DE102010042344B4

DE102010042344B4 - Wirkdruckgeberanordnung für ein Durchflussmessgerät und Durchflussmessgerät mit einer solchen Wirkdruckgeberanordnung

Info

Publication number: DE102010042344B4
Application number: DE102010042344.0A
Authority: DE
Inventors: Dieter Funken; Igor Getman
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2010-10-12
Filing date: 2010-10-12
Publication date: 2022-06-23
Anticipated expiration: 2030-10-13
Also published as: WO2012048936A1; DE102010042344A1

Abstract

Wirkdruckgeberanordnung, umfassend:einen ersten Rohrdruckmittler (10), welcher ein erstes rohrförmiges Gehäuse (16) und eine erste rohrförmige Trennmembran (12) aufweist, wobei die erste rohrförmige Trennmembran (12) in dem ersten rohrförmigen Gehäuse (16) angeordnet ist, wobei die erste rohrförmige Trennmembran (12) unter Bildung einer Druckkammer (14) zwischen der ersten rohrförmigen Trennmembran (12) und dem ersten rohrförmigen Gehäuse (16) in einen ersten Endabschnitt der ersten rohrförmigen Trennmembran (12) und in einem zweiten Endabschnitt der ersten rohrförmigen Trennmembran (12) jeweils entlang einer umlaufenden Fügestelle druckdicht mit dem rohrförmigen Gehäuse (16) verbunden ist, wobei die erste rohrförmige Druckkammer (14) einen Ringspalt zwischen der ersten rohrförmigen Trennmembran (12) und dem ersten rohrförmigen Gehäuse (16) umfasst;einen zweiten Rohrdruckmittler (20), welcher ein zweites rohrförmiges Gehäuse (26) und eine zweite rohrförmige Trennmembran (22) aufweist, wobei die zweite rohrförmige Trennmembran (22) in dem zweiten rohrförmigen Gehäuse (26) angeordnet ist, wobei die zweite rohrförmige Trennmembran (22) unter Bildung einer zweiten Druckkammer (24) zwischen der zweiten rohrförmigen Trennmembran (22) und dem zweiten rohrförmigen Gehäuse (26) in einem ersten Endabschnitt der zweiten rohrförmigen Trennmembran (22) und in einem zweiten rohrförmigen Endabschnitt der rohrförmigen Trennmembran (22) jeweils entlang einer umlaufenden Fügestelle druckdicht mit dem zweiten rohrförmigen Gehäuse (26) gefügt ist, wobei die zweite Druckkammer (24) einen Ringspalt zwischen der zweiten rohrförmigen Trennmembran (22) und dem zweiten rohrförmigen Gehäuse (26) umfasst; undeine Rohrleitung (40) zum Führen eines Fluids, wobei der erste Rohrdruckmittler (10) und der zweite Rohrdruckmittler (20) in Reihe angeordnete Abschnitte der Rohrleitung (40) bilden, undwobei der erste Rohrdruckmittler (10) eine kleinere lichte Querschnittsfläche aufweist als der zweite Rohrdruckmittler (20).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wirkdruckgeberanordnung für ein Durchflussmessgerät nach dem Differenzdruckprinzip. Durchflussmessungen nach dem Differenzdruckprinzip sind an sich bekannt, wobei insbesondere Venturidüsen oder Blenden als Wirkdruckgeber zum Einsatz kommen.
Aus US 2005 / 0 204 822 A1 ist eine Messanordnung für eine Durchflussmessung nach dem Differenzdruckprinzip beschrieben, die zwei gleichartig ausgestaltete, in einer Rohrleitung hintereinander angeordnete kapazitive Drucksensoren aufweist, zwischen denen ein Durchflussbegrenzer angeordnet ist. Jeder der Drucksensoren weist eine in der Innenwandung der Leitung integrierte Elektrode auf, die von einer elektrisch leitfähigen Membran überdeckt ist. Die Membran wird abhängig vom in der Leitung herrschenden Druck ausgelenkt, derart, dass eine Kapazitätsmessung zwischen der Membran und der Elektrode ein elektrisches Druckmesssignal für die Differenzdruckmessung ergibt.
In den Offenlegungsschriften DE 36 13 204 A1 und DE 39 24 740 C2 ist jeweils ein Rohrdruckmittler beschrieben, an den ein Druckmessgerät zum Messen des Druckes eines das Druckmessgerät nicht berührenden Fluids anschließbar ist. In WO 2010 / 094 265 A1 ist ein Rohrdruckmittler beschrieben, dessen Druckmittlergehäuse und Membran aus einem Fluorpolymer bestehen.
Aus US 4 599 906 A ist eine Wirkdruckgeberanordnung mit einer Venturidüse zur Messung eines Durchflusses in einer Rohrleitung nach dem Differenzdruckprinzip bekannt.
In DE 35 05 833 A1 ist ein Venturirohr beschrieben, das zur Differenzdruckmessung an Gas-Feststoffströmen geeignet ist, und das aus einem druckfesten Metallmantel besteht, der mit einer Innenauskleidung aus einem porösen Material versehen ist. Im Eingangsbereich und im Bereich des kleinsten Durchmessers des Strömungskanals sind zwei Ringkammern gebildet, die durch eine Sperrschicht aus porösem Material getrennt und über Impulsleitungen mit einem Differenzdruckmessgerät verbunden sind.
Herkömmliche Blenden oder Venturidüsen sind jedoch insbesondere für den Einsatz in der Lebensmitteltechnik, in Biotechnologieanlagen, in der Pharmazie und anderen Anwendungen mit Hygieneanforderungen nicht geeignet, da die Wirkdruckleitungen zum Abgreifen des Drucks mit dem Messmedium beaufschlagbar und insofern kontaminierbar sind.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, hier Abhilfe zu schaffen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Wirkdruckgeberanordnung gemäß Anspruch 1 und das Durchflussmessgerät gemäß Anspruch 6.
Die erfindungsgemäße Wirkdruckgeberanordnung, umfasst
einen ersten Rohrdruckmittler, welcher ein erstes rohrförmiges Gehäuse und eine erste rohrförmige Trennmembran aufweist, wobei die erste rohrförmige Trennmembran in dem ersten rohrförmigen Gehäuse angeordnet ist, wobei die erste rohrförmige Trennmembran unter Bildung einer Druckkammer zwischen der ersten rohrförmigen Trennmembran und dem ersten rohrförmigen Gehäuse in einen ersten Endabschnitt der ersten rohrförmigen Trennmembran und in einem zweiten Endabschnitt der ersten rohrförmigen Trennmembran jeweils entlang einer umlaufenden Fügestelle druckdicht mit dem rohrförmigen Gehäuse verbunden ist, wobei die erste Druckkammer einen Ringspalt zwischen der ersten rohrförmigen Trennmembran und dem ersten rohrförmigen Gehäuse umfasst;
einen zweiten Rohrdruckmittler welcher ein zweites rohrförmiges Gehäuse und eine zweite rohrförmige Trennmembran aufweist, wobei die zweite rohrförmige Trennmembran in dem zweiten rohrförmigen Gehäuse angeordnet ist, wobei die zweite rohrförmige Trennmembran unter Bildung einer zweiten Druckkammer zwischen der zweiten rohrförmigen Trennmembran und dem zweiten rohrförmigen Gehäuse in einem ersten Endabschnitt der zweiten rohrförmigen Trennmembran und in einem zweiten rohrförmigen Endabschnitt der rohrförmigen Trennmembran jeweils entlang einer umlaufenden Fügestelle druckdicht mit dem zweiten rohrförmigen Gehäuse gefügt ist, wobei die zweite Druckkammer einen Ringspalt zwischen der zweiten rohrförmigen Trennmembran und dem zweiten rohrförmigen Gehäuse umfasst; und
eine Rohrleitung zum Führen eines Fluids, wobei der erste Rohrdruckmittler und der zweite Rohrdruckmittler in Reihe angeordnete Abschnitte der Rohrleitung bilden, und wobei der erste Rohrdruckmittler eine kleinere lichte Querschnittsfläche aufweist als der zweite Rohrdruckmittler.
Die lichte Querschnittsfläche definiert jene Querschnittsfläche, die von einem Fluid durchströmbar ist. Wenn von dem ersten Rohrdruckmittler und dem zweiten Rohrdruckmittler die Rede ist, so ist damit keinesfalls eine Reihenfolge im Hinblick auf die Strömungsrichtung impliziert. Tatsächlich kann der erste Rohrdruckmittler bezogen auf die Strömungsrichtung des Fluids stromaufwärts oder stromabwärts von dem zweiten Rohrdruckmittler angeordnet sein, wobei in den meisten Anwendungsfällen der erste Rohrdruckmittler stromabwärts vom zweiten Rohrdruckmittler angeordnet sein wird.
In einer Weiterbildung der Erfindung weist das erste rohrförmige Gehäuse eine Öffnung zum Abgreifen des in der ersten Druckkammer herrschenden Drucks auf, wobei das zweite rohrförmige Gehäuse eine zweite Öffnung zum Abgreifen des in der zweiten Druckkammer herrschenden Drucks aufweist.
In einer Weiterbildung der Erfindung weisen die Rohrleitung, die Trennmembranen und die rohrförmigen Gehäuse eine metallische Legierung, insbesondere Edelstahl auf.
In einer Weiterbildung der Erfindung sind die dem fluid-führenden Lumen der Rohrleitung und der Rohrdruckmittler zugewandten Oberflächen der Rohrleitung und der Rohrdruckmittler frei von Bohrungen oder Durchbrüchen.
In einer Weiterbildung der Erfindung weisen die das Lumen begrenzenden Oberflächen der Rohrleitung und der Rohrdruckmittler keine radialen Stufen auf, die mehr als 10 %, vorzugsweise mehr als 5 %, weiter bevorzugt mehr als 2 %, und besonders bevorzugt mehr als 1 % des lichten Durchmessers am Ort der Stufe betragen.
Das erfindungsgemäße Durchflussmessgerät, umfasst eine erfindungsgemäße Wirkdruckgeberanordnung und einen Differenzdrucksensor, welcher über einen ersten hydraulischen Pfad mit einem in der ersten Druckkammer herrschenden Druck und über einen zweiten hydraulischen Pfad mit dem in der zweiten Druckkammer herrschenden Druck beaufschlagbar ist, wobei der Differenzdrucksensor einen Wandler aufweist, um ein elektrisches oder optisches Signal bereitzustellen, welches von der Differenz zwischen dem Druck in der ersten Druckkammer und dem Druck in der zweiten Druckkammer abhängt, wobei die Auswertungsschaltung 32 dazu ausgelegt ist, anhand des Signals des Differenzdrucksensors den Durchfluss durch die Wirkdruckgeberanordnung zu ermitteln.
Anstelle eines Differenzdrucksensors können in einer anderen Ausgestaltung des Durchflussmessgerätes auch zwei Absolutdrucksensoren oder zwei Relativdrucksensoren eingesetzt werden, die jeweils den Druck in einer der Druckkammern absolut oder gegen Atmosphäre messen. Der Differenzdruck als Grundlage für die Durchflussbestimmung ist in diesem Falle durch Differenzbildung zwischen den gemessenen Druckwerten zu bestimmen.
Die Erfindung wird nun anhand des in der Figur gezeigten Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigt:

1: einen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Druckmessgeräts.

Das in 1 gezeigte Druckmessgerät umfasst einen Rohrdruckmittler 10 mit einer ersten rohrförmigen Trennmembran 12, welche eine erste Druckkammer 14 verschließt, die zwischen der Trennmembran 12 und einem ersten rohrförmigen Gehäuse 16 gebildet ist, indem die erste Trennmembran, die in dem ersten rohrförmigen Gehäuse 16 angeordnet ist, an beiden Enden jeweils entlang einer umlaufenden Schweißnaht mit dem ersten Gehäuse 16 verbunden ist. Die rohrförmige Trennmembran weist beispielsweise eine Länge von etwa 10 cm und einen Durchmesser von etwa 2,5 cm auf, wobei die Materialstärke der Trennmembran eine 10 µm betragen kann, beispielsweise 50 µm. Als Werkstoff für die Trennmembran kommt insbesondere Edelstahl in Betracht, beispielsweise 1.44-35. Gleichermaßen kann das erste Gehäuse ebenfalls Edelstahl aufweisen. Im Hinblick auf im Messbetrieb zu erwartende Temperaturschwankungen sollten die Wärmeausdehnungskoeffizienten des Materials der Trennmembran und des Materials des Gehäuses möglichst keine oder allenfalls geringe Abweichungen aufweisen, wobei dies insbesondere dadurch erreicht wird, dass die Trennmembran und das Gehäuse aus dem gleichen Werkstoff gefertigt sind.
Das Durchflussmessgerät umfasst weiterhin einen zweiten Rohdruckmittler 20, welcher im Prinzip denselben Aufbau hat wie der erste Rohrdruckmittler und sich von diesem nur in seinen Abmessungen unterscheidet. So verschließt auch hier eine zweite Trennmembran 22, eine zweite Druckkammer 24, die zwischen der Trennmembran 22 und einem Gehäuse 26 gebildet ist, indem die Trennmembran an ihren beiden Endabschnitten entlang umlaufender Schweißnähte druckdicht mit dem Gehäuse 26 verbunden ist. Die Länge der zweiten Trennmembran kann beispielsweise ebenfalls 10 cm betragen, wobei der lichte Durchmesser der zweiten rohrförmigen Trennmembran 22 beispielsweise etwa 5 cm beträgt. Die Materialstärke der zweiten Trennmembran 22 entspricht beispielsweise der Materialstärke der ersten Trennmembran. Vorzugsweise ist die zweite Trennmembran 22 aus dem gleichen Material gefertigt wie die erste Trennmembran 12 und das zweite Gehäuse 26 weist den gleichen Werkstoff auf wie das erste Gehäuse 16. Das erste rohrförmige Gehäuse 16 und das zweite rohrförmige Gehäuse 26 weisen jeweils auf ihrer Mantelfläche eine Öffnung zur ersten Druckkammer 14 bzw. zweiten Druckkammer 24 auf, wobei sich von diesen Öffnungen ein erster hydraulischer Pfad 18 bzw. ein zweiter hydraulischer Pfad 28 zu einem Differenzdrucksensor 30 erstrecken, welcher einen Wandler zur Ausgabe eines Signals aufweist, welches von der Differenz der zugeführten Drücke abhängt. Der Differenzdrucksensor 30 kann insbesondere einen (piezo-)resistiven oder kapazitiven Wandler, oder einen optischen Wandler umfassen, wobei der optische Wandler, insbesondere ein Weißlicht-interferometrischer Wandler sein kann.
Um den Durchmesserunterschied zwischen dem ersten Rohrdruckmittler 10 und dem zweiten Rohrdruckmittler 20 auszugleichen, ist ein rohrförmiges Anpassungsstück 42 vorgesehen, welches an seinem dem ersten Druckmittler zugewandten Endabschnitt einen Innendurchmesser aufweist, welcher dem Innendurchmesser des ersten Rohrdruckmittlers entspricht und welches an seinem zweiten Endabschnitt einen Innendurchmesser aufweist, welcher dem Innendurchmesser des zweiten Rohrdruckmittlers 20 entspricht. An der dem zweiten Rohrdruckmittler 20 abgewandten Seite des ersten Rohrdruckmittlers 10 kann ein zweites rohrförmiges Anpassungsstück 44 vorgesehen sein, welches an seinem dem ersten Rohrdruckmittler 10 zugewandten Endabschnitt einen Innendurchmesser aufweist, der dem Innendurchmesser des ersten Rohrdruckmittlers 10 entspricht, und welches an seinem dem ersten Rohrdruckmittler 10 abgewandten Endabschnitt einen Innendurchmesser aufweist, welcher dem Innendurchmesser des zweiten Rohrdruckmittlers entspricht. Die rohrförmigen Anpassungsstücke 42, 44 können mit den Rohrdruckmittlern 10, 20 verschweißt, verschraubt oder über (hier nicht dargestellte) Flansche verbunden sein.

Claims

Wirkdruckgeberanordnung, umfassend: einen ersten Rohrdruckmittler (10), welcher ein erstes rohrförmiges Gehäuse (16) und eine erste rohrförmige Trennmembran (12) aufweist, wobei die erste rohrförmige Trennmembran (12) in dem ersten rohrförmigen Gehäuse (16) angeordnet ist, wobei die erste rohrförmige Trennmembran (12) unter Bildung einer Druckkammer (14) zwischen der ersten rohrförmigen Trennmembran (12) und dem ersten rohrförmigen Gehäuse (16) in einen ersten Endabschnitt der ersten rohrförmigen Trennmembran (12) und in einem zweiten Endabschnitt der ersten rohrförmigen Trennmembran (12) jeweils entlang einer umlaufenden Fügestelle druckdicht mit dem rohrförmigen Gehäuse (16) verbunden ist, wobei die erste rohrförmige Druckkammer (14) einen Ringspalt zwischen der ersten rohrförmigen Trennmembran (12) und dem ersten rohrförmigen Gehäuse (16) umfasst; einen zweiten Rohrdruckmittler (20), welcher ein zweites rohrförmiges Gehäuse (26) und eine zweite rohrförmige Trennmembran (22) aufweist, wobei die zweite rohrförmige Trennmembran (22) in dem zweiten rohrförmigen Gehäuse (26) angeordnet ist, wobei die zweite rohrförmige Trennmembran (22) unter Bildung einer zweiten Druckkammer (24) zwischen der zweiten rohrförmigen Trennmembran (22) und dem zweiten rohrförmigen Gehäuse (26) in einem ersten Endabschnitt der zweiten rohrförmigen Trennmembran (22) und in einem zweiten rohrförmigen Endabschnitt der rohrförmigen Trennmembran (22) jeweils entlang einer umlaufenden Fügestelle druckdicht mit dem zweiten rohrförmigen Gehäuse (26) gefügt ist, wobei die zweite Druckkammer (24) einen Ringspalt zwischen der zweiten rohrförmigen Trennmembran (22) und dem zweiten rohrförmigen Gehäuse (26) umfasst; und eine Rohrleitung (40) zum Führen eines Fluids, wobei der erste Rohrdruckmittler (10) und der zweite Rohrdruckmittler (20) in Reihe angeordnete Abschnitte der Rohrleitung (40) bilden, und wobei der erste Rohrdruckmittler (10) eine kleinere lichte Querschnittsfläche aufweist als der zweite Rohrdruckmittler (20).
Wirkdruckgeberanordnung nach Anspruch 1, wobei das erste rohrförmige Gehäuse (16) eine Öffnung zum Abgreifen des in der ersten Druckkammer (14) herrschenden Drucks aufweist, und wobei das zweite rohrförmige Gehäuse (26) eine zweite Öffnung zum Abgreifen des in der zweiten Druckkammer (24) herrschenden Drucks aufweist.
Wirkdruckgeberanordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Rohrleitung (40), die Trennmembranen (12, 22) und die rohrförmigen Gehäuse (16, 26) eine metallische Legierung, insbesondere Edelstahl aufweisen.
Wirkdruckgeberanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die dem fluid-führenden Lumen der Rohrleitung (40) und der Rohrdruckmittler (10, 20) zugewandten Oberflächen der Rohrleitung (40) und der Rohrdruckmittler (10, 20) frei von Bohrungen oder Durchbrüchen sind.
Wirkdruckgeberanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die das Lumen begrenzenden Oberflächen der Rohrleitung (40) und der Rohrdruckmittler (10, 20) keine radialen Stufen aufweisen, die mehr als 10 %, vorzugsweise mehr als 5 %, weiter bevorzugt mehr als 2 %, und besonders bevorzugt mehr als 1 % des lichten Durchmessers am Ort der Stufe betragen.
Durchflussmessgerät, umfassend: eine Wirkdruckgeberanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche; einen Differenzdrucksensor (30); und eine Auswertungsschaltung (32), wobei der Differenzdrucksensor über einen ersten hydraulischen Pfad (18) mit einem in der ersten Druckkammer (14) herrschenden Druck und über einen zweiten hydraulischen Pfad (28) mit dem in der zweiten Druckkammer (24) herrschenden Druck beaufschlagbar ist, wobei der Differenzdrucksensor (30) einen Wandler aufweist, um ein elektrisches oder optisches Signal bereitzustellen, welches von der Differenz zwischen dem Druck in der ersten Druckkammer (14) und dem Druck in der zweiten Druckkammer (24) abhängt; wobei die Auswertungsschaltung (32) dazu ausgelegt ist, anhand des Signals des Differenzdrucksensors den Durchfluss durch die Wirkdruckgeberanordnung zu ermitteln.
Durchflussmessgerät, umfassend: eine Wirkdruckgeberanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche; einen ersten Drucksensor; einen zweiten Drucksensor; und eine Auswertungsschaltung, wobei der erste Drucksensor über einen ersten hydraulischen Pfad mit einem in der ersten Druckkammer (14) herrschenden Druck beaufschlagbar ist, wobei der erste Drucksensor einen ersten Wandler aufweist, um ein um ein erstes elektrisches oder optisches Signal bereitzustellen, welches von dem Druck in der ersten Druckkammer (14) abhängt; wobei der zweite Drucksensor über einen zweiten hydraulischen Pfad mit einem in der zweiten Druckkammer (24) herrschenden Druck beaufschlagbar ist, wobei der zweite Drucksensor einen zweiten Wandler aufweist, um ein um ein zweites elektrisches oder optisches Signal bereitzustellen, welches von dem Druck in der zweiten Druckkammer (24) abhängt; wobei die Auswertungsschaltung dazu ausgelegt ist, anhand des ersten Signals und des zweiten Signals den Durchfluss durch die Wirkdruckgeberanordnung zu ermitteln.
Durchflussmessgerät nach Anspruch 7, wobei die Auswertungsschaltung dazu ausgelegt ist, anhand des ersten und zweiten Signals einen Differenzdruck zu bestimmen und anhand des Differenzdrucks den Durchfluss durch die Wirkdruckgeberanordnung zu ermitteln.