DE102004039543A1 - Durchfluss-Messvorrichtung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Durchfluss-Messvorrichtung für eine thermisch anemometrische Massenflussmessung pulsierender Fluids. Diese weist ein elektronisches Messgerät, einen elektronischen Regler, eine Elektronik zur Signalverarbeitung und ein mit dem Antrieb verbundenes Stellelement auf. Das Messgerät ermittelt die Pulsationscharakteristik, erzeugt ein der Pulsation äquivalentes Signal und leitet dieses an den elektrischen Regler weiter. Der elektrische Regler stellt auf Basis des Signals das Stellelement derart ein, dass die Pulsation ein gewünschtes Maß nicht überschreitet.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Durchfluss-Messvorrichtung für eine thermisch anemometrische Massenflussmessung von pulsierenden Fluiden.
• Unter dem Begriff Fluid werden im Sinne dieser Erfindung Gase und Flüssigkeiten verstanden, die Erfindung wird aber im Wesentlichen beispielhaft anhand von gasförmigen Stoffen erläutert.
• Bei einer Probenahme beispielsweise gasförmiger bzw. luftgetragener Umweltschadstoffe wird üblicherweise mittels eines Durchfluss-Messgerätes mit integrierter Gasförderpumpe eine jeweils an das Probenahmeverfahren angepasste Gasmenge dosiert entnommen.
• Die zu definierenden Parameter sind der Volumenstrom für die Dauer der Messung sowie die Gesamtmenge des Probengases, wobei beide Werte lt. DIN eine Abweichung von ± 5 % vom Messwert nicht überschreiten dürfen.
• Üblicherweise arbeitet in Gasprobenahmesystemen nach dem Stand der Technik eine Gaspumpe in einem Regelkreis mit dem Durchfluss-Messinstrument, z.B. einem thermisch-anemometrischen Massenflussmesser oder einem Balgengaszähler.
• Das Prinzip des Balgengaszählers wird bereits seit vielen Jahrzehnten angewen det und ist bekannt.
• Das Prinzip der thermisch-anemometrischen Massenflussmessung (MFM) ist ebenfalls grundsätzlich bekannt. Es wird entweder in der herkömmlichen feinwerktechnischen Ausführung oder einer Variante mit einem CMOS-Element (Chip) eingesetzt. Die vollelektronische Arbeitsweise sowie die direkte Messung des Massenstromes ohne Druck und Temperatureinfluss erlaubt die einfache Übernahme und Umrechung des Messsignals in einen Volumenstrom des Kalibriergases in Normliter/min. oder Normliter/h.
• Im Gegensatz zum Balgengaszähler ist dieses Messverfahren aber sehr empfindlich für Pulsationen des durchströmenden Fluids, zum Beispiel für ein Oszillieren einer sich durch das Messsystem bewegenden Luftsäule. Diese Pulsationen werden von der das Fluid bzw. das Gas antreibenden Gasförderpumpe (Membranpumpe=1 Kammer, Drehschieberpumpe=3-4 Kammern etc.) erzeugt und durch das Messgerät registriert. Das vom Messgerät erzeugte Messsignal wird somit durch Pulsationsfrequenz des Gasstromes verfälscht.
• Eine Kompensation der das Messergebnis verfälschenden Pulsation bei beliebigen Betriebsbedingungen ist derzeit nicht möglich. Die Hersteller von Probenahmesystemen handhaben diesen Sachverhalt durch Verwendung eines pulsationsunempfindlichen und volumentreuen Balgengaszählers oder durch Fixierung der Probenahmebedingungen auf spezielle Betriebsbedingungen (d.h. Kalibrierbedingungen).
• Vorrichtungen zur Verminderung der Pulsationen in Gasströmen beschränken sich auf statische Systeme (Membran-Pulsationsdämpfer, Faltenbalg-Pulsationsdämpfer), die jeweils nur für einen kleinen Bereich von Betriebszuständen ausgerichtet sind und sich nicht dynamisch an veränderte Betriebsbedingungen anpassen können.
• Bei der Verwendung eines Balgengaszählers wird über eine aus einem Zähler herausgeführte Welle eine Lochscheibe angetrieben. Durch diese werden in einer Lichtschranke Impulse erzeugt und von einer Elektronik gezählt, welche jeweils für eine Teilmenge Probengas stehen. Das Verfahren arbeitet in Grenzen druckunabhängig, aber eine Temperaturkorrektur ist notwendig. Der Balgengaszähler ist nicht korrosionsbeständig, das System wird deshalb beispielsweise mittels einer Silikagel-Waschflasche vor Feuchte und korrosiven Gasen geschützt. Die Pulsation wird gemindert durch einen speziellen Motor-Lüfter, welcher einen pulsationsarmen Luftstrom erzeugt.
• Bei einer Gasvolumenmessung durch einen thermischem Massenflusssensor ist der Massenflusssensor auf einen konstanten Durchfluss (80 l/h) eingestellt. Eventuelle Messabweichungen durch die Pulsation der integrierten Membranpumpe (hohe Puls-Amplituden) werden nicht berücksichtigt. Eine Regelung des Volumenstroms für eine Dosierfunktion muss über ein externes Drosselventil in einem Schwebekörper-Durchflussmesser (SDM) im manuellen Betrieb erfolgen. Die Regelgrenzen sind dabei begrenzt auf den Regelbereich des SDM. Der SDM ist druck- und temperaturabhängig und bedarf einer (manuellen) Korrektur die nicht durch das System erfolgt.
• Möglich ist bei dieser Art der Messung aber auch einen Einstellung des Volumenstroms innerhalb eines weiteren Bereiches (Dynamik z.B. 1:20). Der Einfluss der Pulsation auf die Signalcharakteristik ist dann für den Zustand des Systems während der Kalibrierung eliminiert. Weichen die Betriebsbedingungen aber z.B. durch andere Vordrucke von den Kalibrierbedingungen, d.h. der Pulsationscharakteristik dabei ab, so führt dies zu nicht identifizierbaren Änderungen der Signalcharakteristik und im weiteren zu nicht beherrschbaren Messfehlern.
• Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Durchfluss-Messvorrichtung für eine thermisch-anemometrische Massenflussmessung von Fluiden zu schaffen, auf die eine Pulsation des Fluids einen nur geringen Einfluss bezüglich der Messgenauigkeit hat. Die Durchfluss-Messvorrichtung soll dabei einfach aufgebaut und kostengünstig herstellbar sein.
• Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Durchfluss-Messvorrichtung für eine thermisch-anemometrische Massenflussmessung von Fluiden gelöst, die ausgestattet ist mit einem elektronischen Messgerät, einem elektronischen Regler, eine Elektronik zur Signalverarbeitung und ein mit dem Antrieb verbundenes Stellelement, wobei das Messgerät die Pulsationscharakteristik ermittelt, ein der Pulsation äquivalentes Signal erzeugt und dieses an den elektrischen Regler weiterleitet, der elektrische Regler auf Basis des Signals das Stellelement derart einstellt, dass die Pulsation ein gewünschtes Maß nicht überschreitet.
• Der Erfinder hat erkannt, dass die im (analogen) Signal des Messgerätes enthaltenen Wechselspannungsanteile (mehr oder weniger) die messfehlerverursachende Pulsation der Pumpe abbilden. Es wurde ein System entwickelt, welches die Pulsationscharakteristik des Fluids zunächst mit einem geeigneten Messinstrument ermittelt und dann ausgewertet wird. Durch die Auswertung dieses „Störsignals" kann eine der Pulsation äquivalente, virtuelle Größe definiert werden.
• Erfindungsgemäß ist es dann möglich anhand von zuvor festgelegten Schwellenwerten eine Art Fenster vorzugeben, innerhalb dessen tolerierbare Pulsationen liegen dürfen.
• Der elektronische Regler sorgt dann beispielsweise dafür, dass die virtuelle Größe, das definierte Fenster, also den fehlerfreien Messbetrieb nicht verlässt.
• Der elektronische Regler weist eine Elektronik zur Signalverarbeitung, einen Antrieb (z.B. einen Schrittmotor) und ein mit dem Antrieb verbundenes Stellelement (z.B. ein Nadelventil) auf. Dabei wirkt die Veränderung der Querschnittsfläche des Nadelventils als mechanisch-pneumatische Barriere zur Manipulation des aerodynamisch-pneumatischen Regimes.
• Mit einer solchen Regelung ist es möglich, den Messfehler auf die durch ein „Fenster" vorgegebene Toleranz zu minimieren und so z.B. die Wirkung der Pulsation auf den auf ein unterkritisches Niveau zu bringen bzw. die Pulsation auf einen tolerablen Wert zu begrenzen.
• Die optimale und durch die elektronische Steuerung selbsttätig ermittelte Einstellung des „Fensters" und Stellposition innerhalb des „Fensters", ermöglicht einen weitestgehend störungsfreien, d.h. messfehlerfreien Betrieb bei sehr unterschied lichen Betriebszuständen (z.B. Flussrate: 0,2 l/min bis 100 l/min Luft; Druckregime: 0 mbar bis <-500 mbar).
• Der optimale Einstellpunkt ist dadurch gekennzeichnet, dass einerseits die erwünschte Modulationswirkung erreicht wird, andererseits aber nahezu kein zusätzlicher Differenzdruck aufgebaut und somit keine zusätzliche Pumpenleistung aufgewendet werden muss.

Claims (7)

1. Durchfluss-Messvorrichtung für eine thermisch anemometrische Massenflussmessung von pulsierenden Fluiden, mit – einem elektronischen Messgerät, – einem elektronischen Regler, aufweisend – eine Elektronik zur Signalverarbeitung, – ein mit dem Antrieb verbundenes Stellelement, wobei – das Messgerät die Pulsationscharakteristik ermittelt, ein der Pulsation äquivalentes Signal erzeugt und dieses an den elektrischen Regler weiterleitet, – der elektrische Regler auf Basis des Signals das Stellelement derart einstellt, dass die Pulsation ein gewünschtes Maß nicht überschreitet.
2. Durchfluss-Messvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der elektronische Regler derart ausgeführt ist, dass Pulsationsschwellenwerte eingegeben werden können, die der elektronische Regler mit dem Signal vergleicht und die dazu führen, dass bei einem oder Überschreiten der Schwel lenwerte eine Regelung durch den elektronischen Regler erfolgt.
3. Durchfluss-Messvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb durch einen Schrittmotor gebildet ist.
4. Durchfluss-Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellelement als Nadelventil ausgeführt ist.
5. Durchfluss-Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Signal analog ausgegeben wird.
6. Durchfluss-Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Signal die Pulsation durch Wechselspannungsanteile darstellt.
7. Durchfluss-Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Messgerät einen CMOS-Chip enthält.