsignale schräg gegen den Fluidbettuntergrund emittierenden Sensor verwendet wird, der aus der Zeitsignatur des Echosignals auf die Strömungsgeschwindigkeiten schließt. Es kann dabei vorgesehen werden, daß jenen unteren Schichthöhen, bei denen eine Fließgeschwindigkeit unterhalb eines vorgegebenen Grenzwertes bestimmt wird, als nichtfließend und damit als stehender Fluidbettuntergrund identifiziert werden. Die verbleibenden Schichten können dann neu aufgeteilt werden. Bevorzugt ist allerdings, wenn ein dedizierter Sensor vorgesehen ist, anhand dessen Signal auf die Höhe des Sensors über dem Fluidgrund geschlossen werden kann.It is possible in principle, the height above ground to determine with the same sensor, with which also the flow velocity is detected. This is possible, by z. B. a pulsed ultrasonic signals emitted obliquely against the fluid bed background Sensor is used, from the time signature of the echo signal on the flow rates closes. It can be provided that those lower layer heights, at which has a flow velocity is determined below a predetermined limit, as non-flowing and thus identified as a standing fluid bed substrate. The remaining layers can then be redistributed. Preference is, however, if a dedicated Sensor is provided, based on the signal to the height of the sensor above the fluid bottom can be closed.
Dies erhöht die Sicherheit, mit welcher Ablagerungen von ruhig fließendem Fluid unterscheidbar sind.This elevated the security with which deposits of still flowing fluid are distinguishable.
Besonders bevorzugt ist es, wenn die Höhe über Grund gegen einen festen Bezug bestimmt wird, um zwischen dem absoluten Fluidbettuntergrund und Ablagerungen zu unterscheiden. Dazu kann ein Sensor unbeweglich oberhalb der Fluidoberfläche fest angeordnet werden und deren Höhe messen; durch einen weiteren Sensor im Fluid, der nach unten mißt, kann dann unter Differenzbildung die Ablagerungshöhe bestimmt werden. Alternativ und/oder zusätzlich ist es möglich, den Sensor am Schwimmer beweglich zu halten und seine Entfernung zu einem fluidunabhängigen Bezugspunkt, beispielsweise einem oberen Rohrscheitel, zu bestimmen.Especially it is preferred when the height above ground against a fixed reference is determined to be between the absolute Fluid bed substrate and deposits to distinguish. This can a sensor immovably fixed above the fluid surface and their height measure up; through another sensor in the fluid, which measures down then the difference between the deposition height can be determined. alternative and / or additionally Is it possible, to keep the sensor moving on the float and its distance to a fluid independent Reference point, for example, an upper pipe peak to determine.
Die Erfindung wird im folgenden nur beispielsweise anhand der Zeichnungen beschrieben. In dieser zeigt:The Invention will now be described by way of example only with reference to the drawings described. In this shows:
Nach
Die
Messanordnung
Bei
dem Fluid
Der
Sensor
Die
Halterung
Die Auswerteschaltung (nicht gezeigt) ist dazu ausgebildet, die Strömung des Fluids schichtweise zu erfassen und die Dicke der Schichten, für welche die Erfassung jeweils erfolgt, zu verändern.The Evaluation circuit (not shown) is adapted to the flow of the Layer by layer to record fluids and the thickness of the layers for which the detection takes place in each case, to change.
Die
Messanordnung wird verwendet wie folgt:
Zunächst wird die Entfernung l
zwischen dem Schwimmer und dem oberen Rohrscheitel ermittelt. Dazu
werden, von dem Sensor
First, the distance l between the float and the upper pipe apex is determined. To do this, from the sensor
Im
Ansprechen auf die bestimmte Höhe
h des Fluidstandes wird dann eine Aufteilung der Fluidhöhe in 16
gleiche Teile vorgenommen und mit dem Sensorkopf
Steigt
nun der Fluidstand an, so verringert sich die Entfernung des Schwimmerkörpers
Die Summe der Grössen h und l ergibt wiederum den Rohrdurchmesser, was anzeigt, dass keine Ablagerungen im Rohr vorhanden sind. Es wird nach dem Ansteigen des Fluidstandes wiederum die Veränderung der Grössen h und l bestimmt und eine Anpassung der Schichthöhendicken vorgenommen und wiederum mit jetzt größeren Schichtdicken eine Messung des Strömungsprofiles für 16 verschiedene Höhen durchgeführt. Aus dem Strömungsprofil und dem bekannten Rohrdurchmesser wird dann die neuerliche Gesamtströmungsmenge präzise bestimmt.The Sum of the sizes h and l again gives the pipe diameter, indicating that none Deposits are present in the pipe. It will after the rise the fluid level in turn the change in the sizes h and l determined and made an adjustment of the layer height thicknesses and turn with now larger layer thicknesses a measurement of the flow profile for 16 different heights carried out. From the flow profile and the known pipe diameter then becomes the new total flow rate precise certainly.
Lagern
sich nun Stoffe unterhalb des Sensors
Die
Distanz zwischen dem Sensor
Tritt
ein Defekt im Sensor
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