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Fachgebiet der Erfindung
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Diese Erfindung betrifft Flanschwirbeldurchflußmesser (engl. „flanged vortex flow meters”). Insbesondere betrifft diese Erfindung die Verbindung eines Wirbeldurchflußmessers mit einem Flanschrohrleitungssystem, welches einen Durchmesser hat, der größer als der Durchmesser der Wirbeldurchflußmesserbohrung ist.
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Hintergrund der Erfindung
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Wirbeldurchflußmesser werden auf dem Gebiet der industriellen Prozeßsteuerung verwendet, um eine Durchflußmenge eines Fluids zu messen. Wirbeldurchflußmesser werden typischerweise in eine Durchflußleitung oder ein Rohr eingefügt, welche/s das zu messende Fluid befördert. Industrielle Anwendungen umfassen Erdöl, Chemikalien, Faserbrei und Papier, den Abbau von Bodenschätzen und Materialien, Öl und Gas. Das Funktionsprinzip eines Wirbeldurchflußmessers basiert auf einem Phänomen der Wirbelablösung, das als von Karman-Effekt bekannt ist. Während Fluid einen Körper mit hohem Strömungswiderstand umströmt, trennt es sich und erzeugt kleine Strudel oder Wirbel, die sich abwechselnd entlang und hinter jeder Seite des Körpers mit hohem Strömungswiderstand ablösen. Diese Wirbel bewirken Bereiche mit schwankendem Druck, die von einem Sensor detektiert werden. Während die Frequenz der Wirbelerzeugung im wesentlichen proportional zur Fluidgeschwindigkeit ist, ändert sich diese Proportionalität mit der Reynolds-Zahl des Rohrs. Die Reynolds-Zahl des Rohrs ist eine Funktion der Fluiddichte, der Fluidviskosität, der Fluidgeschwindigkeit und des Innendurchmessers des Rohrs.
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In Rohrleitungssystemen besteht der Wunsch, die Reynolds-Zahl klein zu halten, um den Energieverlust in dem Rohrleitungssystem zu verringern. Dieser Wunsch, den Energieverlust zu verringern, führt zur Verwendung größerer Rohrleitungsgrößen und niedrigerer Fluidströmungsgeschwindigkeitsbereiche in dem Rohrleitungssystem.
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In Wirbeldurchflußmessern gibt es Grenzen für den Durchflußbereich, der meßbar ist. Wenn Strömungsgeschwindigkeiten unter der unteren Grenze der meßbaren Strömung sind, kann man sich nicht darauf verlassen, daß der Wirbeldurchflußmesser eine genaue Durchflußanzeige liefert.
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Die japanische Patentanmeldung
JP H08-247 810 A offenbart einen Vortexdurchflußmesser mit einer Röhre und einem darin ausgebildeten Stab zur Vortexerzeugung, wobei der Stab integral mit der Röhre ausgebildet ist. Insbesondere kann der Durchflußmesser mit einem zusätzlichen Strömungsgitter auch montiert werden, wenn nur wenig Platz vorhanden ist.
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Das
US Patent US 6,003,383 A offenbart ebenfalls einen Vortexdurchflußmesser, der auch bei kleinen Reynolds-Zahlen einen Durchfluß messen kann. Hierzu werden ein trapezoid geformtes Hindernis und danach ein T-förmiges Hindernis stromaufwärts eines Sensors angebracht.
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Die japanische Patentanmeldung
JP 2002-048610 A beschreibt ähnlich wie die
JP H08-247 810 A einen einstückig ausgebildeten Vortexdurchflußmesser, wobei insbesondere Wert darauf gelegt wird, dass innerhalb dieser einstückigen Konstruktion Raum für einen entsprechenden Sensor ausgeformt wird, wodurch eine Dichtigkeit des Systems gewährleistet werden soll.
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Es besteht ein Bedarf, einen Wirbeldurchflußmesser mit einer genauen Durchflußausgabe über einen in Rohrleitungssystemen vorkommenden Bereich von Strömungen zur Verfügung zu stellen, wobei ein größerer Rohrleitungsdurchmesser verwendet wird, um den Energieverlust zu verringern.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung ist im unabhängigen Anspruch 1 definiert. Weitere bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen beansprucht. Zudem wird im Folgenden ein Herstellungsverfahren für einen Wirbeldurchflußmesser offenbart, das die Montage einer Wirbelsensoranordnung mit einem von zwei oder mehreren unitären bzw. einheitlichen Durchflußrohren erlaubt, welche Bohrungsgrößen haben, die um zwei oder mehr Größenstufen kleiner als die Durchflußrohrflanschgrößen sind. Die unitären Durchflußrohre umfassen Flansche, Durchflußrohrbohrungen und Erweiterungsstücke, die einen stetigen Strömungsübergang von den größeren Flanschen zu den kleineren Bohrungen ohne Fugen zwischen der Durchflußrohrbohrung und den Erweiterungsstücken bereitstellen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform sind die unitären Durchflußrohre als ein einziges unitäres Gußteil ausgebildet. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist in einem stromaufwärtsen Flansch des unitären Durchflußrohrs ein Strömungsverbesserer eingegossen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 stellt eine Tabelle mit Größen für Rohrleitungen und Wirbeldurchflußmesser dar.
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2 stellt ein Diagramm für den Energieverlust in Rohrleitungssystemen als eine Funktion des Durchflusses dar.
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3 stellt eine Tabelle mit Kombinationen von Größen für Flansche und Größen für Wirbelsensoranordnungen dar.
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4A, 4B stellen unitäre Durchflußrohre dar, die Durchflußrohrflansche mit Größen (N + 1), (N + 2) und Bohrungen der Größe N haben.
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5A, 5B stellen unitäre Durchflußrohre dar, die als einzelne unitäre Körper gegossen sind.
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6A, 6B stellen unitäre Durchflußrohre dar, die Durchflußrohrflansche der Größe M und Bohrungen der Größe (M – 1), (M – 2) haben.
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7 stellt einen Wirbeldurchflußmesser dar, der einen Durchflußverbesserer enthält.
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8 stellt eine vergrößerte Ansicht eines Teils eines Durchflußverbesserers dar.
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9A stellt einen Querschnitt entlang der Linie 9-9' in 8 eines Strömungsverbesserers dar, der aus einer dünnen Platte gebildet ist.
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9B stellt einen Querschnitt entlang der Linie 9-9' in 8 eines Strömungsverbesserers dar, der aus einer Reihe von Flügeln gebildet ist.
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10 stellt eine Explosionsansicht einer Wirbelsensoranordnung und einer Standardsensorschnittstelle auf einem unitären Durchflußrohr dar.
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Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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Es wird ein Herstellungsverfahren für einen Wirbeldurchflußmesser offenbart, das die Montage einer Wirbelsensoranordnung mit einem von zwei oder mehreren unitären Durchflußrohren erlaubt, welche Bohrungen haben, die um zwei oder mehr Größenstufen kleiner als die Durchflußrohrflansche sind. Die unitären Durchflußrohre umfassen Flansche, Durchflußrohrbohrungen und Erweiterungsstücke (auch Übergangsstücke genannt), die einen stetigen Strömungsübergang von den größeren Flanschen zu den kleineren Bohrungen bereitstellen. Die offenbarten Verfahren ermöglichen viele Kombinationen von Bohrungsgrößen und Flanschgrößen, die zusammenmontiert werden können, um einen gewünschten Durchflußbereich zu erzielen, während nur eine einzige Art von Wirbelsensor mit einer Standardsensorschnittstelle auf Lager gehalten wird.
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Die Geschwindigkeit der Strömung von einem mit dem Wirbeldurchflußmesser verbundenen Flanschrohrleitungssystem nimmt zu, wenn sie durch die kleinere Bohrung strömt. Diese Anordnung verschiebt die Fluidströmung wirksam in den Meßbereich des Wirbeldurchflußmessers, so daß der Durchfluß genau gemessen werden kann. In Ausführungsformen, in denen der Rohrleitungsdurchmesser zwei Normgrößen größer als die Durchflußmesserbohrung ist, ist es sehr wichtig, die inneren Oberflächen ebenso wie die Strömung zu steuern bzw. zu lenken weil die Reynolds-Zahl durch den Durchflußmesser lokal wesentlich höher sein kann. Die unitären Durchflußrohre werden als ein unitärer Bestandteil ausgebildet, so daß es keine Nähte zwischen der Durchflußrohrbohrung und den Erweiterungsstücken gibt, die Strömungstörungen und Ungenauigkeiten verursachen könnten. Außerdem umfassen einige Ausführungsformen Strömungsverbesserer, um die Auswirkungen jeglicher Strömungsasymmetrien abzumildern, weil Asymmetrien vergrößert werden, wenn sie durch die kleinere Bohrung strömen. Mit den offenbarten Anordnungen werden die Energieeinsparungen durch Verwendung größerer Flanschrohrleitungen in dem Rohrleitungssystem zusammen mit einer genauen Durchflußmessung erreicht.
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Obwohl es möglich ist, in einem Wirbeldurchflußmesser Strömungswirbel mit Reynolds-Zahlen im Bereich von 2000 bis 10000 zu erzeugen, ist die Frequenz der Wirbel bei diesen Strömungsgeschwindigkeiten nicht vorhersehbar linear. Im allgemeinen ist eine Reynolds-Zahl von 20000 eine untere Grenze für die lineare Durchflußmessung. Eine zusätzliche untere Grenze für den Wirbelmesserbetrieb begründet sich in der minimalen Geschwindigkeit, die von den Sensoren in den Wirbeldurchflußmessern detektiert werden kann. Es gibt abhängig davon, ob das Fluid eine Flüssigkeit oder ein Gas ist, verschiedene Detektionsgrenzen, und insbesondere hängt die Detektion von der Fluiddichte und Geschwindigkeit ab.
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1 stellt eine Tabelle 20 mit Größen von Flanschrohrleitungen und Wirbeldurchflußmessern dar. Wie in 1 zu sehen, werden Rohrleitungssysteme unter Verwendung von Nennrohrleitungsgrößen, wie etwa 1/2 Inch, 1 Inch, 1 1/2 Inch und so weiter konstruiert. In dieser Anwendung werden diese aufeinanderfolgenden größer werdenden Nennrohrleitungsgrößen der Einfachheit halber für die Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung durch aufeinanderfolgende größer werdende Größen bezeichnet (N, M, etc.). Beispiele für typische Wirbeldurchflußmeßbereiche sind in 1 in Gallonen pro Minute (GPM) für einen Wirbeldurchflußmesser gezeigt, der eine Bohrung mit dem Nenndurchmesser hat, der in der Tabelle in 1 angegeben ist. Fachleute auf dem Gebiet werden verstehen, daß der tatsächliche Innendurchmesser einer Wirbeldurchflußmesserbohrung ein wenig kleiner als der tatsächliche Innendurchmesser einer Flanschrohrleitung mit dem gleichen inneren Nenndurchmesser sein kann. Die tatsächlichen Innendurchmesser von Flanschrohrleitungen sind durch die ASME-Standards B36.10, ASME B36.19 und die ISO-Normen ISO 4200, ISO 1127 festgelegt. Wie aus dem Beispiel in 1 zu erkennen, sind die Durchflußbereiche der Wirbeldurchflußmesser begrenzt und überlappen sich auch gegenseitig.
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Wirbeldurchflußmesser sind für die Installation in Flanschrohrleitungssystemen konstruiert, welche verschiedene Druckbereiche und einen Bereich von Größen in normierten Stufen von Nennrohrleitungsdurchmessern, wie etwa 1/2'', 3/4'', 1'', 1 1/2'', 2'' und größere Größen umfassen. Wirbeldurchflußmesser werden mit Durchflußmesserflanschen hergestellt, die geeignet sind, mit Rohrleitungsflanschen dieser normierten Stufen und mit Nenndurchmessern, die den Nennrohrleitungsdurchmessern entsprechen, zusammenzupassen.
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Die Genauigkeit von Wirbeldurchflußmessern ist empfindlich für Strömungsstörungen. Wenn sich zum Beispiel ein Flachdichtungsmaterial zwischen Flanschen in den Strömungsfluß erstreckt, kann die Flachdichtung die Strömung stören und ungenaue Messungen verursachen. Wirbeldurchflußmesser werden gewöhnlich mit einem Minimum von 10 geraden Rohrleitungsdurchmessern in Richtung stromaufwärts und 5 geraden Rohrleitungsdurchmessern in Richtung stromabwärts von dem Wirbeldurchflußmesser zwischen Rohrleitungen installiert, um die Auswirkungen von Strömungsstörungen auf die Genauigkeit zu verringern. Für manche Arten von Strömungsstörungen können bis zu 35 Durchmesser in stromaufwärtser Richtung notwendig sein, um die Genauigkeit sicherzustellen.
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Bei der Konstruktion von verfahrenstechnischen Rohrleitungssystemen ist es gängige Praxis die Rohrleitung ”überzudimensionieren”, um Strömungsgeschwindigkeiten zu verringern und dadurch die hohen Energiekosten für das Pumpen von Fluid durch das Rohrleitungssystem des Verfahrens zu verringern. Mit den überdimensionierten Rohrleitungen können Strömungsgeschwindigkeiten leicht unter den linearen Bereich eines Wirbeldurchflußmessers mit dem gleichen Nenndurchmesser wie die Rohrleitungen fallen. Der Wirbeldurchflußmesser kann das untere Ende des Strömungsbereichs nicht messen, während er auch die Möglichkeiten des oberen Bereichs des Wirbeldurchflußmessers nutzt, weil die Möglichkeiten des oberen Bereichs außerhalb des oberen Bereichs des Rohrleitungsdurchflusses sind. Wenn diese Situation auftritt, ist es notwendig, einen ”unterdimensionierten” Wirbeldurchflußmesser zur Verfügung zu stellen, der um eine Rohleitungsgrößenstufe unterdimensioniert ist, und Rohrleitungsübergangsstücke zu verwenden, um den unterdimensionierten Wirbeldurchflußmesser an die groß bemessenen Rohrleitungen anzuschließen. In vielen Fällen erhöht dies die Strömungsgeschwindigkeit in dem Wirbeldurchflußmesser hinreichend, um die niedrigeren Rohrleitungsströmungsgeschwindigkeiten zu messen, ohne eine unannehmbare Zunahme der Energiekosten aufgrund des Druckabfalls an dem Wirbeldurchflußmesser in Kauf zu nehmen.
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2 stellt ein Diagramm für den relativen Energieverlust in Rohrleitungssystemen als eine Funktion des Durchflusses dar. Eine vertikale Achse 30 stellt einen relativen Energieverlust in einem Rohrleitungssystem dar, in dem ein Wirbeldurchflußmesser verwendet wird. Der Energieverlust ist nur in einem relativen Maßstab gezeigt, und tatsächliche Energieverlustberechnungen können auf der Grundlage der Zusammensetzung des Fluids, seiner Temperatur und anderen Faktoren skaliert werden. Eine horizontale Achse 32 stellt den Durchfluß in Gallonen pro Minute (GPM) dar. Die vertikale und die horizontale Achse 30, 32 haben logarithmische Maßstäbe. Im allgemeinen diagonale Linien 34, 36, 38, 40, 42, 44 stellen den relativen Energieverlust als eine Funktion des Volumendurchflusses für Rohrleitungssysteme jeweils mit den Nenndurchmessern 1, 1 1/2, 2, 3, 4 und 6 Inch dar. Für einen gegebenen gewünschten Durchflußmeßbereich 48 von etwa 3–10 Gallonen pro Minute, ist zu sehen, daß der relative Energieverlust in dem Rohrleitungssystem abnimmt, wenn die Nennrohrleitungsgröße zunimmt. Um diese Abnahme der Verlustleistung auszunutzen, kann, wie durch die durchgezogene Linie 42 angezeigt, eine Rohrleitung mit relativ großer Größe, wie etwa eine 4-Inch-Rohrleitung, ausgewählt werden.
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Die Durchflußbereiche von Wirbeldurchflußmessern sind als rechteckige Kästen 50, 52, 54, 56, 58, 60, 62 gezeigt, die jeweils Nenngrößen von Wirbeldurchflußmesserbohrungen mit Nenndurchmessern von 1/2, 1, 1 1/2, 2, 3, 4 und 6 Inch entsprechen. Durch Vergleichen des Durchflußbereichs 60 eines Durchflußmessers mit 4-Inch-Bohrung mit dem gewünschten Meßbereich 48 ist zu erkennen, daß der Durchflußbereich 60 nur einen kleinen oberen Teil des gewünschten Durchflußbereichs 48 abdeckt. Es ist auch zu erkennen, daß ein 2-Inch-Durchflußmesser oder ein 1 1/2-Inch-Durchflußmesser den gesamten gewünschten Durchflußmeßbereich 48 abdecken. Mit anderen Worten hat das Rohrleitungssystem in diesem besonderen Beispiel die Größe N = 6 (4'' Durchmesser mit der Energieverlustkurve 42), und die Bohrung von Wirbeldurchflußmessern, welche den gewünschten Durchflußbereich 48 genau messen, haben die Größe N = 4 (bei 56) und N = 3 (bei 54). Die Größe N = 2 deckt den Meßbereich ebenfalls ab, würde aber aufgrund ihrer kleinen Größe zu übermäßigem Energieverlust führen. Wenn ein kleiner dimensionierter Flanschwirbeldurchflußmesser unter Verwendung herkömmlicher Flanschübergangsstücke und Flachdichtungen an das größere Rohrleitungssystem angeschlossen würde, wäre die Anordnung in Gefahr, aufgrund der Unregelmäßigkeiten beim Aneinanderpassen der mehreren Flansche und dem Vorstehen von Teilen von Flachdichtungen in den Strömungsfluß wesentlich von der Werkseichung des Wirbeldurchflußmessers abzuweichen. Die Installationskosten für das Bereitstellen von zwei Flanschübergangsstücken und das Zusammenmontieren von vier Flanschrohrleitungsverbindungen sind sehr hoch. Dieses Problem wird, wie weiter unten in Verbindung mit 3–10 erklärt, durch Bereitstellen eines unitären Durchflußrohrs ohne Flanschverbindungen oder Flachdichtungen zwischen der Bohrung des Durchflußmessers und den Übergangsstücken gelöst.
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3 stellt ein Beispiel für eine Tabelle oder Matrix von Kombinationen von Größen für Flansche und Größen für Bohrungen von unitären Wirbeldurchflußrohren dar. Die ”Größen” sind weiter oben in Verbindung mit 1 erklärt. In diesem besonderen Beispiel ist jede der Kombinationen, die in einem Herstellungsverfahren bereitgestellt wird, mit einem X gekennzeichnet, und Kombinationen, die nicht vorgesehen sind, sind nicht gekennzeichnet. Erfindungsgemäße Wirbeldurchflußmesser erfüllen die folgende Bedingung für einen Flansch der Größe N und eine Bohrung der Größe (N – A): i) N = 2 und A = 1 oder ii) N = 3 bis 8 und A = 2.
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Wie zum Beispiel bei 70 dargestellt, werden unitäre Durchflußmesser mit Bohrungen mit der Größe 6 mit Flanschen der Größen 7 und 8 versehen. Anders ausgedrückt werden Durchflußmesser mit 4-Inch-Bohrungen mit 6-Inch- und 8-Inch-Flanschen versehen. Allgemeiner ausgedrückt werden Durchflußmesser mit Bohrungen einer Größe N mit Flanschgrößen (N + 1) und (N + 2) versehen. Diese Kombinationen werden in Verbindung mit 4A, 4B, 5A, 5B weiter unten detaillierter erklärt.
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Wie bei 72 in einem weiteren Beispiel dargestellt, sind unitäre Durchflußmesser mit Flanschen der Größe 6 mit Bohrungen der Größen 4 und 5 versehen. Anders ausgedrückt werden Durchflußmesser mit 4-Inch-Flanschen mit 2-Inch- und 3-Inch-Bohrungen versehen. Allgemeiner ausgedrückt werden Durchflußmesser mit Flanschen der Größe M mit Bohrungen der Größen (M – 2) und (M – 1) versehen. Diese Kombinationen werden in Verbindung mit einem in 6A, 6B dargestellten Beispiel weiter unten detaillierter erklärt.
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Jede der, wie durch ein X in 3 angezeigt, bereitgestellten Kombinationen umfaßt eine Standardwirbelsensorschnittstelle auf dem unitären Durchflußrohr. Diese Anordnung ermöglicht, daß die Endfertigung des Wirbeldurchflußmessers abgeschlossen wird, indem einfach eine der unitären Durchflußrohrkombinationen mit einer Wirbelsensoranordnung zusammenmontiert wird, die derart geformt ist, daß sie an die Standardsensorschnittstelle paßt. Die Wirbeldurchflußrohre werden unter Verwendung gemessener Durchflüsse geeicht, wobei die Übergangsstücke und Flansche an Ort und Stelle sind. Dann werden die Eichungen in dem fertigen Wirbeldurchflußmesser, bevorzugt in einem in der Elektronik des Wirbeldurchflußmessers enthaltenen EEPROM, gespeichert. Jede Genauigkeitsschwankung aufgrund der Erweiterungsstücke wird in dem Eichverfahren korrigiert. Im Hinblick auf die Bedürfnisse eines Kunden kann die richtige Kombination aus einem gewünschten Durchflußbereich und einem Durchflußmesserflansch, der zu der Größe der Flansche des Rohrleitungssystems paßt, genau, schnell und wirtschaftlich hergestellt und versendet werden. Es gibt keine Verzögerung mit Warten darauf, daß ein Wirbeldurchflußmesser kundenspezifisch hergestellt wird.
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4A, 4B stellen unitäre Durchflußrohre 80, 82 dar, die Durchflußrohrflansche der Größen (N + 1), (N + 2) und Bohrungen der Größe N haben. Die zwei unitären Durchflußrohre 80, 82 haben Bohrungen mit der gleichen Größe N und haben beide den gleichen ausgewählten Durchflußmeßbereich, wie etwa den Durchflußmeßbereich, der zu der Größe N in den in 1 gezeigten Beispielen paßt.
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Ein Herstellungsverfahren für Wirbeldurchflußmesser umfaßt die Bereitstellung von Wirbelsensoranordnungen, die derart geformt sind, daß sie an eine Standardsensorschnittstelle 86 auf jedem der unitären Durchflußrohre 80, 82 passen.
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Das erste unitäre Durchflußrohr 80 wird bereitgestellt und hat die Standardsensorschnittstelle 86, Durchflußrohrflansche 88 der Größe (N + 1), die durch zulaufende bzw. konische Erweiterungsstücke 90 mit einer ersten Bohrung 92 der Größe N verbunden werden. Das erste unitäre Durchflußrohr 80 stellt eine erste Flanschgröße (N + 1) bereit, die für den ausgewählten Meßbereich um eine Stufe überdimensioniert ist.
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Das zweite unitäre Durchflußrohr 82 wird bereitgestellt und hat die Standardsensorschnittstelle 86, Durchflußrohrflansche 98 der Größe (N + 2), die durch zulaufende bzw. konische Erweiterungsstücke 100 mit einer zweiten Bohrung 102 der Größe N verbunden werden. Das zweite unitäre Durchflußrohr 82 stellt eine zweite Flanschgröße (N + 2) bereit, die für den ausgewählten Meßbereich um zwei Stufen überdimensioniert ist.
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Schließlich wird ein Wirbeldurchflußmesser mit Flanschen mit einer ausgewählten Größe N + 1 oder N + 2 ausgewählt und an der Standardsensorschnittstelle 86 auf dem ausgewählten der ersten und zweiten unitären Durchflußrohre 80, 82 mit einer Wirbelsensoranordnung verbunden.
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Die Erweiterungsstücke 90, 100 werden bevorzugt zusammen mit Rohrleitungsflanschen 88, 98 als ein einziges nahtloses Gußteil ausgebildet, das maschinell in eine Endform mit Schweißstutzen 94, 104 bearbeitet wird. Die Durchflußmesserbohrungen 92, 102 werden ebenfalls maschinell bearbeitet, so daß sie Schweißstutzen 96, 106 umfassen. Die Ränder der Schweißstutzen auf den Erweiterungsstücken 90, 100 werden exakt ausgerichtet und durch Schweißen an die zugewandten Ränder der Schweißstutzen 96, 106 auf den Durchflußmesserbohrungen 92, 102 verbunden. Die fertiggestellten Schweißstellen werden sorgfältig geprüft und nach Bedarf maschinell bearbeitet, um einen völlig gleichmäßigen Innendurchmesser für das unitäre Durchflußrohr bereitzustellen, der frei von irgendwelchen Fehlausrichtungen oder Vorsprüngen ist, welche die Genauigkeit der Durchflußmessung nachteilig beeinflussen könnten. Die fertiggestellten unitären Durchflußrohre 80, 82 sind unitär, mit anderen Worten völlig frei von vorstehenden Verbindungen, wo die Erweiterungsstücke an die Bohrungen geschweißt sind. Da die Verbindungen permanent verschweißt sind, besteht keine Gefahr einer unabsichtlichen Demontage und Fehlausrichtung nach Neumontage vor Ort bei einem Kunden.
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5A, 5B stellen unitäre Durchflußrohre 130, 132 dar, die als einzelne unitäre Körper gegossen sind. Die unitären Durchflußrohre 130, 132 von 5A, 5B sind ähnlich den unitären Durchflußrohren 80, 82 von 4A, 4B. In 5A, 5B verwendete Bezugszeichen, die gleich den in 4A, 4B verwendeten Bezugszeichen sind, kennzeichnen das gleiche oder ähnliche Merkmale. Die unitären Durchflußrohre 130, 132 sind jeweils als ein einziges unitäres Gußteil gegossen und maschinell in eine Endform bearbeitet, wodurch jegliche Nähte oder Flachdichtungen zwischen der Bohrung und den Erweiterungsstücken, welche den Durchfluß stören und die Genauigkeit nachteilig beeinflussen könnten, vermieden werden. In anderer Hinsicht sind die unitären Durchflußrohre von 5A, 5B ähnlich den entsprechenden unitären Durchflußrohren in 4A, 4B.
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Die in 4A, 4B, 5A, 5B dargestellten Beispiele stimmen im allgemeinen dem in 3 dargestellten Beispiel 70 überein.
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6A, 6B stellen unitäre Durchflußrohre 150, 152 dar, die Durchflußrohrflansche 162, 164 der Größe M und bei 92 Bohrungen der Größe (M – 1) und bei 102 der Größe (M – 2) haben. Die zwei unitären Durchflußrohre 150, 152 haben Flansche mit der gleichen Größe M und haben verschiedene ausgewählte Durchflußmeßbereiche, wie etwa die, die zu den Größen M – 1, M – 2 in der in 1 gezeigten Beispieltabelle gehören. Die in 6A, 6B dargestellten unitären Durchflußrohre sind ähnlich den in 5A, 5B dargestellten unitären Durchflußrohren, und in 6A, 6B verwendete Bezugszeichen, die gleich den in 5A, 5B verwendeten Bezugszeichen sind, kennzeichnen das gleiche oder ähnliche Merkmale.
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Ein Herstellungsverfahren für Wirbeldurchflußmesser umfaßt die Bereitstellung von Wirbelsensoranordnungen, die derart geformt sind, daß sie an eine Standardsensorschnittstelle 156, 158 auf jedem der unitären Durchflußrohre 150, 152 passen.
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Das erste unitäre Durchflußrohr 150 mit der Standardsensorschnittstelle 156 wird bereitgestellt. Das unitäre Durchflußrohr 150 hat Durchflußrohrflansche 162 der Größe M, die durch zulaufende bzw. konische Erweiterungsstücke 90 mit einer ersten Bohrung 92 der Größe (M – 1) verbunden sind, um einen ersten Durchflußmeßbereich bereitzustellen.
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Das zweite unitäre Durchflußrohr 152 mit der Standardsensorschnittstelle 158 wird bereitgestellt. Das unitäre Durchflußrohr 152 hat Durchflußrohrflansche 164 der Größe M, die durch zulaufende bzw. konische Erweiterungsstücke 100 mit einer zweiten Bohrung 102 der Größe (M – 2) verbunden sind, um einen zweiten Durchflußmeßbereich bereitzustellen.
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In sonstiger Hinsicht ist der Aufbau der unitären Durchflußrohre 150, 152 ähnlich dem Aufbau der unitären Durchflußrohre 130, 132. Die unitären Durchflußrohre 150, 152 sind aus einem einzigen Gußteil hergestellt, sie können aber auch, wie weiter oben in Verbindung mit 4A, 4B beschrieben, geschweißt werden. Die in 6A, 6B dargestellten Beispiele stimmen mit dem in 3 dargestellten Beispiel 72 überein.
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Die in 4A, 4B oder 5A, 5B dargestellten Beispiele sind Beispiele für eine einzige Bohrungsgröße mit mehreren Flanschgrößen entsprechend Beispiel 70 in 3. Die in 6A, 6B dargestellten Beispiele sind Beispiele für mehrere Bohrungsgrößen mit einer einzigen Flanschgröße entsprechend Beispiel 72 in 3.
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7 stellt einen Wirbeldurchflußmesser 176 mit einem unitären Durchflußrohr 178 (wie etwa weiter oben in Verbindung mit 4A, 4B, 5A, 5B, 6A, 6B beschrieben) dar, welches einen Strömungsverbesserer 180 enthält. Der Wirbeldurchflußmesser 176 umfaßt eine Wirbelsensoranordnung 174, die durch vier (nicht dargestellte) Bolzen auf eine obere flache Oberfläche des unitären Durchflußrohrs 178 montiert ist. Die Wirbelsensoranordnung 174 umfaßt eine Standardsensorschnittstelle, die weiter unten in Verbindung mit 10 detaillierter beschrieben wird.
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Die Strömungsverbesserer 180 ist derart angeordnet, daß er in den Innendurchmesser 182 eines stromaufwärts gelegenen oder Einlaßflansches 184 auf dem unitären Durchflußrohr 178 paßt. Der Strömungsverbesserer ist größer als ein Durchmesser einer Bohrung 186 des unitären Durchflußrohrs 178. Eine Wirbelablösungsleiste 188 ist in der Bohrung 186 befestigt. Der Strömungsverbesserer 180 umfaßt mehrere Löcher 190, die ermöglichen, daß Fluid durch den Strömungsverbesserer strömt. Der Strömungsverbesserer 180 umfaßt auch einen festen Teil 192, welcher die Löcher 190 umgibt und den Fluidstrom versperrt. Der Strömungsverbesserer 180 wird weiter unten in Verbindung mit 8, 9A, 9B detaillierter beschreiben.
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Wirbeldurchflußmesserelektronik 194 wird in einem Meßwertumformergehäuse 196 vorgesehen, das wie gezeigt lokal oder entfernt montiert werden kann. Die Wirbeldurchflußmesserelektronik umfaßt bevorzugt einen elektrisch löschbaren programmierbaren Nur-Lesespeicher (EEPROM) 198, der die Eichdaten speichert, welche durch das Prüfen des Durchflußrohrs 184 in einer Durchflußprüfeinrichtung erhalten werden.
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Während in 7 runde Löcher 190 dargestellt sind, versteht sich, daß sich die Form der Löcher abhängig von den Erfordernissen der Anwendung verändern kann. Die Löcher 190 können oval oder lange Schlitze sein.
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8 stellt eine vergrößerte Abrißansicht eines Teils eines Strömungsverbesserers 200 dar. Der Strömungsverbesserer 200 umfaßt Löcher 202, 204 mit Rändern 206, 208, die nicht scharf, sondern statt dessen geglättet oder stromlinienförmig gemacht sind, um Turbulenzen zu verringern und die Strömung aufzubereiten. Der Strömungsförderer 200 begradigt die Strömung, so daß die Strömung dazu neigt, relativ frei von großen Wirbeln in das unitäre Durchflußrohr einzutreten, die andernfalls die Meßgenauigkeit stören könnten.
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9A stellt einen Querschnitt entlang der Linie 9-9' in 8 eines Strömungsverbesserers dar, der aus einer dünnen Platte gebildet wird. Der Strömungsverbesserer weist eine Platte auf, die durch mehrere Löcher 202, 204 perforiert ist. Die Platte hat um die mehreren Löcher 202, 204 herum stromlinienförmig gemachte Ränder 206, 208.
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9B stellt einen Querschnitt entlang der Linie 9-9' in 8 eines Strömungsverbesserers dar, der aus einer Reihe stromlinienförmiger Flügel 210 in einer Platte gebildet wird, welche dicker als die in 9A dargestellte Platte ist.
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10 stellt eine bruchstückhafte Explosionsansicht einer unitären Durchflußrohrbohrung 220 und einer Wirbelsensoranordnung 222 dar. Die Durchflußmesserbohrung 220 ist von einem spulenförmigen Querschnitt 224 umgeben, der, wie weiter oben in Verbindung mit 4A, 4B erklärt, an Übergangsstücke anschließt. Die Spule 224 kann an den Schweißstutzenflanschen an die Übergangsstücke geschweißt werden oder integral mit den Übergangsstücken gegossen werden. Die Spule hat einen Innendurchmesser 226 der Größe N, welcher die Bohrung 220 definiert. Fluid strömt in einer durch einen Pfeil 228 angezeigten Richtung durch die Bohrung 220.
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Eine Wirbelablösungsleiste
230 erstreckt sich quer über die Bohrung
220 und ist an beiden Enden an der Oberfläche des Spuleninnendurchmessers
224 befestigt. Ein kleiner Krümmungsabschnitt umfaßt eine dünne Abtastmembran
232, die entlang äußeren Umfangsteilen durch die Wirbelablösungsleiste
230 gehalten wird. Die Abtastmembran
232 ist zu dem Fluid hin offen, um sich ansprechend auf die periodischen Kräfte, die von den durch die Wirbelablösungsleiste
230 abgelösten Wirbeln angelegt werden, seitlich in die Richtung der Pfeile
234 zu verbiegen. Ein Stab
236 ist mit der Abtastmembran
232 verbunden, um die Verbiegung der Abtastmembran
232 durch die Spule
224 zu übertragen. Der Stab
236 dreht sich oder ”schaukelt” ansprechend auf die Verbiegung der Abtastmembran
232 um eine Drehachse
238, wodurch eine seitliche Kraft auf die an der Spule
224 befestigte piezoelektrische Wirbelsensoranordnung
222 angewendet wird. Die piezoelektrische Wirbelsensoranordnung
222 tastet die seitliche Bewegung des Stabs
236 ab und erzeugt an einem elektrischen Ausgang
240 ein piezoelektrisches Abtastsignal mit einer Frequenz, welche die Frequenz der Wirbelablösung und somit des Durchflusses des durch die Bohrung
220 strömenden Fluids darstellt. Der elektrische Ausgang
240 ist mit der Wirbeldurchflußmesserelektronik verbunden. Die Wirbelsensoranordnung
222 ist derart geformt, daß sie in ein Loch
242 in einer oberen flachen Oberfläche der Spule
224 paßt und in den Stab
236 eingreift. Die Größe und die Form des Lochs
242 und des Stabs
236 sind eine normierte Sensorschnittstelle auf dem unitären Durchflußrohr. Die in
10 gezeigte Anordnung kann wie in
US-A-4 926 695 (Kleven et al.) gelehrt sein, das hier per Referenz eingebunden ist.
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Obwohl die vorliegende Erfindung unter Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen beschrieben wurde, werden Fachleute auf dem Gebiet erkennen, daß an der Form und in Einzelheiten Änderungen vorgenommen werden können, ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen.
