DE102012109237A1

DE102012109237A1 - Durchflussmessgerät, sowie Verwendung dieses Durchflussgerätes und Verfahren zur Ermittlung der Fließgeschwindigkeit

Info

Publication number: DE102012109237A1
Application number: DE102012109237.0A
Authority: DE
Inventors: Oliver Brumberg; Paul Ceglia; Achim Wiest
Original assignee: Endress and Hauser Flowtec AG; Flowtec AG
Current assignee: Endress and Hauser Flowtec AG
Priority date: 2012-09-28
Filing date: 2012-09-28
Publication date: 2014-04-03
Also published as: US20150377691A1; US10281316B2; WO2014060175A1

Abstract

Durchflussmessgerät zur Ermittlung eines korrigierten Messwertes einer Fließgeschwindigkeit und/oder eines korrigierten thermischen Massedurchflusses eines Mediums in einem Messrohr (2), insbesondere eines Gases, a) wobei das Durchflussmessgerät eine Vorrichtung zur Ermittlung eines ersten Messwertes der Fließgeschwindigkeit und/oder des thermischen Massedurchflusses des Mediums durch thermische Massedurchflussmessung (3) aufweist und b) wobei das Durchflussmessgerät zudem eine Vorrichtung zur Ermittlung der Schallgeschwindigkeit und/oder frequenzabhängigen Dämpfung eines akustischen Signals, insbesondere eines Ultraschallsignals, im Medium und/oder eine Vorrichtung zur optischen, wellenlängenabhängigen Absorption eines optischen und/ oder angeregte Fluoreszenz des Mediums aufweist, und c) wobei das Durchflussmessgerät eine Auswerteeinheit aufweist zur Korrektur des ermittelten ersten Messwertes des thermischen Massedurchflusses oder der ermittelten Fließgeschwindigkeit anhand der ermittelten Schallgeschwindigkeitswerte und/oder der frequenzabhängigen ermittelten Dämpfungswerte des akustischen Signals und/oder der ermittelten Absorptionswerte des optischen Signals und/oder der Fluoreszenzwerte des Mediums erfolgt, Verfahren zur Ermittlung eines korrigierten Messwerten einer Fließgeschwindigkeit und/oder eines thermischen Massedurchflusses und Verwendung.

Description

Die Erfindung betrifft ein Druchflussmessgerät nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 11.
Es sind Durchflussmessgeräte bekannt, welche nach der Laufzeitdifferenzmethode die Fließgeschwindigkeit eines Mediums ermitteln. Das Einsatzgebiet dieser Durchflussmessgeräte betrifft im Wesentlichen Flüssigkeiten oder Gase mit geringen Fließgeschwindigkeiten. Bei höheren Geschwindigkeiten, insbesondere bei Gasen, können Verwehungen des Ultraschallsignals auftreten, so dass das Signal nicht mehr im vollen Umfang oder ggf. gar nicht mehr auf den dafür vorgesehenen Empfänger trifft. Somit kommt es zum Signalverlust.
Es sind weiterhin Durchflussmessgeräte bekannt, welche durch thermische Massedurchflussmessung die Fließgeschwindigkeit eines Mediums bestimmen. Dieses Verfahren lässt sich insbesondere für Gase mit hohen Strömungsgeschwindigkeiten anwenden. Bei geringeren Strömungsgeschwindigkeiten ist diese Messmethode allerdings oft zu ungenau. Außerdem lässt sich diese Messung nur auf Gase mit bekannten Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten anwenden. Bei Verbrennungsabgasen von Anlagen, beispielsweise auf Ölfeldern und dergl., kann die Fließgeschwindigkeit oft nicht genau bestimmt werden, da sich bei diesen Gasen die Zusammensetzung ändern kann.
Ausgehend vom vorgenannten Stand der Technik ist es nunmehr Aufgabe der Erfindung, ein Durchflussmessgerät zu schaffen und ein Verfahren zur Ermittlung eines thermischen Massedurchflusses und/oder einer Fließgeschwindigkeit eines Mediums bereitzustellen, welches einen korrigierten Messwert ausgibt
Erfindungsgemäß weist ein Durchflussmessgerät zur Ermittlung eines korrigierten Messwertes einer Fließgeschwindigkeit und/oder eines korrigierten thermischen Massedurchflusses eines Mediums in einem Messrohr (2), insbesondere eines Gases,

a) eine Vorrichtung zur Ermittlung eines ersten Messwertes der Fließgeschwindigkeit und/oder des thermischen Massedurchflusses des Mediums durch thermische Massedurchflussmessung (3) und
b) eine Vorrichtung zur Ermittlung eine Schallgeschwindigkeit und/oder frequenzabhängigen Dämpfung eines akustischen Signals, insbesondere eines Ultraschallsignals im Medium und/oder eine Vorrichtung zur Ermittlung einer optischen, wellenlängenabhängigen Absorption und/ oder angeregte Fluoreszenz des Mediums
c) eine Auswerteeinheit zur Korrektur des ermittelten ersten Messwertes des thermischen Massedurchflusses oder der ermittelten Fließgeschwindigkeit anhand der ermittelten Schallgeschwindigkeitswerte und/oder der frequenzabhängigen ermittelten Dämpfungswerte des akustischen Signals und/oder und/oder der ermittelten Absorptionswerte des optischen Signals und/oder der Fluoreszenzwerte des Mediums erfolgt

Da die Schallgeschwindigkeit und/oder die frequenzabhängige Dämpfung eine Proportionalität zur Wärmeleitfähigkeit des Mediums oder auch der Dichte des Mediums aufweisen, kann eine Korrektur der Messwerte beispielsweise auch bei Medien mit unbekannter Wärmeleitfähigkeit oder bei einem Medium aus mehreren Komponenten, beispielsweise einem Gasgemisch, insbesondere Biogas, vorgenommen werden.
Ähnliche Rückschlüsse können aus dem Absorptionsverhalten und der Fluoreszenz des Mediums geschlossen werden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Es ist von Vorteil, wenn die Vorrichtung zur Ermittlung eines ersten Messwertes der Fließgeschwindigkeit und/oder des thermischen Massedurchflusses des Mediums durch thermische Massedurchflussmessung und die Vorrichtung zur Ermittlung der Schallgeschwindigkeit in einem Gehäuse angeordnet sind. Dies kann in einer äußerst kompakten Bauweise geschehen, wie in den 2a–e und 3 gezeigt ist.
Zusätzliche Befestigungsvorrichtungen zur Installation weiterer Geräte an der Innenwand des Messrohres müssen nicht vorgesehen werden.
Alternativ zur vorgenannten Variante, kann die Vorrichtung zur Ermittlung der Schallgeschwindigkeit Teil einer Vorrichtung zur Ermittlung der Fließgeschwindigkeit des Mediums anhand der Laufzeit-Differenzmethode sein. Dies bedeutet, dass ein Ultraschalldurchflussmessgerät im Messrohr zusätzlich angeordnet ist. Dies kann zu einer Erhöhung des Messbereichs des gesamten Durchflussmessgerätes beitragen.
Alternativ zu den vorgenannten Ausführungsvarianten kann die Vorrichtung zur Ermittlung der Schallgeschwindigkeit auch als Clamp-On Sensor ausgebildet sein, so dass ein Nachrüsten bzw. Umrüsten eines bisherigen thermischen Massedurchflussmessgerätes im Betrieb und ohne Ausbau eines bereits verbauten thermischen Massedurchflussmessgerätes möglich ist.
Um eine Ermittlung der Zusammensetzung eines Gasgemisches zu ermöglichen, ist es von Vorteil, wenn das Durchflussmessgerät zudem eine Vorrichtung zur Ermittlung des Druckes des im Messrohr befindlichen Mediums aufweist.
Eine Luftfeuchtigkeit, beispielsweise eines Gases, kann durch das Durchflussmessgerät vorteilhaft ermittelt werden, sofern das Durchflussmessgerät weiterhin eine Vorrichtung zur Ermittlung der elektrischen Kapazität des im Messrohr befindlichen Mediums aufweist.
Selbstverständlich können auch die Vorrichtungen zur Ermittlung des Druckes und/oder die Vorrichtung zur Ermittlung der elektrischen Kapazität in einem einzigen Gehäuse in kompakter Bauweise realisiert werden, wie dies u.a. auch aus 3 ersichtlich ist.
Die Auswerteeinheit zusätzlich auch eine Ermittlung der Wärmeleitfähigkeit, der Dichte, des Feuchtigkeitsgehaltes und oder der Zusammensetzung des Mediums anhand der ermittelten Schallgeschwindigkeitswerte, der frequenzabhängigen ermittelten Dämpfungswerte des akustischen Signals, des Druckes und/oder der elektrischen Kapazität des im Messrohr befindlichen Mediums vorteilhaft vornehmen.
Eine vorteilhafte, da platzsparende, und auch minimalinvasive, da nur eine Öffnung in die Rohrwand gebohrt werden muss, Variante der Anordnung der das Gehäuse mit der Vorrichtung der Vorrichtung zur Ermittlung der Schallgeschwindigkeit ist die Ausgestaltung als Ultraschallschranke in einem Sensorgehäuse zusammen mit dem thermischen Durchflussmessgerät.
Erfindungsgemäß weist ein Verfahren zur Ermittlung eines korrigierten Messwerten einer Fließgeschwindigkeit und/oder eines thermischen Massedurchflusses eines Mediums in einem Messrohr (2, 12) eines Durchflussmessgerätes (1, 11), insbesondere eines Durchflussmessgerätes gemäß einem der vorhergehenden Ansprüchen, die folgenden Schritte auf:

a) Ermitteln der Fließgeschwindigkeit und/oder des thermischen Massedurchflusses des Mediums durch thermische Massedurchflussmessung und
b) Ermitteln einer Schallgeschwindigkeit und/oder frequenzabhängigen Dämpfung eines akustischen Signals, insbesondere eines Ultraschallsignals, im Medium und/oder Ermitteln einer wellenlängenabhängigen Absorption eines optischen Signals und/ oder angeregte Fluoreszenz des Mediums, aufweist, und
c) Korrigieren des ermittelten thermischen Massedurchflusses oder der ermittelten Fließgeschwindigkeit anhand der ermittelten Schallgeschwindigkeitswerte und/oder der frequenzabhängigen ermittelten Dämpfungswerte des akustischen Signals und/oder der ermittelten Absorptionswerte des optischen Signals und/oder der Fluoreszenzwerte des Mediums erfolgt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche
Besonders vorteilhaft ist das Erfassung und die Korrektur der Messwerte in Echtzeit oder zumindest in einem möglichst kurzen Zeitintervall. Dieser Vorteil kann insbesondere ausgenutzt werden bei der Messung von Gasgemischen mit ständig ändernder Zusammensetzung. Typische Beispiele hierfür sind u.a. Biogas oder das sogenannte Schiefergas. Eine entsprechende Korrektur wird ermöglicht, sofern ein Ermitteln der Schallgeschwindigkeit und/oder frequenzabhängigen Dämpfung eines akustischen Signals in einem Messintervall von vorzugsweise zwischen 10 ms bis 5 min vorzugsweise 20 ms bis 30 sec, besonders bevorzugt 100 ms bis 5 sec erfolgt. Alternativ kann auch eine kontinuierliche Korrektur anhand der Schallgeschwindigkeit über entsprechende Messungen mit Dauerultraschall (CW) und Messung der Phase durchgeführt werden.
Vorteilhaft kann das Korrigieren der Schallgeschwindigkeit und/oder frequenzabhängigen Dämpfung eines akustischen Signals durch Ermitteln eines schallgeschwindigkeits- und/oder dämpfungsabhängigen Korrekturwertes erfolgen, anhand dessen ein aktuell ermittelter Wert eines thermischen Massedurchflusses oder einer Fließgeschwindigkeit korrigiert wird.
Eine vorteilhafte Verwendung des vorgenannten Durchflussmessgerätes oder des vorgenannten Verfahrens zur Bestimmung der Fließgeschwindigkeit und/oder des thermischen Massedurchflusses erfolgt im Bereich der Gase oder Gasgemische.
Insbesondere kann bei Verwendung des vorgenannten Durchflussmessgerätes oder des vorgenannten Verfahrens eine Bestimmung der Zusammensetzung und/oder des Feuchtigkeitsgehaltes von Gasgemischen vorteilhaft erfolgen.
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Sie zeigt:
1 schematische Darstellung des Aufbaus eines ersten erfindungsgemäßen Durchflussmessgerätes;
2a–e mehrere Ansichten eines ersten Sensorelements des ersten erfindungsgemäßen Durchflussmessgerätes;
3 schematische Darstellung eines zweiten Sensorelements des ersten erfindungsgemäßen Durchflussmessgerätes; und
4 schematische Darstellung des Aufbaus eines zweiten erfindungsgemäßen Durchflussmessgerätes.
In 1 ist auf einer schematischen Darstellung ein Durchflussmessgerät 11 dargestellt, welches ein Messrohr 12 ein Sensorelement 19 und eine Auswerteeinheit 17 umfasst. Dabei wird das Messrohr 12 in Durchflussrichtung A mit einem Medium durchflossen.
Das Sensorelement 19 umfasst eine Vorrichtung zur Ermittlung eines ersten Messwertes der Fließgeschwindigkeit und/oder des thermischen Massedurchflusses des Mediums durch thermische Massedurchflussmessung, sowie eine Vorrichtung zur Ermittlung der Schallgeschwindigkeit und/oder frequenzabhängigen Dämpfung eines akustischen Signals, insbesondere eines Ultraschallsignals. Die Auswerteeinheit ermöglicht die Korrektur des ermittelten ersten Messwertes des thermischen Massedurchflusses oder der ermittelten Fließgeschwindigkeit anhand der ermittelten Schallgeschwindigkeitswerte und/oder der frequenzabhängigen ermittelten Dämpfungswerte des akustischen Signals, so dass ein korrigierter Messwert ermittelt wird.
Das Messprinzip der Ermittlung des thermischen Massedurchflusses mittels eines thermischen Durchflussmessgerätes ist bereits bekannt und wird nachfolgend zunächst kurz erörtert.
Herkömmliche thermische Durchflussmessgeräte verwenden üblicherweise zwei möglichst gleichartig ausgestaltete Temperatursensoren, die in, meist stiftförmigen, Metallhülsen, sog. Stingers, angeordnet sind und die in thermischem Kontakt mit dem durch ein Messrohr oder durch die Rohrleitung strömenden Medium sind. Für die industrielle Anwendung sind beide Temperatursensoren üblicherweise in ein Messrohr eingebaut; die Temperatursensoren können aber auch direkt in der Rohrleitung montiert sein. Einer der beiden Temperatursensoren ist ein sog. aktiver Temperatursensor, der mittels einer Heizeinheit beheizt wird. Als Heizeinheit ist entweder eine zusätzliche Widerstandsheizung vorgesehen, oder bei dem Temperatursensor selbst handelt es sich um ein Widerstandselement, z. B. um einen RTD-(Resistance Temperature Device)Sensor, der durch Umsetzung einer elektrischen Leistung, z. B. durch eine entsprechende Variation des Messstroms erwärmt wird. Bei dem zweiten Temperatursensor handelt es sich um einen sog. passiven Temperatursensor: Er misst die Temperatur des Mediums. Üblicherweise wird in einem thermischen Durchflussmessgerät der beheizbare Temperatursensor so beheizt, dass sich eine feste Temperaturdifferenz zwischen den beiden Temperatursensoren einstellt. Alternativ ist es auch bekannt geworden, über eine Regel-/Steuereinheit eine konstante Heizleistung einzuspeisen. Tritt in dem Messrohr kein Durchfluss auf, so wird eine zeitlich konstante Wärmemenge zur Aufrechterhaltung der vorgegebenen Temperaturdifferenz benötigt. Ist hingegen das zu messende Medium in Bewegung, ist die Abkühlung des beheizten Temperatursensors wesentlich von dem Massedurchfluss des vorbeiströmenden Mediums abhängig. Da das Medium kälter ist als der beheizte Temperatursensor, wird durch das vorbeiströmende Medium Wärme von dem beheizten Temperatursensor abtransportiert. Um also bei einem strömenden Medium die feste Temperaturdifferenz zwischen den beiden Temperatursensoren aufrecht zu erhalten, ist eine erhöhte Heizleistung für den beheizten Temperatursensor erforderlich. Die erhöhte Heizleistung ist ein Mass für den Massedurchfluss bzw. den Massestrom des Mediums durch die Rohrleitung. Wird hingegen eine konstante Heizleistung eingespeist, so verringert sich infolge des Durchflusses des Mediums die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Temperatursensoren. Die jeweilige Temperaturdifferenz ist dann ein Mass für den Massedurchfluss des Mediums durch die Rohrleitung bzw. durch das Messrohr. Es besteht somit ein funktionaler Zusammenhang zwischen der zum Beheizen des Temperatursensors notwendigen Heizenergie und dem Massedurchfluss durch eine Rohrleitung bzw. durch ein Messrohr. Die Abhängigkeit des sog. Wärmeübertragungskoeffizienten von dem Massedurchfluss des Mediums durch das Messrohr bzw. durch die Rohrleitung wird in thermischen Durchflussmessgeräten zur Bestimmung des Massedurchflusses genutzt. Geräte, die auf diesem Prinzip beruhen, werden von der Anmelderin unter der Bezeichnung ,t-switch', ,t-trend' oder 't-mass' angeboten und vertrieben.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel eines Sensorelements des erfindungsgemäßen Durchflussmessgerätes anhand der 2a–e näher erläutert. Dabei handelt es sich bei 2a um eine Perspektivansicht, bei 2b um eine vordere Schnittansicht, bei 2c um eine seitliche Schnittansicht, bei 2d um eine Draufsicht und bei 2e um eine geschnittene Unteransicht.
Das Sensorelement 19 weist einen zylindrischen Sensorkorpus 20 und einen mediumsberührenden Sensorkopf 21 auf. Nicht dargestellt sind u.a. Signalpfade zu einzelnen Elementen des Sensorkopfes 21.
Das Sensorelement 19 weist ein Gehäuse auf, in welchem die Vorrichtung zur Ermittlung der Fließgeschwindigkeit und/oder des thermischen Massedurchflusses des Mediums durch thermische Massedurchflussmessung und die Vorrichtung zur Ermittlung der Schallgeschwindigkeit und/oder frequenzabhängigen Dämpfung des Ultraschallsignals angeordnet sind.
Der mediumsberührende Sensorkopf 21 weist eine zylindrische Grundform auf, welche von einer Vertiefung 24 durchbrochen ist und den Sensorkopf 21 somit in zwei Halbzylinderhälften aufteilt, mit jeweils einer Mantelfläche 22 im kreisbogenförmigen Bereich einer jeden Halbzylinderhälfte und einem ebenen Flächenelement 27, welches parallel zur Längsachse A des Sensorelements 19 verläuft.
Entlang zweier sich gegenüberliegenden Flächenelementen 27 zweier Halbzylinderhälften sind ein Ultraschallempfänger und ein Ultraschallsender eingebaut und bilden eine Ultraschallschranke 25 aus. Alternative oder zusätzlich zur Ultraschallschranke kann eine Lichtschranke vorgesehen sein, sofern die optische, wellenlängenabängige Absorption und/oder angeregte Fluoreszenz des Mediums ermittelt werden soll.
Die besagten zwei Halbzylinderhälften weisen zudem jeweils eine Stirnfläche 23 auf. Dadurch erfolgt eine besser thermische Entkopplung der beiden Dünnschichtwiderstandselement gegenüber einer Ausführungsvariante ohne die Vertiefung 25. Die Wärmeabgabe des thermischen Massedurchflussgerätes an das Medium erfolgt dabei im Wesentlichen, also zu über 50%, über diese besagten Stirnflächen, welche eben ausgebildet sein können oder in Strömungsrichtung oder entgegen der Strömungsrichtung geneigt sein können. Hierfür sind unterhalb der Stirnflächen 23 ein aktiver Temperatursensor und ein passiver Temperatursensor 26 angeordnet. Die Funktionsweise dieser Temperatursensoren wurde bereits zuvor beschrieben und ist dem Fachmann auch hinreichend bekannt.
3 weist ein Sensorelement 29 mit einem im Vergleich zu 2 einen ähnlichen Aufbau auf. Das Sensorelement 29 weist ebenfalls einen zylindrischen Sensorkorpus 30 und einen mediumsberührenden Sensorkopf 31 auf. Nicht dargestellt sind u.a. Signalpfade zu einzelnen Elementen des Sensorkopfes 31.
Das Sensorelement 29 weist ein Gehäuse auf, in welchem die Vorrichtung zur Ermittlung der Fließgeschwindigkeit und/oder des thermischen Massedurchflusses des Mediums durch thermische Massedurchflussmessung, also das thermische Massedurchflussmessgerät, und die Vorrichtung zur Ermittlung der Schallgeschwindigkeit und/oder frequenzabhängigen Dämpfung des Ultraschallsignals, also die Ultraschallschranke, angeordnet sind.
Der mediumsberührende Sensorkopf 31 weist eine zylindrische Grundform auf, welche von einer Vertiefung 34 durchbrochen ist und den Sensorkopf 31 somit in zwei Halbzylinderhälften aufteilt, mit jeweils einer Mantelfläche 32 im bogenförmigen Bereich einer jeden Halbzylinderhälfte und einem ebenen Flächenelement 37, welches parallel zur Längsachse A des Sensorelements 39 verläuft.
Entlang zweier sich gegenüberliegenden Flächenelementen 37 zweier Halbzylinderhälften sind ein Ultraschallempfänger und ein Ultraschallsender eingebaut und bilden eine Ultraschallschranke 35 aus. Unterhalb dieser Ultraschallschranke verlaufen die Flächenelemente aufeinander zu. In diesem zulaufenden Bereichen können auf den gegenüberliegenden Seiten der Flächenelementen jeweils eine Kondensatorplatte angeordnet sein, welche einen Kondensator 38 ausbilden. Mittels dieser Messung kann u.a. die Luftfeuchte von Gasen oder Gasgemischen als Medium ermittelt werden.
Die besagten zwei Halbzylinderhälften weisen zudem jeweils eine Stirnfläche 33 auf. Dabei sind unterhalb der Stirnflächen 33 ein aktiver Temperatursensor und ein passiver Temperatursensor 36 angeordnet. Die Funktionsweise dieser Temperatursensoren wurde bereits zuvor beschrieben und ist dem Fachmann auch hinreichend bekannt.
Um eine Druckmessung zu ermöglichen ist an der Mantelfläche ein mikromechanischer Drucksensor angeordnet.
Eine Vorrichtung zur Ermittlung eines ersten Messwertes der Fließgeschwindigkeit und/oder des thermischen Massedurchflusses des Mediums durch thermische Massedurchflussmessung ist im konkreten Fall der 1–4 die Durchflussmessgeräte 1 und 11, welche als thermische Massedurchflussmessgeräte ausgebildet sind.
Eine Vorrichtung zur Ermittlung der Schallgeschwindigkeit und/oder frequenzabhängigen Dämpfung eines akustischen Signals, insbesondere eines Ultraschallsignals kann, wie in 4 dargestellt, beispielsweise ein Ultraschalldurchflussmessgerät sein oder in wesentlich einfacherer Bauweise beispielsweise eine Ultraschallschranke.
Eine Auswerteeinheit 4 oder 14 ermöglicht die Korrektur des ermittelten ersten Messwertes des thermischen Massedurchflusses oder der ermittelten Fließgeschwindigkeit anhand der ermittelten Schallgeschwindigkeitswerte und/oder der frequenzabhängigen ermittelten Dämpfungswerte des akustischen Signals, so dass ein korrigierter Messwert ermittelt wird.
Selbstverständlich ist die Auswerteeinheit nicht nur auf diese Möglichkeit beschränkt, sondern bietet noch andere Funktionen an.
3 zeigt ein Durchflussmessgerät, welches zwei verschiedene Messprinzipien zur Bestimmung der Fließgeschwindigkeit eines Mediums kombiniert. Dabei handelt es sich einerseits um eine Ultraschallmessung nach dem Laufzeitdifferenzprinzip und andererseits um eine thermische Massedurchflussmessung. Das Messprinzip der Ultraschallmessung nach dem Laufzeitdifferenzprinzip ist bereits bekannt und wird nachfolgend zunächst kurz erörtert.
Ultraschall-Durchflussmessgeräte und thermische Durchflussmessgeräte werden vielfach in der Prozess- und Automatisierungstechnik zur Detektion des Volumen- und/oder Massedurchflusses eines Mediums durch eine Rohrleitung eingesetzt.
Im Bereich der Ultraschallmessung gibt es Hinblick auf die Montagemöglichkeiten zwei Typen von Ultraschall-Durchflussmessgeräten: Inline-Ultraschall-Durchflussmessgeräte, die üblicherweise über Flansche in die Rohrleitung montiert werden, und Clamp-On-Durchflussmessgeräte, die von aussen auf der Rohrleitung aufgebracht werden und den Volumen- bzw. Massedurchfluss durch die Rohrwand hindurch – also nicht-invasiv – messen. Clamp-On-Durchflussmessgeräte sind beispielsweise in der EP 0 686 255 B1 , der US-PS 4,484,478 , DE 43 35 369 C1 , DE 298 03 911 U1 , DE 4336370 C1 oder der US-PS 4,598,593 beschrieben. Hinsichtlich der Messmethoden lassen sich zwei Prinzipien unterscheiden: Durchflussmessgeräte, die den Durchfluss über die Laufzeitdifferenz von Ultraschall-Messsignalen in Strömungsrichtung und entgegen der Strömungsrichtung bestimmen, und Durchflussmessgeräte, die die Durchfluss-Information aus der Dopplerverschiebung der Ultraschall-Messsignale gewinnen. Im Falle von Ultraschall-Messgeräten, die nach der Laufzeitdifferenzmethode arbeiten, werden die Ultraschall-Messsignale unter einem vorgegebenen Winkel über ein Koppelelement in die Rohrleitung, in der das Medium strömt, eingestrahlt bzw. aus der Rohrleitung ausgestrahlt. Hierbei sind die Ultraschallsensoren üblicherweise so angeordnet, dass die durchlaufenen Schallpfade durch den Zentralbereich der Rohrleitung bzw. des Messrohres geführt sind. Der ermittelte Durchflussmesswert spiegelt somit den mittleren Durchfluss des Mediums in der Rohrleitung. Eine wesentliche Komponente eines Ultraschallsensors bzw. Ultraschallwandlers ist ein piezoelektrisches Element. Die wesentliche Komponente eines piezoelektrischen Elements ist eine piezokeramische, in zumindest einem Teilbereich metallisierte Schicht. Insbesondere handelt es sich bei der piezokeramischen Schicht um eine Folie oder um eine Membran. Durch Anlegen eines elektrischen Anregungssignals wird die piezokeramische Schicht in Schwingung versetzt und strahlt über ein Einkoppelelement ein Ultraschall-Messsignal mit einer definierten Signalform unter einem Einstrahlwinkel in die Rohrleitung. Das Empfangen des Ultraschall-Messsignals nach Durchlaufen der Rohrleitung erfolgt in umgekehrter Art und Weise.
4 zeigt ein Messrohr 2 eines Durchflussmessgerätes 1, in welchem zumindest ein erster und ein zweiter Sensor 3, 4 zur Bestimmung des Durchflusses eines Mediums angeordnet sind. Bei dem Medium kann es sich um ein gasförmiges, dampfförmiges oder um ein flüssiges Medium handeln, wobei insbesondere die Messungen von gas- oder dampfförmigen Medien bislang auf einzelne Fließgeschwindigkeitsbereiche limitiert waren.
Das Messrohr 2 verfügt über endständig angeordnete Flansche 2a und 2b und weist darüber hinaus einen Druck- und einen Temperatursensor 5 und 6 auf, welche in 4 als räumlich getrennte Sensoren angeordnet sind, allerdings auch kompakt in einem Gehäuse zusammengefasst werden können.
Weiterhin ist im Ultraschallgerät ein erster Sensor 3 bzw. eine Sensoranordnung angeordnet, welcher aus zwei Temperatursensoren besteht, die beispielsweise in stiftförmigen oder zylindrischen Metallhülsen angeordnet sind. Dabei bildet einer der beiden Temperatursensoren den aktiven Temperatursensor, welcher mittels einer Heizeinheit beheizt wird. Beim Temperatursensor des ersten Sensors 3 kann es sich auch selbst um die Heizeinheit handeln, beispielsweise indem als Sensor ein RTD-Sensor verwendet wird. Der zweite Temperatursensor des ersten Sensors 3 misst die Temperatur des Mediums. Der erste und zweite Temperatursensor können zueinander gleich oder auch unterschiedlich dimensioniert sein.
Der zweite Sensor 4 bestimmt den Durchfluss durch Aussenden eines Ultraschallsignals, vorzugsweise durch die Laufzeitdifferenzmethode. Dabei sind an oder in der Wandung des Messrohres Ultraschallwandler 4a, 4b, 4c und 4d angeordnet, welche entweder als integrierte Lösung bzw. Inline Variante oder als Clamp-on Variante ausgestaltet sind. Ein derartiges Messprinzip zur Ermittlung einer Fließgeschwindigkeit ist beispielsweise aus der DE 10 2005 047 790 A1 bekannt und auf deren Inhalt hiermit vollumfänglich Bezug genommen wird.
Das in 4 dargestellte Durchflussmessgerät kombiniert somit ein Ultraschall-Durchflussmessgerät mit einem thermischen Durchflussmessgerät in kompakter Art und Weise, wodurch sich weitere Synergieeffekte bezüglich der Bestimmung der Fließgeschwindigkeit zwischen beiden Messprinzipien ergeben, welche im Folgenden näher erläutert werden.
Bislang wurden bei der Durchflussmessung von Medien unterschiedliche Messmethoden verwendet, die u.a. von den jeweiligen Fließgeschwindigkeiten der Medien abhängen. Problematisch dabei ist, dass im Bereich um Fließgeschwindigkeiten von ca. 15 m/s die Einsatzfähigkeit beider Methoden relativ begrenzt ist.
Dies gilt insbesondere bei Gasen. Hier treten beispielsweise bei der Anwendung der an-sich bekannten Laufzeit-Differenzmethode im verstärkten Maße Verwehungen des Ultraschallmesssignals auf, wodurch die Intensität des gemessenen Signals verringert wird oder das gemessene Signal überhaupt nicht mehr detektiert wird. Je höher die Fließgeschwindigkeit des Gases, desto stärker tritt die Verwehung des Signals auf, also die Ablenkung des Signals in Strömungsrichtung. Daher ist die Bestimmung der Fließgeschwindigkeit von Gasen mittels der Laufzeitdifferenzmethode auf Gase mit einer Fließgeschwindigkeit von vorzugsweise 0,05 bis 15 m/s beschränkt.
Bei höheren Geschwindigkeiten des Mediums bei vorzugsweise über 15 m/s, besonders bevorzugt 15–100m/s bietet sich zur Messung insbesondere eine Sensoranordnung 3 aus zwei Temperatursensoren an, um eine thermische Bestimmung des Durchflusses zu ermöglichen. Dabei bedarf es bei dieser Messung allerdings einer zuverlässigen Bestimmung oder der Vorgabe einer Wärmeleitfähigkeit.
Diese kann aufgrund des bei Gasen, anhand der Formel
(ideale Gasgleichung) ermittelt werden, wobei γ die spezifische Wärmekapazität des im Messrohr 2 strömenden Mediums, R die universelle Gaskonstante (R = 8.3143 J/mol K), T die absolute Temperatur in Kelvin und M das Molekulargewicht des Mediums in Kilogramm darstellt. Im Fall von Gasgemischen setzt sich die spezifische Wärmekapazität aus Einzeltermen der spezifischen Wärmekapazitäten der Komponenten zusammen. Auch das Molekulargewicht des Gasgemisches berechnet sich aus Einzeltermen der Molekulargewichte der Komponenten. Die Methode der Berechnung dieser Werte des Gasgemisches wird im Einzelnen in der DE 10 2006 030 964.2 der Anmelderin näher ausgeführt, auf deren Inhalt hiermit Bezug genommen wird.
Dabei kann die Schallgeschwindigkeit auch dann noch bestimmt werden, wenn eine Ultraschallmessung an sich bereits keine zuverlässigen Ergebnisse für die Bestimmung der Fließgeschwindigkeit mehr liefert, also auch bei Fließgeschwindigkeiten des Mediums von über 15 m/s. Zusätzlich kann bei Medien mit unbekannter Wärmeleitfähigkeit auch die Zusammensetzung oder die Wärmeleitfähigkeit anhand der Bestimmung der Schallgeschwindigkeit ermittelt werden. Dies kann besonders bevorzugt auch bereits durch einen einzigen Ultraschallwandler der Vorrichtung zur Ermittlung der Fließgeschwindigkeit des Mediums anhand der Laufzeit-Differenzmethode erfolgen.
Alternativ kann die Bestimmung der Schallgeschwindigkeit auch über einen gesonderten Sensor zur Bestimmung der Schallgeschwindigkeit (8) erfolgen.
Somit ermöglicht die Kombination aus Ultraschall-Durchflussmessgerät und thermischen Durchflussmessgerät die Bestimmung von Gasen mit Fließgeschwindigkeiten oberhalb von 15 m/s bei unbekannter Wärmeleitfähigkeit.
Der Druck- und Temperatursensor können weitere Ergebnisse, beispielsweise über die konkrete Zusammensetzung des Gases liefern, wie dies in der DE 10 2006 030 964.2 beschrieben wird, auf deren Inhalt hiermit vollumfänglich Bezug genommen wird.
In einer Auswerteeinheit 7 werden die einkommenden Informationen verarbeitet und eine Fließgeschwindigkeit, sowie ggf. eine Wärmeleitfähigkeit und eine Stoffzusammensetzung des gemessenen Gases aus den einkommenden Informationen ermittelt.
Die Vorrichtung zur Ermittlung der Fließgeschwindigkeit des Mediums anhand der Laufzeit-Differenzmethode 4, also das Ultraschalldurchfluss-Messgerät kann zur bevorzugten Vermeidung von Messschwankungen und zur vollständigen Erfassung eines Strömungsprofils eine Mehrpfadanordnung mit zumindest vier Ultraschallwandlern 4a–4d aufweisen. Mehrpfadanordnungen sind an sich bekannt, ermöglichen allerdings eine bessere Bestimmung der Fließgeschwindigkeit und der Schallgeschwindigkeit, welche sich beispielsweise positiv auf die Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit eines Gases oder Gasgemisches auswirkt und eine bessere Bestimmung des Umschaltpunktes zwischen dem Ultraschalldurchflussmessgerät und dem thermischem Massedurchflussgerät erlaubt.
Alternativ kann das Ultraschall-Messgerät auch eine Anordnung zur Mehrfachreflexion des Ultraschallstrahls mit mindestens zwei Ultraschallwandlern aufweisen, was durch eine Spiegelanordnung im Messrohr erreicht werden kann. Diese Alternative stellt eine kostengünstige Variante gegenüber der Mehrpfadanordnung dar.
Nachfolgend wird anhand eines Ausführungsbeispiels das Verfahren zur Ermittlung der Fließgeschwindigkeit von Verbrennungsgasen auf einer Ölförderanlage mit dem Durchflussmessgerät näher erläutert.
Zunächst erfolgt ein Ermitteln eines Messwertes der Fließgeschwindigkeit des Verbrennungsgases der Ölförderanlage anhand der Laufzeitdifferenzmethode. Dabei ist es für die Ermittlung der Massenbilanz im Normalbetrieb der Anlage von Bedeutung möglichst exakt die Fließgeschwindigkeit zu bestimmen. Zugleich wird dauerhaft die Signalstärke des Ultraschallsignals gemessen.
Schaltet die Anlage auf Notfallbetrieb um, so kommt es zu einer Erhöhung des Gasausstoßes und folglich zu einer Erhöhung der Fließgeschwindigkeit. Zugleich kommt es zu einem Absinken der Signalstärke aufgrund von Verwehungen. Sinkt die Signalstärke unter einen vorgegebenen Sollwert, so schaltet das Durchflussmessgerät die Vorrichtung zur Ermittlung des thermischen Massedurchflusses zu, welche die Bestimmung der Fließgeschwindigkeit auch bei höheren Fließgeschwindigkeiten ermöglicht. Zugleich kann auch die Zusammensetzung des ausströmenden Gases verifiziert werden, da die Verbrennung im Notfallbetrieb oft nur unvollständig ist.
Bei der Bestimmung der Fließgeschwindigkeit durch den thermischen Massedurchfluss läuft im vorliegenden Fall das Ultraschalldurchflussmessgerät nach wie vor mit, um die Signalstärke weiterhin auszuwerten. Sinkt die Fließgeschwindigkeit der Verbrennungsgase unterhalb des Sollwertes, übernimmt das Ultraschallmessgerät wieder die Bestimmung der Fließgeschwindigkeit.
Alternativ oder zusätzlich kann auch als das Signal zu Rauschen Verhältnis genutzt werden, wobei es bei Überschreiten des vorgegebenen Sollwertes zum Umschalten vom Ultraschallmessgerät auf den thermischen Massedurchflussmesser kommt.
Alternativ oder zusätzlich kann auch ein Abgleich der Signalformen der Ultraschallsignale in Strömungsrichtung A oder entgegen der Strömungsrichtung A erfolgen. Sofern die Signalformen korrelieren erfolgt die Bestimmung anhand der Laufzeitdifferenzmethode. Durch Vorgabe eines Sollwertes für die maximale Abweichung der Signalformen voneinander und den Abgleich mit den gemessenen Signalformen kann bei Überschreiten des Sollwertes ebenfalls ein Umschalten auf den thermischen Massedurchflussmesser erfolgen.
Bezugszeichenliste

1: Durchflussmessgerät
2: Messrohr
2a: Flansch
2b: Flansch
3: Vorrichtung zur Ermittlung der Fließgeschwindigkeit des Mediums durch thermische Massedurchflussmessung
4: Vorrichtung zur Ermittlung der Fließgeschwindigkeit des Mediums anhand der Laufzeit-Differenzmethode
4a–4d: Ultraschallwandler
5: Drucksensor
6: Temperatursensor
7: Auswerteeinheit
8: Schallgeschwindigkeitssensor
11: Durchflussmessgerät
12: Messrohr
17: Auswerteeinheit
19, 29: Sensorelement
20, 30: Sensorkorpus
21, 31: Sensorkopf
22, 32: Mantel
23, 33: Stirnfläche
24, 34: Vertiefung
25, 35: Ultraschallschranke
26, 36: Dünnschicht-Widerstandselement
27, 37: Flächensegment
38: Kondensatorelement
39: Drucksensor

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 0686255 B1 [0051]
US 4484478 [0051]
DE 4335369 C1 [0051]
DE 29803911 U1 [0051]
DE 4336370 C1 [0051]
US 4598593 [0051]
DE 102005047790 A1 [0055]
DE 102006030964 [0060, 0064]

Claims

Durchflussmessgerät (1, 11) zur Ermittlung eines korrigierten Messwertes einer Fließgeschwindigkeit und/oder eines korrigierten thermischen Massedurchflusses eines Mediums in einem Messrohr (2, 12), insbesondere eines Gases, a) wobei das Durchflussmessgerät (1, 11) eine Vorrichtung (3) zur Ermittlung eines ersten Messwertes der Fließgeschwindigkeit und/oder des thermischen Massedurchflusses des Mediums durch thermische Massedurchflussmessung aufweist und b) wobei das Durchflussmessgerät (1, 11) zudem eine Vorrichtung zur Ermittlung einer Schallgeschwindigkeit und/oder frequenzabhängigen Dämpfung eines akustischen Signals, insbesondere eines Ultraschallsignals, im Medium und/oder eine Vorrichtung zur Ermittlung einer optischen, wellenlängenabhängigen Absorption und/ oder angeregte Fluoreszenz des Mediums, aufweist, und c) wobei das Durchflussmessgerät (1, 11) eine Auswerteeinheit (7, 17) aufweist zur Korrektur des ermittelten ersten Messwertes des thermischen Massedurchflusses oder der ermittelten Fließgeschwindigkeit anhand der ermittelten Schallgeschwindigkeitswerte und/oder der frequenzabhängigen ermittelten Dämpfungswerte des akustischen Signals und/oder und/oder der ermittelten Absorptionswerte des optischen Signals und/oder der Fluoreszenzwerte des Mediums erfolgt.
Durchflussmessgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Ermittlung eines ersten Messwertes der Fließgeschwindigkeit und/oder des thermischen Massedurchflusses des Mediums durch thermische Massedurchflussmessung und die Vorrichtung zur Ermittlung der Schallgeschwindigkeit und/oder der frequenzabhängigen Dämpfung und/oder der ermittelten optischen Eigenschaften des optischen Signals in einem Gehäuse angeordnet sind.
Durchflussmessgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Ermittlung der Schallgeschwindigkeit und/oder der frequenzabhängigen Dämpfung Teil einer Vorrichtung (4) zur Ermittlung der Fließgeschwindigkeit des Mediums anhand der Laufzeit-Differenzmethode ist.
Durchflussmessgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Ermittlung der Schallgeschwindigkeit und/oder der frequenzabhängigen Dämpfung als Clamp-On Sensor ausgebildet ist.
Durchflussmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Durchflussmessgerät zudem eine Vorrichtung (39) zur Ermittlung des Druckes des im Messrohr (2, 12) befindlichen Mediums aufweist.
Durchflussmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Durchflussmessgerät zudem eine Vorrichtung (38) zur Ermittlung der elektrischen Kapazität des im Messrohr (2, 12) befindlichen Mediums aufweist.
Durchflussmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (7, 17) zusätzlich zur Ermittlung der Wärmeleitfähigkeit, der Dichte, des Feuchtigkeitsgehaltes, der Temperatur und/oder der Zusammensetzung des Mediums anhand der ermittelten Schallgeschwindigkeitswerte, der frequenzabhängigen ermittelten Dämpfungswerte des akustischen Signals und/oder der ermittelten optischen Eigenschaften des Mediums, des Druckes und/oder der elektrischen Kapazität des im Messrohr (2, 12) befindlichen Mediums vorgesehen ist.
Durchflussmessgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse mit der Vorrichtung zur Ermittlung der Fließgeschwindigkeit und/oder des thermischen Massedurchflusses des Mediums durch thermische Massedurchflussmessung und der Vorrichtung zur Ermittlung der Schallgeschwindigkeit und/oder frequenzabhängigen Dämpfung des Ultraschallsignals als Sensorelement (19, 29) ausgebildet ist, wobei die Vorrichtung zur Ermittlung der Schallgeschwindigkeit und/oder frequenzabhängigen Dämpfung des Ultraschallsignals als Ultraschallschranke (25, 35) und/oder die Vorrichtung zur optischen, wellenlängenabhänigen Absorption und/ oder angeregte Fluoreszenz des Mediums als Lichtschranke ausgebildet ist.
Durchflussmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse mit der Vorrichtung zur Ermittlung der Fließgeschwindigkeit und/oder des thermischen Massedurchflusses des Mediums durch thermische Massedurchflussmessung und der Vorrichtung zur Ermittlung der Schallgeschwindigkeit und/oder frequenzabhängigen Dämpfung des Ultraschallsignals und/oder mit der Vorrichtung zur optischen, wellenlängenabhänigen Absorption und/ oder der angeregten Fluoreszenz des Mediums als Lichtschranke als Sensorelement (19, 29) mit einer Längsachse (A) ausgebildet ist, mit einem mediumsberührenden Sensorkopf (21, 31), welcher Sensorkopf (21, 31) eine Mantelfläche (22, 32) aufweist, die parallel zur Längsachse (A) des Sensorelements (19, 29) verläuft und eine Stirnfläche (23, 33) aufweist, die senkrecht zur Längsachse (A) des Sensorelements (19, 29) verläuft.
Durchflussmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Ermittlung der Fließgeschwindigkeit und/oder des thermischen Massedurchflusses des Mediums durch thermische Massedurchflussmessung zumindest zwei Dünnschicht-Widerstandselemente (26, 36), mit zumindestens einem beheizbaren Dünnschicht-Widerstandselement (26, 36) umfasst, welche derart angeordnet sind, dass ein Wärmeeintrag durch eines der Dünnschicht-Widerstandselemente (26, 36) in das Medium hauptsächlich entlang eines Stirnflächensegments (23, 33) erfolgt.
Verfahren zur Ermittlung eines korrigierten Messwerten einer Fließgeschwindigkeit und/oder eines thermischen Massedurchflusses eines Mediums in einem Messrohr (2, 12) eines Durchflussmessgerätes (1, 11), insbesondere eines Durchflussmessgerätes gemäß einem der vorhergehenden Ansprüchen, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: a) Ermitteln der Fließgeschwindigkeit und/oder des thermischen Massedurchflusses des Mediums durch thermische Massedurchflussmessung und b) Ermitteln einer Schallgeschwindigkeit und/oder frequenzabhängigen Dämpfung eines akustischen Signals, insbesondere eines Ultraschallsignals, im Medium und/oder Ermitteln einer wellenlängenabhängigen Absorption eines optischen Signals und/ oder angeregte Fluoreszenz des Mediums, aufweist, und c) Korrigieren des ermittelten thermischen Massedurchflusses oder der ermittelten Fließgeschwindigkeit anhand der ermittelten Schallgeschwindigkeitswerte und/oder der frequenzabhängigen ermittelten Dämpfungswerte des akustischen Signals und/oder der ermittelten Absorptionswerte des optischen Signals und/oder der Fluoreszenzwerte des Mediums erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Ermitteln der Schallgeschwindigkeit und/oder frequenzabhängigen Dämpfung des akustischen Signals in einem Messintervall von vorzugsweise zwischen 10 ms bis 5 min vorzugsweise 20 ms bis 30 sec, besonders bevorzugt 100 ms bis 5 sec erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Ermitteln der Schallgeschwindigkeit und/oder frequenzabhängigen Dämpfung des akustischen Signals durch ein kontinuierliches Korrigieren über entsprechende Messungen mit Dauerultraschall (CW) und Messung der Phase und der Amplitude durchgeführt wird
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Korrigieren des ermittelten thermischen Massedurchflusses oder der ermittelten Fließgeschwindigkeit durch das Ermitteln eines schallgeschwindigkeits- und/oder dämpfungsabhängigen und/oder der ermittelten optischen eigenschaftsabhängigen Korrekturwertes erfolgt, anhand dessen ein aktuell ermittelter Wert eines thermischen Massedurchflusses oder einer Fließgeschwindigkeit korrigiert wird.
Verwendung des Durchflussmessgerätes (1, 11) oder eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Bestimmung der Fließgeschwindigkeit und/oder des thermischen Massedurchflusses von Gasen oder Gasgemischen.
Verwendung des Durchflussmessgerätes (1, 11) oder eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Bestimmung der Zusammensetzung und/oder des Feuchtigkeitsgehaltes von Gasgemischen.