DE102007019601B3

DE102007019601B3 - Verfahren zum Kalibrieren eines Fluid-Durchflussmesssystems

Info

Publication number: DE102007019601B3
Application number: DE102007019601A
Authority: DE
Inventors: Helmut Dr. Többen; Jörg Riedel
Original assignee: Bundesrepublik Deutschland Vertrdd Bundesministerium fur Wirtschaft und Technologie; Bundesrepublik Deutschland; Bundesministerium fuer Wirtschaft und Technologie
Current assignee: Riedel Joerg De
Priority date: 2007-04-24
Filing date: 2007-04-24
Publication date: 2009-01-02
Anticipated expiration: 2027-04-25

Abstract

Für ein Fluid-Durchflussmesssystem (10), mit - einer Leitung (26) für ein Fluid (28), - einem in der Leitung (26) angeordneten stromaufwärtigen Durchflussmessgerät (12), - einem in der Leitung (26) angeordneten stromabwärtigen Durchflussmessgerät (14) und - einer zwischen dem stromaufwärtigen Durchflussmessgerät (12) und dem stromabwärtigen Durchflussmessgerät (14) angeordneten Fluidab- und/oder -einleitungvorrichtung (16), wird erfindungsgemäß eurchleiten eines Fluids (28) durch die Leitung (26), (b) Erfassen eines ersten Fluid-Durchflussmesswerts (S12, S14, f12, f14) mit den beiden Durchflussmessergeräten (12, 14), (c) Ab- oder Einleiten einer Referenz-Fluidmenge (DeltaV, qref) mittels der Fluidab- und/oder -einleitvorrichtung (16), (d) Ermitteln der Referenz-Fluidmenge (DeltaV, qref) mit einer vorgegebenen Genauigkeit, (e) Erfassen mindestens eines zweiten Fluid-Durchflussmesswerts (S'12, S'14, f12', f14') mit den beiden Durchflussmessgeräten (12, 14) während des Ab- oder Zuleitens der Referenz-Fluidmenge (DeltaV, qref), und (f) aus dem ersten Fluid-Durchfluss, f14), dem zweiten Fluiddurchflussmesswert (S'12, S'14, f12', f14') und der Referenz-Fluidmenge (DeltaV, qref) Ermitteln mindestens eines Kalbrierparameters (K) zum Kalibrieren des Fluid-Durchflussmesssystems (10) umfasst.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kalibrieren eines Fluid-Durchflussmesssystems. Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Fluid-Durchflussmesssystem.
Fluid-Durchflussmesssysteme werden verwendet, um Volumen- bzw. Massenströme von Fluiden in Leitungen zu messen und werden beispielsweise in der Lebensmittelindustrie oder der Mineralölindustrie eingesetzt. Ein Fluid-Durchflussmesssystem umfasst stets mindestens ein Durchflussmessgerät, wie beispielsweise einen Turbinenradzähler. Turbinenradzähler besitzen ein in der Leitung angeordnetes Turbinenrad, das mehrere Schaufeln besitzt und durch in der Leitung strömendes Fluid in Bewegung versetzt wird. Durch einen elektrischen Näherungssensor wird erfasst, wie oft eine Schaufel den Näherungssensor passiert. Jedes Passieren führt zu einem Zählimpuls, sodass aus einer Zählrate, die die Zahl der Zählimpulse pro Zeiteinheit angibt, auf die Drehgeschwindigkeit des Schaufelrads und daraus mittels eines Kalibrierungsparameters auf den Volumenstrom in der Leitung geschlossen werden kann.
Fluid-Durchflussmesssysteme müssen in regelmäßigen Abständen kalibriert werden, damit beispielsweise eine alterungsbedingte Messabweichung detektiert werden kann Dazu werden gewöhnlich die Durchflussmessgeräte nach einem vorgegebenen Zeitintervall aus der Leitung ausgebaut. Anschließend wird eine mit hoher Genauigkeit bekannte Kalibriermenge an Fluid durch die Durchflussmessgeräte geschickt und überprüft, ob die anhand des Kalibrierparameters des Durchflussmessgeräts errechnete Fluidmenge der tatsächlichen Kalibriermenge entspricht.
Nachteilig dabei ist, dass das Durchflussmessgerät zum Kalibrieren gewöhnlich ausgebaut werden muss, um es mit einer Kalibriereinrichtung an einem anderen Ort zu kalibrieren. Somit findet die Kalibrierung unter den Bedingungen statt, unter denen das Durchflussmessgerät auch zum Messen eingesetzt wird. Die Kalibrierung an einem anderen Ort wird hinfällig, wenn das Durchflussmessgerät nicht ausreichend messstabil ist, es also unter veränderten Bedingungen sein Messverhalten ändert. Veränderte Bedingungen können sich beispielsweise durch unterschiedliche Fluide ergeben, die sich in den Stoffparametern unterscheiden. Die meisten Kalibriereinrichtungen funktionieren mit Wasser- oder Testbenzin. Das macht eine Kalibrierung problematisch, wenn im Einsatz der Durchfluss eines anderen Fluids bestimmt werden soll. Außerdem stimmen oft die Einbaubedingungen des Durchflussmessgerätes in der Kalibriereinrichtung nicht mit denen am Einsatzort überein. Weiterhin ist ein Aus- und Einbauen zusammen mit einer Kalibrierung des Durchflussmessgerätes zeitaufwändig, sodass längere Stillstandszeiten, beispielsweise einer Anlage, in die das Durchflussmessgerät für den Messbetrieb eingesetzt wird, die Folge sein können.
Aus der DE 42 42 444 A1 ist ein Verfahren zum Prüfen und Eichen eines Durchflussvolumenzählers bekannt. Bei diesem Impulsverfahren ist eine Rohrprüfschleife vorgesehen, in der ein Referenzzähler vorhanden ist. Zum Prüfen des Durchflussvolumenzählers wird das Volumen in diese Rohrleitung eingeleitet. Nachteilig hieran ist, dass der Referenzzähler ständig vorbehalten werden muss. Zudem wird das Problem des Kalibrierens auf den Referenzzähler verlagert.
Aus der DE 10 2005 038 428 A1 ist ein Impulskraft-Durchflussmessgerät bekannt, das vorteilhaft in Fluid-Durchflussmesssystemen einsetzbar ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Kalibrieren eines Fluid-Durchflussmesssystems anzugeben, das leicht durchführbar ist.
Die Erfindung löst die Aufgabe durch ein Verfahren zum Kalibrieren eines Fluid-Durchflussmesssystems mit einer Leitung für ein Fluid, eines in der Leitung angeordneten stromaufwärtigen Durchflussmessgerätes, eines in der Leitung angeordneten stromabwärtigen Durchflussmessgerätes und einer zwischen dem stromaufwärtigen Durchflussmessgerät und dem stromabwärtigen Durchflussmessgerät angeordneten Fluid-ab- und/oder -einleitvorrichtung, mit den Schritten: (a) Durchleiten eines Fluids durch die Leitung, (b) Erfassen eines ersten Fluid-Durchflussmesswerts mit den beiden Durchflussmessgeräten, (c) Ab- oder Einleiten einer Referenz-Fluidmenge mittels der Fluidab- und/oder -einleitvorrichtung und Ermitteln der Referenz-Fluidmenge mit einer vorgegebenen Genauigkeit, (d) Erfassen mindestens eines zweiten Fluid-Durchflussmesswerts mit den beiden Durchflussmessgeräten während des Ab- oder Zuleitens der Referenz-fluidmenge, und (e) Ermitteln mindestens eines Kalibrierparameters zum Kalibrieren des Fluid-Durchflussmesssystem aus dem ersten Fluid-Durchflussmesswert, dem zweiten Fluid-Durchflussmesswert und der Referenz-Fluidmenge.
Gemäß einem zweiten Aspekt löst die Erfindung das Problem durch ein Fluid-Durchflussmesssystem mit einem stromaufwärtigen Durchflussmessgerät, einem stromabwärtigen Durchflussmessgerät und einer zwischen dem stromaufwärtigen Durchflussmessgerät und dem stromabwärtigen Durchflussmessgerät angeordneten Fluidab- und/oder -einleitvorrichtung, wobei die Durchflussmessgeräte mit einer elektrischen Steuerung in Verbindung stehen und die Steuerung eingerichtet ist zum Durchführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
Vorteilhaft an der Erfindung ist, dass die Kalibrierung schnell durchführbar ist. Zur Kalibrierung muss das Durchflussmessgerät vorteilhafterweise auch nicht ausgebaut werden, sodass keine Stillstandszeiten entstehen.
Wenn das Durchflussmesssystem dazu verwendet wird, Volumenströme von Problem-Fluiden wie beispielsweise giftigen, verkeimten oder radioaktiven Fluiden zu messen, wird dadurch, dass ein Ausbau verzichtbar ist, eine Gefährdung von Bedienungspersonal vermindert.
Vorteilhaft ist zudem, dass eine Kalibrierung stets mit genau dem Fluid durchgeführt werden kann, dessen Volumenstrom im späteren Einsatz des Fluid-Durchflussmesssystems zu messen ist. Wenn beispielsweise eine Kennlinie des Durchflussmessgeräts, die die Abhängigkeit der Zählrate vom Durchfluss angibt, von der Viskosität des Fluids abhängt, so muss die Kalibrierung mit einer Flüssigkeit der gleichen Viskosität durchgeführt werden, um systematische Messfehler zu verhindern. Die Viskosität des Fluids kann sich aber, beispielsweise wegen der Temperaturabhängigkeit der Viskosität, schnell ändern. In diesem Fall kann mit Hilfe der Erfindung in vorteilhafter Weise sehr schnell eine Neukalibrierung des Fluid-Durchflussmesssystems durchgeführt werden.
Es ist ein weiterer Vorteil der Erfindung, dass sie eine Automatisierung erlaubt. Ein erfindungsgemäßes Verfahren kann daher mit Hilfe einer elektrischen Steuerung, die in der Regel ohnehin vorhanden ist, in regelmäßigen, kurzen Zeitintervallen wiederholt werden, ohne dass hierzu Bedienpersonal notwendig wäre.
Weiterhin ist von Vorteil, dass das erfindungsgemäße Durchflussmesssystem in kompakter Bauform ausgeführt werden kann, so dass es gegenüber anderen Durchflussmessgeräten, wie zum Beispiel Coriolisdurchflussmessgeräten, wenig Raum einnimmt.
Da zur Kalibrierung des Fluid-Durchflussmesssystems das Fluid verwendet werden kann, dessen Durchfluss gemessen werden soll, kann durch eine Messung der Dichte des Fluids vorteilhafter Weise auch der Massenstrom des Fluids durch die Leitung ermittelt werden.
Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung wird unter einem Fluid insbesondere eine Flüssigkeit, wie beispielsweise eine newtonsche Flüssigkeit verstanden. Das Verfahren und die Vorrichtung sind jedoch prinzipiell auch zur Verwendung mit Gasen geeignet. Unter einer Fluidab- und/oder -einleitvorrichtung wird eine Komponente des Fluid-Durchflussmesssystems verstanden, mit deren Hilfe Fluid in die Leitung abgegeben oder aus der Leitung entnommen werden kann. Eine derartige Fluidab- und/oder -einleitvorrichtung kann beispielsweise durch eine Koppelvorrichtung gebildet sein, mit deren Hilfe ein externes kalibriertes Fluidreservoir an die Leitung ankoppelbar ist. Alternativ kann die Fluidab- und/oder -einleitvorrichtung aber auch dauerhaft mit der Leitung verbunden sein.
Unter einem Fluid-Durchflussmesswert ist insbesondere jede Größe oder jedes Signal zu verstehen, die bzw. das Informationen darüber codiert, welcher Durchfluss an Fluid durch die Leitung vorliegt. Das Erfassen des Fluid-Durchflussmesswerts kann beispielsweise ein Aufnehmen einer Zählrate eines Turbinenradzählers oder das Messen einer Hall-Spannung in einem Durchflussmessgerät nach dem Hall-Prinzip sein.
Unter einem Ab- oder Einleiten ist insbesondere zu verstehen, dass eine die Referenz-Fluidmenge dauerhaft aus der Leitung entfernt, zwischengespeichert oder um einen der Durchflussmessgerät herumgeleitet wird. Alternativ kann die Referenz-Fluidmenge auch einem externen Speicher entnommen werden.
Unter dem Ermitteln der Referenz-Fluidmenge mit einer vorgegebenen Genauigkeit ist zu verstehen, dass das Ab- oder Einleiten der Referenz-Fluidmengen so durchgeführt wird, dass eine vorgegebene relative oder absolute Genauigkeit nicht unterschritten wird. Beispielsweise liegt eine solche vorgegebene relative Genauigkeit bei 10^-4. Das Ermitteln der Referenz-Fluidmenge kann auch dadurch geschehen, dass ein Referenz-Durchfluss mit einer vorgegebenen Genauigkeit ermittelt wird.
Unter einem Kalibrierparameter wird jede Größe bzw. Zahl verstanden, mit deren Hilfe aus Rohdaten des Durchflussmesssystems oder des Durchflussmessgerätes, wie einer Zählrate oder einer Hall-Spannung, der Durchfluss durch die Leitung ermittelt werden kann. Unter dem Kalibrieren des Fluid-Durchflussmesssystems wird insbesondere verstanden, dass zumindest eines der Durchflussmessgeräte kalibriert wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Durchflussmessgerät ein Turbinenradzähler. Einige Turbinenradzähler haben vorteilhafterweise eine geringe relative Wiederholunsicherheit, insbesondere in der Größenordnung von 10^-5. Die geringe Wiederholunsicherheit führt zu einer geringeren Messunsicherheit des erfindungsgemäß kalibrierten Fluid-Durchflussmesssystems. Bevorzugt umfasst das erfindungsgemäße Verfahren daher auch das Erfassen der Zählrate elektrischer Zählimpulse des Turbinenradzählers. Das Verfahren ist jedoch nicht auf Turbinenradzähler beschränkt, sondern kann beispielsweise auch mit Flügelradzählern, Verdrängungszählern, magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräten, Coriolis-Durchflussmessgeräten, Stau druck- und Drosseldurchflussmessgeräten, Venturirohren sowie Ultraschalldurchflussmessgeräten durchgeführt werden. Besonders geeignet sind Durchflussmessgeräte, wie sie in der DE 10 2005 038 428 A1 beschrieben sind.
Das Ermitteln der Referenz-Fluidmenge umfasst bevorzugt ein Ermitteln einer Masse und/oder eines Volumens der Referenz-Fluidmenge. Das Volumen der Referenz-Fluidmenge wird bevorzugt dadurch ermittelt, dass die Referenz-Fluidmenge mittels eines Zylinders in die Leitung eingeleitet oder aus der Leitung abgeleitet wird. Der Zylinder besitzt eine Zylinderbuchse, in der ein Kolben läuft. Die Querschnittsfläche der Zylinderbuchse kann mit hoher Genauigkeit bestimmt werden. Aus dem Produkt von Querschnittsfläche und einem ebenfalls mit einer hohen Genauigkeit ermittelbaren Kolbenhub kann die aus dem Zylinder abgegebene Fluidmenge mit hoher Genauigkeit erfasst werden. Daraus folgt vorteilhafterweise eine hohe Genauigkeit des erfindungsgemäßen Kalibrierverfahrens. Ein Vorteil dieser Vorgehensweise ist zudem, dass der Kolben einfach mit einem Motor bewegt werden kann. Der Kolbenhub ist vorteilhafterweise mit messtechnisch einfachen Mitteln mit hoher Genauigkeit erfassbar. Es ergibt sich so eine besonders einfache, robuste und zuverlässige Möglichkeit, um die Referenz-Fluidmenge ab- oder einzuleiten.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Ab- oder Einleiten der Referenz-Fluidmenge ein Ableiten eines Teils des Fluids in eine Nebenleitung, wobei in der Nebenleitung zumindest ein stromaufwärtiges Nebenleitungs-Durchflussmessgerät und eine Neben-Fluidab- und/oder -einleitvorrichtung angeordnet ist. Diese Variante ist besonders dann vorteilhaft, wenn der Durchfluss in einer Leitung mit einem großen Querschnitt gemessen werden soll. In diesem Fall ist es günstig, eine relativ große Referenz-Fluidmenge ab- oder einzuleiten.
Um dazu keine großen Behälter vorsehen zu müssen, wird die Nebenleitung vorgesehen, die mit der Leitung einerseits an einer Stelle zwischen dem stromaufwärtigen und dem stromabwärtigen Durchflussmessgerät und andererseits stromabwärts hinter dem stromabwärtigen Durchflussmessgerät verbunden ist. Die Nebenleitung überbrückt also das stromabwärtige Durchflussmessgerät. Das ist besonders dann vorteilhaft, wenn beispielsweise mit einem kleinen Referenzvolumen beispielsweise ein Volumendurchfluss in einer Rohrleitung einer größeren Rohrnennweite bestimmt werden soll. Das ist besonders dann vorteilhaft, wenn das stromaufwärtige Durchflussmessgerät und/oder das stromabwärtige Durchflussmessgerät kein Turbinenradzähler ist. bzw. sind. In diesem Fall können das stromaufwärtige und/oder das stromabwärtige Durchflussmessgerät, die möglicherweise eine geringere Messgenauigkeit aufweisen als ein Turbinenradzähler, mit dem genaueren Turbinenradzähler kalibriert werden.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist in der Nebenleitung eine Neben-Fluidab- und/oder -einleitvorrichtung und ein stromabwärts hinter der Neben-Fluidab- und/oder -einleitvorrichtung angeordnetes stromabwärtiges Nebenleitungs-Durchflussmessgerät angeordnet. In diesem Fall können durch Abarbeiten der oben genannten Schritte (a) bis (e) Anspruch 1 jeweils bezogen auf die Nebenleitung das stromaufwärtige und das stromabwärtige Nebenleitungs-Durchflussmessgerät kalibriert werden und anschließend können mit deren Hilfe die Durchflussmessgeräte in der (Haupt-)Leitung kalibriert werden. Es ist möglich, die Nebenleitungs-Durchflussmessgeräte ihrerseits mittels einer weiteren Nebenleitung zu kalibrieren. Es können so prinzipiell beliebig viele Nebenleitungsanordnungen ineinander geschachtelt werden. Zweckmäßig sind jedoch maximal zwei Schachtelungstiefen, da sich auftretende Kalibrierungsfehler addieren und so die Messunsicherheit der Durchflussmessgeräte der (Haupt-)Leitung mit jeder Schachtelungstiefe steigt.
Bevorzugt weist die Nebenleitung eine geringere Nennweite auf als die Leitung. Dadurch ergibt sich ein geringer apparativer Aufwand für die Nebenleitung.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das erfindungsgemäße Verfahren die Schritte des Durchleitens des Fluids mit einem voreingestellten Durchfluss durch die Leitung und des Durchführens der Schritte (a) bis (e) für mindestens zwei unterschiedlich voreingestellte Durchflüsse durch die Leitung, sodass mindestens zwei von dem Durchfluss abhängige Kalibrierparameter ermittelt werden.
Durchflussmessgeräte, wie beispielsweise Turbinenradzähler, können Abweichungen von einem streng linearen Zusammenhang zwischen dem zu messenden Durch fluss durch die Leitung und der Messgröße aufweisen, die sie aufnehmen. Für einen Turbinenradzähler beispielsweise ist die Kennlinie, die die Zählrate mit dem Durchfluss durch die Leitung verknüpft, zwar über weite Bereiche der Zählrate eine Gerade von Typ: f = K·q + f₀. Die Kennlinie weist jedoch bei geringen Durchflüssen und damit kleinen Zählraten eine Nichtlinearität auf. Um auch kleine Durchflüsse präzise messen zu können, ist es vorteilhaft, diese Nichtlinearität der Kennlinie zu erfassen. Dazu werden unterschiedliche Durchflüsse durch die Leitung eingestellt und konstant gehalten und anschließend Fluid-Durchflussmesswerte wie oben beschrieben vor und nach dem Ab- oder Einleiten der Referenzfluidmenge gemessen. Auf diese Weise kann näherungsweise eine Steigung der Kennlinie in Abhängigkeit von dem Durchfluss gemessen werden. Aus mehreren derartigen Messungen lässt sich die Kennlinie mit hoher Genauigkeit rekonstruieren.
Besonders bevorzugt umfasst das erfindungsgemäße Verfahren den Schritt des Ermittelns einer Kennlinie für eine Abhängigkeit des Fluid-Durchflussmesswert vom Durchfluss. Ein derartiges Kennfeld ist ein Satz aus mehreren Kalibrierparametern und ordnet Fluid-Durchflussmesswerten, wie beispielsweise Zählraten eines Turbinenradzählers, den Durchfluss durch die Leitung zu. Ein derartiges Kennfeld wird beispielsweise in einem digitalen Speicher einer elektrischen Steuerung des Fluid-Durchflussmesssystems gespeichert und zum Berechnen des Durchflusses durch Interpolation aus dem Fluid-Durchflussmesswert verwendet. Vorteilhaft hieran ist, dass auch eine nichtlineare Abhängigkeit des Durchflusses von dem Fluid-Durchflussmesswert präzise erfassbar ist.
Alternativ oder additiv umfasst das Verfahren den Schritt des Ermittelns mindestens eines Kennlinienparameters einer parametrisierten Kennlinie, die die Abhängigkeit des Fluid-Durchflussmesswertes vom Durchfluss angibt, aus den mindestens zwei von dem Durchfluss abhängigen Kalibrierparametern. Die Kennlinie kann häufig in mehrere Abschnitte unterteilt und in diesen Abschnitten durch einfache parametrisierte Funktionen wie beispielsweise Geraden oder Splines beschrieben werden. Die Grenzen der Abschnitte und die Parameter dieser einfachen Funktionen charakterisieren die Kennlinie in der Regel mit hinreichender Genauigkeit. Durch das Ermitteln dieser Kennlinienparameter wird eine einfache Beschreibung der Kennlinie er halten, sodass aus einem erfassten Fluid-Durchflussmesswert leicht der Durchfluss berechnet werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Ab- oder Einleiten der Referenz-Fluidmenge mit einem voreingestellten Referenz-Durchfluss durchgeführt, wobei der Referenz-Durchfluss kleiner ist als beispielsweise ein Zehntel des Durchflusses des Fluids. Auf diese Weise ergibt sich eine gute Schätzung für die Steigung der Kennlinie an der Stelle des jeweiligen voreingestellten Durchflusses durch die Leitung.
Ein erfindungsgemäßes Fluid-Durchflussmesssystem ist bevorzugt dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidab- und/oder -einleitvorrichtung totraumfrei ist. Toträume führen beispielsweise bei einer Verwendung des Fluid-Durchflussmesssystems in der Lebensmitteltechnologie zu Keimnestern und sind deshalb zu vermeiden. Durch die Totraumfreiheit wird das erfindungsgemäße Fluid-Durchflussmesssystem, wenn es beispielsweise in Edelstahl ausgeführt wird, auch für die Lebensmittelindustrie einsetzbar.
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt
1 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Fluid-Durchflussmesssystems,
2 eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Fluid-Durchflussmesssystems,
3 eine schematische Kennlinie, die die Abhängigkeit des Durchflusses von dem Fluid-Durchflussmesswert in Form einer Zählrate eines Turbinenradzählers angibt, und
4 eine schematische Ansicht eines Turbinenradzählers.
1 zeigt ein Fluid-Durchflussmesssystems 10, das ein stromaufwärtiges Durchflussmessgerät 12 in Form eines Turbinenradzählers, ein stromabwärtiges Durchflussmessgerät 14 wiederum in Form eines Turbinenradzählers und eine zwischen dem stromaufwärtigen Durchflussmessgerät 12 und dem stromabwärtigen Durchflussmessgerät 14 angeordnetem Fluidab- und/oder -einleitvorrichtung in Form eines Zylinders 16 aufweist.
Der Zylinder 16 besitzt eine Zylinderbuchse 18, in der ein Kolben 20 läuft, der wiederum mit einem Motor 22 definiert in die Zylinderbuchse 18 auf- und abgefahren werden kann. Die Zylinderbuchse 18 steht über einen Anschlussstutzen 24 in Verbindung mit einer Leitung 26, durch die ein Fluid 28 in Form einer newtonschen Flüssigkeit fließt.
Bei dem stromaufwärtigen Durchflussmessgerät 12 und dem stromabwärtigen Durchflussmessgerät 14 handelt es sich um Turbinenradzähler, die wie in 4 gezeigt aufgebaut sind. Der Turbinenradzähler 12 umfasst ein Turbinenrad 30 mit mehreren Turbinenschaufeln 32.1, 32.2, ..., von denen in 4 nur die beiden Turbinen schaufeln 32.1 und 32.2 gezeigt sind. Das Turbinenrad 30 ist um eine Längsachse 34 drehbar gelagert. Fluid 28, das in Richtung einer Durchflussrichtung, die durch einen Pfeil R angedeutet ist, durch die Leitung 26 fließt, versetzt das Turbinenrad 30 in Drehung, sodass die Turbinenschaufeln 32.1, 32.2, ... in regelmäßigen Abständen an einem Impulszähler 36 vorbeilaufen. Der Impulszähler 36 umfasst einen magnetisierten Kern 38 und eine Spule 40, in der ein elektrischer Zählimpuls induziert wird, wenn eine Turbinenschaufel an dem Pulszähler 36 vorbeiläuft.
Der Impulszähler 36 ist über eine elektrische Leitung 42 (1) mit einer elektrischen Steuerung 44 verbunden, wobei die elektrische Steuerung 44 zudem mit dem stromabwärtigen Turbinenradzähler 14 und dem Motor 22 elektrisch verbunden ist. Alternativ zu den elektrischen Leitungen können auch Funkschnittstellen eingesetzt werden.
Das Fluid-Durchflussmesssystem 10 wird wie im Folgenden beschrieben kalibriert. Zunächst wird ein Fluid 28 mit einem Durchfluss q durch die Leitung 26 hindurchgeleitet. Dieser Durchfluss hat beispielsweise die Dimension l/s oder kg/s. Aufgrund dieses Durchflusses q wird von dem stromaufwärtigen Turbinenradzähler 12 ein erster Fluid-Durchflussmesswert in Form einer ersten Zählrate f₁₂ erfasst. Auf ähnliche Weise wird von dem stromabwärtigen Turbinenradzähler 14 eine gleichzeitige Zählrate f₁₄ erfasst. Die Zählraten f₁₂, f₁₄ geben die Zahl der elektrischen Impulse wieder, die in eine vorgegebene Zeit, beispielsweise pro Minute, in der Spule 40 (4) induziert werden.
Während einer ersten Messzeit T₁ wird die Impulssumme S₁₂ des stromauwärtigen Turbinenradzählers 12 und die Impulssumme S₁₄ des stromabwärtigen Turbinenradzählers 14 aufgenommen. Dies geschieht mit einer in der Steuerung 44 vorhandenen Zeitmesseinrichtung zum Starten und Stoppen der ersten Messzeit T₁ und damit des gleichzeitigen Zählvorgangs beider Turbinenradzähler 12, 14. Aus den Impulssummen S₁₂, S₁₄ wird von der Steuerung 44 der Quotient
berechnet.
Aufgrund einer Vorkalibrierung der Turbinenradzähler 12, 14 ist der Durchfluss q in erster Näherung ermittelbar. Die Steuerung 44 errechnet aus dem Durchfluss q einen vorgegebenen Bruchteil, beispielsweise ein Viertel, und steuert während einer zweiten Messzeit T₂, die der ersten Messzeit T₁ entspricht, den Motor 22 des Zylinders 16 so an, dass eine in einem Referenz-Volumen 46 der Zylinderbuchse 18 vorhandene Referenz-Fluidmenge ΔV₁ mit einem Referenz-Durchfluss q_ref in die Leitung 26 eingeleitet wird. Während der Messzeit T₂ messen die Turbinenradzähler 12, 14 eine zweite Impulssumme, S₁₂', S₁₄', wobei der Strich andeutet, dass die Messung während des Einleitens der Referenz-Fluidmenge 46 durchgeführt wurde. Von der Steuerung 44 wird erneut der Quotient
berechnet. Durch diese Gleichung wird ΔS₁₄ definiert zu
Aus Gleichung (3) ist ΔS₁₄ bekannt, ΔV₁ ist aufgrund einer Kalibrierung des Zylinders 16 und des Motors 22 bekannt. Damit ist auch der Kalibrierungsfaktor
bekannt, für den allgemein K = S / V gilt, so dass sich gemäß der äquivalenten Gleichung V = S / K aus jeder Impulssumme S das während der entsprechenden Messzeit durch die Leitung geströmte Volumen V errechnen lässt.
Wenn also als Durchfluss q der Volumendurchfluss betrachtet wird, so ergibt sich aus den obigen Gleichungen
wobei S eine beliebige Impulssumme des stromabwärtigen Turbinenradzählers sei, die in der Messzeit T aufgenommen wurde.
Wenn durch den Zylinder 16 die Referenz-Fluidmenge eingeleitet statt abgeleitet wird, so lautet Gleichung (2)
Der Massedurchfluss ergibt sich zu
wobei Δm die Masse der Referenz-Fluidmenge 46 ist. Um den Massedurchfluss zu bestimmen, ist es günstig, die Referenz-Fluidmenge 46 aus der Leitung zu entnehmen.
2 zeigt eine alternative Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Fluid-Durchflussmesssystems 10, das eine Nebenleitung 48 aufweist, die stromabwärts hinter dem stromaufwärtigen Turbinenradzähler 12 und dem stromabwärtigen Turbinenradzähler 14 abzweigt. In der Nebenleitung 48 sind ein stromaufwärtiges Nebenleitungs-Durchflussmessgerät 50 in Form eines Turbinenradzählers und ein stromabwärtiges Nebenleitungs-Durchflussmessgerät 52 ebenfalls in Form eines Turbinenradzählers angeordnet, zwischen denen eine Neben-Fluidab- und/oder -einleit vorrichtung in Form eines Zylinders 54 mit der Nebenleitung 48 verbunden ist. Der Kolben 54 ist so aufgebaut wie der Kolben 20 (1).
Das Fluid-Durchflussmesssystem 10 gemäß 2 wird wie im Folgenden beschrieben kalibriert. Zunächst wird ein Ventil 56 mit einem nicht eingezeichneten Elektromotor aufgefahren, sodass Fluid 28 durch die Nebenleitung 48 strömt. Das Ventil R kann auch pneumatisch angetrieben werden. Sodann wird das oben beschriebene Verfahren für die beiden Turbinenradzähler 50, 52 durchgeführt und diese somit kalibriert. Mit einem weiteren Regelventil mit Absperrfunktion in der Leitung 26 besteht die Möglichkeit, wenn es erforderlich ist, abzusperren oder so zu regeln, dass der Durchfluss in der Nebenleitung konstant gehalten wird. Anschließend wird das Ventil 56 geschlossen. Nachfolgend werden die Turbinenradzähler 12 und 14 dadurch kalibriert, dass der Turbinenradzähler 14 durch Öffnen und Schließen des Ventils 56 teilweise überbrückt und währenddessen mit den Nebenleitungs-Durchflussmessgeräten 50, 52 der Durchfluss durch die Nebenleitung 48 gemessen wird. Die um das Nebenleitungs-Durchflussmessgerät 14 herumgeleitete Fluidmenge stellt die Referenz-Fluidmenge in der obigen Rechnung dar.
Die Nebenleitung 48 weist dabei einen Querschnitt auf, der kleiner als die Hälfte bzw. ein Drittel des Querschnitts der Leitung 26 beträgt.
3 zeigt schematisch eine Kennlinie L, die die Zählrate f in Abhängigkeit von dem Durchfluss q angibt. Die Kennlinie besitzt einen ersten, nichtlinearen Abschnitt A und einen zweiten, linearen Abschnitt B. Wird Fluid mit verschiedenen Durchflüssen q₁, q₂, q₃ durch die Leitung 26 hindurchgeleitet und anschließend bei konstantem Durchfluss der Referenz-Durchfluss q_ref hinzugefügt oder abgeleitet, so kann dadurch ein Steigungsdreieck im jeweiligen Punkt q₁, q₂, q₃ der Kennlinie L ermittelt werden. Es ergeben sich so jeweilige Steigungen K₁, K₂, K₃. Durch mehrere Messungen bei verschiedenen Durchflüssen ergibt sich so die in 3 dargestellte Kennlinie L.
Die Steigung K der Kennlinie L im Abschnitt B stellt dort den Kalibrierparameter dar, mit dem aus dem Durchflussmesswert f der Durchfluss q errechnet werden kann. Im Abschnitt A kann die Kennlinie L beispielsweise durch ein abschnittsweise definiertes Polynom beschrieben werden, das Parameter aufweist. Diese Parameter, die Steigung K der Kennlinie L im Abschnitt B und die Grenze zwischen den Abschnitten A und B stellen Kennlinienparameter dar, die die Kennlinie L eindeutig beschreiben. Nach der beschriebenen Kalibrierung kann anhand der Kalibrierparameter in Form der Kennlinienparameter oder, wenn die Kennlinie überall hinreichend linear ist, allein der Steigung K, die dann den einzigen Kalibrierparameter darstellt, aus dem Durchflussmesswert f eindeutig der Durchfluss q bestimmt werden. Statt der Zählrate f kann, wie oben beschrieben, stets auch die Impulssumme S verwendet werden.
Wenn einer der Turbinenradzähler eine Kennlinie L hat, die eine Ursprungsgerade ist, kann eine nichtlineare Kennlinie des anderen Turbinenradzählers ermittelt werden.

10: Fluid-Durchflussmesssystem
12: stromaufwärtiger Turbinenradzähler
14: stromabwärtiger Turbinenradzähler
16: Zylinder
18: Zylinderbuchse
20: Kolben
22: Motor
24: Anschlussstutzen
26: Leitung
28: Fluid
30: Turbinenrad
32: Turbinenschaufel
34: Längsachse
36: Impulszähler
38: Kern
40: Spule
42: elektrische Leitung
44: Steuerung
46: Referenz-Fluidmenge
48: Nebenleitung
50: stromaufwärtiges Nebenleitungs-Durchflussmessgerät
52: stromabwärtiges Nebenleitungs-Durchflussmessgerät
55: Zylinder
56: Ventil
q: = V / T oder m / T
q_ref: Referenz-Durchfluss
q_vol: Volumendurchfluss
q_M: Massedurchfluss
L: Kennlinie
m: Masse des Fluids
f₁₂, f₁₄: Zählrate
R: Durchflussrichtung
S₁, S₂: Impulssumme ohne Ab- oder Einleiten
S'₁₂, S'₁₄: Impulssumme mit Ab- oder Einleiten
t: Zeit
T₁, T₂: Messzeit
V: Volumen des Fluids
ΔV: Referenz-Fluidmenge
X: Quotient
K: Steigung der Kennlinie

Claims

Verfahren zum Kalibrieren eines Fluid-Durchflussmesssystems (10), mit – einer Leitung (26) für ein Fluid (28), – einem in der Leitung (26) angeordneten stromaufwärtigen Durchflussmessgerät (12), – einem in der Leitung (26) angeordneten stromabwärtigen Durchflussmessgerät (14) und – einer zwischen dem stromaufwärtigen Durchflussmessgerät (12) und dem stromabwärtigen Durchflussmessgerät (14) angeordneten Fluidab- und/oder -einleitvorrichtung (16), mit den Schritten: (a) Durchleiten eines Fluids (28) durch die Leitung (26), (b) Erfassen eines ersten Fluid-Durchflussmesswerts (S₁₂, S₁₄, f₁₂, f₁₄) mit den beiden Durchflussmessgeräten (12, 14), (c) Ab- oder Einleiten einer Referenz-Fluidmenge (ΔV, q_ref) mittels der Fluidab- und/oder -einleitvorrichtung (16) und Ermitteln der Referenz-Fluidmenge (ΔV, q_ref) mit einer vorgegebenen Genauigkeit, (d) Erfassen mindestens eines zweiten Fluid-Durchflussmesswerts (S'₁₂, S'₁₄, f₁₂', f₁₄') mit den beiden Durchflussmessgeräten (12, 14) während des Ab- oder Zuleitens der Referenz-Fluidmenge (ΔV, q_ref), und (e) Ermitteln mindestens eines Kalibrierparameters (K) zum Kalibrieren des Fluid-Durchflussmesssystems (10) aus dem ersten Fluid-Durchflussmesswert (S₁₂, S₁₄, f₁₂, f₁₄), dem zweiten Fluid-Durchflussmesswert (S'₁₂, S'₁₄, f₁₂', f₁₄') und der Referenz-Fluidmenge (ΔV, q_ref).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchflussmessgeräte (12, 14) Turbinenradzähler sind.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Erfassen des Fluid-Durchflussmesswerts ein Erfassen einer Zählrate (f₁₂, f₁₄) elektrischer Zählimpulse umfasst.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ermitteln der Referenz-Fluidmenge (ΔV, q_ref) ein Ermitteln einer Masse (m) der Referenz-Fluidmenge (ΔV, q_ref) umfasst.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ermitteln der Referenz-Fluidmenge (ΔV, q_ref) ein Ermitteln eines Volumens (ΔV) und/oder ein Ermitteln eines Referenz-Durchflusses der Referenz-Fluidmenge umfasst.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen (ΔV) der Referenz-Fluidmenge dadurch ermittelt wird, dass die Referenz-Fluidmenge durch Verschieben eines Kolbens (20) ab- oder eingeleitet wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ab- oder Einleiten der Referenz-Fluidmenge (ΔV, q_ref) ein Ableiten eines Teils des Fluids (28) in eine Nebenleitung (48) umfasst, wobei in der Nebenleitung (48) zumindest ein stromaufwärtiges Nebenleitungs-Durchflussmessgerät (50) angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Nebenleitung (48) zusätzlich – eine Neben-Fluidab- und/oder -einleitvorrichtung (54) und – ein stromabwärts hinter der Neben-Fluidab- und/oder – einleitvorrichtung (54) angeordnetes stromabwärtiges Nebenleitungs-Durchflussmessgerät (52) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Nebenleitung (48) zusätzlich – eine, insbesondere stromabwärts hinter der Neben-Fluidab- und/oder -einleitvorrichtung (54) angeordnete, Regelvorrichtung mit Absperrfunktion (56) umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Nebenleitung (48) eine geringere Nennweite aufweist als die Leitung (26).
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid (28) mit einem voreingestellten Durchfluss (q) durch die Leitung (26) durchgeleitet wird und die Schritte (a) bis (f) für mindestens zwei unterschiedliche voreingestellte Durchflüsse (q₁, q₂, q₃) durchgeführt werden, so dass mindestens zwei von dem Durchfluss (q) abhängige Kalibrierparameter (K₁, K₂, K₃) ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch den Schritt: – Ermitteln einer Kennlinie für eine Abhängigkeit des Fluid-Durchflussmesswerts (S₁₂, S₁₄, f₁₂, f₁₄), insbesondere von der Zählrate (f₁₂, f₁₄) des Turbinenradzählers (12, 14), vom Durchfluss.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12, gekennzeichnet durch den Schritt: – aus den mindestens zwei von der Zählrate (f₁₂, f₁₄) abhängigen Kalibrierparametern (K₁, K₂) Ermitteln mindestens eines Kennlinienparameters einer parametrisierten Kennlinie, die die Abhängigkeit der Zählrate vom Durchfluss beschreibt.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Kennlinienparameter ermittelt wird, der eine Nichtlinearität der parametrisierten Funktion beschreibt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ab- oder Einleiten der Referenz-Fluidmenge (ΔV, q_ref) mit einem voreingestellten Referenz-Durchfluss (q_ref) durchgeführt wird, wobei der Referenz-Durchfluss (q_ref) kleiner ist als in etwa ein Viertel des Durchflusses des Fluids.
Fluid-Durchflussmesssystem, mit – einem stromaufwärtigen Durchflussmessgerät (12), – einem stromabwärtigen Durchflussmessgerät (14) und – einer zwischen dem stromaufwärtigen Durchflussmessgerät (12) und dem stromabwärtigen Durchflussmessgerät (14) angeordneten Fluidab- und/oder -einleitvorrichtung (16, 48), wobei die Durchflussmessgeräte (12, 14) mit einer elektrischen Steuerung (44) in Verbindung stehen, und die Steuerung (44) eingerichtet ist zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche.
Fluid-Durchflussmesssystem nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch – eine Nebenleitung (48), – ein in der Nebenleitung (48) stromaufwärts angeordnetes Nebenleitungs-Durchflussmessgerät (50) und – eine in der Nebenleitung (48) angeordnete Neben-Fluidab- und/oder -einleitvorrichtung (54).
Fluid-Durchflussmesssystem nach Anspruch 16 oder 17, gekennzeichnet durch – ein in der Nebenleitung (48) zusätzlich stromabwärts hinter der Neben-Fluidab- und/oder -einleitvorrichtung (54) angeordnetes stromabwärtiges Nebenleitungs-Durchflussmessgerät (52).
Fluid-Durchflussmesssystem nach einem der Ansprüche 16 bis 18, gekennzeichnet durch – eine, insbesondere stromabwärts hinter der Neben-Fluidab- und/oder -einleitvorrichtung angeordnete, Regelvorrichtung mit Absperrfunktion und/oder eine Absperrvorrichtung (56).
Fluid-Durchflussmesssystem nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Nebenleitung (48) eine geringere Nennweite aufweist als die Leitung (26).
Fluid-Durchflussmesssystem nach einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidab- und/oder -einleitvorrichtung (16, 54) einen motorisch angetriebenen Zylinder (20) umfasst.
Fluid-Durchflussmesssystem nach einem der Ansprüche 16 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidab- und/oder -einleitvorrichtung (16, 54) totraumfrei ist.