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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung des Durchflusses eines strömenden Mediums nach dem Schwebekörperprinzip. Dabei weist die Vorrichtung mindestens einen Schwebekörper und mindestens ein von dem Medium durchströmbares Messrohr auf. Der Schwebekörper ist im Messrohr entlang einer Achse bewegbar.
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Messgeräte, die den Durchfluss eines Mediums – insbesondere eines Fluids wie beispielsweise Flüssigkeiten oder Gase – mittels des Schwebekörperverfahrens ermitteln, verfügen zumeist über ein Messrohr, das vertikal – also in Richtung des Erdschwerefelds – oder alternativ horizontal angeordnet ist. Das Messrohr, das von dem zu messenden Medium durchströmt wird, verfügt zumeist über einen konischen, sich in Fließrichtung aufweitenden Innenraum, in dem der entlang der Strömungsrichtung bewegliche Schwebekörper angeordnet ist.
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Das strömende Medium übt – bei einem vertikal ausgerichteten Messrohr – in Strömungsrichtung eine Kraft auf den Schwebekörper aus, die abhängig vom Strömungswiderstand des Schwebkörpers ist. Zudem wirkt in Strömungsrichtung noch der Auftrieb des Schwebekörpers. Entgegen der Strömungsrichtung wirkt die Gewichtskraft, so dass auf den Schwebekörper insgesamt drei Kräfte wirken: zwei in Strömungsrichtung und eine in entgegengesetzter Richtung. Nach einem Einschwingverhalten bleibt der Schwebekörper auf einer Höhe stehen, in der die drei Kräfte gerade ausgeglichen sind. Da dadurch die Position, d. h. die Höhenstellung des Schwebekörpers im Messrohr vom Durchfluss des Mediums abhängig ist, erlaubt dieser Wert den Rückschluss auf den Durchfluss.
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Ist das Messrohr horizontal angeordnet, so wird die fehlende Gewichtskraft durch die Federkraft einer auf den Schwebekörper wirkenden Feder ersetzt.
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Bestimmen lässt sich die Höhe beispielsweise dadurch, dass der Schwebekörper in einem Schauglas, das mit einer entsprechenden Skala versehen ist, angeordnet ist. In der Patentschrift
DE 196 39 060 C2 wird beschrieben, dass die Positionsbestimmung über einen mit dem Schwebekörper verbundenen Permanentmagneten erfolgt.
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Der Durchfluss des Mediums ergibt sich aus der ermittelten Höhe in Abhängigkeit von einer Durchflusszahl α. Die Durchflusszahl α ist abhängig von den geometrischen Formen des Messrohrs und des Schwebekörpers und von der Ruppelzahl Ru, die mediumsspezifische Parameter wie Viskosität und Dichte umfasst (siehe z. B. die Gebrauchsmusterschrift
DE 83 17 576 U1 ). Für die Umsetzung des Messprinzips wird daher spezifisch für jeden Messgerätetyp, also für baugleiche Messgeräte, ein Datensatz mit der Durchflusszahl α in Abhängigkeit von der Höhe h und der Ruppelzahl Ru für das zu messenden Medium bzw. für eine Vielzahl von möglichen Medien ermittelt und für die Auswertung hinterlegt.
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Nachteilig ist, dass viele Medien eine Temperaturabhängigkeit der Viskosität aufweisen. So sinkt mit steigender Temperatur bei den meisten Flüssigkeiten die Viskosität, so dass weniger Reibungskraft auf den Schwebekörper übertragen werden kann. Dadurch bewegt sich der Schwebekörper in die Richtung seiner Ruhelage, was mit einem verringerten Durchfluss assoziiert werden würde.
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Der Offenlegungsschrift
DE 33 41 460 A1 lässt sich eine relativ aufwändige Ausgestaltung eines Schwebekörper-Durchflussmessers entnehmen, in der das Medium teilweise durch einen Bypass geführt wird, der von einer Ventilanordnung temperaturabhängig geöffnet oder geschlossen wird.
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Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht daher darin, eine Vorrichtung zur Messung des Durchflusses nach dem Schwebekörperprinzip vorzuschlagen, die in gewissen Bereichen eine Unempfindlichkeit gegenüber Änderungen von Eigenschaften des Mediums bzw. Änderungen von Prozessgrößen, die sich auf Eigenschaften des Mediums auswirken, aufweist.
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Die oben aufgezeigte Aufgabe ist erfindungsgemäß zunächst und im Wesentlichen bei der in Rede stehenden Vorrichtung dadurch gelöst, dass mindestens ein Stellelement vorgesehen ist und dass das Stellelement in Abhängigkeit von mindestens einer Eigenschaft des Mediums und/oder in Abhängigkeit von einer sich auf mindestens eine Eigenschaft des Mediums auswirkenden Prozessgröße auf den Schwebekörper einwirkt. Ändert sich bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Eigenschaft (z. B. die Viskosität) des Mediums oder ändert sich eine Prozessgröße (z. B. die Temperatur), die eine Auswirkung auf eine Eigenschaft des Mediums hat, so ändert sich auch das Maß, um das das mindestens eine Stellelement auf den Schwebekörper einwirkt. Die Änderung des Maßes der Einwirkung ist vorzugsweise dergestalt, dass die Änderung der Position des Schwebekörpers, die in Folge der Änderung der Eigenschaft des Mediums bzw. der Änderung der sich auf wenigstens eine Eigenschaft des Mediums auswirkenden Prozessgröße auftritt und die nicht durch eine Änderung des Durchflusses bedingt ist, gerade kompensiert wird. Mit anderen Worten: Das Stellelement stellt jeweils die Position wieder her, die ohne eine Änderung einer Mediumseigenschaft bzw. einer Prozessgröße gegeben wäre.
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In einer Ausgestaltung übt das Stellelement entlang der Achse eine Kraft auf den Schwebekörper in einer Durchflussrichtung oder entgegen der Durchflussrichtung des Mediums aus. Ändert sich bei dieser Ausgestaltung beispielsweise die Viskosität des Mediums derartig, dass das Medium den Schwebekörper deutlich mehr verschiebt – wie es einem höheren Durchfluss angemessen wäre –, so drückt das Stellelement – in einer Ausgestaltung – den Schwebekörper stärker zurück oder leistet – in einer alternativen Ausgestaltung – einen geringeren Widerstand gegen den Schwebekörper, so dass der Schwebekörper die Position einnimmt, die dem wahren Durchfluss des Mediums entspricht und die sich auch bei einer als Referenz dienenden Viskosität einstellen würde.
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In einer Ausgestaltung ist daher insbesondere vorgesehen, dass das Stellelement eine von der Viskosität und/oder der Temperatur des Mediums abhängige Kraft auf den Schwebekörper ausübt. Die Kraft ist vorzugsweise so bemessen, dass quasi auf eine vorgegebene Referenzviskosität kompensiert wird, so dass also aus der Position des Schwebekörpers mit den Kalibrierungsdaten einer solchen Referenzviskosität der Durchfluss des Mediums berechenbar ist.
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Bei dem Stellelement handelt es sich in einer Ausgestaltung um ein Federelement mit einer temperaturabhängigen Federkonstante. Die Art der Änderung der Federkonstanten ist dabei mit der Änderung der Viskosität des zu messenden Mediums abgeglichen, wobei ggf. die Verwendung auf spezielle Temperaturbereiche beschränkt ist. Als Material wird beispielsweise eine Formgedächtnislegierung verwendet. In einer alternativen Ausgestaltung besteht das Stellelement beispielsweise teilweise aus einem elektromagnetischen System, das beispielsweise über eine entsprechende Temperaturregelung verfügt.
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Für die Aufbringung der Kraft auf den Schwebekörper ist in einer Ausgestaltung das Stellelement zwischen dem Schwebekörper und einem Stützelement angeordnet.
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Generell und unabhängig von der jeweiligen Ausgestaltung lässt sich die erfindungsgemäße Vorrichtung sowohl mit einem horizontal oder einem vertikal ausgerichteten Messrohr verwenden.
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In einer Ausgestaltung sind mindestens zwei Stellelemente vorgesehen, die entlang der Achse von unterschiedlichen Seiten auf den Schwebekörper einwirken. Beide Stellelemente sind dabei in einer Variante identisch und beispielsweise gemäß einer der obigen Ausgestaltungen ausgebildet. In einer alternativen Variante unterscheiden sich die beiden Stellelemente voneinander.
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Eine Ausgestaltung ermöglicht insbesondere eine elektronische Ermittlung des Durchflusses, indem mindestens eine Positionsbestimmeinheit vorgesehen ist, die die Position des Schwebekörpers ermittelt. Mit den Messdaten berechnet beispielweise eine Auswerteeinheit einen Wert für den Durchfluss des Mediums. Alternativ ist ein Schauglas vorgesehen, das eine optische Ermittlung der Höhe des Schwebekörpers beispielsweise durch einen Nutzer erlaubt. Dabei kann in einer Variante durch eine an einem solchen Schauglas vorgesehene Skala auch direkt der auf das spezielle Medium abgestimmte Wert des Durchflusses abgelesen werden.
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In einer Ausgestaltung ist zusätzlich noch mindestens ein Temperatursensor zur Bestimmung der Temperatur des Mediums vorgesehen. Über eine solche Temperaturmessung kann beispielsweise das Maß der Einwirkung des mindestens eines Stellelements auf den Schwebekörper nachgeregelt werden oder es kann beispielsweise die Anwendung überwacht werden, wenn die Temperaturkompensation durch das Stellelement auf einen Temperaturbereich begrenzt ist.
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Im Einzelnen gibt es nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, die erfindungsgemäße Vorrichtung auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche, andererseits auf die folgende Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen
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1 einen Teil einer schematischen Vorrichtung zur Durchflussmessung im Schnitt und
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2 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Durchflussmessung teilweise als Blockschaltbild.
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Die 1 zeigt schematisch einen Teil einer Vorrichtung 1 zur Bestimmung des Durchflusses eines – hier nicht dargestellten – Mediums nach dem Schwebekörperprinzip.
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Für die Messung befindet sich ein Schwebekörper 2 in einem sich teilweise konisch aufweitenden Messrohr 3, das von dem Medium – in der dargestellten Variante von unten nach oben – durchströmt wird. Der Schwebekörper 2 ist dabei entlang der Achse 4 beweglich angeordnet und ist hier insbesondere rotationssymmetrisch ausgeführt.
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Bei dieser vertikalen Anordnung des Messrohrs 3 ist die Position des Schwebekörpers 2 abhängig von der auf ihn wirkenden Gewichtskraft, dem Auftrieb und dem Durchfluss des Mediums. Alternativ kann das Messrohr 3 auch horizontal angeordnet sein, wobei üblicherweise die dann fehlende Wirkung der Gewichtskraft durch eine Feder, die entgegen der Durchflussrichtung wirkt, ersetzt wird.
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Problematisch ist, dass auch die Viskosität des Mediums sich auf die Position des Schwebekörpers 2 und damit auch auf den ermittelten Durchfluss auswirkt. Da bei vielen Medien die Abhängigkeit der Viskosität von der Temperatur als Prozessgröße bekannt ist, kann daher ausgehend von einer Temperaturmessung eine entsprechende rechnerische Korrektur des Durchflusswertes vorgenommen werden.
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Eine solche Umrechnung wird bei der dargestellten Vorrichtung 1 durch eine relativ einfache Anordnung und insbesondere durch eine direkte Wirkung vermieden, indem in der dargestellten Ausgestaltung unmittelbar eine Kompensation einer Auswirkung der Änderung der Viskosität des Mediums auf die Position des Schwebekörpers 2 vorgenommen wird. Daher erlaubt die erfindungsgemäße Vorrichtung beispielsweise auch das direkte Ablesen des Durchflusses, da die Auswirkung einer Änderung der Viskosität auf die Höhe des Schwebekörpers 2 gleichsam ”online” korrigiert wird.
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Für die Kompensation ist in der dargestellten Ausgestaltung der Messvorrichtung 1 zu beiden Seiten des Schwebekörpers 2 entlang der Achse 4 jeweils ein Stellelement 5 vorgesehen, das eine Kraft auf den Schwebekörper 2 ausübt. Die Stellelemente 5 sind hier als Federelemente ausgestaltet, die sich jeweils an einem Stützelement 6 abstützen. In einer alternativen Ausgestaltung ist nur ein Stellelement 5 auf einer Seite des Schwebekörpers 2 vorgesehen.
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Für die Kompensation einer Viskositätsänderung sind die beiden Stellelemente 5 jeweils so ausgestaltet, dass ihre Federkonstanten von der Temperatur gerade so abhängig sind, dass sie die Auswirkungen einer Änderung der Viskosität des Mediums auf die Position des Schwebekörpers 2 im Wesentlichen vollständig oder zumindest in einem bekannten Maße kompensieren. Ändert sich daher beispielsweise die Viskosität des Mediums in Folge der Temperatur derartig, dass der Schwebekörper 2 weiter nach oben steigt als es passend für den Durchfluss des Mediums wäre, so drückt das obere Stellelement 5 in Folge der Temperaturänderung den Schwebekörper 2 aufgrund der veränderten Federkonstanten weiter nach unten, so dass der Schwebekörper 2 sich wieder auf der Position befindet, die dem Durchfluss des Mediums entspricht und die damit auch auf eine gewisse ”Referenzviskosität” bezogen ist.
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In der Vorrichtung 1 der 2 ist das Messrohr 3 horizontal angeordnet, so dass sich auch der Schwebekörper 2 in Folge der Strömung des Mediums horizontal bewegt (vorzugsweise gegen eine hier nicht dargestellte Feder). Die Position des Schwebekörpers 2 wird durch eine Positionsbestimmeinheit 7 ermittelt. Dies funktioniert beispielsweise dadurch, dass der Schwebekörper 2 mit einem Permanentmagneten versehen ist, dessen Position außerhalb des Messrohrs bestimmt wird.
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Die ermittelte Position des Schwebekörpers 2 wird an die Auswerteinheit 8 übergeben, die ausgehend beispielsweise von hinterlegten Daten einen Wert für den Durchfluss des Mediums ermittelt.
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In der gezeigten Ausgestaltung ist zusätzlich noch ein Temperatursensor 9 zur Ermittlung der Temperatur des Mediums vorgesehen, der seine Messdaten ebenfalls an die Auswerteeinheit 8 übermittelt. Ein solcher Temperatursensor 9 erlaubt es, über die Messung der Temperatur in einer besonderen Ausgestaltung das Maß der Rückstellkraft wenigstens eines Stellelements 5 passend nachzuregeln.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19639060 C2 [0005]
- DE 8317576 U1 [0006]
- DE 3341460 A1 [0008]
