DE102011114858A1 - Method for detecting fluid flows in piping systems - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung von fluiden Strömungen in Leitungssystemen unter Verwendung einer in den Strömungsweg einbringbaren verstellbaren Blende zur Veränderung des Strömungsquerschnitts innerhalb des Leitungssystems, wobei die Blende elektromagnetisch, hydraulisch oder pneumatisch betätigbar ist. Erfindungsgemäß wird während des Schließvorgangs der Blende die zur Blendenbetätigung notwendige Steuergröße laufend ermittelt. Aus dem zeitlichen Verlauf der Steuergröße werden dann die Volumenstrom- und Druckverhältnisse des jeweiligen Mediums im Leitungssystem indirekt abgeleitet.The invention relates to a method for detecting fluid flows in conduit systems using an insertable into the flow path adjustable aperture for changing the flow cross-section within the conduit system, wherein the aperture is electromagnetically, hydraulically or pneumatically actuated. According to the invention, the control variable necessary for the diaphragm actuation is continuously determined during the closing operation of the diaphragm. From the time course of the control variable, the volumetric flow and pressure conditions of the respective medium in the piping system are then indirectly derived.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung von fluiden Strömungen in Leitungssystemen unter Verwendung einer in den Strömungsweg einbringbaren verstellbaren Blende zur Veränderung des Strömungsquerschnitts innerhalb des Leitungssystems, wobei die Blende elektromagnetisch, hydraulisch oder pneumatisch betätigbar ist, gemäß Patentanspruch 1.The invention relates to a method for detecting fluid flows in conduit systems using an insertable into the flow path adjustable aperture for changing the flow cross-section within the conduit system, wherein the diaphragm is electromagnetically, hydraulically or pneumatically actuated, according to claim 1.

Aus der DE 199 42 185 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung von Leckage- oder Nutzvolumen- oder -massenströmen vorbekannt, mit denen versorgungsseitig Leckage- oder Nutzvolumen in technischen Anlagen ohne Kenntnis des angeschlossenen Systemvolumens ermittelbar sind und als Messwert zur Verfügung gestellt werden können. Dies wird dadurch erreicht, dass in der Messanordnung über eine Referenzleckage ein bekannter Referenzleckagestrom erzeugt wird, der durch Verrechnung mit den zugehörigen Druckabfallzeiten im System zum tatsächlichen Leckagevolumenstrom führt. Ohne eine derartige Referenzleckage kann jedoch keine verwertbare Aussage hinsichtlich des messtechnisch erfassten Volumenstroms getroffen werden.From the DE 199 42 185 A1 is a method and apparatus for determining leakage or Nutzvolumen- or mass flows previously known, with which the supply side leakage or useful volume in technical systems without knowledge of the connected system volume can be determined and can be made available as a measured value. This is achieved in that a known reference leakage current is generated in the measuring arrangement via a reference leakage, which leads to the actual leakage volume flow by offsetting with the associated pressure drop times in the system. Without such a reference leak, however, no meaningful statement can be made with regard to the metrologically detected volumetric flow.

Bei der Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung des Durchflusses eines Messmediums durch eine Rohrleitung gemäß DE 10 2007 037 394 A1 wird von einer Messvorrichtung ausgegangen, die einen Wirkdruck bzw. einen Differenzdruck des Messmediums an einer Verengung des Querschnitts der Rohrleitung bzw. des Messrohrs bestimmt oder überwacht. Hierfür ist eine Regel- und Auswerteeinheit notwendig, wobei mindestens zwei Temperatursensoren in einem dem Messmedium zugewandten Bereich der Rohrleitung angeordnet und in thermischem Kontakt mit dem durch die Rohrleitung bzw. das Messrohr strömenden Medium sind. Mindestens ein erster Temperatursensor ist beheizbar ausgestaltet, wobei mindestens ein zweiter Temperatursensor Informationen über die aktuelle Temperatur des Messmediums bereitstellt. Die Regel-Auswerteeinheit ermittelt anhand der Temperaturdifferenz zwischen den beiden Temperatursensoren und/oder anhand der dem ersten Temperatursensor zugeführten Heizleistung und/oder anhand des Wirkdrucks bzw. anhand des Differenzdrucks den Durchfluss des Messmediums durch die Rohrleitung. Bei einer derartigen Vorrichtung ist zum Erhalt ausreichender Messgenauigkeiten sowohl die exakte Temperaturerfassung als auch das Beheizen eines der Sensoren erforderlich, wobei über den Abkühlvorgang bedingt durch das strömende Medium indirekt auf den Volumenstrom geschlussfolgert werden kann.In the apparatus for determining and / or monitoring the flow of a measuring medium through a pipeline according to DE 10 2007 037 394 A1 is assumed by a measuring device that determines or monitors an effective pressure or a differential pressure of the medium at a constriction of the cross section of the pipe or the measuring tube. For this purpose, a control and evaluation unit is necessary, wherein at least two temperature sensors are arranged in a region of the pipeline facing the measuring medium and in thermal contact with the medium flowing through the pipeline or the measuring tube. At least one first temperature sensor is configured to be heatable, wherein at least one second temperature sensor provides information about the current temperature of the measuring medium. Based on the temperature difference between the two temperature sensors and / or on the basis of the heating power supplied to the first temperature sensor and / or on the basis of the differential pressure or on the basis of the differential pressure, the control evaluation unit determines the flow of the measured medium through the pipeline. In such a device to obtain sufficient measurement accuracy both the exact temperature detection and the heating of one of the sensors is required, which can be inferred indirectly on the cooling process due to the flowing medium to the flow rate.

Gemäß DE 10 2004 016 378 A1 gehört eine Anordnung zur aktiven Überwachung von Rohrleitungen sowie ein zugehöriges Verfahren zum Stand der Technik, bei dem bevorzugt am oder hinter dem Übergabepunkt zwischen Versorgungseinrichtung und Verbraucheranschluss laufend oder in vorgegebenen Zyklen überprüft wird, ob über einen vorbestimmbaren Zeitraum ein permanenter oder nahezu gleichbleibender Verbrauch vorliegt, wobei in diesem Fall auf einen abnormalen Zustand, beispielsweise ein Leck, geschlussfolgert wird und eine Alarmauslösung erfolgt. Anordnungsseitig ist am oder hinter dem Übergabepunkt zwischen Versorgungseinrichtung und Verbraucheranschluss eine Reihenschaltung aus einem ersten Drucksensor, einem elektrisch oder hydraulisch betätigbaren Ventil und einem zweiten Drucksensor vorgesehen, wobei eine Steuerelektronik mit den Drucksensoren und der Ventilbetätigungseinrichtung verbunden ist, um bei erkanntem Druckabfall pro Zeiteinheit nach gesteuerter Ventilabsperrung ein Fehlersignal bereitzustellen.According to DE 10 2004 016 378 A1 includes an arrangement for the active monitoring of pipelines and an associated method of the prior art, is preferably checked at or behind the transfer point between supply device and consumer connection continuously or in predetermined cycles, whether over a predeterminable period of a permanent or nearly constant consumption, in which case an abnormal condition, such as a leak, is inferred and an alarm is triggered. On the side of the arrangement, a series connection of a first pressure sensor, an electrically or hydraulically operable valve and a second pressure sensor is provided at or after the transfer point between the supply device and the consumer, an electronic control unit being connected to the pressure sensors and the valve actuating device in order to control the pressure drop per unit of time Valve shut-off to provide an error signal.

Bei dem Strömungssensor für fluide Medium nach DE 10 2008 062 521 A1 ist es erforderlich, von einem Bewegungskörper auszugehen, der in einem entsprechenden Gehäuse gelagert ist, wobei der Bewegungskörper in das fluide Medium mindestens teilweise hineinragt oder mit dem Medium in Kontakt kommt. Der Bewegungskörper ist gegen eine Rückstellkraft strömungsabhängig in seiner Lage relativ zu einem gegenüberliegend angeordneten Sensorelement veränderbar. Das Sensorelement besteht bevorzugt aus einer berührunglos arbeitenden Positionserfassungseinrichtung, wobei das Gehäuse einen Einlass- und einen Auslasskanal für das fluide Medium aufweist. Mit Veränderung des Volumenstroms erfolgt eine Lageveränderung des Bewegungskörpers relativ zum Sensorelement, wobei aus dieser Lageveränderung auf die Strömungsverhältnisse geschlossen wird. Auch bei dieser Anordnung zur Erfassung von fluiden Strömungen muss ein zusätzlicher Sensor eingesetzt werden, was zu höheren Kosten führt.For the flow sensor for fluid medium DE 10 2008 062 521 A1 It is necessary to start from a moving body which is mounted in a corresponding housing, wherein the moving body at least partially protrudes into the fluid medium or comes into contact with the medium. The movement body is fluid-dependent in its position relative to an oppositely arranged sensor element variable against a restoring force. The sensor element preferably consists of a non-contact position detecting device, wherein the housing has an inlet and an outlet channel for the fluid medium. With a change in the volume flow, a change in position of the moving body takes place relative to the sensor element, wherein the flow conditions are deduced from this change in position. Also in this arrangement for detecting fluid flows, an additional sensor must be used, which leads to higher costs.

Aus dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, eine weiterentwickelte Vorrichtung sowie eine zugehörige Anordnung zur Erfassung von fluiden Strömungen in Leitungssystemen unter Verwendung einer in den Strömungsweg einbringbaren verstellbaren Blende zur Veränderung des Strömungsquerschnitts innerhalb des Leitungssystems anzugeben, wobei die Blende elektromagnetisch, hydraulisch oder pneumatisch betätigbar ist und wobei weiterhin auf die Anordnung zusätzlicher Sensoren verzichtet werden soll.From the foregoing, it is therefore an object of the invention to provide a further developed device and an associated arrangement for detecting fluid flows in conduit systems using an insertable into the flow path adjustable aperture for changing the flow cross-section within the conduit system, wherein the diaphragm electromagnetic, hydraulic or pneumatic can be actuated and continue to dispense with the arrangement of additional sensors.

Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt durch ein Verfahren gemäß der Lehre des Patentanspruchs 1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen darstellen.The object of the invention is achieved by a method according to the teaching of claim 1, wherein the dependent claims at least represent expedient refinements and developments.

Es wird demnach von einem Verfahren zur Erfassung von fluiden Strömungen in Leitungssystemen unter Verwendung einer in den Strömungsweg einbringbaren verstellbaren Blende zur Veränderung des Strömungsquerschnitts innerhalb des Leitungssystems ausgegangen, wobei die Blende elektromagnetisch, hydraulisch oder pneumatisch betätigbar ist.It is therefore assumed that a method for detecting fluid flows in piping systems using an insertable into the flow path adjustable aperture for changing the flow cross-section within the conduit system, wherein the aperture is electromagnetically, hydraulically or pneumatically actuated.

Erfindungsgemäß wird während des Schließvorgangs der Blende die zur Blendenbetätigung notwendige Steuergröße laufend ermittelt und aus dem zeitlichen Verlauf der Steuergröße die Volumenstrom- und Druckverhältnisse des jeweiligen Mediums im Leitungssystem indirekt abgeleitet.According to the invention, the control variable necessary for the diaphragm actuation is continuously determined during the closing operation of the diaphragm and the volumetric flow and pressure conditions of the respective medium in the piping system are indirectly derived from the time profile of the control variable.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die Blende elektromagnetisch betätigt und es erfolgt eine Erfassung des Stroms als Steuergröße, wobei über die ermittelten Unstetigkeitsstellen des elektrischen Stromflusses auf die Strömung des Mediums geschlossen wird.In a preferred embodiment, the diaphragm is actuated electromagnetically and there is a detection of the current as a control variable, being closed on the determined discontinuities of the electric current flow to the flow of the medium.

Die Blende kann als Kolben eines steuerbaren Ventils ausgebildet sein, wobei in diesem Fall die zur Betätigung des Kolbens beim Schließvorgang notwendigen Kräfte und deren zeitlicher Verlauf bestimmt werden. Der Kraftwert kann diesbezüglich indirekt aus der Bestromung einer Spule abgeleitet werden, die zur elektromagnetischen Kolbenbetätigung vorgesehen ist.The diaphragm can be designed as a piston of a controllable valve, in which case the forces necessary for the actuation of the piston during the closing process and their time course are determined. The force value can be derived in this respect indirectly from the energization of a coil, which is provided for electromagnetic piston actuation.

Wenn der Kolben oder die Blende hydraulisch oder pneumatisch betätigt werden, kann als Steuergröße auf die Betätigungsdrücke zurückgegriffen werden.If the piston or the diaphragm are operated hydraulically or pneumatically, can be used as a control variable on the actuation pressures.

Ausgestaltend kann ergänzend zur Ermittlung des zeitlichen Verlaufs der Steuergröße beim Schließen der Blende auch der Öffnungsvorgang der Blende bzw. des Kolbens einbezogen werden.Ausgestaltend can be included in addition to determining the time course of the control variable when closing the aperture and the opening process of the diaphragm or the piston.

Der Schließ- und/oder Öffnungsvorgang der Blende wird in vorgebbaren Abständen oder kontinuierlich wiederholt durchgeführt und es wird eine entsprechende Steuergrößenermittlung vorgenommen, wobei der zeitliche Verlauf der Steuergröße eines vorangegangenen Schließ- bzw. Öffnungszyklus mit demjenigen eines aktuellen Schließ- bzw. Öffnungszyklus verglichen wird, um hieraus Strömungsveränderungen oder Leckagen im Leitungssystem zu erkennen.The closing and / or opening operation of the diaphragm is carried out repeatedly at predetermined intervals or continuously and a corresponding control variable determination is carried out, the time profile of the control variable of a preceding closing or opening cycle being compared with that of a current closing or opening cycle, to detect flow changes or leaks in the pipe system.

Ein weiterer Gedanke der Erfindung besteht darin, an sich bekannte Steuer-, Regel- oder Absperrventile einzusetzen, welche derart ausgebildet sind, dass Rückwirkungen einer Fluidströmung auf das jeweilige Absperrorgang, z. B. einen Absperrkolben des Ventils, unmittelbar oder mittelbar festgestellt werden können.Another idea of the invention is to use per se known control, regulating or shut-off valves, which are designed such that repercussions of a fluid flow to the respective shut-off, z. B. a shut-off piston of the valve, can be determined directly or indirectly.

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.The invention will be explained below with reference to an embodiment.

Bei einer Ausführungsform gemäß Ausführungsbeispiel wird von einem in das Leitungssystem eingebrachten Vorsteuerventil ausgegangen, welches einen Ventilkolben aufweist, der elektromagnetisch zum Schließen oder Öffnen des Ventils betätigbar ist.In one embodiment according to the embodiment, it is assumed that a pilot valve introduced into the line system has a valve piston which can be actuated electromagnetically to close or open the valve.

Eine Auswerteeinheit ist in der Lage, die Steuergröße zur Betätigung des Ventils, d. h. dem elektrischen Strom, über den Zeitverlauf den jeweiligen Schließ- und Öffnungsvorgang zu bestimmen.An evaluation unit is able to control the amount of actuation of the valve, d. H. the electric current, over the course of time to determine the respective closing and opening process.

Wird ein Schließvorgang ausgelöst und liegt eine Volumenströmung im entsprechenden Leitungssystem vor, folgt aus der Strömung des fluiden Mediums eine Bewegungsbehinderung bezüglich des Ventilkolbens, welche über die taufende Strommessung mit Hilfe der Auswerteeinheit festgestellt werden kann.If a closing process is triggered and there is a volumetric flow in the corresponding line system, a movement impediment with respect to the valve piston follows from the flow of the fluid medium, which can be ascertained via the current measurement with the aid of the evaluation unit.

Wird beispielsweise der Kolben durch Volumenströmung entgegen der Kolbenschließrichtung bewegt, wird die Steigung der Stromstärke bei Spannungswiederkehr kurzzeitig negativ. Der Zeitpunkt der negativen Steigung nach Spannungswiederkehr korreliert mit den Druckverhältnissen am Ventil, wobei die Druckverhältnisse wiederum mit dem Volumenströmung korrelieren, so dass eine Durchflussdetektion bzw. Durchflussmessung und eine Leckagedetektion im Leitungssystem realisierbar sind.If, for example, the piston is moved against the piston-closing direction by volume flow, the slope of the current strength becomes momentarily negative when the voltage returns. The time of the negative slope after voltage return correlates with the pressure conditions at the valve, wherein the pressure ratios in turn correlate with the volume flow, so that a flow detection and flow measurement and leakage detection in the line system can be realized.

Gemäß Ausführungsbeispiel können also fluide Strömungen ohne Einsatz zusätzlicher, in den Strömungsweg einzubringender Sensoren erfasst werden. Mit Hilfe der vorgeschlagenen Lehre kann durch Auswertung des Verhaltens von üblichen Stell-, Regel- und Absperrventilen das Vorhandensein von Druckdifferenzen ermittelt, auf Strömungen geschlossen und ebenfalls eine Funktions- oder Fehleranalyse eingesetzter Ventile durchgeführt werden.According to the embodiment, therefore, fluid flows can be detected without the use of additional sensors to be introduced into the flow path. With the help of the proposed teaching, the presence of pressure differences can be determined by evaluating the behavior of conventional control valves and shut-off valves, closed to flows and likewise a functional or fault analysis of inserted valves can be carried out.

Im Unterschied zum Stand der Technik liegt kein von der Strömung bzw. von den Druckverhältnissen bewegter Körper vor, dessen Lage bzw. Lageveränderungen strömungsabhängig sensiert werden. Vielmehr erfolgt ein aktives Bewegen eines Körpers, insbesondere einer Blende oder eines Kolbens eines ohnehin im Leitungssystem erforderlichen Ventils sowie eine Bestimmung des zeitlichen Verlaufs der Steuergröße, die für den Schließvorgang der Blende und/oder des Kolbens maßgeblich ist, wobei aus dem zeitlichen Verlauf der Steuergröße die Volumenstrom- und Druckverhältnisse des jeweiligen Mediums im Leitungssystem indirekt ableitbar sind.In contrast to the prior art, there is no body moved by the flow or by the pressure conditions whose position or changes in position are sensed in a flow-dependent manner. Rather, there is an active movement of a body, in particular a diaphragm or a piston of a valve required anyway in the line system and a determination of the time course of the control variable, which is decisive for the closing operation of the diaphragm and / or the piston, wherein from the time course of the control variable the Volumetric flow and pressure conditions of the respective medium in the piping system are indirectly derivable.

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Claims (6)

Verfahren zur Erfassung von fluiden Strömungen in Leitungssystemen unter Verwendung einer in den Strömungsweg einbringbaren verstellbaren Blende zur Veränderung des Strömungsquerschnitts innerhalb des Leitungssystems, wobei die Blende elektromagnetisch, hydraulisch oder pneumatisch betätigbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass während des Schließvorgangs der Blende die zur Blendenbetätigung notwendige Steuergröße laufend ermittelt und aus dem zeitlichen Verlauf der Steuergröße die Volumenstrom- und Druckverhältnisse im jeweiligen Medium im Leitungssystem indirekt abgeleitet werden.A method for detecting fluid flows in piping systems using an insertable into the flow path adjustable aperture for changing the flow cross-section within the conduit system, wherein the aperture is electromagnetically, hydraulically or pneumatically actuated, characterized in that during the closing operation of the aperture necessary for diaphragm actuation control variable continuously determined and derived from the time course of the control variable, the volume flow and pressure conditions in the respective medium in the piping system indirectly. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Blende elektromagnetisch betätigt wird und eine Erfassung des Stroms als Steuergröße erfolgt, wobei über ermittelte Unstetigkeitsstellen des elektrischen Stromflusses auf die Strömung des fluiden Mediums geschlossen wird.A method according to claim 1, characterized in that the diaphragm is actuated electromagnetically and a detection of the current takes place as a control variable, being closed on determined discontinuities of the electric current flow to the flow of the fluid medium. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Blende als Kolben eines steuerbaren Ventils ausgebildet ist und die zur Betätigung des Kolbens beim Schließvorgang notwendigen Kräfte und deren zeitlicher Verlauf bestimmt werden.A method according to claim 1 or 2, characterized in that the diaphragm is designed as a piston of a controllable valve and the forces necessary for the actuation of the piston during the closing operation and their time course are determined. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ergänzend zur Ermittlung des zeitlichen Verlaufs der Steuergröße beim Schließen der Blende der Öffnungsvorgang einbezogen wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that in addition to determining the time course of the control variable when closing the aperture of the opening process is included. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schließ- und/oder Öffnungsvorgang der Blende in vorgebbaren Abständen wiederholt durchgeführt und eine entsprechende Steuergrößenermittlung vorgenommen wird, wobei der zeitliche Verlauf der Steuergröße eines vorangegangenen Schließ- bzw. Öffnungszyklus mit demjenigen eines aktuellen Schließ- bzw. Öffnungszyklus verglichen wird, um Strömungsveränderungen oder Leckagen im Leitungssystem zu erkennen.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the closing and / or opening operation of the diaphragm repeatedly performed at predetermined intervals and a corresponding control variable determination is made, wherein the time course of the control variable of a previous closing or opening cycle with that of a current closing - Is compared or opening cycle to detect flow changes or leaks in the pipe system. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an sich bekannte Steuer-, Regel- oder Absperrventile eingesetzt werden, welche derart ausgebildet sind, dass Rückwirkungen einer Fluidströmung auf das jeweilige Absperrorgan des Ventils unmittelbar oder mittelbar festgestellt werden können.Method according to one of the preceding claims, characterized in that known control, regulating or shut-off valves are used, which are designed such that repercussions of a fluid flow to the respective obturator of the valve can be determined directly or indirectly.
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