DE10158947A1

DE10158947A1 - Vorrichtung zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit und/oder des Durchflusses eines Fluids

Info

Publication number: DE10158947A1
Application number: DE2001158947
Authority: DE
Inventors: Matthias Wehmeier; Toralf Dietz; Arnd Schlicke
Original assignee: Sick AG
Current assignee: Sick AG
Priority date: 2001-12-03
Filing date: 2001-12-03
Publication date: 2003-06-12

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit und/oder des Durchflusses eines Fluids durch eine Rohrleitung (13), mit Messkörpern (20, 22, 24, 26), die jeweils paarweise in einer Rohrwandung (18) angeordnet sind und jedes einen Messpfad (30, 32, 34, 36) definiert, der jeweils in einem Winkel (alpha) ungleich 0 DEG zu einer Ebene (E) liegt, die sich senkrecht zur Längsachse (60) der Rohrleitung (13) erstreckt. Um eine verbesserte Vorrichtung bereitzustellen, die strömungsunempfindlicher ist und mit der durch Strömungsstörungen bedingte Messfehler weiter reduziert werden können, wird vorgeschlagen, dass sämtliche Messpfade (30, 32, 34, 36) in einer gemeinsamen Ebene (S) angeordnet sind und/oder dass sämtliche Messpfade (30, 32, 34, 36) parallel zueinander verlaufend angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit und/oder des Durchflusses eines Fluids gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
In der Prozessdurchflussmesstechnik sind verschiedene Messverfahren und Messvorrichtungen bekannt.
Häufig werden mechanische Turbinenradzähler eingesetzt, mit denen relativ genau der Durchfluss gemessen werden kann.
Zunehmend werden für die Durchflussmessung auch Ultraschallzähler eingesetzt. Ein solcher ist aus der EP 0 125 845 B1 bekannt und weist paarweise angeordnete Ultraschallwandler auf, wobei jedes Paar einen Messpfad definiert, der in einem nicht senkrechten Winkel zur Längsachse liegt, so dass die gesendeten und empfangenen Ultraschallsignale in einem bestimmten Winkel ungleich 90° zur Strömungsrichtung wandern. Das Messprinzip besteht in einer Bestimmung einer Laufzeitdifferenz zweier Ultraschallsignale, die einmal eine Komponente in Strömungsrichtung und einmal eine Komponente entgegen der Strömungsrichtung aufweisen. Aus der gemessenen Laufzeitdifferenz lässt sich die Strömungsgeschwindigkeit berechnen. Um den Durchfluss präzise bestimmen und Geschwindigkeitsvariationen über den Querschnitt berücksichtigen zu können, wird durch Integration über mehrere Messpfade eine mittlere Strömungsgeschwindigkeit bestimmt.
Auch bei Integration über mehrere Messpfade wird nach dem Stand der Technik nur dann eine hohe Genauigkeit erreicht, wenn das Strömungsprofil im Rohr nur axiale Komponenten besitzt, was sich nur dann einstellt, wenn eine genügend lange Einlaufstrecke zur Verfügung steht, in der sich das ungestörte Strömungsprofil ausbilden kann. Die Installation von Durchflussmessgeräten, z. B. in Verdichterstationen zur Erdgasversorgung, lässt solche Einlaufstrecken nicht zu. Durch Rohrkrümmer, T-Stücke oder dergleichen werden ausgeprägte Störungen des Strömungsprofils verursacht. Die nicht-axialen Komponenten solcher Störungen führen zu erheblichen Fehlern in der Messung. Zur Reduzierung der Fehler schlägt die EP 0 125 845 B1 vor, die Messpfade gekreuzt anzuordnen und so zu zwei Messpfaden in einer Hälfte der Rohrleitung, korrespondierende Messpfade in der anderen Hälfte in einem entgegengesetzten Winkel anzuordnen.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung bereitzustellen, die strömungsunempfindlicher ist und mit der durch Strömungsstörungen bedingte Messfehler weiter reduziert werden können.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Nach der Erfindung sind in einer ersten Ausführungsform sämtliche Messpfade in einer gemeinsamen Ebene angeordnet. Dies führt dazu, dass die Ergebnisse der Messung für den Durchfluss erheblich geringere Abweichungen von dem tatsächlichen Wert haben, als bei bekannten Messpfadanordnungen. Dies haben Untersuchungen der Anmelderin ergeben. Nach den Untersuchungen der Anmelderin zu urteilen, werden durch die Anordnung mehrerer Messpfade in einer Ebene, die nicht-axialen Strömungskomponenten derart berücksichtigt, dass nach Integration über die Messpfade die störenden nicht-axialen Strömungskomponenten ganz oder zumindest teilweise kompensiert werden. Wie die Untersuchungen ergeben haben gilt dies insbesondere für Strömungsstörungen, wie Drallstörungen (im Englischen und in der Fachsprache auch "swirl" genannt). Diese Störungen haben den großen Nachteil, das sie "langlebig" sind, sich also über eine größere Strecke der Rohrleitung erstrecken und nur langsam abklingen im Gegensatz zu kleineren, lokalen Störungen, die in Strömungsrichtung schnell abklingen.
Gleiches gilt für eine alternative Ausführungsform, in der sämtliche Messpfade parallel aber in Strömungsrichtung versetzt zueinander verlaufen, wobei die besten Ergebnisse erhalten werden, wenn die parallel verlaufenden Messpfade auch in einer gemeinsamen Ebene liegen.
Weitere Verbesserungen ergeben sich, wenn die Messpfade in einer Richtung senkrecht zur Längsachse geeignet angeordnet sind, wenn eine gerade Anzahl von Messpfaden vorgesehen sind, wenn zumindest 4 Messpfade realisiert werden und/oder wenn die Messpfade symmetrisch zu einer Rohrmittelebene angeordnet sind, da mit diesen Bedingungen der gesamte Rohrquerschnitt besser erfasst wird.
In einer konstruktiv einfachen Ausgestaltung der Erfindung sind die Messkörper in auf zwei gemeinsamen, diametral gegenüberliegenden Aufnahmeflächen vorgesehenen Aufnahmen festlegbar.
In einfachster Weise wird eine präzise Ausrichtung der Messkörper erreicht, wenn die Messrichtung der Messkörper senkrecht zur jeweiligen Aufnahmefläche ist, weshalb vorteilhafterweise die Aufnahmeflächen-Normalen parallel zur Messpfadrichtung liegen. In dieser Ausbildung der Erfindung können gerade abstrahlende Ultraschallsonden eingesetzt werden, wobei in einfachster Weise durch die in einem Winkel zur Messaufnehmerachse angeordneten ebenen Aufnahmeflächen die exakte Abstrahl- bzw. Empfangsrichtung der Ultraschallsignale gewährleistet ist.
Die Sondenaufnahmen sind in einfachster Weise realisierbar, indem in die Aufnahmeflächen lediglich die entsprechenden, die Aufnahmen bildenden Bohrungen eingebracht werden können. Aufwendiges Schweißen, das einen thermischen Verzug bewirkenden kann und ein aufwendiges Prüfverfahren nach sich zieht, kann entfallen. Dadurch können die Sonden in einfachster Weise in den Messaufnehmer eingebracht werden und sind in einfachster Weise hochpräzise positionierbar.
Um gänzlich auf ein Schweißen verzichten zu können, ist das Rohrleitungsstück mit den Anschlussflanschen einstückig ausgebildet und vorzugsweise in einem Gießverfahren vorgefertigt. Ein derart monolithisch ausgebildeter Messaufnehmer muss dann lediglich durch mechanische Nachbearbeitung in die gewünschte Form gebracht werden, wobei die Nachbearbeitung an den Stellen des Messaufnehmers vorgenommen wird, an denen eine hohe Präzision und/oder eine Oberfläche mit definierter Rauheit erforderlich ist, wie beispielsweise die Aufnahmeflächen mit den Messkörperaufnahmen.
Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Aufnahmeflächen ist an einer aufnahmeflächenfreien Seite des Rohrleitungsstücks ausreichend Platz gehalten für die Anordnung einer Signalauswerteeinheit. Es ist dann keine separate Halterung notwendig. Die Signalauswerteeinheit kann direkt an das Rohrleitungsstück des Messaufnehmers befestigt, beispielsweise geschraubt, werden.
Um die Messaufnehmer schützen zu können, sind diese mit wenigstens einer Kappe abdeckbar, wobei die Kappe vorzugsweise auch jeweils die zum Messkörper zugehörige Verbindung zumindest auf einem Teil ihrer Länge abdeckt. Vorteilhaft einfach ist es, wenn die Kappe die gesamte Aufnahmefläche zusammen mit den Messkörpern und den Verbindungskabeln abdeckt. Eine solche Abdeckung bietet einen guten Schutz gegen Umwelteinflüsse und Beschädigungen, so dass eine derart ausgebildete Vorrichtung im Feld besser handhabbar ist.
Bevorzugt wird die erfindungsgemäße Vorrichtung als Gaszähler eingesetzt.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung im Einzelnen erläutert. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ohne eingesetzte Messkörper;
Fig. 2 und 3 Querschnitte entlang der Linien II-II und III-III aus Fig. 1;
Fig. 4 eine perspektivische Ansicht der entlang der Linie S aus Fig. 1 geschnittenen Vorrichtung;
Fig. 5 eine Ansicht einer Kappe;
Fig. 6 einen Querschnitt der Kappe aus Fig. 5;
Fig. 7 und 8 Messergebnisse der erfindungsgemäßen Vorrichtung und von Vorrichtungen nach dem Stand der Technik.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung 10 weist einen Messaufnehmer 12 auf, der aus einem zwischen Anschlussflanschen 14 und 16 angeordnetem Rohrleitungsstück 13 besteht. Das Rohrleitungsstück 13 ist in seinem Inneren vorzugsweise kreisrund mit einer Nennweite D ausgebildet entsprechend einer an die Anschlussflansche 14 und 16 anzuschließenden, nicht näher dargestellten Rohrleitung für ein Fluid. Des weiteren weist die Vorrichtung 10 in einer Rohrwandung 18 jeweils paarweise gegenüberliegend angeordnete Messkörper 20, 22, 24, 26, auf, von denen in der Zeichnung (Fig. 2 und 3) nur einige dargestellt sind. Die Messkörper, die beispielsweise Ultraschallwandler sein können und im Folgenden kurz Sonden genannt werden, definieren Messpfade 30, 32, 34, 36 wie weiter unten beschrieben wird (Fig. 4). Zur Signalauswertung weist die Vorrichtung 10 eine Auswerteeinheit 72, die in Fig. 1 schematisch dargestellt ist, auf.
Die Sonden 20, 22, 24, 26 sind gehalten in Sondenaufnahmen 40, 42, 44, 46, 48, 50, 52, 54, die als Bohrungen in zwei ebenen Aufnahmeflächen 56 und 58 der Rohrwandung 18 ausgebildet sind. Die Aufnahmeflächen 56 und 58 verlaufen parallel zueinander und sind in einem Winkel zur Längsachse 60 des Rohrleitungsstücks 13, die auch die Messaufnehmer- und Strömungsachse bildet, angeordnet (Fig. 2 und 3).
Jeweils gegenüberliegende Sondenaufnahmen 40-48, 42-50, 44-52, 46-54 fluchten exakt miteinander, so dass die in die Sondenaufnahmen eingesetzten Sonden 20, 22, 24, 26 zueinander ausgerichtet sind und die Messpfade 30, 32, 34, 36 definieren (Fig. 4). Dabei senden und empfangen die Sonden den Ultraschall geradlinig in ihrer Längsrichtung entlang des jeweiligen Messpfades 30, 32, 34, 36. Damit verlaufen sämtliche Messpfade dieses Ausführungsbeispiels parallel zueinander und liegen in einer gemeinsamen Ebene S (Fig. 4). Jeder Messpfad liegt in einem Winkel α zu einer Ebene E, die sich senkrecht zur Längsachse 60 erstreckt.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt der Winkel zwischen einer Flächennormalen der Aufnahmeflächen 56, 58 und der Längsachse 60 ca. 60° (Fig. 2 und 3). Andere Winkel sind möglich.
Die spezielle Anordnung der Messpfade 30, 32, 34, 36 ist ein wesentliches Element der Erfindung. Wie bereits erläutert liegen die Messpfade 30, 32, 34, 36 in der gemeinsamen Ebene S und/oder verlaufen alle parallel zueinander. In Richtung senkrecht zur Längsachse 60 sollten die Messpfade 30, 32, 34, 36 vorzugsweise derart angeordnet sein, das nach dem Stand der Technik bekannte numerische Integrationsverfahren angewendet werden können, wie dies Fig. 4 zeigt.
An seiner Oberseite 70 ist der Messaufnehmer 12 abgeflacht ausgebildet, so dass dort die Auswerteeinheit 72 über einen Befestigungsflansch 74 befestigbar ist. Über geeignete Kabelverbindungen, die in der Zeichnung nicht dargestellt sind, sind die Sonden mit der Auswerteeinheit 72 verbindbar. Die Kabel können durch eine Bohrung 76 geführt werden (Fig. 1).
Weiter ist für jede Aufnahmefläche 56, 58 eine Kappe 80, wie sie beispielsweise in den Fig. 5 und 6 dargestellt ist, vorgesehen, mit dem die Sonden und auch die Kabel abdeckbar sind. Die Kappen 80 können in geeigneter Weise, beispielsweise durch jeweils vier Schrauben, an das Rohrleitungsstück 12 festlegbar sein. Die Kappen 80 sind vorzugsweise derart dimensioniert, dass ihre Außenränder 82 entlang der Ränder der jeweiligen Aufnahmeflächen verlaufen und somit durch die Kappen 80 jeweils die gesamte Aufnahmefläche abdeckbar ist.
Der Messaufnehmer 12 ist einstückig ausgebildet, d. h. das Rohrleitungsstück 13 mit den Anschlussflanschen 14 und 16 und den Sondenaufnahmen 40, 42, 44, 46, 48, 50, 52, 54 sind aus einem Stück Material gebildet und nicht durch Schweißen oder dergleichen Verbindung aus Einzelteilen zusammengesetzt. Bevorzugt wird der Messaufnehmer 12 in einem Gießverfahren vorgefertigt und anschließend werden die Bereiche, die präzise gefertigt sein müssen, wie z. B. die Aufnahmeflächen 56, 58 mit den Sondenaufnahmen 40, 42, 44, 46, 48, 50, 52, 54 durch mechanische Bearbeitung präzise geformt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit und/oder des Durchflusses eines Fluids wird bevorzugt als Gaszähler eingesetzt.
Der durch das Innere des Messaufnehmers 12 strömende Fluiddurchfluss wird bestimmt, indem die Laufzeitdifferenz der Ultraschallsignale in und entgegen der Strömungsrichtung gemessen wird und aus dieser Differenz die Strömungsgeschwindigkeit und damit der Durchfluss ausgerechnet wird. Die Ultraschallsonden dienen dabei sowohl als Sender wie auch als Empfänger, so dass jeder Messpfad von den Ultraschallsignalen in beiden Richtungen genutzt wird.
Damit Inhomogenitäten im Strömungsprofil über den Querschnitt nicht das Ergebnis verfälschen, sind mehrere Messpfade vorgesehen, die das Strömungsprofil an unterschiedlichen Stellen, also mit unterschiedlichem Abstand zur Messaufnehmerachse 60 abtasten. Aus den Einzelergebnissen für die Messpfade ergibt sich durch geeignete Integrationsverfahren der Durchfluss.
Die oben beschriebene erfindungsgemäße Anordnung der Messpfade 30, 32, 34, 36 wurde in Versuchsmessungen getestet. In den Messergebnissen zeigen sich die besonderen Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10. Die Versuchsmessungen werden im Folgenden erläutert:
Es wurde in einer Rohrleitung mit einem Drallblech eine "langlebige" Strömungsstörung erzeugt, wie sie typischerweise in Rohrleitungen, z. B. nach einer Krümmung oder einem T-Stück auftritt. Das Drallblech verursacht einen Drall (Wirbel) in der Strömung und damit nicht-axiale Strömungskomponenten, die sich über den gesamten Rohrdurchmesser erstreckten.
Dann wurde bei verschiedenen eingestellten Durchflüssen jeweils der Durchfluss von drei verschiedenen Messpfadanordnungen mit einer Referenzmessung verglichen.
Die erste Anordnung entsprach dem Stand der Technik, nämlich der aus der EP 0 125 845 B1 bekannten Anordnung, in der nämlich vier Messpfade vorgesehen sind, wobei jeweils zwei parallel verlaufend in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind und diese Ebenen sich kreuzen und wobei jeweils benachbarte (in Richtung der Schnittlinie der Ebenen benachbarte) Messpfade nicht in derselben Ebene liegen.
Die zweite Anordnung war ähnlich wie die erste aufgebaut, jedoch lagen die beiden inneren Messpfade in einer Ebene und die beiden äußeren in einer anderen Ebene.
Die dritte Anordnung entsprach der Erfindung entsprechend der Zeichnung.
In den Fig. 7 und 8 sind die Ergebnisse der Messungen dargestellt, wobei jeweils die prozentuale Abweichung der Messergebnisse der ersten, zweiten und dritten Anordnung von den Referenzmesswerten, gegen den Referenzdurchfluss aufgetragen sind. Die Kurven 90 entsprechen der ersten Anordnung, die Kurven 92 der zweiten Anordnung und die Kurven 94 der erfindungsgemäßen Anordnung. Den Messergebnissen aus Fig. 7 lag eine Strömung zugrunde, die mit einem Drallblech gestört wurde, das um einen Winkel von nur 5° verdreht war. Entsprechendes gilt für Fig. 8 mit einem Drallblech, das um einen Winkel von 10° verdreht war. Den Messergebnissen der Fig. 7 und 8 lagen also verschieden starke Störungen zugrunde.
Wie die Messergebnisse eindrucksvoll zeigen, weisen die Messergebnisse, die mit der erfindungsgemäßen Anordnung erzielt wurden, eine erheblich kleinere Abweichung von den Referenzwerten auf, als die Messergebnisse nach dem Stand der Technik. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist damit störungsunempfindlicher und kann exaktere Durchflussmessergebnisse liefern oder anders ausgedrückt, benötigt die erfindungsgemäße Vorrichtung kleinere Einlaufstrecken und ist damit vielseitiger einsetzbar.

Claims

1. Vorrichtung zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit und/oder des Durchflusses eines Fluids durch eine Rohrleitung (13), mit Messkörpern (20, 22, 24, 26), die jeweils paarweise in einer Rohrwandung (18) angeordnet sind und jedes Paar einen Messpfad (30, 32, 34, 36) definiert, der jeweils in einem Winkel (α) ungleich 0° zu einer Ebene (E) liegt, die sich senkrecht zur Längsachse (60) der Rohrleitung (13) erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass sämtliche Messpfade (30, 32, 34, 36) in einer gemeinsamen Ebene (S) angeordnet sind.

2. Vorrichtung zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit und/oder des Durchflusses eines Fluids durch eine Rohrleitung (13), mit Messkörpern (20, 22, 24, 26), die jeweils paarweise in einer Rohrwandung (18) angeordnet sind und jedes Paar einen Messpfad (30, 32, 34, 36) definiert, der jeweils in einem Winkel (α) ungleich 0° zu einer Ebene (E) liegt, die sich senkrecht zur Längsachse (60) der Rohrleitung (13) erstreckt, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sämtliche Messpfade (30, 32, 34, 36) parallel zueinander verlaufend angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Messpfade (30, 32, 34, 36) in einer Richtung senkrecht zur Längsachse (60) so angeordnet sind, dass numerische Integrationsverfahren angewendet werden können.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine gerade Anzahl von Messpfaden (30, 32, 34, 36), bevorzugt vier, vorgesehen ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messpfade (30, 32, 34, 36) symmetrisch zu einer Rohrmittelebene () angeordnet sind.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messkörper (20, 22, 24, 26) in auf zwei Aufnahmeflächen (56, 58) vorgesehenen Aufnahmen (40, 42, 44, 46, 48, 50, 52, 54) festlegbar sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmeflächen-Normalen (N) parallel zur Messpfadrichtung liegen.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die die Messkörper (20, 22, 24, 26) aufweisende Rohrleitung (13) zusammen mit Anschlussflanschen (14 und 16) einen Messaufnehmer (12) bildet, der einstückig ausgebildet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Messaufnehmer (12) in einem Gießverfahren vorgefertigt ist.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an einer aufnahmeflächenfreien Seite (70) der Rohrleitung (13) eine Signalauswerteeinheit (72) angeordnet werden kann.

11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messkörper mit wenigstens einer Kappe (80) abdeckbar sind, wobei die Kappe (80) vorzugsweise alle Messkörper auf einer Aufnahmefläche (56 bzw. 58) gemeinsam abdeckt.

12. Verwendung einer Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche als Gaszähler.