DE102013004725A1

DE102013004725A1 - Eintauchende Messvorrichtung

Info

Publication number: DE102013004725A1
Application number: DE102013004725.0A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Staab; Jennifer Wilson; Tilo Merlin; Andrew Dunbabin
Original assignee: ABB Technology AG
Current assignee: ABB Technology AG
Priority date: 2013-03-19
Filing date: 2013-03-19
Publication date: 2014-09-25

Abstract

Die Erfindung betrifft eine eintauchende Messvorrichtung (3) zur Messung einer physikalischen Größe eines Messmediums (2), wobei zumindest die sensorischen Teile der Messvorrichtung in das Messmedium eintauchen, welches in einer Rohrleitung (1) einer verfahrenstechnischen Anlage geführt ist. Zum Schutz der Messvorrichtung (3) vor dem Einfluss der Kármánsche Wirbelstraße wird ein konischer Störkörper (4) vorgeschlagen, der in das Messmedium (2) eintaucht und der Messvorrichtung (3) entgegen der Strömungsrichtung (21) des Messmediums (2) vorgelagert ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine eintauchende Messvorrichtung zur Messung einer physikalischen Größe eines Messmediums, wobei zumindest die sensorischen Teile der Messvorrichtung in das Messmedium eintauchen, welches in einer Rohrleitung einer verfahrenstechnischen Anlage geführt ist.
Insbesondere sind Messvorrichtungen zur Bestimmung der Temperatur eines Messmediums eintauchend ausgeführt.
Derartige Thermometeranordnungen sind seit langem bekannt und beispielsweise in der EP 0291 571 A1 beschrieben. Ein solches Thermometer besteht im Wesentlichen aus einem Messeinsatz, der in einem einseitig geschlossenen Schutzrohr mit einem Prozessflansch untergebracht ist, wobei das geschlossene Ende des Schutzrohres bis zum Prozessflansch in einen Behälter eingetaucht ist, in dem sich das Medium befindet, dessen Temperatur zu bestimmen ist. Das offene Ende des Schutzrohres ist in ein Anschlussgehäuse geführt, in dem zumindest Anschlussklemmen zum Verbinden des Messeinsatzes mit einer entfernten Messwertverarbeitung über eine Kommunikationsleitung angeordnet sind. Darüber hinaus kann in dem Anschlussgehäuse eine elektrische Schaltung zur Messwertvorverarbeitung angeordnet sein kann.
Die eintauchende Messvorrichtung, wie das Schutzrohr des eintauchenden Thermometers, wirkt in einem strömenden Medium als Störkörper und verursacht eine sogenannte Kármánsche Wirbelstraße, bei der sich hinter einem umströmten Körper gegenläufige Wirbel ausbilden. Dieses Phänomen der Strömungstechnik ist allgemein bekannt und beispielsweise in der Online-Enzyklopädie Wikipedia auf der Seite http://de.wikipedia.org/wiki/K%C3%A1rm%C3%A1nsche_Wirbelstra%C3%9Fe beschrieben.
Die Wirbel lösen sich vom Hindernis, also dem Schutzrohr des Thermometers in einer berechenbaren Frequenz ab. Die Ablösefrequenz ist vom Durchmesser des Störkörpers, von der Anströmgeschwindigkeit des Messmediums und der Strouhalzahl, die die Geometrie des Störkörpers beschreibt, abhängig.
Entspricht diese Ablösefrequenz der Eigenschwingfrequenz des Störkörpers, dem Schutzrohr des Thermometers, kommt der Störkörper in Resonanz. Die Kräfte auf das Schutzrohr im Resonanzfall können zu seinem Abriss führen.
Die Eignung eines Schutzrohres für den Einsatz in strömenden Medien muss nach einer Methode nach Murdock nachgewiesen werden, wie aus der Veröffentlichung „Die Form folgt der Berechnung” in CHEMIE TECHNIK Nr. 10, 2003, hervorgeht. Die Murdocksche Methode, die den Stand der Technik darstellt, ist in der Dimensionierung von Schutzrohren üblich und normativ im Dokument ASME PTC 19.3, welches im Internet unter der URL http://www.te-direct.com/pdf/press-releases/ThermowellCalculation.pdf veröffentlicht ist, festgelegt.
Um den normativen Bedingungen zu genügen, müssen oft sehr teure und massive Schutzrohre eingesetzt werden, deren Wandstärken den mechanischen Beanspruchungen widerstehen. Nachteiligerweise wird hierbei die Messgenauigkeit reduziert sowie die Ansprechzeit der Thermometer erhöht.
Darüber hinaus muss das Schutzrohr erheblich verkürzt werden, um die Murdockschen Bedingungen zu erfüllen, Nachteiligerweise verstärkt diese Verkürzung die negativen Auswirkungen auf Ansprechzeit und Messgenauigkeit.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die eintauchende Messvorrichtung dahingehend weiterzubilden, den Einfluss der Kármánsche Wirbelstraße auf die Messvorrichtung zu reduzieren.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Mitteln des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den rückbezogenen Ansprüchen angegeben.
Die Erfindung geht von einer eintauchenden Messvorrichtung zur Messung einer physikalischen Größe eines Messmediums aus, wobei zumindest die sensorischen Teile der Messvorrichtung in das Messmedium eintauchen, welches in einer Rohrleitung einer verfahrenstechnischen Anlage geführt ist.
Gemäß den Merkmalen der Erfindung ist ein konischer Störkörper in das Messmedium eingetaucht, welcher der Messvorrichtung entgegen der Strömungsrichtung des Messmediums vorgelagert ist. Die Messvorrichtung ist also im Strömungsschatten des konischen Störkörpers angeordnet.
In dieser Anordnung wird die Kármánsche Wirbelstraße durch den der Messvorrichtung vorgelagerten, konischen Störkörper erzeugt. Die konische Körperform des Störkörpers bewirkt über dessen Eintauchtiefe über die oben beschriebene Abhängigkeit vom Durchmesser des Störkörpers verschiedene Ablösefrequenzen bei gleicher Strömungsgeschwindigkeit des Messmediums. Dadurch werden Resonanzen, die sich auf die Messvorrichtung übertragen, vermieden
Da die größten Kräfte der Wirbelstraße an deren Abrissfläche auftreten, werden diese Kräfte an dem Störkörper wirksam. Die Dimensionierung des Störkörpers, also seine Eintauchtiefe, sein Querschnitt und seine Konizität, ist unabhängig von der Messung der physikalischen Größe des Messmediums und somit entsprechend den zu erwartenden Kräften im strömenden Messmedium frei wählbar.
Vorteilhafterweise ist die mechanische Beanspruchung der eintauchenden Messvorrichtung zur Messung einer physikalischen Größe eines Messmediums im Strömungsschatten des konischen Störkörpers so gering, dass das Schutzrohr eines Thermometers dünnwandig mit geringem Wärmeübergangswiderstand ausgeführt werden kann. Folglich arbeitet ein solches Thermometer mit hoher Messgenauigkeit sowie geringer Ansprechzeit.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der einzigen Figur ist ein Querschnitt durch eine Rohrleitung 1 einer nicht näher dargestellten, verfahrenstechnischen Anlage gezeigt, welche von einem Messmedium 2 durchströmt ist.
Die Rohrleitung 1 weist einen Anschlussflansch 11 auf, der durch einen Flanschdeckel 12 verschlossen ist.
Zur Bestimmung einer einer physikalischen Größe des Messmediums 2 ist eine Messvorrichtung 3 mit dem Flanschdeckel 12 verbunden, wobei zumindest die sensorischen Teile der Messvorrichtung 3 in das Messmedium 2 eintauchen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Messvorrichtung 3 ein Thermometer, deren Temperatursensor 31 in einem Schutzrohr 32 untergebracht ist, wobei das Schutzrohr 32 vollständig in die Rohrleitung 1 hineinragt und zumindest teilweise in das Messmedium 2 eintaucht. Ein solches Thermometer weist einen Messkopf 33 zur Messwertverarbeitung auf, der außerhalb der Rohrleitung 1 angeordnet ist.
In dem durch die Rohrleitung 1 strömenden Messmedium 2 ist der Messvorrichtung 3 ein konischer Störkörper 4 entgegen der Strömungsrichtung 21 des Messmediums 2 vorgelagert. Die Messvorrichtung 3 ist also im Strömungsschatten des konischen Störkörpers 4 angeordnet.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist der Querschnitt des konischen Störkörpers 4 größer als der Querschnitt des Schutzrohres 32. Somit ist die Ablösefrequenz der Wirbel am Störkörper 4 geringer als bei gleicher medialer Anströmgeschwindigkeit am Schutzrohr 32.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die Messvorrichtung 3 und der Störkörper 4 gemeinsam mit dem Flanschdeckel 12 verbunden.
Vorteilhafterweise ist dadurch eine vormontierbare Baugruppe geschaffen, die alle notwendigen Elemente zur Messung der physikalischen Größe des Messmediums 2 sowie zum Schutz der Messvorrichtung 3 umfasst.
Bezugszeichenliste

1: Rohrleitung
11: Anschlussflansch
12: Flanschdeckel
2: Messmedium
21: Strömungsrichtung
3: Messvorrichtung
31: Temperatursensor
32: Schutzrohr
33: Messkopf
4: Störkörper

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 0291571 A1 [0003]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

http://de.wikipedia.org/wiki/K%C3%A1rm%C3%A1nsche_Wirbelstra%C3%9Fe [0004]
http://www.te-direct.com/pdf/press-releases/ThermowellCalculation.pdf [0007]

Claims

Eintauchende Messvorrichtung zur Messung einer physikalischen Größe eines Messmediums (2), wobei zumindest die sensorischen Teile der Messvorrichtung in das Messmedium eintauchen, welches in einer Rohrleitung (1) einer verfahrenstechnischen Anlage geführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass konischer Störkörper (4) in das Messmedium (2) eingetaucht ist, welcher der Messvorrichtung (3) entgegen der Strömungsrichtung (21) des Messmediums (2) vorgelagert ist.
Eintauchende Messvorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des konischen Störkörpers (4) größer als der Querschnitt der in das Messmedium (2) eintauchenden Messvorrichtung (3).
Eintauchende Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass der konische Störkörper (4) und die eintauchende Messvorrichtung (3) gemeinsam auf einem die Rohrleitung (1) verschließenden Flanschdeckel (12) angeordnet sind.