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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung betrifft einen Durchflussmesser nach dem Differenzdruckprinzip.
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Stand der Technik
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Es
gibt eine Vielzahl von Primärelementen (Differenzdruckerzeuger),
genormte wie Blende, Venturi oder Düse (EN-ISO
5167) und ungenormte wie Staudrucksonden oder Kegel-Elemente.
Nach dem Gesetz von Bernoulli (Energieerhaltung) wird durch die Änderung
Geschwindigkeit des Fluidums der Druck des Fluidums geändert.
Die Druckdifferenz ist somit ein Maß für die Geschwindigkeit
des Fluidums.
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Die
Fließgeschwindigkeit v ist proportional zur Wurzel des
Differenzdruckes dp.
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Allen
Primärelementen gemein ist, die räumliche Trennung
der Druckaufnahmen für den dynamischen Über- bzw.
Unterdruck pstat + dp und den statischen Druck p stat aus denen
der Differenzdruck dp gebildet wird.
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Bei
statischen Messvorgängen zeigt die Differenzdruckanzeige
lediglich den Druckunterschied dp zwischen den beiden Druckaufnahmen.
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Der
statische Druck pstat in der Rohrleitung wirkt auf beide Druckaufnahmen,
führt also zu keinem Ausschlag der Differenzdruckanzeige.
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Dies
ist nicht nachteilig, da lediglich der Differenzdruck dp für
die Berechnung des Durchflusses relevant ist.
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Viele
Prozesse, insbesondere hochdynamische Anlagen wie Verbrennungsmotoren,
Verdichter oder Kompressoren, weisen starke und schnelle Pulsationen
des statischen Druckes auf.
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Diese
Druckpulsationen breiten sich näherungsweise mit Schallgeschwindigkeit
in Rohrleitungen fort.
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Entlang
der Rohrleitung ergeben sich hierdurch entlang des Primärelementes
Druckunterschiede (Gradienten). Durch die räumliche Trennung a
der Druckaufnahmen (2) und (3) werden diese als überlagerte
Differenzdruckschwankung pdiff von der Differenzdruckanzeige (6)
registriert.
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Hierdurch
ergeben sich in nachteiliger Weise bei der Verwendung von Differenzdruckdurchflussmessungen
zur Geschwindigkeitsmessung eines pulsierenden Mediums Probleme,
denn die überlagerten Differenzdruckschwankungen pdiff
an den beiden Druckaufnahmen sind nicht durchflussabhängig.
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Dies
bedeutet nachteilig, dass die Durchflussmessung durch die Druckpulsationen
gestört wird, die Durchflusssignale sind verrauscht.
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Ein
bekanntes Mittel um pulsierende Störgrößen
zu eliminieren ist eine Bedämpfung des Signals, dies hat
bei der den bekannten Durchflussmessern jedoch den Nachteil, dass
eine einfache, lineare Bedämpfung der Durchflussmessung
mittels der Bedämpfung auf ein nichtlineares Signal angewendet werden
würde.
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Eine
Geschwindigkeitsberechnung anhand des linear bedämpften,
jedoch nichtlinear von der Geschwindigkeit abhängigen Differenzdruckes
zwischen den Druckaufnahmen ist nicht möglich, da in der
Geschwindigkeitsberechnung die „bedämpfte Wurzel” aus
dem Differenzdruck dp nicht mehr proportional der mittleren bedämpften
Geschwindigkeit ist.
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Dieser
Nachteil ist seit langem in der Fachwelt bekannt und wird als „Radizierfehler
der Differenzdruckmessung” bezeichnet.
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Offenbarung der Erfindung
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Technische Aufgabe
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Es
ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Durchflussmesser zu schaffen,
der auf dem Prinzip der Differenzdruckmessung basiert, jedoch keinen solchen „Radizierfehler
der Differenzdruckmessung” aufweist.
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Technische Lösung
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Diese
Aufgabe wird gelöst durch eine erfinderische Zusatzeinrichtung
an einem bekannten Durchflussmesser gelöst.
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Die Überlegungen,
die zur Entstehung der vorliegenden Erfindung führten gingen
davon aus, dass die pulsierende Störgröße
sich mit einer gewissen Geschwindigkeit im zu Messenden Medium fortpflanzt.
Die ”strömungsaufwärtige” Öffnung
des Druckaufnehmers wird von der Druckwelle also früher
erfasst, als die „strömungsabwärtige” Öffnung. Durch
eine Verlängerung des Weges von der strömungsaufwärtigen” Öffnung
zum Druckaufnehmer lässt sich erreichen, dass keine laufzeitabhängigen Druckunterschiede
am Druckaufnehmer anliegen. Da nur die pulsierende Störgröße
laufzeitabhängig ist, wird am Druckaufnehmer in erfinderischer
Weise nur noch der strömungsabhängige Differenzdruck auftreten.
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Weitere
erfinderische Überlegungen machten sich die Erkenntnis
zu nutze, dass bei kompressiblen Fluiden wie Gasen oder Dampf die
Impulsleitungsdurchmesser und -Volumina als Dämpfungselemente
wirken.
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Druckschwankungen
werden bei kleinen Durchmessern und großen Volumina weniger
stark übertragen, da große Volumen erst durch
nachströmendes Medium komprimiert werden müssen
um den Druck im Volumen aufzubauen.
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Aufgrund
der durch den kleinen Durchmesser begrenzten Menge des Mediums dauert
es daher länger bis sich im Volumen der höhere
Druck aufgebaut hat. Dies macht sich bemerkbar bei unterschiedlich
langen Druckleitungen mit gleichem Durchmesser, da in der längeren
Leitung der Druck langsamer aufgebaut wird.
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Eine
asymmetrische Länge der Impulsleitungen als Einzelmaßnahme
führt also noch nicht zu der gewünschten Kompensation
der pulsierenden Störgröße.
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Die
erfindungsgemäße Lösung sieht daher eine
Kombination von unterschiedlicher Leitungslänge und unterschiedlichem
Volumen der von der jeweiligen Öffnung bis zum Druckaufnehmer
verlaufenden Druckleitung vor.
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Die
Leitung von der strömungsaufwärtigen Öffnung
zum Druckaufnehmer verlaufende Leitung ist erfindungsgemäß länger
als die Leitung, die von der strömungsabseitigen Öffnung
zum Druckaufnehmer führt.
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Das
Volumen der Leitung von der strömungsabseitigen Öffnung
zum Druckaufnehmer ist größer als das Volumen
der strömungsaufwärtigen Leitung.
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Durch
die Anpassung der Leitungsvolumen, der Leitungslängen und
der Leitungsdurchmesser lassen sich die Störungen weitgehend
kompensieren, pdiff wird hiermit im Idealfall zu null.
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Vorteilhafte Wirkungen
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Durch
die Anpassung der Leitungsvolumen, der Leitungslängen und
der Leitungsdurchmesser lassen sich die Störungen weitgehend
kompensieren, pdiff wird hiermit im Idealfall zu null.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt
als Beispiel für den bekannten Stand der Technik ein Venturirohr
(1) mit den beiden Druckaufnahmen (2) und (3),
zweier Impulsleitungen (4) und (5) sowie einer
schematisch dargestellten Differenzdruckanzeige (6) Bei
statischen Messvorgängen zeigt die Differenzdruckanzeige
(6) lediglich den Druckunterschied dp zwischen den beiden
Druckaufnahmen (2) und (3) an. Der statische Druck
pstat in der Rohrleitung wirkt auf beide Druckaufnahmen (2) und (3),
führt also zu keinem Ausschlag der Differenzdruckanzeige
(6). Dies ist gewünscht, da lediglich der Differenzdruck
dp für die Berechnung des Durchflusses relevant ist.
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Die 2 zeigt
den bekannten Stand der Technik aus 1 bei der
Messung eines pulsierenden Mediums. Die gepunktete Linie zeigt den
laufzeitabhängigen Wert der durch das Pulsieren hervorgerufenen
Druckänderung.
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Die
Werte eines pulsierenden Druckes sind daher an den Orten der beiden
Druckaufnahmen (2) und (3) unterschiedlich, die
Differenzdruckanzeige (6) registriert diesen Unterschied
in nachteiliger Weise.
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Viele
Prozesse, insbesondere hochdynamische Anlagen wie Verbrennungsmotoren,
Verdichter oder Kompressoren, weisen starke und schnelle Pulsationen
des statischen Druckes auf. Für eine Strömungsgeschwindigkeitsmessung
solcher Prozesse sind die Durchflussmesser nach dem Stand der Technik
nicht gut geeignet.
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Die 3 zeigt
die erfindungsgemäße Abänderung des bekannten
Standes der Technik. Durch die Verwendung einer geeigneten Kombination
aus einer angepassten Länge der einen Leitung und einer entsprechenden
Anpassung des Volumens und des Durchmessers der anderen Leitung
lassen sich die überlagerten Druckschwankungen nahezu auslöschen.
Im gezeigten Beispiel ist die Leitung (7) verlängert
und in die andere Leitung ist ein zusätzliches Volumen
(8) integriert. Der Durchmesser der Leitung ist entsprechend
angepasst, damit die zum ”Füllen” des
Volumens (8) benötigte Zeit der Laufzeit der pulsierenden
Druckwelle im Messsystem angepasst ist.
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Die 4 zeigt
einen erfinderischen Durchflussmesser nach dem Prinzip der Staudrucksonde. Bei
derartigen Staudrucksonden liegen die Öffnungen der zum
Differenzdruckmesselement führenden Leitungen schon prinzipbedingt
näher beisammen, als bei einem Durchflussmesser nach dem
Venturi Prinzip.
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Aufgrund
dieser räumlichen Nähe sind die störenden,
pulsationsabhängigen Differenzdruckschwankungen prinzipbedingt
geringer als bei einem Venturi Durchflussmesser weshalb die beschriebene Kompensation
mittels angepasster Leitungslänge, Leitungsvolumen und
Leitungsdurchmesser zu einem hochdynamischen Durchflussmesser führt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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