DE102004019521B4

DE102004019521B4 - Durchflussmessgerät

Info

Publication number: DE102004019521B4
Application number: DE200410019521
Authority: DE
Inventors: Michael Dipl.-Ing. Lutz; Daniel Dr.sc.nat. Matter; Beat Dipl.-Ing. Kramer
Original assignee: ABB AG Germany
Current assignee: Diehl Metering GmbH
Priority date: 2004-04-22
Filing date: 2004-04-22
Publication date: 2011-05-12
Anticipated expiration: 2024-04-23
Also published as: DE102004019521A1

Abstract

Durchflussmessgerät zur Messung der Durchflussrate eines Fluides in einem Hauptströmungsrohr (2) mittels eines in einem Bypass (3) angeordneten Durchflusssensors (9), bei dem, angetrieben durch eine Druckdifferenz Δp zwischen einer Bypassein- und Austrittsöffnung (5, 7), von dem zu messenden Hauptstrom (13) ein Teilstrom (11) durch den Bypass (3) geleitet ist, wobei die Bypassein- und Austrittsöffnung (5, 7) im Wirkungsbereich eines in dem Hauptströmungsrohr (2) eingefügten Strömungsformers (20) angeordnet sind, der aufeinanderfolgende Zonen (22, 24, 23) unterschiedlicher Strömungsformierung umfasst, der wenigstens eine turbulenzerzeugende Zone (Turbulator) (22, 23) und eine turbulenzvermindernde Zone (Laminator) (24) umfasst, wobei die turbulenzerzeugende Zone (22) in Strömungsrichtung vor der turbulenzvermindernden Zone (24) angeordnet ist, und in seinem Wirkungsbereich die Strömung so formiert, dass das Verhältnis zwischen der Druckdifferenz Δp und der Durchflussrate im Hauptströmungsrohr (2) annähernd linear über einen weiten Bereich der Durchflussrate ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Durchflussmessgerät zur Messung der Durchflussrate eines Fluides in einem Hauptströmungsrohr mittels eines in einem Bypass angeordneten Durchflusssensors.
Durchflussmessgeräte dienen dazu, die Durchflussrate eines fluiden Mediums, beispielsweise einer Flüssigkeit oder eines Gases, in einem Hauptströmungsrohr zu messen. Die gemessene Durchflussrate ist dabei primär der Volumenstrom, ausgedrückt in Volumen pro Zeit. Bei Kenntnis der Dichte des fluiden Mediums und der Rohrleitungsgeometrie kann daraus auch der Massenstrom, ausgedrückt in Masse pro Zeit, errechnet werden. Der eigentliche Messvorgang ist dabei die Wandlung der physikalischen Größe Durchfluss in ein technisch weiterverwertbares Signal einer anderen physikalischen Größe, beispielsweise in eine elektrische Spannung oder Frequenz. Diese Wandlung geschieht in einem Durchflusssensor, welcher in einer verbreiteten Art von Durchflussmessern in einem Bypass zum Hauptströmungsrohr angeordnet ist.
Dabei wird an einer Bypasseingangsöffnung von dem Hauptstrom ein Teilstrom abgezweigt und durch eine Bypassleitung über die Bypassaustrittsöffnung stromabwärts wieder dem Hauptstrom zugeführt. Grundvoraussetzung für eine genaue Messung ist dabei, dass in dem betrachteten Messbereich der Teilstrom-Durchfluss in einem konstanten Verhältnis zum Hauptstrom-Durchfluss steht. Anders ausgedrückt sind gattungsgemäße Durchflussmesser auf solche Messbereiche beschränkt, in denen zumindest ein monotones, besser noch ein konstantes Verhältnis zwischen dem Hauptstrom-Durchfluss und dem Teilstrom-Durchfluss besteht.
Die Antriebskraft für den Teilstrom-Durchfluss ist eine Druckdifferenz Δp zwischen der Bypassein- und Austrittsöffnung. In dem Bypassrohr selbst herrschen laminare Strömungsverhältnisse. Bei laminaren Strömungen ist bekanntermaßen der Teilstromdurchfluss proportional zur Druckdifferenz zwischen Bypasseintritts- und Austrittsöffnung (bei turbulenten Strömungen ist dies hingegen nicht der Fall). Der allein aufgrund der Rohrlänge zwischen Bypassein- und Austrittsöffnung im Hauptströmungsrohr vorhandene Druckabfall reicht in der Regel jedoch nicht aus, um einen Teilstrom durch den Bypass zu treiben. Daher sind bei gattungsgemäßen Durchflussmessern im Hauptstrom zusätzlich Druckabfall-Erzeuger, meistens Verengungen, wie beispielsweise Blenden, eingebracht, um eine hinreichende Druckdifferenz Δp aufzubringen.
Solche Druckabfall-Erzeuger haben allerdings meistens die Eigenschaft, dass zwischen dem Durchfluss und der Druckdifferenz Δp ein nichtlinearer Zusammenhang besteht. Im Beispielfall einer Blende steigt beispielsweise der Druckabfall Δp quadratisch mit dem Durchfluss an. Der Durchflussbereich, in dem eine hinreichend große, lineare Änderung des Druckabfalls Δp mit dem Durchfluss vorhanden ist, ist dabei auf einen kleinen Teilbereich des gesamten Durchflussbereiches beschränkt.
Wichtige Kennzahlen zur Beurteilung der Eigenschaften eines Durchflussmessers sind der Messbereich (derjenige Bereich zwischen einem unteren und einem oberen Durchfluss, in dem das Durchflussmessgerät innerhalb einer spezifizierten Toleranz arbeitet) und die Messspanne (die Differenz zwischen dem Messbereichsanfang und dem Messbereichsende) oder der Dynamikbereich (der Quotient aus Messbereichsende und Messbereichsanfang). Wird beispielsweise eine Blendenanordnung als Druckabfall-Erzeuger verwendet, so ist wegen des quadratischen Zusammenhangs zwischen dem Druckabfall Δp und dem Durchfluss bei einem hohen Dynamikbereich die Empfindlichkeit im unteren Durchflussbereich sehr gering, weswegen solche Durchflussmessgeräte einen beschränkten Dynamikbereich in der Größenordnung von typischerweise 10:1 haben.
Insbesondere für industrielle Anwendungen von Durchflussmessgeräten der gattungsgemäßen Art ist ein möglichst großer Durchflussmessbereich und ein möglichst großer Dynamikbereich anzustreben.
In der EP 1 119 744 B1 ist ein Gaszähler für den Haushaltsbereich beschrieben, bei dem ein thermischer Strömungssensor in einem Bypass angeordnet ist, mit einer Blendenanordnung im Hauptströmungsrohr, und der auf die in dem Haushaltsbereich sehr geringen Gasdurchflussraten beschränkt ist.
Aus der US 5,357,793 A ist eine Durchflussmesseinrichtung mit einem vom Hauptströmungskanal abzweigenden Bypasskanal bekannt, in dessen Verlauf eine Messeinrichtung vorgesehen ist und dessen Ein- und Austrittsöffnung im Wirkungsbereich eines im Hauptströmungskanal angeordneten Strömungsformers angeordnet sind.
Weiterhin ist aus der EP 1 369 672 A1 eine Durchfluss-Messvorrichtung mit einem vom Hauptströmungskanal abzweigenden Bypasskanal bekannt, in deren Hauptströmungskanal ein Druckabfall-Erzeugungsmittel angeordnet ist, dem eine Siebanordnung vorgelagert ist. Diese Siebanordnung besteht aus einer Mehrzahl von aufeinanderfolgenden Siebscheiben, denen die Wirkungen zugeschrieben werden, das Strömungsprofil des Druckmediums zu vergleichmäßigen und den aktuellen Strömungsquerschnitt zu vergrößern.
Die US 6,655,207 B1 offenbart eine Durchfluss-Messvorrichtung mit einem vom Hauptströmungskanal abzweigenden Bypasskanal, in deren Hauptströmungskanal ein Durchflussbegrenzer angeordnet ist. Diesem Durchflussbegrenzer können jeweils eine Blende vor- und nachgeordnet sein, die der weiteren Laminarisierung und Vergleichmäßigung der Strömung dienen.
Schließlich lehrt die US 5,750,892 A eine Durchfluss-Messvorrichtung mit einem Laminar-Flow-Element im Hauptströmungskanal, das im Bereich eines abzweigenden Bypasskanals angeordnet ist. Dem Laminar-Flow-Element ist eine Siebanordnung mit einem Konus vorgelagert, denen die Wirkung zugeschrieben wird, die Strömung zu vergleichmäßigen und den Strömungsquerschnitt auszufüllen.
Aus dem Buch Göpel et al., Sensors-a comprehensive Survey, Vol. 7, p. 412–413, VCH Weinheim 1994 ist ein Durchflussmesser mit Bypass bekannt, bei dem ein laminarer Flussabschnitt im Hauptströmungsrohr von dem Bypass umgangen wird. Ein kommerzielles Gerät basierend auf diesem Prinzip wird von der Firma Chell (Chell Instruments Ltd, Folgate House, Folgate Road, North Walsham, Norfolk, NR28 0AJ, England) unter der Bezeichnung Model 825 Mass flow controller angeboten. Problematisch hierbei ist die Beschränkung auf die laminare Strömungsart im Hauptströmungsrohr. Bei hohen Durchflussraten wird die laminare Strömung in eine turbulente Strömung übergehen, dann sind solche Geräte nicht mehr einsetzbar.
In der Lüftungs- und Klimatechnik wird die Durchflussmessung im Bypass bei Hauptströmungsrohren mit sehr großen Durchmessern, im Bereich von mehreren Metern, angewandt. Dort sind zwar die Strömungsgeschwindigkeiten des Fluides Luft sehr klein, wegen der großen Hauptrohrdurchmesser ist aber die Durchflussrate sehr hoch und die Strömung ist immer turbulent.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein gattungsgemäßes Durchflussmessgerät zu schaffen, das die Nachteile des Standes der Technik überwindet und insbesondere einen größeren Dynamikbereich unabhängig von der Strömungsart im Hauptströmungsrohr aufweist.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Durchflussmessgerät mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1.
Erfindungsgemäß sind also die Bypassein- und Austrittsöffnungen im Wirkungsbereich eines in dem Hauptströmungsrohr eingefügten Strömungsformers angeordnet, der aufeinanderfolgende Zonen unterschiedlicher Strömungsformierung umfasst und in seinem Wirkungsbereich die Strömung so formiert, dass das Verhältnis zwischen der Druckdifferenz Δp und der Durchflussrate im Hauptströmungsrohr annähernd linear über einen weiten Bereich der Durchflussrate ist.
Eine solche erfindungsgemäße Anordnung weist gegenüber dem Stand der Technik mehrere Vorteile auf. Durch das annähernd lineare Verhältnis zwischen der Druckdifferenz Δp und der Durchflussrate im Hauptströmungsrohr über einen weiten Bereich der Durchflussrate ist automatisch auch ein konstantes Verhältnis zwischen der Teilstrom-Durchflussrate im Bypass und der Hauptstrom-Durchflussrate über einen weiten Durchflussbereich gegeben, da im Bypass selbst wegen der dort herrschenden laminaren Strömung ein linearer Zusammenhang zwischen Druckdifferenz Δp und Teilstromdurchflussrate gilt.
Weiterhin ist durch die annähernd lineare Δp vs. Durchfluss-Kennlinie im unteren Durchflussbereich die Empfindlichkeit stark verbessert gegenüber den im Stand der Technik vorherrschenden eher quadratischen Kennlinien. Eine erfindungsgemäße Anordnung ist also mit einem gegenüber dem Stand der Technik deutlich größeren Dynamikbereich einsetzbar.
Schließlich funktioniert eine erfindungsgemäße Vorrichtung bei jeder Strömungsart im Hauptstrom, sei es eine laminare Strömung, eine turbulente Strömung oder eine Strömung im Übergangsbereich zwischen laminarer und turbulenter Strömung. Dies erweitert nochmals den Durchflussbereich, in dem eine erfindungsgemäße Vorrichtung einsetzbar ist.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform umfasst der Strömungsformer wenigstens eine turbulenzerzeugende Zone (Turbulator) und eine turbulenzvermindernde Zone (Laminator). Der Begriff „Laminator” wird dabei hier im strömungstechnischen Sinne verstanden als eine Vorrichtung, die Turbulenzen in einer Strömung stark vermindert und dadurch eine turbulente Strömung in eine weitgehend laminare Strömung überführt. Diese strömungstechnische Bedeutung ist nicht zu verwechseln mit der in der Allgemeinheit auch gebräuchlichen Bedeutung des Begriffes „Laminator” zur Bezeichnung einer Vorrichtung, mit der Gegenstände, bevorzugt Bücher, Papierbögen etc., mit einer schützenden Kunststoffbeschichtung überzogen werden können.
Für die relative Anordnung der turbulenzerzeugenden und turbulenzvermindernden Zonen gibt es mehrere Möglichkeiten. In einer bevorzugten Ausführungsform ist eine turbulenzerzeugende Zone in Strömungsrichtung vor der turbulenzvermindernden Zone angeordnet. Die turbulenzvermindernde Zone kann auch zwischen zwei turbulenzerzeugenden Zonen angeordnet sein. Eine solche Anordnung ist dann symmetrisch aufgebaut, was den Vorteil hat, dass sie sich bezüglich der Durchströmungsrichtung invariant verhält.
Bezüglich der Anordnung des Strömungsformers im Verhältnis zu der Bypassein- und Austrittsöffnung ist in einer möglichen Ausführungsform der Strömungsformer zwischen der Bypassein- und Austrittsöffnung angeordnet.
In einer sehr vorteilhaften Ausführungsform kann aber auch allein die turbulenzvermindernde Zone des Strömungsformers zwischen der Bypassein- und Austrittsöffnung angeordnet sein. Dann kann in einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform die Bypasseintrittsöffnung zwischen einer turbulenzerzeugenden und der turbulenzvermindernden Zone angeordnet sein. Weiterhin kann auch die Bypassaustrittsöffnung zwischen der turbulenzvermindernden und einer turbulenzerzeugenden Zone angeordnet sein.
Bezüglich der konkreten Ausgestaltung der einzelnen Zonen ist in einer besonders vorteilhaften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung wenigstens eine turbulenzerzeugende Zone als Gitter ausgebildet. Die optimale Anzahl und Weite der Gittermaschen ergibt sich dabei aus dem Fachmann geläufigen Entwurfsregeln oder kann vom Fachmann in einer einfachen Versuchsserie ermittelt werden.
Die turbulenzvermindernde Zone ist vorteilhafterweise durch ein in Strömungsrichtung axial ausgerichtetes Bündel dünner Röhren ausgebildet. Der Röhrendurchmesser ist so klein zuwählen, dass über dem gesamten Durchflussbereich In jeder Röhre eine laminare Strömung herrscht. Es könnte auch ein Stapel achsparalleler dünner Platten eingesetzt werden, der die Strömung in eine Folge dünner, laminarer Strömungsschichten aufspaltet.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltungsform können die dünnen Röhren einen sechseckigen Querschnitt aufweisen und den Querschnitt des Hauptströmungsrohres wabenartig erfüllen. Der Vorteil dieser wabenförmigen Struktur besteht darin, dass sie bei sehr guter turbulenzvermindernder Wirkung einen sehr geringen Strömungswiderstand aufweist.
Die dünnen Röhren können aber auch einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen. Diese Ausführungsform ist sehr einfach in der Fertigung.
In einer weiteren Ausführungsform können zwischen den strömungsformierenden Zonen Abstandszonen angeordnet sein. Es können aber auch die strömungsformierenden Zonen ohne Abstandszonen direkt hintereinander angeordnet sein.
Besonders vorteilhaft ist auch eine Ausführungsform, bei welcher der Strömungsformer als eine vormontierte Baueinheit in das Hauptströmungsrohr einschiebbar ist. Somit ist die Montage des Strömungsformers sehr vereinfacht.
Das zu messende Fluid kann entweder ein Gas, beispielsweise Luft, oder eine Flüssigkeit, beispielsweise Wasser, sein.
Der im Bypass angeordnete Durchflusssensor ist bevorzugt ein thermischer Strömungssensor, wie er im Stand der Technik bekannt ist. Thermische Strömungssensoren sind für die Verwendung in Gasen oder Flüssigkeiten erhältlich.
Insbesondere vorteilhaft ist es, wenn der thermische Strömungssensor ein mikromechanisch aufgebauter thermischer Strömungssensor ist. Dann ist die Ansprechzeit des Sensors wegen der geringen Wärmekapazitäten sehr kurz.
Bei bestimmten Hauptströmungsrohr- und Bypass-Durchmessern kann es vorteilhaft sein, wenn der Durchflusssensor ein Coriolis-Strömungssensor ist. Wenn das Fluid eine leitfähige Flüssigkeit ist, kann es auch sehr vorteilhaft sein, wenn der Durchflusssensor ein magnetisch induktiver Strömungssensor ist.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung und weitere Vorteile sind den weiteren Unteransprüchen zu entnehmen.
Anhand der Zeichnungen, in denen drei Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind, sollen die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung näher erläutert und beschrieben werden.
Es zeigen:
1 eine erste Ausführungsform der Erfindung, wobei der Bypasseintritt zwischen Turbulator und Laminator angeordnet ist,
2 eine zweite Ausführungsform der Erfindung, wobei der Bypassein- und Austritt außerhalb des Strömungsformers angeordnet sind,
3 eine dritte Ausführungsform der Erfindung, bei der Turbulator und Laminator aufeinanderliegen, und
4 eine schematische Darstellung der an einem erfindungsgemäßen Durchflussmessgerät erreichbaren Verbesserung des Dynamikbereiches.
1 zeigt ein Gas-Durchflussmessgerät 1 mit einem Hauptströmungsrohr 2 und einem Durchflusssensor 9, der in einem Bypass 3 angeordnet ist. An einer Bypasseingangsöffnung 5 wird von dem durch die Richtungspfeile 13 dargestellten – Hauptstrom ein Teilstrom abgezweigt, durch eine Bypassleitung mit darin angeordnetem Durchflusssensor 9 geführt und stromabwärts über eine Bypassaustrittsöffnung 7 wieder dem Hauptstrom zugeführt. Die Antriebskraft für den Teilstrom-Durchfluss, dargestellt durch die Bypass-Richtungspfeile 11, ist eine Druckdifferenz Δp zwischen der Bypassein- und Austrittsöffnung 5, 7. Indem Bypassrohr selbst herrschen laminare Strömungsverhältnisse. Bei laminaren Strömungen ist bekanntermaßen der Teilstromdurchfluss proportional zur Druckdifferenz zwischen Bypasseintritts- und Austrittsöffnung. Die Druckdifferenz Δp entsteht durch einen in das Hauptströmungsrohr 2 eingefügten Strömungsformer 20.
Der Strömungssensor 9 kann irgendein aus dem Stand der Technik bekannter Strömungssensor sein. Vorteilhafterweise wird für die Messung eines Gasdurchflusses ein thermischer Strömungssensor verwendet. Solche thermischen Strömungssensoren sind heute in der Form von einer auf einem planaren Substrat aufgebrachten, mikromechanisch realisierten Kombination von Heizelementen und Temperatursensoren verfügbar. Sie nutzen dabei den Effekt, dass aufgrund einer Strömung ein stromabwärts von einem Heizelement angeordneter Temperatursensor eine andere Temperatur misst wie ein stromaufwärts von diesem Heizelement angeordnetes Temperaturmesselement, und sich aus der Temperaturdifferenz bei Kenntnis weiterer Materialdaten des strömenden Mediums der Durchfluss ermitteln lässt.
Das Hauptströmungsrohr 2 ist in der 1 teilweise ausgeschnitten dargestellt, so dass der darin eingebrachte Strömungsformer 20 sichtbar wird. Der Strömungsformer umfasst drei jeweils in den Innendurchmesser des Hauptströmungsrohres 2 eingepasste Modulteile oder Zonen. Die in Strömungsrichtung erste Strömungsformerzone 22 umfasst ein Gitter, sie könnte anstatt des Gitters auch ein Netz umfassen. Das Gitter ist aus Metall oder Kunststoff gefertigt. Es besitzt eine annähernd gleichmäßige Maschenweite in der Größenordnung von wenigen Millimetern. Die Maschenform ist in der 1 als rechteckig angegeben, sie könnte jedoch auch andere geometrische Formen annehmen, etwa rautenförmig, sechs- oder achteckig.
Stromabwärts schließt sich an die erste, gitterförmige Strömungsformerzone 22 zunächst eine Abstandszone 31 an. Die daran anschließende zweite Strömungsformerzone 24 ist aus einem Bündel von in Strömungsrichtung axial ausgerichteten, parallel zueinander verlaufenden dünner Röhren 26 mit sechseckigem Querschnitt gebildet. Im Querschnitt entsteht so eine wabenförmige Struktur. Die Querschnittsfläche der einzelnen wabenförmigen Röhren liegt in der Größenordnung einiger mm²., die Länge des zweiten Moduls 24 liegt in der Größenordnung des Durchmessers des Hauptströmungsrohres 2.
Weiter stromabwärts schließt sich an die zweite, wabenförmige Strömungsformerzone 24 eine weitere Abstandszone 31 und daran eine dritte Strömungsformerzone 23 an, die baugleich mit der ersten Strömungsformerzone 22 ist. Der Strömungsformer 20 ist somit hinsichtlich der Durchströmungsrichtung symmetrisch aufgebaut.
Die Bypasseintrittsöffnung 5 befindet sich in der ersten Abstandszone, zwischen der ersten, gitterförmigen Strömungsformerzone 22 und der zweiten, wabenförmigen Strömungsformerzone 24. Die Bypassaustrittsöffnung befindet sich in der zweiten Abstandszone, zwischen der zweiten, wabenförmigen Strömungsformerzone 24 und der dritten, gitterförmigen Strömungsformerzone 23.
Der Kern der Erfindung liegt nun darin, dass die Strömungsformerzonen 22, 24, 23, die der Strömungsformer 20 umfasst, unterschiedliche strömungsformende Wirkungen auf die Strömung 13 im Hauptströmungsrohr 2 haben und dabei so aufeinander abgestimmt sind, dass insgesamt sich ein weitgehend linearer Zusammenhang zwischen der Druckdifferenz Δp und dem Durchfluss über einen sehr weiten Durchflussbereich ergibt.
Die erste in Strömungsrichtung 13 liegende Strömungsformerzone 22, ein Gitter, wirkt turbulenzerzeugend, d. h., dass bei niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten des strömenden Mediums im Hauptströmungsrohr 2, wenn die Strömung dort laminar ist, die Strömung nach Durchtritt durch das Gitter turbulent wird. Das Gitter wird daher auch als Turbulator bezeichnet.
Die zweite Strömungsformerzone 24 wirkt turbulenzvermindernd, d. h., dass eine turbulent in die Strömungsformerzone 24 eintretende Strömung nach Austritt weniger turbulent ist, sich nahezu laminar verhält. Die zweite Strömungsformerzone 24 wird daher auch als Laminator bezeichnet. Laminator-Module als solche sind im Stand der Technik auch in einer Reihe von unterschiedlichen Ausführungsformen bereits bekannt. Neben der hier in der Ausführungsform nach 1 verwendeten wabenförmigen Konfiguration gibt es auch Laminatoren, die aus einem Bündel parallel angeordneter dünner Röhren mit rundem Querschnitt oder aus einem Stapel ebener Platten bestehen.
Die dritte Strömungsformerzone 23 ist wieder ein Turbulator und baugleich zu der ersten Strömungsformerzone 22.
Durch die Aufeinanderfolge der drei Strömungsformerzonen 22, 24, 23 mit den beschriebenen unterschiedlichen strömungsformenden Eigenschaften wird erreicht, dass insgesamt im Wirkungsbereich des Strömungsformers 20 – das ist derjenige Bereich der Strömung 13 im Hauptströmungsrohr 2, der von dem Strömungsformer 20 beeinflusst wird – sich ein annähernd lineares Verhältnis zwischen dem Durchfluss und der Druckdifferenz Δp zwischen zwei Stellen im Wirkungsbereich des Strömungsformers 20 einstellt. Durch den symmetrischen Aufbau des Strömungsformers 20 wird erreicht, dass diese Wirkung unabhängig von der Durchströmungsrichtung durch das Hauptströmungsrohr 2 eintritt.
4 veranschaulicht die Wirkungsweise des Strömungsformers 20. In 4 ist für ein erfindungsgemäßes Gas-Durchflussmessgerät mit einem Hauptströmungsrohr mit Nennweite 25 mm im Luft-Durchflussbereich zwischen 0 und 60 kg/h in dem Diagramm 100 schematisch der Zusammenhang zwischen dem Druckabfall Δp und dem Durchfluss bei Verwendung eines erfindungsgemäßen Mehrzonen-Strömungsformers in Kurve 104 gezeigt. Im Vergleich dazu ist in Kurve 102 der Zusammenhang zwischen dem Druckabfall Δp und dem Durchfluss bei Verwendung einer im Stand der Technik bisher bekannten und gebräuchlichen klassischen Blende gezeigt. Der Druckabfall Δp treibt einen Teilstrom 11 durch den Bypass 3. Der Bypass 3 ist strömungstechnisch so ausgelegt, dass die Strömung in ihm laminar ist, d. h., der Zusammenhang zwischen Δp und dem Durchfluss im Bypass ist linear. Der Durchfluss im Hauptströmungsrohr 2 soll durch Messung des Durchflusses im Bypass ermittelt werden, daher sollte auch das Verhältnis zwischen dem Druckabfall Δp und dem Durchfluss im Hauptströmungsrohr möglichst linear sein.
Bei Verwendung einer Blende ergibt sich bekanntermaßen eine quadratische Kennlinie, siehe Kurve 102 in 4. Die quadratische Kennlinie 102 ist im unteren Durchflussbereich relativ flach, dort ist die Empfindlichkeit gering. In der in 4 gezeigten Kurve 102 ist das der Kurvenabschnitt 106, etwa im Durchflussbereich zwischen 0 und 6 kg/h. Mit ausreichender Empfindlichkeit lässt sich erst in dem Bereich mittlerer und höherer Durchflüsse messen. Dadurch ist aber auch der mit gattungsgemäßen Durchflussmessern unter Verwendung von Blenden erreichbare Dynamikbereich eingeschränkt. td1 bezeichnet den unter Berücksichtigung der eingeschränkten Empfindlichkeit im unteren Durchflussbereich praktisch sinnvoll erreichbaren Dynamikbereich von nur noch etwa 60:6 oder 10:1. Ein weiterer Nachteil der klassischen Blende ist der relativ hohe absolute Druckabfall, den diese erzeugt.
Durch Verwendung eines Mehrzonen-Strömungsformers nach 1 anstelle einer Blende wird erreicht, dass das Verhältnis zwischen der Druckdifferenz Δp und der Durchflussrate im Hauptströmungsrohr 2 annähernd linear über einen sehr weiten Bereich der Durchflussrate ist, wie in 4 anhand der Kennlinie 104 schematisch dargestellt ist.
Durch das annähernd lineare Verhältnis zwischen der Druckdifferenz Δp und der Durchflussrate im Hauptströmungsrohr über einen weiten Bereich der Durchflussrate ist automatisch auch ein konstantes Verhältnis zwischen der Teilstrom-Durchflussrate im Bypass und der Hauptstrom-Durchflussrate über einen weiten Durchflussbereich gegeben.
Weiterhin sieht man in 4, dass durch die annähernd lineare Δp vs. Durchfluss – Kennlinie 104 im unteren Durchflussbereich die Empfindlichkeit stark verbessert ist gegenüber der quadratischen Kennlinie 102. Damit wird auch der praktisch sinnvoll erreichbare Messbereich zu niedrigen Durchflussraten hin deutlich erweitert. Bereits ab 0,2 kg/h wäre in dem schematischen Beispiel nach 4 eine Messung sinnvoll möglich.
Als Folge davon erhöht sich der nutzbare Dynamikbereich deutlich. td2 in 4 bezeichnet den theoretisch maximal erreichbaren Dynamikbereich von 60:0,2 oder 300:1.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Mehrzonen-Strömungsformers ist der im Vergleich zu der klassischen Blende geringere absolute Druckabfall, der durch ihn erzeugt wird. Selbstverständlich muß der Strömungsformer 3 so ausgelegt werden, dass der Druckabfall noch hinreichend hoch ist, so dass über den gesamten Durchflussbereich ein Teilstrom 11 durch den Bypass 3 getrieben wird.
2 zeigt eine alternative Ausgestaltungsform der Erfindung. Gleiche oder gleichwirkende Elemente, Teile oder Baugruppen sind dabei mit den selben Bezugsziffern wie in 1 bezeichnet.
In der Ausführungsform nach 2 umfasst das Durchflussmessgerät 1a ein Hauptströmungsrohr 2, das an seinen Enden Flansche 4 zum Einbau des Durchflussmessgerätes in eine Prozessrohrleitung aufweist. Der Bypass 3 mit dem Strömungssensor 9 ist durch ein auf der Außenseite des Hauptströmungsrohres 2 angebrachtes Bypassgehäuse 10 abgedeckt und damit geschützt. In dem Bypassgehäuse 10 ist zusätzlich zu dem Strömungssensor 9 ein Elektronik- und Kommunikationsmodul 9a angebracht, das mit dem Strömungssensor 9 verbunden ist. In dem Elektronik- und Kommunikationsmodul 9a kann ein Mikroprozessor enthalten sein. Es kann dort eine Sensorsignal-Vorverstärkung, Filterung, Kennlinienlinearisierung, Sensorsignalbewertung (etwa ob ein zulässiger Messbereich überschritten ist, oder ob aus dem Zeitverlauf des Sensorsignals sich durch Vergleich mit eingespeicherten oder aus einem im Mikroprozessor hinterlegten Modell errechneten Referenzwerten Schlussfolgerungen hinsichtlich der Funktionsfähigkeit des Durchflussmessgerätes ziehen lassen, sog. Diagnosefunktion) und eine Übertragung des Sensorsignals und der ggf. aus dem Sensorsignal abgeleiteten Zusatzinformationen über eine Kommunikationsschnittstelle an ein übergeordnetes Prozessleitsystem oder eine Anzeigeeinheit erfolgen.
Der Mehrzonen-Strömungsformer 20 ist in der Ausführung nach 2 als vorfertigbares Modul ausgeführt. Die ersten, zweiten und dritten Strömungsformerzonen 22 (Gitter), 24 (Laminator), 23 (Gitter) sind zusammen in einer Strömungsformer-Montagehülse 30 angeordnet und befestigt, so dass dadurch ein vorgefertigtes Strömungsformer-Modul entsteht. Die Strömungsformerzonen 22, 23, 24 werden daher auch als Teilmodule bezeichnet.
Das Strömungsformer-Modul wird in vorgefertigtem Zustand in das Hauptströmungsrohr 2 eingesetzt, an die vorgesehene Stelle geschoben und dort befestigt, beispielsweise durch Schrauben.
Die axiale Ausdehnung des Laminators 24 ist dabei in diesem Ausführungsbeispiel deutlich kürzer als der Durchmesser des Hauptströmungsrohres 2. Das Laminator-Modul 24 selbst ist hier als Plattenstapel, bestehend aus in Abständen übereinander angeordneten Platten 28, ausgeführt.
Die Bypasseintritts- und Austrittsöffnungen 5, 7 liegen in der Ausführungsform nach 2 jeweils vor und hinter den Gitter-Teilmodulen.
Am eingangsseitigen Flansch ist ein weiteres Gitter 32 angebracht. Dieses dient im wesentlichen als Schutzgitter, um in der Strömung möglicherweise vorhandene größere Partikel von dem Durchflussmessgerät fernzuhalten. Es kann bei entsprechender Auslegung und Dimensionierung aber auch zur erfindungsgemäßen Strömungsformung beitragen.
Am ausgangsseitigen Flansch ist ein weiteres Waben- oder Plattenmodul 34 angebracht. Dieses dient einerseits als Schutz des Durchflussmessgerätes vor größeren Partikeln, wenn das Durchflussmessgerät in entgegengesetzter Richtung zu der in 2 durch die Pfeile 13 angegebenen Strömungsrichtung betrieben wird. Bei entsprechender Auslegung und Dimensionierung kann es aber auch zur erfindungsgemäßen Strömungsformung beitragen.
3 zeigt eine weitere alternative Ausführungsform für ein erfindungsgemäßes Durchflussmessgerät 1b. Gleiche oder gleichwirkende Teile, Komponenten oder Teilsysteme sind dabei mit denselben Bezugsziffern wie in den 1 und 2 bezeichnet.
Im Unterschied zur in 2 gezeigten Ausführungsform weist das Mehrzonen-Strömungsformermodul 20 in der Ausführungsform nach 3 keine Abstandszonen 31 mehr auf. Die beiden Gitter 22, 23 sind sehr nahe an dem dazwischenliegenden Laminator-Teilmodul 24 angebracht.
Weiterhin ist in der Ausführungsform nach 3 das eingangsseitige Gitter durch einen eingangsseitigen Waben- oder Plattenmodul 36 ersetzt.
Die Ausführungsbeispiele der 1 bis 3 haben gezeigt, dass bezüglich der Anzahl und Anordnung von strömungsformenden Strömungsformerzonen oder Teilmodulen in dem Mehrzonen-Modul und darüber hinaus durch Hinzuziehen weiterer strömungsformender Teilmodule am Ein- und Ausgang des Hauptströmungsrohres dem Fachmann aufgrund der Erfindung eine ganze Reihe denkbarer Anordnungsvarianten zur Verfügung steht, um den für das jeweilige Einsatzgebiet optimalen Strömungsformer und damit das jeweils optimal geeignete Durchflussmessgerät zusammenzustellen. Die konkrete Dimensionierung der Teilmodule, etwa nach Längen, Gitterweite, Gittergeometrie, Wabenform, Wabenquerschnitt, etc., und die Anzahl und Anordnung der Teilmodule in dem Mehrzonen-Modul und in dem Hauptströmungsrohr wird der Fachmann dabei durch einfache Versuchsreihen und bekannte Optimierungsverfahren ermitteln. Er wird dabei aus einem ihm bekannten Grundformenschatz von Gitter- und Wabenformen schöpfen und deren Dimensionen und Anordnung zueinander ohne weiteres erfinderische Zutun so lange variieren, bis er das optimale Ergebnis erzielt hat.
Bei einem Hauptströmungsrohr mit Innendurchmesser 25 mm werden sehr gute Ergebnisse erzielt, wenn die erste und dritte Strömungsformerzone 22, 23 Metalldrahtsiebe mit einer Maschenweite von 3 mm und einer Drahtdicke von 0,7 mm enthalten und die zweite Strömungsformerzone 26 eine Länge von 16 mm aufweist. Auch Metalldrahtsiebe mit einer Maschenweite von 1 mm und einer Drahtdicke von 0,6 mm in Verbindung mit einer 16 mm langen zweiten Strömungsformerzone zeigen hervorragende Ergebnisse.
Bei Hauptströmungsrohren mit einem größeren Innendurchmesser, etwa im Bereich zwischen 50 mm und 200 mm, werden sehr gute Ergebnisse erzielt, wenn die ersten und dritten Strömungsformerzonen 22, 23 Metalldrahtsiebe mit einer Maschenweite von 3 mm und einer Drahtdicke von 0,7 mm enthalten und die zweite Strömungsformerzone 26 eine Länge von 30 mm aufweist. Auch Metalldrahtsiebe mit einer Maschenweite von 1 mm und einer Drahtdicke von 0,6 mm in Verbindung mit einer 16 mm langen zweiten Strömungsformerzone zeigen hier hervorragende Ergebnisse.
Der Bereich, in dem sehr gute Ergebnisse erzielt werden, lässt sich auch als Vielfaches des Rohrdurchmessers angeben. So liegt das Verhältnis von Rohrdurchmesser zur Länge der zweiten Strömungsformerzone in einem günstigen Bereich zwischen 1 und 10, in einem besonders günstigen Bereich zwischen 1,5 und 6,5.
Das Verhältnis zwischen dem Rohrdurchmesser und der Maschenweite der Metalldrahtsiebe liegt in einem günstigen Bereich zwischen 5 und 200, in einem besonders günstigen Bereich zwischen 8 und 200, in einem sehr günstigen Bereich zwischen 8 und 66 oder zwischen 25 und 200.
Eine weitere Verbesserung der Erfindung lässt sich dadurch erzielen, dass die Drahtsiebe mit einer schmutzabweichenden Kunststoffbeschichtung versehen sind. Damit kann eine Ablagerung von Schmutz verhindert oder doch zumindest stark reduziert werden.
Die in den 1 bis 3 gezeigten Ausführungsbeispiele zeigen allesamt Gasdurchflussmessgeräte. Selbstverständlich ist der Kerngedanke der Erfindung auch in entsprechenden Durchflussmessgeräten für Flüssigkeiten realisierbar. Der Fachmann muss bei deren Auslegung dann allerdings die im Vergleich zu Gasen höheren Viskositätswerte und Dichten von Flüssigkeiten berücksichtigen, wodurch die konkreten geometrischen Dimensionen der Strömungsformermodule sich abweichend von den für Gasdurchflussmessgeräte ermittelten ergeben werden.

Claims

Durchflussmessgerät zur Messung der Durchflussrate eines Fluides in einem Hauptströmungsrohr (2) mittels eines in einem Bypass (3) angeordneten Durchflusssensors (9), bei dem, angetrieben durch eine Druckdifferenz Δp zwischen einer Bypassein- und Austrittsöffnung (5, 7), von dem zu messenden Hauptstrom (13) ein Teilstrom (11) durch den Bypass (3) geleitet ist, wobei die Bypassein- und Austrittsöffnung (5, 7) im Wirkungsbereich eines in dem Hauptströmungsrohr (2) eingefügten Strömungsformers (20) angeordnet sind, der aufeinanderfolgende Zonen (22, 24, 23) unterschiedlicher Strömungsformierung umfasst, der wenigstens eine turbulenzerzeugende Zone (Turbulator) (22, 23) und eine turbulenzvermindernde Zone (Laminator) (24) umfasst, wobei die turbulenzerzeugende Zone (22) in Strömungsrichtung vor der turbulenzvermindernden Zone (24) angeordnet ist, und in seinem Wirkungsbereich die Strömung so formiert, dass das Verhältnis zwischen der Druckdifferenz Δp und der Durchflussrate im Hauptströmungsrohr (2) annähernd linear über einen weiten Bereich der Durchflussrate ist.
Durchflussmessgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die turbulenzvermindernde Zone (24) zwischen zwei turbulenzerzeugenden Zonen (22, 23) angeordnet ist.
Durchflussmessgerät nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsformer (20) vollständig zwischen der Bypassein- und Austrittsöffnung (5, 7) angeordnet ist.
Durchflussmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass nur ein Teil des Strömungsformers (20) zwischen der Bypassein- und Austrittsöffnung (5, 7) angeordnet ist.
Durchflussmesser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die turbulenzvermindernde Zone (24) des Strömungsformers (20) zwischen der Bypassein- und Austrittsöffnung (5, 7) angeordnet ist.
Durchflussmesser nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bypasseintrittsöffnung (5) zwischen einer turbulenzerzeugenden (22) und der turbulenzvermindernden (24) Zone angeordnet ist.
Durchflussmesser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bypassaustrittsöffnung (7) zwischen der turbulenzvermindernden (24) und einer turbulenzerzeugenden (23) Zone angeordnet ist.
Durchflussmesser nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der turbulenzerzeugenden Zonen (22, 23) ein Gitter umfasst.
Durchflussmesser nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Gitter ein Drahtgitter aus Metall- oder Kunststoffdraht ist.
Durchflussmesser nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Gitterdraht mit einer schmutzabweisenden Beschichtung versehen ist.
Durchflussmesser nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die turbulenzvermindernde Zone (24) als Stapel paralleler Platten (28) ausgebildet ist.
Durchflussmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die turbulenzvermindernde Zone (24) durch ein in Strömungsrichtung axial ausgerichtetes Rohrbündel (26) ausgebildet ist.
Durchflussmesser nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Röhren des Rohrbündels (26) eine Querschnittsfläche aufweist, welche wesentlich kleiner als die Querschnittsfläche des Hauptströmungsrohres (2) ist.
Durchflussmesser nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Röhren des Rohrbündels (26) einen sechseckigen Querschnitt aufweisen und den Querschnitt des Hauptströmungsrohres (2) wabenartig erfüllen.
Durchflussmesser nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Röhren des Rohrbündels (26) einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen.
Durchflussmesser nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den strömungsformierenden Zonen Abstandszonen (31) angeordnet sind.
Durchflussmesser nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsformer (20) als vormontierte Baueinheit in das Hauptströmungsrohr (2) einschiebbar ist.
Durchflussmesser nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsformer (20) in dem Hauptströmungsrohr (2) lösbar befestigt ist.
Durchflussmesser für Flüssigkeiten nach einem der Ansprüche 1 bis 18
Gas-Durchflussmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 18.
Durchflussmesser nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchflussensor (9) im Bypass (3) ein thermischer Strömungssensor ist.
Durchflussmesser nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchflusssensor (9) ein mikromechanisch aufgebauter thermischer Strömungssensor ist.
Durchflussmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchflusssensor (9) ein Coriolis-Strömungssensor ist.
Durchflussmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchflussensor (9) ein magnetisch induktiver Strömungssensor ist.