DE102007058132A1 - Messsystem, insbesondere zur Durchflussmessung eines in einer Rohrleitung strömenden Messmediums - Google Patents

Messsystem, insbesondere zur Durchflussmessung eines in einer Rohrleitung strömenden Messmediums Download PDF

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    • G01F1/66—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by measuring frequency, phase shift or propagation time of electromagnetic or other waves, e.g. using ultrasonic flowmeters
    • G01F1/662—Constructional details

Abstract

Kern der Erfindung ist der Aufbau eines Messsystems aus mindestens zwei Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten, derart, dass verschiedene temperaturbedingte Messabweichungen, welche bei einem konventionellen Aufbau entstehen, korrigiert werden bzw. nicht entstehen.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Messsystem, insbesondere zur Durchflussmessung eines in einer Rohrleitung strömenden Messmediums, insbesondere eines Fluids, welches Messsystem ein Messrohr und mindestens zwei Halteelemente zur Halterung jeweils mindestens eines funktionalen Bauteils, insbesondere zur Halterung von Sensoren, welche funktionalen Bauteile jeweils mindestens eine Funktionsfläche aufweisen, umfasst, welches Messrohr ein Trägerrohr umfasst, welche Halteelemente an jeweils mindestens einer Verbindungsfläche mit dem Trägerrohr in Verbindung stehen und jeweils zwei sich gegenüberstehende Verbindungsflächen der Halteelemente einen Abstand Y aufweisen und jeweils zwei sind gegenüberstehende Funktionsflächen der funktionalen Bauteile, welche in den Halteelementen gehaltert sind, einen Abstand X aufweisen.
  • Es sind Messsysteme, insbesondere aus der magnetisch induktiven Durchflussmessung oder aus der Durchflussmessung auf Basis von Ultraschall bekannt, wo sich mindestens zwei Sensoren gegenüberstehen, wobei mindestens ein Sensor ein Messsignal abgreift, was unter anderem vom Abstand der Sensoren abhängt. Zwischen den Sensoren besteht ein Signalpfad.
  • Die US7044001 B2 beschreibt ein Ultraschalldurchflussmessgerät, wobei sich zwei Ultraschallsensoren unter einem Winkel zu einem Trägerrohr, auf dem die Sensoren befestigt sind, mit einem Abstand gegenüberstehen. Ein Signal, welches von einem ersten Sensor in Richtung eines zweiten Sensors ausgesandt wird, wird von diesem Empfangen und über die Laufzeiten des Signals die Geschwindigkeit der Strömung des in dem Trägerrohr fließenden Messmediums ermittelt.
  • Ultraschall-Durchflussmessgeräte werden vielfach in der Prozess- und Automatisierungstechnik eingesetzt. Sie erlauben in einfacher Weise, den Volumendurchfluss in einer Rohrleitung berührungslos zu bestimmen.
  • Die bekannten Ultraschall-Durchflussmessgeräte arbeiten häufig nach dem Doppler- oder nach dem Laufzeitdifferenz-Prinzip.
  • Beim Laufzeitdifferenz-Prinzip werden die unterschiedlichen Laufzeiten von Ultraschallimpulsen relativ zur Strömungsrichtung der Flüssigkeit ausgewertet. Es wird die Tatsache ausgenutzt, dass die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Ultraschallwellen in einem Medium von dessen Fließgeschwindigkeit direkt beeinflusst wird.
  • Hierzu werden Ultraschallimpulse sowohl in wie auch entgegen der Strömung gesendet. Aus der Laufzeitdifferenz lässt sich die Fließgeschwindigkeit und damit bei bekanntem Durchmesser des Rohrleitungsabschnitts der Volumendurchfluss bestimmen.
  • Die Ultraschallwandler bestehen normalerweise aus einem Piezoelement, auch kurz Piezo genannt, und einem Koppelelement, auch Koppelkeil oder seltener Vorlaufkörper genannt, aus Kunststoff. Im Piezoelement werden die Ultraschallwellen erzeugt und über das Koppelelement zur Rohrwandung geführt und von dort in die Flüssigkeit geleitet. Da die Schallgeschwindigkeiten in Flüssigkeiten und Kunststoffen unterschiedlich sind, werden die Ultraschallwellen beim Übergang von einem zum anderen Medium gebrochen. Der Brechungswinkel bestimmt sich nach dem Snell'schen Gesetz. Der Brechungswinkel ist somit abhängig von dem Verhältnis der Ausbreitungsgeschwindigkeiten in den beiden Medien.
  • Üblicherweise wird das Koppelelement am Rohr bzw. in einem am Rohr befestigten Sensorhalter ausgerichtet.
  • Die WO03/006932A1 zeigt den Aufbau eines Ultraschallsensors. Die Materialen, aus denen die Koppelelemente gefertigt sind, weisen üblicherweise bestimmte Eigenschaften auf, Ultraschallsignale zu leiten. Gleichzeitig haben sie meist eine höhere Wärmeausdehnung als die Sensorhülse. Sie sind fest in die Sensorhülse eingebracht oder in dieser vergossen, um eine temperaturbedingte Ausdehnung der Koppelelemente zu verhindern. Somit bilden Koppelelement und Sensorhülse eine Kontaktfläche.
  • Keine Beachtung fand hingegen der Messfehler durch eine Temperaturausdehnung des Messrohrs oder der Sensoren selbst, also der Temperaturabhängigkeit der Messung von den geometrischen Abmessungen des Messsystems, insbesondere des Abstands der Sensoren zueinander und damit des Signalpfads.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Messsystem zum Messen eines in einer Rohrleitung bzw. in einem Messrohr strömenden Fluids vorzuschlagen, welches eine hohe Messgenauigkeit über einen weiten Temperaturbereich aufweist.
  • Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass Messsystem, insbesondere zur Durchflussmessung eines in einer Rohrleitung strömenden Messmediums, insbesondere eines Fluids, vorgeschlagen wird, welches Messsystem ein Messrohr und mindestens zwei Halteelemente zur Halterung jeweils mindestens eines funktionalen Bauteils, insbesondere zur Halterung von Sensoren, welche funktionalen Bauteile jeweils mindestens eine Funktionsfläche aufweisen, umfasst, welches Messrohr ein Trägerrohr umfasst, welche Halteelemente an jeweils mindestens einer Verbindungsfläche mit dem Trägerrohr in Verbindung stehen und jeweils zwei sich gegenüberstehende Verbindungsflächen der Halteelemente einen Abstand Y aufweisen und jeweils zwei sind gegenüberstehende Funktionsflächen der funktionalen Bauteile, welche in den Halteelementen gehaltert sind, einen Abstand X aufweisen, wobei Geometrien und stoffeigene Größen der Halteelemente und/oder Geometrien und stoffeigene Größen der funktionalen Bauteile und Geometrien und stoffeigene Größen des Trägerrohrs so aufeinander abgestimmt sind, dass sich relative Abstände
    Figure 00030001
    der Funktionsflächen der funktionalen Bauteile in Abhängigkeit einer Temperatur T des durch das Messrohr strömenden Messmediums, von einer Ausgangstemperatur T0 des Messmediums ausgehend, so einstellen, dass temperaturbedingte Messabweichungen bei einer Temperaturänderung ΔT = T – T0 des Messmediums, insbesondere aufgrund temperaturbedingter Änderungen der Geometrien des Trägerrohrs und/oder aufgrund temperaturabhängiger Änderungen von Stoff- und/oder Strömungseigenschaften des Messmediums und/oder aufgrund temperaturbedingter Änderungen eines Signalpfads, kleiner der temperaturbedingten Messabweichungen bei einer Temperaturänderung ΔT = T – T0 des Messmediums sind, die bei relativen Abständen
    Figure 00040001
    der Funktionsflächen der funktionalen Bauteile auftreten.
  • Ein Messsystem weist also n Halteelemente auf, wobei n Element der natürlichen Zahlen ist. Jeweils zwei Verbindungsflächen m und k weisen einen Abstand Ymk auf und jeweils zwei Funktionsflächen q und r weisen einen Abstand Xqr auf, wobei zusammengehörige Halteelemente, Verbindungsflächen, funktionalen Bauteile und Funktionsflächen jeweils den gleichen Index aufweisen, d. h. wobei Halteelement i mit dem Trägerrohr an den Verbindungsstellen i verbunden ist, das funktionale Bauteil i mit den Funktionsflächen i wiederum vom Halteelement i gehaltert ist und i = 1, ..., n. Geometrien und stoffeigene Größen der Halteelemente und/oder Geometrien und stoffeigene Größen der funktionalen Bauteile und Geometrien und stoffeigene Größen des Trägerrohrs sind so aufeinander abgestimmt, dass sich relative Abstände
    Figure 00040002
    der Funktionsflächen der funktionalen Bauteile in Abhängigkeit einer Temperatur T des durch das Messrohr strömenden Messmediums, von einer Ausgangstemperatur T0 des Messmediums ausgehend, so einstellen, dass die Messabweichungen, kleiner als 50%, vorzugsweise kleiner 20%, insbesondere kleiner 10%, insbesondere kleiner 5%, insbesondere kleiner 2%, insbesondere kleiner 1%, als die Messabweichungen sind, die bei relativen Abständen
    Figure 00040003
    der Funktionsflächen der funktionalen Bauteile auftreten.
  • Eine Geometrie kennzeichnet die konstruktive Gestaltung, insbesondere Größe und Form, eines Körpers. Neben den äußerlichen Abmessungen sind z. B. auch Dichte oder Porosität bei offen- oder geschlossenporigen Strukturen durch die Geometrie bestimmt. Diese Parameter sind erfindungsgemäß in gewissen Grenzen vorgebbar. Stoffeigene Größen können sich, im Unterschied zu Materialkonstanten, über die Zeit und/oder über weitere Parameter, hier insbesondere über die Temperatur ändern. Sie berechnen sich meist über Funktionen, unter anderem mit Materialkonstanten als Koeffizienten.
  • So ist die Wärmeausdehnung, oder auch Temperaturausdehnung genannt, meist durch α beschrieben, wie die meisten physikalischen Größen nicht linear. Allgemein gilt: x = x0·(1 + k1ΔT + k2(ΔT)2 + ... + kn(ΔT)n), mit der Temperaturdifferenz ΔT = (T – T0), wobei x0 die physikalische Größe bei einer Temperatur T0 ist, und mit den Temperaturkoeffizienten n-ter Ordnung kn, wobei n Element der natürlichen Zahlen ist. Für den interessierenden Bereich wird die Wärmeausdehnung als linear angenommen.
  • Grundgedanke der Erfindung ist der Aufbau der Halteelemente und/oder der funktionalen Bauteile aus mindestens zwei Materialen, deren Wärmeausdehnungen voneinander verschieden sind. Neben der Durchflussmessung kann die Erfindung auch in der Füllstandsmessung eingesetzt werden. Die Form des Messrohrs ist dabei nicht auf einen kreisrunden Querschnitt beschränkt. Quaderförmige Rohre oder aus der Füllstandsmesstechnik bekannte Behälter anderer Form können erfindungsgemäß ausgestaltet werden. Durch die temperaturbedingte Einstellung des Abstands der Funktionsflächen sind temperaturbedingte Messfehler verringerbar, welche bei einem Messsystem auftreten würden, wo bei der Gestaltung des Messsystems die stoffeigenen Größen in Bezug zur Geometrie des Messsystems in erfindungsgemäßer Art und Weise nicht ausreichend berücksichtigt werden.
  • Dabei können, je nach zu kompensierendem bzw. zu verringerndem Messfehler bzw. je nach zu kompensierenden bzw. zu verringernden Messfehlern, die Einstellungen der Abstände von jeweils zwei Funktionsflächen zur Verringerung eines Messfehlers führen bzw. die Einstellung mehrerer sich gegenüberstehender Funktionsflächenpaare trägt zur angesprochenen Kompensation bei, wobei diese durchaus unterschiedliche Abstandsänderungen erfahren können, also das Zusammenwirken unterschiedlicher Abstandsänderungen zur Messfehlerreduktion führt.
  • Funktionsflächen können z. B. die Schallaustritts- bzw. die Schallauskoppelfläche der Koppelelemente bei Ultraschallsensoren sein, die Schalleintritts- bzw. die Schalleinkoppelflächen der Koppelelemente oder die piezoelektrischen Elemente oder bei magnetisch induktiven Durchflussmessgeräten, die sich gegenüberstehenden Elektrodenflächen.
  • Der weite Temperaturbereich ist der Bereich in dem die Wärmeausdehnungen bestimmt bzw. vorhergesagt werden können, insbesondere der Bereich, in dem die linearen Gesetze zur Temperaturausdehnung und Steifigkeit gelten und angenommen werden können. Die Grenzen sind Stoffabhängig.
  • Die wesentliche Idee der Erfindung besteht darin, die geometrischen Verhältnisse von Sensor und Trägerrohr und deren Eigenschaften bezüglich ihrer Ausdehnung über die Temperatur so aufeinander abzustimmen, dass der Einfluss der Temperatur des Messrohrs auf die Messung verringert wird. Die Effekte der unterschiedlichen Ausdehnung über Temperatur von Trägerrohr und Halteelement und/oder funktionalem Bauteil kompensieren sich im Idealfall gegenseitig. So besteht z. B. das Trägerrohr und das Halteelement aus einem ersten Material und das funktionale Bauteil besteht aus einem zweiten Material, wobei sich beide Materialen unterscheiden und die Temperaturausdehnungskoeffizienten beider Materialen und die geometrischen Abmessungen von Trägerrohr und Halteelement und funktionalem Bauteil entsprechend aufeinander abgestimmt sind. Dies können je nach Anwendung Änderungen sowohl in radialer Richtung des Messrohrs als auch in axialer Richtung sein. Dadurch ist die Messgenauigkeit weniger abhängig von der Temperatur des Messmediums.
  • Das Material des funktionalen Bauteils, beispielsweise eines Ultraschallkoppelelements wird nun nicht mehr rein nach fertigungstechnischen Gesichtspunkten oder nach der Qualität der schallbeeinflussenden Eigenschaften ausgesucht, sondern die geometrischen Maße des funktionalen Bauteils und/oder des Halteelements sind abhängig vom Verhältnis der geometrischen Maße des Trägerrohrs und/oder des Halteelements, den stoffeigenen Größen des Werkstoffs des Trägerrohrs und/oder des Halteelements und von dem Einsatzzweck des Messsystems. Zur Materialauswahl sind nun unter anderem die Temperaturausdehnungskoeffizienten mit einbezogen. Der Temperaturausdehnungskoeffizient des funktionalen Bauteils Trägerrohrs und/oder des Halteelements ist eine Funktion des Temperaturausdehnungskoeffizienten des Trägerrohrs und/oder des Halteelements.
  • Die Schallgeschwindigkeiten in Koppelelementen, Trägerrohr und/oder Messmedium sind für die Messung mit einem Ultraschalldurchflussmessgerät, die elektrischen Leitfähigkeiten für ein magnetisch induktives Messgerät relevant. Teilweise sind diese jedoch bekannt oder eine Vorraussetzung für das verwendete Material oder sie können während oder kurz vor der eigentlichen Messung bestimmt werden. Somit sind sie bei der Produktion des erfindungsgemäßen Messsystems nicht maßgeblich für die geometrisch konstruktive Ausgestaltung des Messsystems.
  • Das Trägerrohr dehnt sich bei Erwärmung oder Abkühlung in einer bestimmten Abhängigkeit zur Temperaturdifferenz, um die es erwärmt oder abgekühlt wird, und zu stoffeigenen Größen des Materials, aus welchem das Trägerrohr besteht, und zu den geometrischen Verhältnissen des Trägerrohrs aus. Einer fachlich qualifizierten Person ist in diesem Zusammenhang üblicherweise der Begriff Ausdehnung bekannt, obwohl es sich bei Abkühlung genau genommen um eine Schrumpfung handelt.
  • Gleichermaßen dehnen sich Halteelemente, welche am Trägerrohr fest angebracht sind und/oder funktionale Bauteile aus. Wenn der Werkstoff des funktionalen Bauteils eine höhere Wärmeausdehnung im Vergleich zum Trägerrohr und/oder zum Halteelement bei gleicher Temperaturdifferenz aufweist, dehnt sich das funktionale Bauteil mehr, also in größerem Umfang aus. Da die Ausdehnung des funktionalen Bauteils mindestens in eine Richtung vom Halteelement oder von der Befestigung im Halteelement begrenzt wird, dehnt sich das funktionale Bauteil in eine gewünschte Richtung aus.
  • Die stoffeigenen Größen sind zu den vorhandenen Geometrien abzustimmen. Die Messabweichung aufgrund der temperaturbedingten Ausdehnung des Trägerrohrs wird, wie bereits beschrieben, durch die vom Trägerrohr abweichende Ausdehnung über Temperatur des funktionalen Bauteils und/oder des Halteelements verringert.
  • Dies ist besonders vorteilhaft für Durchflussmessungen, wobei der Fehler durch die Wärmeausdehnung des Rohrleitungssystems nicht gesondert berücksichtigt werden muss. Da bei Niedrigpreislösungen einer Durchflussmessung eine solche Korrektur bzw. eine separate Temperaturmessung nicht vorgenommen werden, ermöglicht die Erfindung kostengünstig eine hohe Messgenauigkeit im Vergleich zum Stand der Technik zu erreichen. Aber auch in der Füllstandsmesstechnik kann das erfindungsgemäße Messsystem vorteilhaft eingesetzt werden.
  • Dabei können je nach Anwendung isotrope Materialen eingesetzt werden oder anisotrope Materialen werden zur Herstellung des funktionalen Bauteils und/oder zur Herstellung des Halteelements und/oder zur Herstellung des Trägerrohrs verwendet, insbesondere mit unterschiedlichen stoffeigenen Größen, wie z. B. axial und radial unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten.
  • Ein Beispiele einer temperaturbedingten Messabweichungen, neben den geometrischen Änderungen des Messsystems, ist die Temperaturabhängigkeit der Schallgeschwindigkeit im Messmedium, was zu einer Messabweichung, insbesondere bei Durchflussmessgeräten auf Basis von Ultraschall, führt.
  • Ungleiche Temperaturen auf der Außenseite des Messrohrs und des Sensors und dem Messmedium führen zu einem Temperaturgradienten im Sensor. Dieses Problem kann unter Umständen verstärkt werden, wenn das funktionale Bauteil ein guter Wärmeisolator ist. Durch diesen Temperaturgradienten kommt es unter Umständen zu unbestimmten Wärmeausdehnungen. Unbestimmt sind die Ausdehnungen, wenn der Temperaturgradient unbekannt ist. Ist die Temperatur im Sensor und die in der Umgebung immer näherungsweise konstant, kann der Temperaturgradient bestimmt und bei der Auslegung bzw. Dimensionierung des Sensors berücksichtigt werden. Eine günstige Verbesserung, also eine Verminderung des Temperaturgradienten, schafft eine gute Isolation, d. h. eine gute Wärmedämmung, auf der Außenseite des Sensors.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist darin zu sehen, dass die Halteelemente über eine Temperiervorrichtung verfügen, wodurch eine vorgegebene Temperatur der Halteelemente und/oder der an den Halteelementen befestigten funktionalen Bauteile einstellbar ist.
  • Die Temperiervorrichtung kann dabei in dem Halteelement und/oder an dem Halteelement, insbesondere um das Halteelement herum, lokalisiert sein. Insbesondere für den Fall, dass Sensoren an den Halteelementen befestigt sind und funktionale Bauteile der Sensoren bzw. deren Abstand zueinander auszurichten sind, sind die Sensoren zu temperieren, bevorzugt, indem Temperiervorrichtungen in und/oder am und/oder um das Sensorgehäuse angebracht sind.
  • Bevorzugt wird die Temperatur der Temperiervorrichtung mit der Temperatur des Messmediums als Regelgröße geregelt bzw. sie ist abhängig vom zeitlichen Verlauf der Temperatur des Messmediums und/oder von den Temperaturen im Trägerrohr und/oder von der Temperatur der Umgebung des Messsystems.
  • Dabei sind viele Ausgestaltungsbeispiele für Temperiervorrichtungen denkbar. So werden bevorzugt Heizdrähte oder in dafür vorgesehenen Einrichtungen fließende Kühl- bzw. Wärmeflüssigkeiten, insbesondere in Verbindung mit mindestens einem Temperatursensor, welcher die Temperatur des Messmediums bestimmt, eingesetzt. Eine Beschränkung auf die genannten Ausführungsbeispiele ist hiermit nicht gegeben.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass eine relative Änderung
    Figure 00090001
    des Abstands der Funktionsflächen der funktionalen Bauteile bei einer Temperaturänderung ΔT = T – T0 des Messmediums, von einer Ausgangstemperatur T0 des Messmediums ausgehend, kleiner ist als eine relativen Änderung
    Figure 00090002
    des Abstands der Verbindungsflächen des Trägerrohrs.
  • Eine sehr vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass eine relative Änderung
    Figure 00090003
    des Abstands der Funktionsflächen der funktionalen Bauteile bei einer Temperaturänderung ΔT = T – T0 des Messmediums, von einer Ausgangstemperatur T0 des Messmediums ausgehend, näherungsweise Null ist.
  • Der Abstand gegenüberliegender Funktionsflächen der funktionalen Bauteile ist über einen weiten Temperaturbereich näherungsweise konstant oder ein Abstand von, dem Messmedium zugewandten Seiten von, auf den Funktionsflächen der funktionalen Bauteile befestigten Körpern ist über einen weiten Temperaturbereich näherungsweise konstant ist oder ein Abstand von, dem Messmedium zugewandten Seiten bzw. Flächen von, auf den Funktionsflächen der funktionalen Bauteile befestigten Körpern, insbesondere Sensoren, ist über einen weiten Temperaturbereich näherungsweise konstant ist.
  • Bei einem erfindungsgemäßen Messsystem mit n Halteelementen, wobei n Element der natürlichen Zahlen ist und jeweils zwei Verbindungsflächen q und r, welche einen Abstand Yqr aufweisen und jeweils zwei Funktionsflächen q und r, welche einen Abstand Xqr aufweisen, wobei zusammengehörige Halteelemente, Verbindungsflächen, funktionalen Bauteile und Funktionsflächen jeweils den gleichen Index aufweisen, d. h. wobei Halteelement i mit dem Trägerrohr an den Verbindungsstellen i verbunden ist, das funktionale Bauteil i mit den Funktionsflächen i wiederum vom Halteelement i gehaltert ist und i = 1, ..., n, sind Geometrien und stoffeigene Größen der Halteelemente und/oder Geometrien und stoffeigene Größen der funktionalen Bauteile und Geometrien und stoffeigene Größen des Trägerrohrs sind so aufeinander abgestimmt, dass eine relative Änderung
    Figure 00100001
    des Abstands der Funktionsflächen der funktionalen Bauteile bei einer Temperaturänderung ΔT = T – T0 des Messmediums, von einer Ausgangstemperatur T0 des Messmediums ausgehend, kleiner 50%, vorzugsweise kleiner 20%, insbesondere kleiner 10%, insbesondere kleiner 5%, insbesondere kleiner 2%, insbesondere kleiner 1%, ist, als eine relative Änderung
    Figure 00100002
    des Abstands der Verbindungsflächen des Trägerrohrs.
  • Werden Sensoren, wie z. B. Ultraschalwandler, auf den Halteelementen befestigt, so ist der Abstand der funktionalen Bauteile bzw. der funktionalen Flächen der Sensoren, z. B. piezoelektrische Schichten oder die Fläche des Schallaustritts aus dem Sensor in das Messmedium, welche das Ultraschallsignal aussenden und empfangen, über einen weiten Temperaturbereich näherungsweise konstant. So haben gegenüberliegende Sensoren, welche sich insbesondere axial einander gegenüberstehen, insbesondere in einem Messrohr zur Durchflussmessung, einen in einem weiten Temperaturbereich näherungsweise gleichen Abstand und somit einen näherungsweise gleichen Signalpfad. Eine temperaturbedingte Messabweichung, wie sie im Stand der Technik durch die Änderung des Signalpfads unter Temperatureinfluss auftritt, ist signifikant verringert.
  • In Kombination mit einer Rohrleitung mit näherungsweise konstantem Innendurchmesser, beispielsweise ein, mit einem Liner ausgekleidetem Trägerrohr, ist dies unter anderem besonders vorteilhaft für Ultraschall-Durchflussmessgeräte, welche die Laufzeit parallel zur Strömungsrichtung des Messmediums messen.
  • Wird beispielsweise ein erfindungsgemäßes Messsystem, welches einen Durchfluss mit einem Verfahren bestimmt, welches mindestens einen Messwert und einen freien Querschnitt A des Messrohrs benötigt, so kann der Abstand der Sensoren über einen weiten Temperaturbereich konstant gehalten werden, aber durch die Ausdehnung des Trägerrohrs, wird ein Messfehler in die Berechnung des Durchflusses eingebracht. Wird der freie Querschnitt des Messrohrs bzw. dessen lichte Weite konstant gehalten, wird der Messfehler wesentlich verringert. Aber auch in der Füllstandsmesstechnik kann das erfindungsgemäße Messrohr vorteilhaft eingesetzt werden. So lässt sich der Abstand von Sensoren bzw. die Länge eines Signalpfads näherungsweise konstant halten, wie z. B. auch bei magnetisch induktiven Durchflussmessern oder optischen Messgeräten.
  • Eine weitere Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Durchflussmesssystem auf Basis von Ultraschall arbeitet und mindestens zwei, einen Abstand zueinander aufweisende Ultraschallsensoren parallel zur Hauptströmungsrichtung des Messmediums in einem Messrohr umfasst, wobei der Innendurchmesser des Messrohrs über einen weiten Temperaturbereich näherungsweise konstant ist und wobei der Abstand der funktionalen Flächen der Sensoren über einen weiten Temperaturbereich näherungsweise konstant ist. Als funktionale Flächen der Ultraschallsensoren dienen hier die Enden der Vorlaufkörper der Ultraschallsensoren, sie erfüllen die Funktion der Schallübertragung von Sensor auf Messmedium und zurück. Bevorzugt werden die Vorlaufkörper in einer Metallhülse fixiert, welche ihrerseits als Halteelement dient, wobei die Fixierung der Vorlaufkörper in der Metallhülse so ausgeführt ist, dass die Vorlaufkörper sich frei in Richtung des gegenüberliegenden Sensor ausdehnen können, also die Sensoren jeweils an dem, dem gegenüberliegenden Sensor abgewandten Ende des Vorlaufkörpers an dem Haltelement, also in der Metallhülse, fixiert sind. Der Vorlaufkörper selbst stellt somit ein funktionales Bauteil mit der Schallauskoppelfläche als Funktionsfläche dar. Eine Alternative stellt die Fixierung des Ultraschallsensors an einem Halteelement dar, wobei das dem gegenüberliegenden Sensor abgewandte Ende eines Sensors an dem Haltelement fixiert ist. In beiden Fällen ist der Vorlaufkörper das abstandsausgleichende funktionale Bauteil, einer Auskleidung eines Trägerrohrs vergleichbar bzw. deren Funktionalität übernehmend, welche die axiale Ausdehnung des Messrohrs und gegebenenfalls des ersten Teils des Halteelements ausgleicht. Eine solche Ultraschall-Messzelle kann sehr geringe Abmessungen aufweisen und ist daher variabel einsetzbar.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird ein Durchflussmesssystem vorgeschlagen, wobei die Abstände der funktionalen Flächen der Sensoren über einen weiten Temperaturbereich näherungsweise konstant sind, die Winkel der funktionalen Flächen zueinander sich über die Temperatur jedoch verändern.
  • Eine sehr vorteilhafte Variante der erfindungsgemäßen Lösung ist darin zu sehen, dass die Länge des Messrohrs über einen weiten Temperatur- und/oder Druckbereich näherungsweise konstant ist. Als Länge des Messrohrs wird dabei insbesondere die Länge der Mittelachse von Messrohreingang bis zum Messrohrausgang bezeichnet.
  • Die Halteelemente können, neben Sensoren, z. B. auch die Rohrenden verschließende Platten haltern, wodurch ein Hohlzylinder mit einem, über einen weiten Temperaturbereich konstanten Volumen entsteht. Die funktionale Fläche bzw. die Seite des funktionalen Bauteils, welche dem Messmedium zugewandt ist, ist die Seite der Platte, welche in das Rohr zum Messmedium zeigt. Die Haltelemente können hierbei selbst als Platte ausgestaltet sein. Ein solcher Behälter mit einem, über einen weiten Temperaturbereich konstanten Volumen, ist in vielen Bereichen einsetzbar. Mit ihm lässt sich besonders vorteilhaft ein Volumen eines Fluids messen.
  • Eine weitere zweckmäßige Ausgestaltung der Lösung der Erfindung ist, dass der Abstand der funktionalen Flächen der Sensoren in Abhängigkeit zu der Querschnittsveränderung des Messrohrs, also zu der Änderung des Innendurchmessers steht. So ist eine Kompensation bzw. Verringerung von temperaturbedingten Messabweichungen, insbesondere aufgrund temperaturbedingter Änderungen der Geometrien des Messrohrs und/oder aufgrund temperaturabhängiger Änderungen von Stoff- und/oder Strömungseigenschaften des Messmediums und/oder aufgrund temperaturbedingter Änderungen eines Signalpfads, auch bei einem Messrohr ohne Auskleidung, durch die Einstellung des Sensorabstands möglich.
  • Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert.
  • 1 zeigt eine Schnittdarstellung in Längsrichtung eines erfindungsgemäßen Messrohrs 1 mit Halteelementen und funktionalen Bauteilen.
  • 2 zeigt eine Schnittdarstellung in Längsrichtung eines erfindungsgemäßen Inline-Ultraschall-Messsystems.
  • 3 zeigt eine Detaildarstellung eines Haltelements im Schnitt.
  • 4 zeigt eine Detaildarstellung eines weiteren Halteelements im Schnitt.
  • 1 zeigt eine Schnittdarstellung in Längsrichtung eines erfindungsgemäßen Messrohrs 1 mit Halteelementen 14 und funktionalen Bauteilen 28. Die Halteelemente 14 sind aus einem ersten Material gefertigt, die funktionalen Bauteile 28 aus einem zweiten Material. Die funktionalen Bauteile 28 sind bevorzugt mit den Halteelementen 14 verklebt oder anderweitig stoffschlüssig miteinander verbunden. Die Halteelemente 14 sind mit dem Trägerrohr fest verbunden und ragen in das innere des Messrohrs 1 hinein. Der Werkstoff, aus dem die Halteelemente 14, welche mit dem Trägerrohr 2 verbunden sind, hergestellt sind, ist mit dem Werkstoff des Trägerrohrs 2 abgestimmt. Dadurch wird die radiale Ausdehnung des Trägerrohrs 2 kompensiert und die Halteelemente 14, bleiben in radialer Richtung über einen weiten Temperaturbereich an gleicher Position. Der Werkstoff der funktionalen Bauteile 28, welche die axiale Ausdehnung des Trägerrohrs 2 kompensieren, ist ebenfalls von dem Werkstoff des Trägerrohrs 2 abhängig. Zusätzlich ist er von dem Werkstoff der Halteelemente 14 und von den Geometrien der Bauteile abhängig. Die funktionalen Bauteile 28 weisen Funktionsflächen 16 auf, deren gegenseitiger Abstand 15 von den temperaturabhängigen Dicken der funktionalen Bauteile 28 und der temperaturbedingten Zunahme der Halteelemente 14 in axialer Richtung des Trägerrohrs 2 abhängig ist. Die Funktionsflächen 16 können einen, über einen weiten Temperaturbereich, gleichen Abstand 15 zueinander aufweisen, so dass, z. B. beim Anbringen von Sensoren, ein paralleler Signalpfad konstanter Länge zur Hauptströmungsrichtung des Messmediums 4 entsteht. Andererseits kann ihr Abstand auch von dem Aufbau der angebrachten Sensoren abhängen. Diese unterliegen ihrerseits einer geometrischen Temperaturabhängigkeit. Da diese Temperaturabhängigkeit der Sensoren aber bekannt ist, kann der konstruktive Aufbau der Halteelemente 14 so gestaltet sein, dass nicht die funktionalen Flächen 16 gleichen Abstand aufweisen, sondern Funktionsflächen der Sensoren. Die Geometrie und die Werkstoffe der Haltelemente 14 und der funktionalen Bauteile 28, sind also zusätzlich von der Geometrie und den Werkstoffen der auf ihnen applizierten Sensoren abhängig.
  • 2 und 3 werden im Folgenden der Einfachheit halber zusammen näher erläutert. 2 zeigt eine Schnittdarstellung in Längsrichtung eines erfindungsgemäßen Inline-Ultraschall-Messsystems mit näherungsweise konstantem Abstand 15 und einem näherungsweise konstanten Winkel der funktionalen Flächen 16 der Ultraschallsensoren zueinander. Als Funktionsflächen 16 werden hier die dem Messmedium 4 zugewandten und die sich gegenseitig gegenüberstehenden Flächen der Vorlaufkörper 24 angesehen. Gleichermaßen wären auch Piezoelemente oder andere funktionale Elemente möglich. Die Vorlaufkörper 24 sind einerseits Teil der Sensoren und gleichzeitig funktionales Bauteil. In 3 ist eine Detailansicht eines Ultraschallsensors dargestellt. Der Aufbau eines Sensors ist mindestens zweiteilig, d. h. er besteht aus mindestens zwei zusammengefügten Teilen, welche aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen. Hier sind es Sensorhülse 25 und Vorlaufkörper 24. Wegen der besseren Übersichtlichkeit ist die Sensorhülse 25 geschnitten und der Vorlaufkörper 24 ungeschnitten dargestellt.
  • Die Sensorhülse 25 ist fest mit dem Trägerrohr 2 verbunden. Sie besteht bevorzugt aus einem Material mit einem ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten, wie das Trägerrohr 2. Sie kann auch aus dem gleichen Material gefertigt sein. Die Sensorhülse umschließt den Vorlaufkörper 24 radial vollständig. Der Vorlaufkörper 24 ist aus einem anderen Werkstoff als die Sensorhülse 25 hergestellt, insbesondere dessen Wärmeausdehnung ist deutlich höher, und er ist bevorzugt stoffschlüssig mit der Sensorhülse 25 verbunden, bevorzugt über eine Klebefläche 26, welche umfänglich um den Vorlaufkörper verläuft. Die sich zwischen den beiden Klebeflächen 26 gegenüberstehenden Teile der Vorlaufkörper 24 der beiden Sensoren können sich frei in Richtung des jeweils gegenüberliegenden Sensors ausdehnen. So wird erreicht, die konstruktive Gestaltung der Vorlaufkörper 24 in Abhängigkeit der verwendeten Materialen von Vorlaufkörper 24, Sensorhülse 25 und Trägerrohr 2 und in Abhängigkeit der Geometrien von Sensorhülse 25 und Trägerrohr 2 vorausgesetzt, dass der Abstand 15 der beiden Funktionsflächen 16 der Vorlaufkörper 24 über einen weiten Temperaturbereich näherungsweise konstant ist. Gleichermaßen ist zu erreichen, dass die Winkel zwischen den Funktionsflächen 16 der Sensoren über einen weiten Temperaturbereich näherungsweise konstant sind.
  • In 4 ist ein weiteres Halteelement mit funktionalem Bauteil im Schnitt dargestellt. In dem Messrohr 1 ist eine Bohrung 30 vorgesehen. In die Bohrung 30 ist eine erste Scheibe 31 mit einer Öffnung 31 so eingesetzt, dass sie die Außenseite des Messrohrs 1 abschließt und eine zweite Scheibe mit einer Öffnung 32 bildet mit der Innenseite der Wand des Messrohrs 1 einen Abschluss. Zwischen diese Scheiben 31 und 32 ist, abgedichtet mit O-Ringen 33, eine Membran 34 mit einem eingespannten Körper, z. B. ein darin gehalterter Vorlaufkörper 24, eingebracht. Die Membran 34 besteht aus einem anderen Material als das Messrohr 1, kann sich zwischen den Scheiben 31 und 32 in Längsrichtung des Messrohrs 1 bewegen und ist so ausgestaltet, dass die temperaturabhängige Längsausdehnung des Messrohrs 1 am Vorlaufkörper 24 kompensiert wird. So kann beispielsweise der Abstand zweier Vorlaufkörper näherungsweise konstant gehalten werden.
    • 1
    Messrohr
    2
    Trägerrohr
    3
    Auskleidung
    4
    Messmedium
    5
    Innendurchmesser des Messrohrs
    6
    Länge des Messrohrs
    7
    Temperiervorrichtung
    8
    Kanäle
    9
    Trägerrohrwand
    10
    Signalpfad, z. B. akustischer Pfad
    11
    Kanäle in der Auskleidung
    12
    Eingang des Messrohrs
    13
    Ausgang des Messrohrs
    14
    Halteelemente
    15
    Abstand der Funktionsflächen der Halteelemente
    16
    Funktionsflächen
    17
    Schultern
    18
    Innere Auskleidungswand
    19
    Äußere Auskleidungswand
    20
    Stirnseitige Auskleidungswände
    21
    Leitung
    22
    Steg
    23
    Abstandshalter
    24
    Vorlaufkörper
    25
    Sensorhülse
    26
    Klebefläche
    27
    Messkanal
    28
    Funktionales Bauteil
    29
    Verbindungsfläche
    30
    Bohrung
    31
    Erste Scheibe mit Öffnung
    32
    Zweite Scheibe mit Öffnung
    33
    Dichtung
    34
    Membran
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - US 7044001 B2 [0003]
    • - WO 03/006932 A1 [0010]

Claims (5)

  1. Messsystem, insbesondere zur Durchflussmessung eines in einer Rohrleitung strömenden Messmediums (4), insbesondere eines Fluids, welches Messsystem ein Messrohr (1) und mindestens zwei Halteelemente (14, 14') zur Halterung jeweils mindestens eines funktionalen Bauteils (28, 28'), insbesondere zur Halterung von Sensoren, welche funktionalen Bauteile (28, 28') jeweils mindestens eine Funktionsfläche (16, 16') aufweisen, umfasst, welches Messrohr (1) ein Trägerrohr (2) umfasst, welche Halteelemente (14, 14') an jeweils mindestens einer Verbindungsfläche (29, 29') mit dem Trägerrohr (2) in Verbindung stehen und jeweils zwei sich gegenüberstehende Verbindungsflächen (29, 29') der Halteelemente (14, 14') einen Abstand Y29,29' aufweisen und jeweils zwei sind gegenüberstehende Funktionsflächen (16, 16') der funktionalen Bauteile (28, 28'), welche in den Halteelementen (14, 14') gehaltert sind, einen Abstand X16,16' aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass Geometrien und stoffeigene Größen der Halteelemente (14, 14') und/oder Geometrien und stoffeigene Größen der funktionalen Bauteile (28, 28') und Geometrien und stoffeigene Größen des Trägerrohrs (2) so aufeinander abgestimmt sind, dass sich relative Abstände
    Figure 00180001
    der Funktionsflächen (16, 16') der funktionalen Bauteile (28, 28') in Abhängigkeit einer Temperatur T des durch das Messrohr (1) strömenden Messmediums (4), von einer Ausgangstemperatur T0 des Messmediums (4) ausgehend, so einstellen, dass temperaturbedingte Messabweichungen bei einer Temperaturänderung ΔT = T – T0 des Messmediums (4), insbesondere aufgrund temperaturbedingter Änderungen der Geometrien des Trägerrohrs (2) und/oder aufgrund temperaturabhängiger Änderungen von Stoff- und/oder Strömungseigenschaften des Messmediums (4) und/oder aufgrund temperaturbedingter Änderungen eines Signalpfads (10), kleiner der temperaturbedingten Messabweichungen bei einer Temperaturänderung ΔT = T – T0 des Messmediums (4) sind, die bei relativen Abständen
    Figure 00190001
    der Funktionsflächen (16, 16') der funktionalen Bauteile (28, 28') auftreten.
  2. Messsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Geometrien und stoffeigene Größen der Halteelemente (14, 14') und/oder Geometrien und stoffeigene Größen der funktionalen Bauteile (28, 28') und Geometrien und stoffeigene Größen des Trägerrohrs (2) so aufeinander abgestimmt sind, dass sich relative Abstände
    Figure 00190002
    der Funktionsflächen (16, 16') der funktionalen Bauteile (28, 28') in Abhängigkeit einer Temperatur T des durch das Messrohr (1) strömenden Messmediums (4), von einer Ausgangstemperatur T0 des Messmediums (4) ausgehend, so einstellen, dass temperaturbedingte Messabweichungen bei einer Temperaturänderung ΔT = T – T0 des Messmediums (4), insbesondere aufgrund temperaturbedingter Änderungen der Geometrien des Trägerrohrs (2) und/oder aufgrund temperaturabhängiger Änderungen von Stoff- und/oder Strömungseigenschaften des Messmediums (4) und/oder aufgrund temperaturbedingter Änderungen eines Signalpfads (10), näherungsweise Null sind.
  3. Messsystem nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine relative Änderung
    Figure 00190003
    des Abstands der Funktionsflächen (16) der funktionalen Bauteile (28) bei einer Temperaturänderung ΔT = T – T0 des Messmediums (4), von einer Ausgangstemperatur T0 des Messmediums (4) ausgehend, kleiner ist als eine relativen Änderung
    Figure 00190004
    des Abstands der Verbindungsflächen (29) des Trägerrohrs (2).
  4. Messsystem nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine relative Änderung
    Figure 00200001
    des Abstands der Funktionsflächen (16) der funktionalen Bauteile (28) bei einer Temperaturänderung ΔT = T – T0 des Messmediums (4), von einer Ausgangstemperatur T0 des Messmediums (4) ausgehend, näherungsweise Null ist.
  5. Messsystem nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Halteelemente (14) über eine Temperiervorrichtung verfügen, wodurch eine vorgegebene Temperatur der Halteelemente (14) und/oder der an den Halteelementen (14) befestigten funktionalen Bauteile (28) einstellbar ist.
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