DE102004039169A1

DE102004039169A1 - Überlastfestes Differenzdruckmessgerät

Info

Publication number: DE102004039169A1
Application number: DE200410039169
Authority: DE
Inventors: Guenther Kaden
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-08-12
Filing date: 2004-08-12
Publication date: 2006-02-23

Abstract

Differenzdruckmessgerät zur Messung kleiner Differenzdrücke zwischen 2 Druckanschlüssen bei hohen von beiden Seiten anliegenden Basisdrücken mit Überlastfähigkeit gegen Differenzdruck von einer beliebigen Seite bis über den Basisdruck, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung durch nur einen auf den maximalen Basisdruck ausgelegten Absolutdrucksensor in der Weise erfolgt, dass in einer integrierten Anordnung in einem nichtmagnetischem oder nur schwach magnetischem Gehäuse (8) ein frei beweglicher magnetisch durch eine Spule (7) angetriebener durch den anliegenden zu messenden Differenzdruck oder im Überlastfall durch den einseitigen Überdruck in einer Endlage verharrender überlastfester magnetischer Ventilkörper (5) durch eine Steuer- und Auswerteeinheit (6) wechselweise jeweils nur einen der beiden an den Druckanschlüssen (1) und (2) anliegenden Drücke dem am Druckanschluss (3) angeordnetem Absolutdrucksensor (4) zuschaltet und den Differenzdruck aus den beiden so gemessenen Drücken berechnet und ausgibt wobei im Überlastfall keine Differenzdruckmessung erfolgt jedoch eine Zerstörung des Messelementes verhindert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein überlastfestes Differenzdruckmessgerät entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Unter anderem zur Ermittlung der Eigenschaften von Flüssigkeiten und Gasen ist es oft notwendig die Differenz des Druckes in 2 verschiedenen Teilen einer Anlage zu kennen. Eine typische Anwendung ist die Messung des Durchflusses mit Hilfe der Druckdifferenz über einer Verengung in einer Leitung. Da solche Verengungen den Durchfluss nicht oder nur wenig behindern sollen, sind die messbaren Druckdifferenzen über der Verengung in der Regel viel kleiner als der in der Leitung herrschende Basisdruck. Gerade beim Zuschalten eines solchen hydraulischen oder pneumatischen Systems oder bei Störfällen tritt immer wieder der Zustand auf, dass der Basisdruck im Bereich von Millisekunden eher die Druckmessstelle vor der Verengung erreicht als die Druckmessstelle nach der Verengung. Ähnlich kann der Druck vor einer Verengung beim Abschalten des Systems z.B. schneller abfallen als nach der Verengung.

Deshalb müssen solche Differenzdruckmessgeräte, auch Differenzdrucksensoren genannt in der Regel nicht nur auf den Differenzdruck ausgelegt sein, sondern müssen auch einseitigen Überlasten bis zum Basisdruck widerstehen können, da anderenfalls das Differenzdruckmessgerät zerstört würde.

Bekannte Lösungen verwenden vorzugsweise 2 Absolutdruckaufnehmer zur Messung beider Drücke oder einen echten Differenzdruckaufnehmer.

Im Falle von 2 Absolutdruckaufnehmern kann zwar die Differenz aus den beiden Drucksignalen berechnet werden, es ist jedoch nicht möglich zu unterscheiden, ob dieses Differenzsignal nur von den Druckunterschieden oder aber auch von den zeitlichen und thermischen Driften der beiden Absolutdruckaufnehmer stammt. Deshalb sind solche Lösungen in der Regel auf Differenzdruck zu Basisdruck Verhältnisse von ca. 5 zu 100 begrenzt, wenn Genauigkeiten von <= 1 % Vollsignal für den Differenzdruck erwartet werden. Lösungen mit 2 Absolutdrucksensoren können in jedem Fall so ausgelegt werden, dass sie auch Differenzdrücken bis zur Höhe des Basisdrucks oder darüber problemlos widerstehen können.

Echte Differenzdruckaufnehmer sind hinsichtlich des Messelementes in der Regel wegen der geringen Überlastfähigkeit auf Differenzdruck zu Basisdruck Verhältnisse von ca. 1 zu 100 begrenzt, wenn Genauigkeiten von <= 1 % Vollsignal für den Differenzdruck erwartet werden. Mit aufwendigen und grossflächigen Schutzmembranen gelang es verschiedenen Herstellern (Fuji, Foxboro, Rosemount; Endress + Hauser) Lösungen zu finden, in denen das langsame einseitige Anlegen eines Differenzdruckes bis in Höhe des Basisdrucks an die Messapparatur möglich ist. Dadurch gelang es solche Anordnungen bis zu Differenzdruck zu Basisdruck Verhältnissen von ca. 1 zu 10000 bei Genauigkeiten <= 1% Vollsignal für den Differenzdruck zu nutzen.
(AT 371601)

Die Membranen wirken dabei als Ventile, welche durch das Verschliessen eines Druckanschlusses verhindern, dass im Überdruckfall von einer Seite dieser Überdruck an das Messelement gelangen kann und dieses zerstört.

Für viele Anwendungen insbesondere der Erdöl- und Erdgasförderung in Bohrlöchern oder auf dem Meeresgrund sind diese Anordnungen zu gross oder sie reagieren im Störungsfall, welcher im extrem schnellen einseitigen Druckanstieg bestehen kann, zu langsam und werden deshalb zerstört.

Ein anderer Schritt zur Erhöhung der Überlastfähigkeit von echten Differenzdruckaufnehmern besteht in der Verwendung unempfindlicherer und damit überlastfesterer Aufnehmer. Dabei muss jedoch eine Vergrösserung der Messfehler in Kauf genommen werden oder weitere Massnahmen zur Fehlerkompensation getroffen werden. Solche bestehen u.a. in der Verwendung zusätzlicher Absolutdrucksensoren, welche dann zur Kompensation des Basisdruckfehlers der Differenzdruckaufnehmer eingesetzt werden.
(europäische Patent Nr. 0508517)

Aufgabe der Erfindung ist es, ein überlastfestes Differenzdruckmessgerät hoher Auflösung und Genauigkeit zu schaffen, welches ohne Schutzmembranen auskommt, unter beengten Bedingungen, wie sie z.B. in Bohrlöchern herrschen, eingesetzt werden kann und in jedem Fall überlastsicher ist, womit eine hohe Zuverlässigkeit auch bei auftretenden Störfällen erreicht wird.

Die Aufgabe wird durch ein überlastfestes Differenzdruckmessgerät nach Anspruch 1 gelöst.

Dabei wird die Tatsache ausgenutzt, dass viele Sensorprinzipien hinsichtlich des Parameters Empfindlichkeit wesentlich stabiler sind als hinsichtlich des Nullpunktes. Dementsprechend werden beide Absolutdrücke in einer integrierten Einheit mit einem Sensor über ein Umschaltventil gemessen. Auf diese Weise werden Driften oder Instabilitäten des Absolutdrucksensors, die in der Regel zeitlich langsam ablaufen, aus dem gewonnen Differenzdrucksignal bereits herausgefiltert.

Das Ventil kann zum einen dem hohen von beiden Seiten wirkenden Basisdruck widerstehen und zum anderen in den regulären Betriebszuständen, also ohne einseitige Überlast mit geringer Energie und verschleissarm den Messanschluss wechselweise mit den beiden Druckanschlüsse verbinden.

Im Falle eines einseitigen kurzzeitigen Überdruck bis zur Höhe des Basisdrucks hält das Ventil diesem standhalten und kann anschliessend wieder problemlos schalten.

Das vorgeschlagene Differenzdruckmessgerät lässt sich durch den integrierten Aufbau bei Verzicht auf Schutzmembranen zur Dämpfung von einseitigen Überlasten wesentlich einfacher miniaturisieren und damit auch in Rohrleitungssystemen mit wenig Platz wie z.B. in Bohrwerkzeugen oder Tiefseeventilen unterbringen.

Die vorgeschlagene magnetische Ansteuerung des Ventilkörpers nutzt den üblichen Aufbau von Hochdrucksystemen aus nicht- oder schwachmagnetischen Materialien aus, um eine verschleissarmes Ventil zu integrieren, bei dem die Funktion bewusst auf den normalen Funtionsbereich zur Messung kleiner Differenzdrücke begrenzt wird und im Überlastfall nur das sichere Überleben mit anschliessender fehlerfreier Funktion im normalen Funktionsbereich gewährleistet wird.

Die Auslegung der Verschleissfestigkeit von Gehäuse und Ventilkörper kann derart erfolgen, dass beide bezüglich des Differenzdruckbereiches verschleissfrei arbeiten und beim selten vorkommenden Überdruckfall verschleissarm wirken.

Da der verwendete Absolutdrucksensor auf den vollen Basisdruck ausgelegt werden kann, können auch extrem kurze einseitige Druckspitzen nicht zur Zerstörung des Sensors führen.

Das zur Differenzdruckberechnung und zur Ventilsteuerung integrierte Rechenwerk kann parallel die üblicherweise erforderliche Kompensation der Temperatur- und Linearitätsfehler des verwendeten Absolutdrucksensors mit übernehmen.

Ebenso kann das zur Differenzdruckberechnung und zur Ventilsteuerung integrierte Rechenwerk auch die Berechnung des Flusses aus dem Differenzdruck mit übernehmen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen beschrieben.
Es zeigt
2: Schnittdarstellung eines Differenzdruckmessgerätes
Wobei in 2 auf die Darstellung der Steuer- und Recheneinheit verzichtet wurde und auf diese im weiteren Text im erforderlichen Umfang eingegangen wird.
Die Anordnung besteht aus einem dreiteiligen nichtmagnetischem Gehäuse 108 in welches der Absolutdrucksensor 104 und die Spule 107 eingebaut sind. Das Gehäuse ist so ausgelegt, dass es allseitig dem Basisdruck des umgebenden Mediums ausgesetzt werden kann. Die elektrischen Anschlüsse für Absolutdrucksensor 104 und Spule 107 können in bekannter nicht dargestellter Weise über druckfeste Glasdurchführungen aus dem Gehäuse 108 herausgeführt werden. Bohrungen im Innern der Gehäuseteile 108 verbinden die Druckanschlüsse 101 und 102 mit dem Drucksensor 104 und dem Raum um den Ventilkörper 105. Wenn zur praktischen Realisiserung Hilfsbohrungen nach aussen führen, können diese in bekannterweise mit Kugeln verschweisst oder in anderer Form verschlossen werden.
Die Druckanschlüsse 101 und 102 müssen mit den beiden zu messenden Drücken verbunden werden. Dabei kann einer der beiden Drücke z.B. auch der in der Umgebung des Differenzdruckmessgerätes herrschende Aussendruck sein.
Als Ventilkörper 105 wirkt im Ausführungsbeispiel ein an beiden Enden planer Permanentmagnet. Um eine sichere Dichtwirkung zu erreichen, wurden im Ausführungsbeispiel die den planen Endflächen des Ventilkörpers 105 gegenüberstehenden Gehäuseflächen mit den Bohrungen gewölbt ausgeführt.
Da der Ventilkörper 105 allseitig vom Messmedium umgeben ist, muss zum Schliessen einer der beiden Druckzuführungen nur die Kraft durch die Spule 107 aufgebracht werden, die sich aus der Druckdifferenz zwischen den Druckanschlüssen 101 und 102 und der Querschnittsfläche der Verbindungsbohrungen ergibt.
Im Falle einer einseitigen Überlast kann der Ventilkörper 105 durch die Auslegung der Spule 107 folglich nicht durch diese Spule bewegt werden.
Das in 2 nicht dargestellte Steuer- und Rechenwerk kann nun z.B. jeder Sekunde den Stromfluss in der Spule 107 umkehren, wodurch der als Permanentmagnet ausgebildete Ventilkörper 105 sich zwischen seinen Endanschlägen hin und her bewegt und abwechselnd nur den Druckanschluss 101 oder 102 mit dem Absolutdrucksensor verbindet.
Das Steuer- und Rechenwerk kann nun synchron zur Umschaltung des Stromflusses in der Spule die beiden an den Druckanschlüssen 101 und 102 anliegenden Drücke messen und daraus den Differenzdruck berechnen und z.B. als analoges Spannungs- oder Stromsignal oder auch als digitalen Wert ausgeben.

Claims

Differenzdruckmessgerät zur Messung kleiner Differenzdrücke zwischen 2 Druckanschlüssen bei hohen von beiden Seiten anliegenden Basisdrücken mit Überlastfähigkeit gegen Differenzdruck von einer beliebigen Seite bis über den Basisdruck, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung durch nur einen auf den maximalen Basisdruck ausgelegten Absolutdrucksensor in der Weise erfolgt, dass in einer integrierten Anordnung in einem nichtmagnetischem oder nur schwach magnetischem Gehäuse (8) ein frei beweglicher magnetisch durch eine Spule (7) angetriebener durch den anliegenden zu messenden Differenzdruck oder im Überlastfall durch den einseitigen Überdruck in einer Endlage verharrender überlastfester magnetischer Ventilkörper (5) durch eine Steuer- und Auswerteeinheit (6) wechselweise jeweils nur einen der beiden an den Druckanschlüssen (1) und (2) anliegenden Drücke dem am Druckanschluss (3) angeordnetem Absolutdrucksensor (4) zuschaltet und den Differenzdruck aus den beiden so gemessenen Drücken berechnet und ausgibt wobei im Überlastfall keine Differenzdruckmessung erfolgt jedoch eine Zerstörung des Messelementes verhindert wird.
Differenzdruckmessgerät nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass ein piezoresistiver Absolutdrucksensor als Drucksensor (4) verwendet wird.
Differenzdruckmessgerät nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass ein piezoelektrischer Absolutdrucksensor als Drucksensor (4) verwendet wird.
Differenzdruckmessgerät nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass ein optischer Absolutdrucksensor als Drucksensor (4) verwendet wird.
Differenzdruckmessgerät nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass ein Schwingquarzsensor als Drucksensor (4) verwendet wird.
Differenzdruckmessgerät nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass ein kapazitiver Absolutdrucksensor als Drucksensor (4) verwendet wird.
Differenzdruckmessgerät nach Anspruch 1 und 2 oder 3 oder 4 oder 5 oder 6 dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkörper (5) selbst ein Magnet ist und unabhängig der Richtung des Differenzdruckes bei fehlender Überlast durch Steuerung des Stromflusses in der Spule (7) in beide Endlagen gebracht werden kann.
Differenzdruckmessgerät nach Anspruch 1 oder 7 dadurch gekennzeichnet, dass die Endflächen des Ventilkörpers nicht kegelig sondern in anderer zur Dichtung geeigneter Geometrie ausgeführt werden.