DE102005020858B3 - Verfahren zum Messen eines Differenzdrucks in strömenden Fluiden und Messanordnung - Google Patents

Abstract

Es wird ein Verfahren und eine Meßanordnung zum Messen eines Differenzdrucks in strömenden Fluiden angegeben mit einer Primärleitung (2), die eine erste Meßstelle (4) und eine zweite Meßstelle (5) aufweist, wobei zwischen der ersten und der zweiten Meßstelle (4, 5) eine Strömungsänderung (3) in der Primärleitung (2), an der ersten Meßstelle (4) eine erste Sekundärleitung (6) und an der zweiten Meßstelle (5) eine zweite Sekundärleitung (8) angeordnet ist, wobei man eine Absperrvorrichtung (7) in der ersten Sekundärleitung (6) anordnet und man einen ersten Druck (P1) in der ersten (6) und einen zweiten Druck (P2) in der zweiten Sekundärleitung (8) mißt.
Man möchte dabei auf einfache Weise und mit einfachen Mitteln einen Differenzdruck messen.
Hierzu ordnet man einen Begrenzer (9) in der zweiten Sekundärleitung (8) an und mißt bei geöffneter und bei geschlossener Absperrvorrichtung (7) mindestens jeweils einen der beiden Drücke (P1, P2).

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen eines Differenzdrucks in strömenden Fluiden mit einer Primärleitung, die eine erste Meßstelle und eine zweite Meßstelle aufweist, wobei zwischen der ersten und der zweiten Meßstelle eine Strömungsänderung in der Primärleitung, an der ersten Meßstelle eine erste Sekundärleitung und an der zweiten Meßstelle eine zweite Sekundärleitung anordnet ist, wobei man eine Absperrvorrichtung in der ersten Sekundärleitung angeordnet und man einen ersten Druck in der ersten und einen zweiten Druck in der zweiten Sekundärleitung mißt. Ferner betrifft die Erfindung eine Meßanordnung zum Messen eines Differenzdrucks in strömenden Fluiden mit einer Primärleitung, die eine erste Meßstelle und eine zweite Meßstelle aufweist, wobei zwischen der ersten Meßstelle und der zweiten Meßstelle eine Strömungsänderung in der Primärleitung angeordnet ist und an der ersten Meßstelle eine erste Sekundärleitung und an der zweiten Meßstelle eine zweite Sekundärleitung angeordnet ist, wobei eine Absperrvorrichtung in der ersten Sekundärleitung und mindestens ein Druckmesser in einer der beiden Sekundärleitungen angeordnet ist.
• Strömende Fluide, wie beispielsweise Flüssigkeiten und Gase weisen vor und hinter einer Strömungsänderung unterschiedliche Drücke auf. Eine Strömungsänderung ist beispielsweise eine Drossel, die innerhalb einer Fluidleitung eine Querschnittsänderung aufweist. Eine Strömungsänderung kann dabei bewußt in einer Fluidleitung angeordnet werden, um den Druck des Fluids zu beeinflussen. Auch sind Strömungsänderungen teilweise unvermeidbar, wenn man beispielsweise ein Sieb in eine Fluidleitung einbaut. In vielen Fällen ist es wünschenswert, den Druck vor und hinter der Strömungsänderung zu kennen. Hieraus kann ein Differenzdruck ermittelt werden, der über Eigenschaften der Strömungsänderung Aufschluß gibt. Das Messen eines Differenzdrucks setzt zunächst voraus, daß man zwei Drücke mißt, nämlich einen Druck vor der Strömungsänderung und einen Druck hinter der Strömungsänderung. Hierzu ordnet man vor der Strömungsänderung und hinter der Strömungsänderung jeweils eine Sekundärleitung an, in der Meßmittel angeordnet sind.
• Es ist bekannt, an die erste Sekundärleitung und an die zweite Sekundärleitung ein Differenzdruckmeßgerät anzuschließen. Es kann sich dabei um ein Manometer mit Anzeige oder mit elektrischem Ausgang handeln. Auch werden Differenzdruckmeßgeräte verwendet, die mit Deh nungsmeßstreifen oder piezoelektrischen Elementen arbeiten. Oft sind solche Differenzdruckmeßgeräte für einen weiten Meßbereich ausgelegt. Da diese Druckdifferenz zwischen sehr klein im Verhältnis zum Druck in der Primärleitung und sehr groß liegen kann, sind Druckdifferenzmesser meist sehr kompliziert aufgebaut.
• DE 34 17 495 C2 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen der von einer Brennkraftmaschine angesaugten Luftmenge. Vor einer Drosselklappe zweigt ein erster Kanal ab. Hinter der Drosselklappe zweigt ein zweiter Kanal ab. Beide Kanäle können über einen Umschalter mit einem Drucksensor in Verbindung gebracht werden. Der Druck vor der Drosselklappe wird relativ selten gemessen und gespeichert, weil man davon ausgeht, daß er sich nicht ändert. Der Druck hinter der Drosselklappe wird fortlaufend gemessen, um einen Differenzdruck berechnen zu können.
• WO 03/087642 A1 zeigt ein Durchflußsteuerventil mit einer Drosseleinrichtung. Vor und hinter der Drosseleinrichtung sind Meßstellen angeordnet, so daß man den absoluten Druck vor der Drosseleinrichtung und die Druckdifferenz über die Drosseleinrichtung ermitteln kann. Zusätzlich ist ein Temperatursensor vorgesehen und ein Positionssensor, der den Schließzustand der Drosseleinrichtung anzeigt. Alle Sensoren melden ihre Ergebnisse an eine Steuereinrichtung.
• DE 41 13 005 C2 beschreibt eine Brennkraftmaschine mit einem in einer Abgasleitung angeordneten Abgasfilter. Eine Bypassleitung überbrückt den Abgasfilter. In der Bypassleitung ist eine Meßeinrichtung angeordnet, die einen Steuerkolben aufweist, der jeweils eine vom Abgas stromauf des Abgasfilters und eine vom Abgas stromab des Abgasfilters beaufschlagte Stirnfläche aufweist, so daß er vom Differenzdruck aus beiden Abgasdrücken entgegen der Wirkung einer Rückstellfeder verschiebbar ist. Der Verschiebeweg wird als Meßsignale für eine Steuereinheit verwendet.
• DE 37 10 968 C2 beschreibt eine Vorrichtung zur Messung des Volumen- oder Massestromes mit einer Meßstrecke, die eine Meßblende aufweist, wobei auf beiden Seiten der Meßblende Meßanschlüsse zum Anschluß von Drucksensoren angeordnet sind.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, auf einfache Weise und mit einfachen Mitteln einen Differenzdruck zu messen.
• Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß man einen Begrenzer in der zweiten Sekundärleitung anordnet und man bei geöffneter und bei geschlossener Absperrvorrichtung mindestens jeweils einen der beiden Drücke mißt.
• Zur Differenzdruckmessung betätigt man demnach eine Absperrvorrichtung. Bei geöffneter Absperrvorrichtung strömt das Fluid in der ersten Sekundärleitung durch die Absperrvorrichtung hindurch, während bei geschlossener Absperrvorrichtung ein Fluß in der ersten Sekundärleitung durch die Absperrvorrichtung verhindert wird. Man stellt somit zwei Zustände in der ersten Sekundärleitung her. In der zweiten Sekundärleitung benötigt man eine solche Zustandsänderung nicht. Dort ist ein Begrenzer angeordnet, dessen Zustand unveränderbar ist. Ein Begrenzer ist beispielsweise eine Drossel, die als Blende oder Düse ausgebildet sein kann. Ein Durchfluß des Fluids durch den Begrenzer kann durch die Beschaltung des Begrenzers von außen geändert werden. Der Begrenzer ist demnach ein passives Bauelement in einer Fluidleitung, das ohne Ansteuerung arbeitet. Der Be grenzer vereinfacht somit das Verfahren zum Messen eines Differenzdrucks. Man steuert also nur die Absperrvorrichtung an, indem man sie in zwei Zustände zeitlich hintereinander versetzt. Dies vereinfacht eine Ansteuerung, da man nicht auf Zwischenstellungen der Absperrvorrichtung achten muß. Auch entfällt eine Koordination der Ansteuerung zwischen verschiedenen verstellbaren Bauelementen, da hier nur ein verstellbares Bauelement in Form einer Absperrvorrichtung verwendet wird. Durch die angeschlossene erste und zweite Sekundärleitung an der Primärleitung zweigt das Fluid vom eigentlichen Strömungspfad ab und steht zur Druckmessung zur Verfügung. Man zweigt möglichst eine geringe Fluidmenge zum Messen eines Drucks ab, damit die Menge des Fluids in der Primärleitung nahezu unverändert bleiben. Dies geschieht dadurch, daß man möglichst nur für kurze Zeit die Absperrvorrichtung öffnet oder auch dadurch, daß man die abgezweigte Fluidmenge der ersten und der zweiten Sekundärleitung wieder der Hauptleitung zuführt. Auch kann man in der ersten und in der zweiten Sekundärleitung jeweils einen Gegendruck erzeugen, der beispielsweise dem gerade gemessenen Druck in der jeweilig anderen Sekundärleitung entspricht. Für die Ermittlung eines Differenzdrucks mißt man mindestens einen ersten Druck in der ersten Sekundärleitung und mindestens einen zweiten Druck in der zweiten Sekundärleitung. Es ergeben sich mehrere Möglichkeiten. Man kann beispielsweise bei geöffneter Absperrvorrichtung den ersten Druck und bei geschlossener Absperrvorrichtung den zweiten Druck messen. Auch ist es möglich, bei geöffneter Absperrvorrichtung den zweiten Druck und bei geschlossener Absperrvorrichtung den ersten Druck zu messen. Es ist auch denkbar, insgesamt drei oder vier Druckmessungen durchzuführen, z.B. bei geöffneter Absperrvorrichtung den ersten und den zweiten Druck und bei geschlossener Absperrvorrichtung den ersten und/oder den zweiten Druck zu messen. Weitere Variationen mit zwei, drei oder vier Druckmessungen sind entsprechend möglich. Damit man die Wirkung der Absperrvorrichtung und des Begrenzers effektiv nutzt, mißt man vorzugsweise den ersten Druck in Strömungsrichtung hinter der Absperrvorrichtung und den zweiten Druck in Strömungsrichtung hinter dem Begrenzer. Aus den gemessenen Druckwerten bildet man eine Differenz und erhält somit den Differenzdruck zwischen der ersten Meßstelle und der zweiten Meßstelle. Die Durchflußrichtung des Fluids in der Primär- und den Sekundärleitungen hat keinen Einfluß auf die Wirkungsweise des Verfahrens. Der Ort der Meßstelle muß jedoch nicht mit dem Ort eines installierten Druckmessers übereinstimmen.
• In besonders bevorzugter Weise mißt man bei geöffneter Absperrvorrichtung den ersten Druck in der ersten Sekundärleitung und bei geschlossener Absperrvorrichtung den zweiten Druck in der zweiten Sekundärleitung. Man führt demnach nur zwei Druckmessungen durch. Diese Druckmessungen erfolgen zeitlich hintereinander, nämlich einmal bei geöffneter Absperrvorrichtung und einmal bei geschlossener Absperrvorrichtung. Auch wenn man nur einen Druckmesser zur Verfügung hat, kann die Messung durchgeführt werden. Zeitgleich wird nämlich immer nur ein Druck gemessen.
• Vorzugsweise mißt man den ersten und den zweiten Druck in einem Parallelkreis. Ein Parallelkreis entsteht beispielsweise dann, wenn ein Teil des Fluids die Primär leitung verläßt und anschließend über einen Strömungspfad wieder in die Primärleitung mündet. Man mißt in diesem Parallelkreis also den ersten und den zweiten Druck parallel zur Strömungsänderung. Dabei kann die erste und die zweite Sekundärleitung Teil des Parallelkreises sein. Die Bezeichnung Parallelkreis bezieht sich hier auf einen oder mehrere Strömungspfade, die parallel zur Strömungsänderung im strömungstechnischem Sinn eine Strömung des Fluids ermöglichen.
• Es ist besonders bevorzugt, daß man die erste Sekundärleitung mit der zweiten Sekundärleitung verbindet. Auf diese Weise bildet man einen parallel durchflossenen Strömungspfad zur Strömungsänderung. Man führt automatisch das abgezweigte Fluid wieder der Primärleitung zu. Auch wird ein Meßfehler gering gehalten, da nur bei geöffneter Absperrvorrichtung das Fluid parallel zur Strömungsänderung fließt. Bei geschlossener Absperrvorrichtung fließt das gesamte Fluid durch die Strömungsänderung in der Primärleitung.
• Bevorzugterweise mißt man den ersten und den zweiten Druck zwischen der Absperrvorrichtung und dem Begrenzer. Man kann somit einen Ort in den zusammengeschalteten Sekundärleitungen verwenden, um die Druckmessungen durchzuführen. Auch ist es möglich, dann nur noch einen Druckmesser zu verwenden.
• In praktischer Weise mißt man als ersten und als zweiten Druck einen absoluten Druck. Im Gegensatz zu einer relativen Druckmessung ist eine absolute Druckmessung besser geeignet, um daraus einen Differenzdruck zu er mitteln. Bei einer absoluten Druckmessung entfällt eine Referenzstelle, auf die sich der relative Druck bezieht. Da sich der Druck der Referenzstelle ebenfalls ändern kann und eventuell zwei verschiedene Referenzstellen für zwei Druckmessungen verwendet werden, ist die Meßunsicherheit bei einer Differenzdruckmessung groß. Aus diesem Grund ist es günstiger, eine Absolutdruckmessung durchzuführen.
• Vorteilhafterweise erzeugt man durch die geöffnete Absperrvorrichtung einen größeren Volumenstrom als durch den Begrenzer. Hiermit reduziert man einen Meßfehler. Ein größerer Volumenstrom wird beispielsweise dadurch erzeugt, daß man für die Absperrvorrichtung eine größere Durchflußfläche wählt als für den Begrenzer. Auch wäre es möglich, den Volumenstrom durch weitere Mittel zu beeinflussen, wie beispielsweise zusätzliche Drosseln. Der Volumenstrom wird durch die Geometrie innerhalb der Leitungen beeinflußt. Unter "Volumenstrom" wird hier die Verlagerung des Fluidvolumens über eine bestimmte Zeit verstanden. Im Gegensatz hierzu ist ein "Massenstrom" eine Verlagerung einer Masse über eine bestimmte Zeit.
• Es ist bevorzugt, daß man durch die Primärleitung einen größeren Volumenstrom erzeugt als jeweils durch die erste und die zweite Sekundärleitung. Auf diese Weise bleibt möglichst das gesamte strömende Fluid in der Primärleitung erhalten und nur ein kleiner Teil fließt durch die erste und durch die zweite Sekundärleitung. Durch einen jeweils geringeren Querschnitt der beiden Sekundärleitungen, der nicht identisch sein muß, im Vergleich zur Primärleitung kann beispielsweise auch Raum für die Meßanordnung eingespart werden.
• In praktischer Weise verwendet man als Absperrvorrichtung ein Zweistellungsventil. Ein Zweistellungsventil ist eine einfache Ausführung einer Absperrvorrichtung, die auch leicht ansteuerbar ist. Mehr Stellungen sind zunächst für die Messung eines Differenzdrucks nicht notwendig. Man kann beispielsweise das Zweistellungsventil magnetisch ansteuern und in vorbestimmten Zeitintervallen zwischen einer Öffnungsstellung und einer Schließstellung wechseln. Auf diese Weise kann zeitlich kontinuierlich eine Differenzdruckmessung durchgeführt werden.
• Die Aufgabe wird mit einer Meßanordnung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß ein Begrenzer in der zweiten Sekundärleitung angeordnet ist, dem ein Druckmesser zugeordnet ist.
• Man verwendet somit keinen herkömmlichen Differenzdruckmesser. Mit Hilfe einer Absperrvorrichtung, einem Begrenzer und einem Druckmesser, der als Standarddruckaufnehmer ausgebildet sein kann, wird ein Differenzdruck ermittelt. Dabei entsteht in einer Primärleitung an einer Strömungsänderung ein Druckanstieg oder Druckabfall. Die Strömungsänderung ist beispielsweise eine Drossel, die als Blende mit sprunghafter Querschnittsänderung oder als Düse mit kontinuierlicher Querschnittsänderung ausgeführt ist. Als Begrenzer wird hier eine Vorrichtung verstanden, die einen Durchfluß des Fluids in der zweiten Sekundärleitung begrenzt. Der Begrenzer, z.B. eine Düse oder Blende, weist dabei eine konstante und nicht veränderbare Durchflußfläche auf. Dies hat den Vorteil, daß der Begrenzer zur Messung nicht angesteuert werden muß. Auch besteht keine Gefahr einer Fehlfunktion, da der Begrenzer keine beweglichen Bauteile aufweist. Nur die Absperrvorrichtung weist ein bewegliches Bauteil auf. Die Absperrvorrichtung kann dabei in einen geöffneten Zustand und einen geschlossenen Zustand gebracht werden. Im geschlossenen Zustand sperrt die Absperrvorrichtung den Durchfluß durch die erste Sekundärleitung völlig ab. Es erfolgt sowohl eine Druckmessung in der ersten Sekundärleitung als auch in der zweiten Sekundärleitung. Je nachdem wie die Sekundärleitungen angeordnet sind, sind ein oder mehrere Druckmesser notwendig. Dabei sollte ein Druckmesser der Absperrvorrichtung und ein Druckmesser dem Begrenzer zugeordnet sein. Dies bedeutet, daß eine Druckmessung in unmittelbarer Nähe der Absperrvorrichtung und in unmittelbarer Nähe des Begrenzers stattfindet. Die Differenz der gemessenen Druckwerte ergibt den Differenzdruck.
• Es ist besonders bevorzugt, daß die erste Sekundärleitung mit der zweiten Meßstelle verbunden ist. In diesem Fall ist die erste Sekundärleitung sowohl mit der ersten Meßstelle als auch mit der zweiten Meßstelle verbunden. Dies bedeutet, daß die Absperrvorrichtung in der ersten Sekundärleitung strömungstechnisch parallel zur Strömungsänderung angeordnet ist. Die erste Sekundärleitung bildet somit einen Bypass-Kanal und leitet entnommenes Fluid aus der Primärleitung an der ersten Meßstelle durch die Verbindungsstelle an der zweiten Meßstelle zurück.
• Vorzugsweise ist parallel zu der Strömungsänderung ein Parallelkreis angeordnet. Fluid, das in den Parallelkreis fließt, gelangt beispielsweise nicht zur Strömungsänderungstelle. Als Parallelkreis kann z.B. zumindest ein Teil der ersten und/oder der zweiten Sekundärleitung verwendet werden. Man mißt also den ersten und den zweiten Druck im strömungstechnischen Sinn parallel zur Strömungsänderung.
• Vorteilhafterweise sind die erste Sekundärleitung und die zweite Sekundärleitung miteinander verbunden. Zwischen der ersten Meßstelle und der zweiten Meßstelle ist somit die erste Sekundärleitung und die zweite Sekundärleitung in Reihe geschaltet. Die Absperrvorrichtung und der Begrenzer sind somit ebenfalls in Reihe angeordnet. Die Sekundärleitungen bilden gemeinsam einen parallelen Strömungspfad zur Strömungsänderung. Die erste Sekundärleitung und die zweite Sekundärleitung bilden somit einen Parallelkreis, d.h. das Fluid teilt sich an einer Meßstelle in der Primärleitung auf. Ein Teil des Fluids strömt weiter in der Primärleitung und ein anderer Teil des Fluids strömt durch die miteinander verbundenen Sekundärleitungen und gelangt in Strömungsrichtung gesehen hinter der Strömungsänderungsstelle wieder in die Primärleitung. Dies vereinfacht die Meßanordnung und reduziert die Verzweigungsstellen an der Primärleitung.
• In praktischer Weise ist zwischen der Absperrvorrichtung und dem Begrenzer der Druckmesser angeordnet. Der Druckmesser ist auf diese Weise gleichzeitig der Absperrvorrichtung und dem Begrenzer zugeordnet. Man be nötigt nur noch einen Druckmesser, um alle notwendigen Druckmessungen durchzuführen.
• Es ist bevorzugt, daß der Druckmesser ein Absolutdruckmesser ist. Insbesondere bei kompressiblen Fluiden ist ein absoluter Druckmesser von Vorteil. Dichteschwankungen im Fluid können leicht ausgeglichen werden. Dies hat auch Vorteile bei der Bestimmung der Durchflußmenge des Fluids aus den gemessenen Druckwerten. Auch entfällt bei einem Absolutdruckmesser eine Kalibrierung vor jeder Messung.
• Bevorzugterweise ist eine Durchflußfläche der Absperrvorrichtung größer als eine Durchflußfläche des Begrenzers. Auf diese Weise bleibt ein nicht zu vermeidender Meßfehler relativ gering.
• Es ist besonders bevorzugt, daß die Durchflußfläche der Absperrvorrichtung mindestens dreimal größer ist als die Durchflußfläche des Begrenzers. Dieser Faktor hat sich sowohl theoretisch als auch experimentell als günstig erwiesen, um einen Meßfehler möglichst gering zu halten.
• Vorzugsweise ist eine Durchflußfläche der Strömungsänderung größer als die Durchflußfläche des Begrenzers. Auf diese Weise gelangt ein größerer Volumenstrom durch die Meßblende als durch den Begrenzer. Der Hauptfluß in der Primärleitung wird somit kaum beeinflußt.
• Es ist vorgesehen, daß die Absperrvorrichtung ein Zweistellungsventil ist. Ein Zweistellungsventil ist eine einfache Ausführung einer Absperrvorrichtung, um einen geöffneten und einen geschlossenen Zustand in der ersten Sekundärleitung herzustellen.
• Die Erfindung wird im folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Hierin zeigen:
• 1 eine schematische Darstellung einer bevorzugten Meßanordnung,
• 2 eine schematische Darstellung zur Wirkungsweise der Meßanordnung,
• 3 eine Fehlerbetrachtung der Meßgenauigkeit beim Messen eines Differenzdrucks und
• 4 ein Gasversorgungsmodul als Anwendungsbeispiel.
• 1 zeigt eine Meßanordnung 1 zum Messen eines Differenzdrucks in strömenden Fluiden. In einer Primärleitung 2 ist eine Strömungsänderung 3 zwischen einer ersten Meßstelle 4 und einer zweiten Meßstelle 5 angeordnet. An der ersten Meßstelle 4 zweigt eine erste Sekundärleitung 6 ab, in der eine Absperrvorrichtung 7 angeordnet ist. An der zweiten Meßstelle 5 zweigt eine zweite Sekundärleitung 8 ab, in der ein Begrenzer 9 angeordnet ist. Die erste Sekundärleitung 6 und die zweite Sekundärleitung 8 sind miteinander verbunden und bilden einen parallelen Strömungspfad zur Strömungsän derung 3. Zwischen der Absperrvorrichtung 7 und dem Begrenzer 9 ist ein Druckmesser 10 angeordnet. Die Absperrvorrichtung 7, der Begrenzer 9, der Druckmesser 10 und ein Teil der ersten Sekundärleitung 6 und ein Teil der zweiten Sekundärleitung 8 sind in einer kompakten Meßeinheit 11 angeordnet.
• 2 verdeutlicht die Funktionsweise der Meßanordnung 1. Die Strömungsänderung 3 ist hier als Meßblende 12 ausgeführt und in der Primärleitung 2 angeordnet. Der Differenzdruck eines strömenden Fluids 13 kann unabhängig von der Richtung des strömenden Fluids 13 in der Primärleitung 2 bestimmt werden. Zur Vereinfachung wird im folgenden angenommen, daß das Fluid 13 von der linken Seite zur rechten Seite der Primärleitung 2 in 2 fließt. Ein erster Druck P1 ist dabei größer oder gleich einem zweiten Druck P2. Die erste Sekundärleitung 6 steht mit der Primärleitung 2 vor der Meßblende 12 in Verbindung. Die zweite Sekundärleitung 8 steht mit der Primärleitung 2 in Flußrichtung nach der Meßblende 12 in Verbindung. Beide Sekundärleitungen 6, 8 sind wie in 1 miteinander verbunden und weisen für die Absperrvorrichtung 7 und den Begrenzer 9 einen gemeinsamen Druckmesser 10 auf. Der Druckmesser 10 stellt einen absoluten Meßdruck Pm bereit. Die Absperrvorrichtung 7 ist hier als Ventilschieber 14 ausgebildet. Der Begrenzer 9 ist hier eine Begrenzerblende 15 mit einem konstanten Durchflußquerschnitt 16.
• Schließt man nun die Absperrvorrichtung 7, so ergibt sich eine Situation, die gemäß ersten Pfeilen 17 dargestellt ist. Das strömende Fluid 13 passiert die Meßblende 12 und gelangt zum Teil in die zweite Sekundär leitung 8. Der Druckmesser 10 zeigt den zweiten Druck P2 an, sobald die zweite Sekundärleitung 8 mit Fluid gefüllt ist. In die erste Sekundärleitung 6 gelangt auch eine kleine Menge Fluid 13, jedoch trägt diese nicht zur Messung bei, da sie nicht zum Druckmesser 10 gelangen kann.
• Öffnet man die Absperrvorrichtung 7, so stellt sich ein Druckverhältnis ein, das gemäß zweiten Pfeilen 18 dargestellt ist. Das strömende Fluid 13 teilt sich an der ersten Meßstelle 4 auf in einen Hauptdurchfluß durch die Meßblende 12 und einen geringeren Fluß durch die parallel angeordnete erste und zweite Sekundärleitung 6, 8. Man erzeugt dabei durch die Primärleitung 2 einen höheren Durchfluß als durch die erste und die zweite Sekundärleitung 6, 8. Hierzu weist die Primärleitung 2 einen größeren Durchflußquerschnitt auf als die erste Sekundärleitung 6 und die zweite Sekundärleitung 8. Der Druck P1 vor der Meßblende 12 gelangt über die erste Sekundärleitung 6 durch die Absperrvorrichtung 7 hindurch zum Druckmesser 10. Das Fluid aus der ersten Sekundärleitung 6 fließt am Druckmesser 10 vorbei durch den Begrenzer 9 in die zweite Sekundärleitung 8 und zurück zur Primärleitung 2. Die einzige Begrenzung, die das Fluid in der ersten und zweiten Sekundärleitung 6, 8 erfährt ist die Begrenzerblende 15 in der zweiten Sekundärleitung 8. Die Durchflußfläche 16 der Begrenzerblende 15 ist kleiner als eine Durchflußfläche 19 der Absperrvorrichtung 7. Auf diese Weise wird das strömende Fluid 13 in der ersten Sekundärleitung 6 an seinem Weiterfluß über die zweite Sekundärleitung 8 zur Primärleitung 2 teilweise gehindert. Dadurch, daß sich strömendes Fluid im Bereich vor der Begrenzerblende 15 aufstaut, stellt sich am Druckmesser 10 der erste Druck P1 an, der jedoch mit einem Fehler behaftet ist. Dieser Fehler entsteht dadurch, daß auch noch Fluid 13 an der zweiten Meßstelle 5 in die zweite Sekundärleitung 8 abzweigt und in entgegengesetzter Richtung durch die Begrenzerblende 15 gelangt und am Druckmesser 10 eintrifft. Eine Fehlerbetrachtung wird weiter unten gegeben anhand von 3.
• Öffnet man und schließt man die Absperrvorrichtung 7 zeitlich nacheinander, so ist es möglich, den Differenzdruck aus der Differenz von P2 und P1 zu ermitteln. Es ist hierzu nur ein Druckmesser 10 notwendig, was das Verfahren und die Meßanordnung 1 vereinfacht.
• 3 gibt eine Fehlerabschätzung für das Verhältnis des gemessenen Drucks Pm zu dem real vorhandenen ersten Druck P1 in Abhängigkeit des Quotienten Av/Ar, also der Durchflußfläche 16 des Begrenzers 9 zur Durchflußfläche 19 der Absperrvorrichtung 7. Es werden zwei Kurven 20, 21 gezeigt für zwei verschiedene Druckverhältnisse P2/P1. Man geht dabei von der Bernoulli-Gleichung aus, die eine Beziehung zwischen einer Geschwindigkeit eines Fluids und dem Druck eines Fluids vor und hinter der Strömungsänderung 13 herstellt. Außerdem nimmt man an, daß der Durchfluß pro Zeiteinheit rechts und links von der Strömungsänderung 3 konstant ist. Wenn der erste Druck P1 sehr viel größer ist als der zweite Druck P2 und der Quotient aus der Differenz des gemessenen Drucks Pm und des zweiten Drucks P2 und der Differenz aus dem ersten Druck P1 und dem gemessenen Druck Pm sehr groß ist, dann nähert sich der Quotient Pm/P1 einer Asymthode, die in 3 auf 1,00 normiert ist. Bei einem Verhältnis von zweitem Druck P2 zu erstem Druck P1 von 0,75 erhält man gemäß Kurve 20 ab einem Verhältnis von Av/Ar von etwa 3 eine gute Annäherung an die Asymthode. Gemäß Kurve 21, bei der das Verhältnis des zweiten Drucks P2 zum erstem Druck P1 gleich Null ist, ist die Annäherung bereits sehr gut bei niedrigeren Werten von Av/Ar erreichbar. Je genauer der erste Druck P1 gemessen werden kann, desto genauer ist die gesamte Differenzdruckmessung. Die Messung des zweiten Drucks P2 ist unproblematisch und vergrößert nicht den Meßfehler.
• 4 zeigt ein Gasversorgungsmodul 22, das die Meßanordnung 1 aufweist und bei dem das erfindungsgemäße Verfahren angewendet wird. Es handelt sich hierbei um ein Gasversorgungsmodul 22, das eine Vakuumpumpe 23 mit Stickstoff versorgt. Eine Vakuumpumpe führt unter Vakuumbedingungen im Inneren kein Gas, so daß Schmutz oder vorhandene Partikeln im Innern der Pumpe nicht forttransportiert werden können. Zur Reinigung und Spülung der Pumpe 23 wird daher Stickstoff als Fluid 13 zugeführt. Das Fluten mit Stickstoff reinigt die Pumpe 23 und ist eine einfache Maßnahme, um die Lebenszeit einer Vakuumpumpe zu verlängern. Der Stickstoff gelangt in das Gasversorgungsmodul 22 über eine Einlaßöffnung 24. Hierbei weist der Stickstoff einen Überdruck zwischen 1,4 und 6,8 bar auf. Die Zuführung des Stickstoffs wird von einem Einlaßventil 25 gesteuert. Mit Hilfe eines Druckregelventils 26 wird der Stickstoffdruck auf etwa 0,5 bis 1,5 bar reduziert. Das Druckregelventil 26 weist gleichzeitig ein integriertes Rückschlagventil auf, so daß der Stickstoff nicht zurück über die Ein laßöffnung 24 in einen Stickstoffbehälter gelangen kann.
• Hinter dem Druckregelventil 26 verzweigt der Stickstofffluß am Verzweigungspunkt 27 in eine erste und eine zweite Primärleitung 28, 29. Die zweite Primärleitung 29 führt über eine Drossel direkt zu einer Antriebseinrichtung 30 der Pumpe 23. Die erste Primärleitung 28 weist eine erste Strömungsänderung 31 in Form einer Blende auf und führt zu einem Stromteilerventil 32. Dieses Stromteilerventil 32 teilt den ankommenden Fluidstrom in einem festen Teilerverhältnis auf eine erste und eine zweite Abzweigleitung 33, 34 auf. Das Teilerverhältnis ist durch Wahl einer Arbeitsposition des Stromteilerventils 32 veränderbar. Die Abzweigleitungen 33, 34 führen zu verschiedenen Orten der Pumpe 23 oder auch zu unterschiedlichen Pumpen.
• Innerhalb des Gasversorgungsmoduls 22 werden zwei Differenzdruckmessungen durchgeführt. Die erste Differenzdruckmessung erfolgt an der ersten Strömungsänderung 31. Die zweite Differenzdruckmessung wird vor und hinter dem Stromteilerventil als zweite Strömungsänderung durchgeführt. Der Verzweigungspunkt 27 dient als erste Meßstelle der ersten Differenzdruckmessung. Von dort aus zweigt eine erste Sekundärleitung 36 ab. An einem weiteren Verzweigungspunkt 37 zweigt in Strömungsrichtung hinter der Blende 31 eine zweite Sekundärleitung 38 ab, die einen Begrenzer 39 aufweist. Zwischen dem Begrenzer 39 und einem Zweistellungsventil 40 in der ersten Sekundärleitung 36 ist ein Druckmesser 41 angeordnet. Mit der ersten Differenzdruckmessung wird ein Differenzdruck über der Blende 31 gemessen, wie zuvor anhand der 1 und 2 erläutert.
• Die zweite Differenzdruckmessung nutzt den Begrenzer 39 und den Druckmesser 41 der ersten Differenzdruckmessung. Dies ist möglich, da die erfindungsgemäße Differenzdruckmessung unabhängig von der Strömungsrichtung des Fluids arbeitet. Die zweite Sekundärleitung 38 der ersten Differenzdruckmessung ist somit gleichzeitig eine zweite Sekundärleitung 42 der zweiten Differenzdruckmessung. Hinter dem Stromteilerventil 32 zweigt von der zweiten Abzweigleitung 34 eine erste Primärleitung 43 der zweiten Druckmessung ab. Diese erste Primärleitung 43 weist ein weiteres Zweistellungsventil 44 auf. Die erste Primärleitung 43 der zweiten Differenzdruckmessung ist ebenfalls mit dem Druckmesser 41 verbunden. Durch diese Zusammenschaltung der ersten und der zweiten Differenzdruckmessung wird nur ein Druckmesser 41 benötigt, um zwei Differenzdrücke jeweils über eine Strömungsänderung 31, 32 zu messen.
• Man verwendet die Differenzdruckmessungen auch dazu, um einen Fluß in den jeweiligen Leitungen zu ermitteln. Kennt man den Durchfluß durch die Blende 31 anhand der Druckmeßwerte und eines Strömungsquerschnitts der Blende 31, so ist es auch möglich, den Fluß zu der Versorgung 30 zu ermitteln. Außerdem kann man bei bekanntem Fluß in der ersten Primärleitung 28 auch durch die vorgeschlagenen Differenzdruckmessungen den Fluß in der zweiten Abzweigleitung 34 ermitteln. Kennt man jedoch den Fluß in der ersten Primärleitung 28 und in der zweiten Abzweigleitung 34, so ist auch der Fluß in der ersten Abzweigleitung 33 bekannt, da die Summe der Flüsse der ersten Abzweigleitung 33 und der zweiten Abzweigleitung 34 den Fluß in der ersten Primärleitung 28 ergeben. Solange das Druckregelventil 26 einen konstanten Druck bereit stellt, sind die ermittelten Differenzdrücke und Flüsse weitgehend zuverlässig.

Claims (19)

1. Verfahren zum Messen eines Differenzdrucks in strömenden Fluiden mit einer Primärleitung, die eine erste Meßstelle und eine zweite Meßstelle aufweist, wobei zwischen der ersten und der zweiten Meßstelle eine Strömungsänderung in der Primärleitung, an der ersten Meßstelle eine erste Sekundärleitung und an der zweiten Meßstelle eine zweite Sekundärleitung angeordnet ist, wobei man eine Absperrvorrichtung in der ersten Sekundärleitung anordnet und man einen ersten Druck in der ersten und einen zweiten Druck in der zweiten Sekundärleitung mißt, dadurch gekennzeichnet, daß man einen Begrenzer in der zweiten Sekundärleitung anordnet und man bei geöffneter und bei geschlossener Absperrvorrichtung mindestens jeweils einen der beiden Drücke mißt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man bei geöffneter Absperrvorrichtung den ersten Druck in der ersten Sekundärleitung und bei geschlossener Absperrvorrichtung den zweiten Druck in der zweiten Sekundärleitung mißt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man den ersten und den zweiten Druck in einem Parallelkreis mißt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man die erste Sekundärleitung mit der zweiten Sekundärleitung verbindet.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß man den ersten und den zweiten Druck zwischen der Absperrvorrichtung und dem Begrenzer mißt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß man als ersten und als zweiten Druck einen absoluten Druck mißt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß man durch die geöffnete Absperrvorrichtung einen größeren Volumenstrom erzeugt als durch den Begrenzer.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß man durch die Primärleitung einen größeren Volumenstrom erzeugt als jeweils durch die erste und die zweite Sekundärleitung.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß man als Absperrvorrichtung ein Zweistellungsventil verwendet.
10. Meßanordnung zum Messen eines Differenzdrucks in strömenden Fluiden mit einer Primärleitung, die eine erste Meßstelle und eine zweite Meßstelle aufweist, wobei zwischen der ersten Meßstelle und der zweiten Meßstelle eine Strömungsänderung in der Primärleitung angeordnet ist und an der ersten Meßstelle eine erste Sekundärleitung und an der zweiten Meßstelle eine zweite Sekundärleitung angeordnet ist, wobei eine Absperrvorrichtung in der ersten Sekundärleitung und mindestens ein Druckmesser in einer der beiden Sekundärleitungen angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Begrenzer (9) in der zweiten Sekundärleitung (8) angeordnet ist, dem ein Druckmesser (10) zugeordnet ist.
11. Meßanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Sekundärleitung (6) mit der zweiten Meßstelle (5) verbunden ist.
12. Meßanordnung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu der Strömungsänderung (3) ein Parallelkreis angeordnet ist.
13. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Sekundärleitung (6) und die zweite Sekundärleitung (8) miteinander verbunden sind.
14. Meßanordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Absperrvorrichtung (7) und dem Begrenzer (9) der Druckmesser (10) angeordnet ist.
15. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckmesser (10) ein Absolutdruckmesser ist.
16. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß eine Durchflußfläche (19) der Absperrvorrichtung (7) größer ist als eine Durchflußfläche (16) des Begrenzers (9).
17. Meßanordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchflußfläche (19) der Absperrvorrichtung (7) mindestens dreimal größer ist als die Durchflußfläche (16) des Begrenzers (9).
18. Meßanordnung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß eine Durchflußfläche der Strömungsänderung (3) größer ist als die Durchflußfläche (16) des Begrenzers (9).
19. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Absperrvorrichtung (7) ein Zweistellungsventil ist.