-
Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und einem Verfahren zur Korrektur eines Eindringungsfehlers bei einer Durchflussmessung einer derartigen Vorrichtung.
-
Zum Bestimmen einer Durchflussgeschwindigkeit eines Fluids in einem Rohr, ist aus dem Stand der Technik bekannt, Durchflussmessgeräte außen auf dem Rohr zu befestigen. Außen auf dem Rohr sind dann beispielsweise zwei Sensorpaare, die jeweils zwei Sensoren aufweisen, angeordnet. Ein Schallpfad zwischen zwei Sensoren eines jeweiligen Sensorpaares erstreckt sich etwa durch eine Mitte des Rohres. Hierdurch kann nachteilig nur eine mittlere Durchflussgeschwindigkeit des Fluids und kein Strömungsprofil bestimmt werden.
-
Die Durchflussgeschwindigkeit wird beispielsweise mit Hilfe eines Laufzeitmessverfahrens und/oder mit Hilfe von einer Ultraschalldopplerfrequenzverschiebung gemessen.
-
Alternativ zu den außen am Rohr angeordneten Sensoren ist bekannt, „Nasse-Sensoren“ einzusetzen, die mit dem Fluid in Kontakt stehen. Beispielsweise können „inside-mount-Sensoren“ vorgesehen sein, die innerhalb des Rohres befestigt sind. Des Weiteren ist bekannt, „feed-through-Sensoren“ vorzusehen, die jeweils über eine Aussparung des Rohres in das Rohr eingesetzt werden. Derartige feed-through-Sensoren können hierbei ins Innere des Rohres einkragen oder auch vollständig in der Aussparung verbleiben, die zum Inneren des Rohres hin geöffnet ist. Die Nassen-Sensoren führen zu Wirbeln im Bereich eines jeweiligen Sensors, die wiederum zu Messfehlern führen. Bei derartigen Messfehlern wird von „Eindringungsfehlern“ gesprochen.
-
Um den Eindringungsfehler mit einem Korrekturwert zu korrigieren, ist bekannt, das Rohr mit den Sensoren auf einem Versuchsstand – sogenannte „Meter-Kalibration“ – zu kalibrieren. Eine Länge des Rohrs stromaufwärts der Sensoren beträgt bei dem Versuchsstand üblicherweise ein Zwanzigfaches des Rohrdurchmessers des Rohrs und stromabwärts der Sensoren ein Fünffaches des Rohrdurchmessers. Bei dem Rohr handelt es sich hierbei um ein gerades Rohr. Die Kalibrierung erfolgt mit einem Referenzmessgerät. Der ermittelte Korrekturwert ist hierbei abhängig von einer Fließgeschwindigkeit.
-
Die Bedingungen des Versuchsstands liegen allerdings nachteilig üblicherweise in der Praxis nicht vor. Sind die Sensoren beispielsweise stromabwärts eines 90-Grad-Krümmers angeordnet, so hat sich gezeigt, dass hier die Meter-Kalibration nicht ausreichend ist und Messfehler bis zu 10 Prozent oder mehr auftreten. Bei bestimmten Einsatzgebieten gibt es allerdings Industrienormen, die Messfehler unter 1 Prozent oder sogar unter 0,15 Prozent (beispielsweise im Gas- und Ölbereich) vorschreiben, weswegen das bekannte Kalibrierverfahren nicht ausreichend ist.
-
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Durchflussmessung einer Fluidströmung zu schaffen, die einen geringen Messfehler aufweist und vorrichtungstechnisch einfach ausgestaltet ist. Des Weiteren liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Korrektur eines Eindringungsfehlers zu schaffen, mit dem auf einfache Weise Messfehler bei einer Vorrichtung zur Durchflussmessung äußerst gering sind.
-
Die Aufgabe hinsichtlich der Vorrichtung wird gelöst gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 und hinsichtlich des Verfahrens gemäß den Merkmalen des Anspruchs 13.
-
Erfindungsgemäß ist eine Vorrichtung, insbesondere ein Durchflussmessgerät, mit einem Rohrabschnitt vorgesehen, in dem zumindest vier zusammenwirkende Sensoren angeordnet sind. Diese dienen zur akustischen Durchflussmessung einer Fluidströmung eines Fluids in dem Rohrabschnitt. Die Sensoren sind derart in dem Rohrabschnitt angeordnet, dass sie in Kontakt mit dem Fluid stehen („Nasse-Sensoren“). Die Sensoren verursachen hierdurch einen Messfehler in Form eines Eindringungsfehlers, wenn ein Fluid den Rohrabschnitt durchströmt. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass über die Sensoren ein Vektor der Fluidströmung in einem Sensorbereich der Sensoren ermittelt ist. Vorteilhafterweise kann dann über den Vektor ein Korrekturwert zur Korrektur des Eindringungsfehlers bestimmt sein. Zur Bestimmung des Vektors sind üblicherweise zumindest vier Sensoren notwendig.
-
Diese Lösung hat den Vorteil, dass, wenn die Vorrichtung beispielsweise im Wesentlichen unmittelbar stromabwärts eines 90-Grad-Krümmers oder einer Pumpe oder eines Tanks angeordnet ist, eine Anströmrichtung der Fluidströmung auf die Sensoren berücksichtigt werden kann. Die Vorrichtung kann somit sozusagen vor Ort, nachdem sie an einer beliebigen Stelle in einem Strömungspfad platziert ist, kalibriert werden. Der Ort der Anordnung der Vorrichtung hat nunmehr nur einen geringen oder keinen Einfluss mehr auf den Messfehler. Dagegen ist es im Stand der Technik notwendig, wie eingangs erläutert, dass stromaufwärts von Sensoren ein geradliniges Rohr mit zwanzigfacher Länge des Rohrdurchmessers und stromabwärts der Sensoren ein geradliniges Rohr mit einer Länge des fünffachen Rohrdurchmessers vorgesehen werden muss. Eine Einbausituation der Sensoren aus dem Stand der Technik sollte somit vorzugsweise der Anordnung bei dem Messstand entsprechen, um den Messfehler möglichst gering zu halten. Durch die Berücksichtigung des Vektors der Fluidströmung bei der Bestimmung des Korrekturwerts zur Korrektur des Eindringungsfehlers kann eine Einbausituation der Vorrichtung in der Praxis vernachlässigt werden. Dies wiederum führt zu einer Fehlervermeidung bei der Installation der Vorrichtung. Die Vorrichtung kann somit „blind“ eingebaut werden, was zu einer Manipulationssicherheit führt.
-
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird der Korrekturwert zusätzlich in Abhängigkeit einer Reynoldszahl bestimmt. Der Korrekturwert ist somit eine Funktion aus dem Vektor und der Reynoldszahl (f(Vektor, Reynoldszahl)).
-
Um den Messfehler weiter zu verringern, kann der Korrekturwert in Abhängigkeit einer Sensorausgestaltung und/oder in Abhängigkeit einer Anordnung der Sensoren und/oder in Abhängigkeit eines Durchmessers des Rohrabschnitts bestimmt sein. Es hat sich gezeigt, dass der Eindringungsfehler auch abhängig von der Sensorgröße und von der Größe der Rohre abhängig ist. Wird diese Abhängigkeit in Kombination mit dem Vektor der Fluidströmung und der Reynoldszahl berücksichtigt, so kann der Messfehler weiter reduziert werden.
-
Bei dem Vektor handelt es sich vorzugsweise um einen über den Querschnitt des Rohrabschnitts gemittelten Richtungsvektor der Fluidströmung. Hierdurch kann auf einfache Weise die Anströmrichtung der Fluidströmung auf die Sensoren ermittelt werden.
-
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Richtungsvektor ein Anström-Richtungsvektor der Fluidströmung auf zumindest einen Sensor, vorzugsweise auf die stromaufwärtigen Sensoren.
-
Die Durchflussmessung erfolgt beispielsweise einfach durch ein sogenanntes Integrationsverfahren.
-
Zum Ermitteln des Vektors aus Messergebnissen der Sensoren und zum Bestimmen des Korrekturwertes ist vorzugsweise in der Vorrichtung ein Prozessor vorgesehen.
-
Der Korrekturwert kann in der Vorrichtung, bevorzugterweise über eine geeignete Einrichtung, beispielsweise auf einem elektronischen Speichermedium, hinterlegt sein. Hierdurch muss der Korrekturwert nach dem Einbauen der Vorrichtung nur einmal initial ermittelt werden.
-
Bei dem Fluid handelt es sich vorzugsweise um Gas oder Öl. Im Gas- oder Ölbereich sind üblicherweise Messfehler von unter 0,15 Prozent vorgesehen, weswegen die erfindungsgemäße Vorrichtung mit dem geringen Messfehler in vorteilhafter Weise einsetzbar ist.
-
Bei den Sensoren handelt es sich vorzugsweise um Ultraschallsensoren, womit eine Ultraschalldurchflussmessung erfolgen kann.
-
Vorzugsweise zwei Sensoren der zumindest vier Sensoren können ein Sensorpaar bilden. Die Sensoren eines Sensorpaars stehen dann jeweils zur akustischen Durchflussmessung bevorzugterweise in Schallverbindung. Die Sensoren eines Sensorpaares können des Weiteren diametral zueinander angeordnet sein.
-
Mit Vorteil hat ein jeweiliges Sensorpaar einen „Upstream-Sensor“ und einen „Downstream-Sensor“.
-
Die Sensoren eines jeweiligen Sensorpaars sind vorzugsweise in einer gemeinsamen Sensorebene angeordnet. Die Sensorebenen sind dann weiter vorzugsweise etwa im Parallelabstand zueinander angeordnet und können sich zusätzlich parallel zu einer Längserstreckung bzw. Längsachse des Rohrabschnitts erstrecken. Hierdurch kann beispielsweise über das Integrationsverfahren zur Durchflussmessung ein äußerst genaues Messergebnis ermittelt werden.
-
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind vier Sensorpaare in vier Sensorebenen vorgesehen.
-
Schallpfade zwischen den Sensoren der Sensorpaare sind gekreuzt angeordnet in einer Blickrichtung etwas senkrecht zu den Sensorebenen.
-
Der Rohrabschnitt ist vorzugsweise im Wesentlichen geradlinig. Mit Vorteil ist eine Abstrahlfläche eines jeweiligen Sensors innerhalb des Rohrabschnitts oder innerhalb einer Aussparung einer Rohrwandung des Rohrabschnitts angeordnet. Die jeweilige Abstrahlfläche kann auch im Zwischenbereich zwischen dem Inneren des Rohrabschnitts und der Aussparung vorgesehen sein.
-
Die Aussparung kann sich etwa senkrecht zur Längsachse des Rohrabschnitts erstrecken, womit sie radial in den Rohrabschnitt eingebracht werden kann. Dies führt zu einer äußerst einfachen Herstellung. Die Abstrahlfläche eines jeweiligen in eine Aussparung eingesetzten Sensors ist dann vorzugsweise schräg zur Längsachse des Rohrabschnitts angestellt. Denkbar wäre auch eine schräg zur Längsachse des Rohrabschnitts sich erstreckende Aussparung in den Rohrabschnitt für einen jeweiligen Sensor einzubringen. Eine Abstrahlfläche eines darin angeordneten Sensors kann sich dann etwa senkrecht zur Längsachse der Aussparung erstrecken.
-
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann eine Korrektur eines Eindringungsfehlers bei der Durchflussmessung der Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Aspekte erfolgen. Dies ist erfindungsgemäß dadurch ermöglicht, dass über die Sensoren ein Vektor der Fluidströmung in einem Sensorbereich der Sensoren ermittelt wird und über den Vektor ein Korrekturwert zur Korrektur eines Eindringungsfehlers bestimmt werden kann.
-
Sonstige vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.
-
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
-
1 in einem Querschnitt eine erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform,
-
2 bis 6b in einem Längsschnitt einen Ausschnitt der Vorrichtung im Bereich eines Sensors,
-
7 in einem Längsschnitt die erfindungsgemäße Vorrichtung im Bereich eines Krümmers und
-
8 ein Ablaufschema eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Korrektur eines Eindringungsfehlers.
-
Gemäß 1 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 dargestellt. Diese hat einen Rohrabschnitt 2 mit vier Sensorpaaren 4 bis 10. Ein jeweiliges Sensorpaar 4 bis 10 weist zwei Sensoren 12 und 14 auf, wobei in 1 der Einfachheit halber nur die Sensoren 12 und 14 des Sensorpaars 4 mit einem Bezugszeichen versehen sind. Zwischen den Sensoren 12, 14 der Sensorpaare 4 bis 10 erstreckt sich jeweils ein Schallpfad 16. Die Sensoren 12 und 14 der Sensorpaare 4 bis 10 sind jeweils in einer Sensorebene angeordnet, die sich jeweils parallel zu einer Längsachse des Rohrabschnitts 2 erstrecken, wobei sich die Längsachse gemäß der Darstellung in 1 etwa senkrecht zur Zeichenebene erstreckt. Die Sensorebenen der Sensorpaare 4 bis 10 sind des Weiteren etwa im Parallelabstand zueinander. Bei den Sensoren 12 und 14 der Sensorpaare 4 bis 10 handelt es sich um einen stromaufwärtigen und einen stromabwärtigen Sensor. Zur Durchflussmessung eines den Rohrabschnitt durchströmenden Fluids kann ein Strömungsprofil durch ein Integrationsverfahren bestimmt werden. Bei den Sensoren 12 und 14 der Sensorpaare 4 bis 10 handelt es sich um Ultraschallsensoren, mit denen die Durchflussmessung insbesondere mit Hilfe eines Laufzeitmessverfahrens und/oder mit Hilfe von Ultraschalldopplerfrequenzverschiebungen bestimmt wird.
-
Die Sensoren 12 und 14 der Sensorpaare 4 bis 12 sind in Kontakt mit dem den Rohrabschnitt 2 durchströmenden Fluid, womit es sich um Nasse-Sensoren handelt.
-
Gemäß 2 ist eine Ausführungsform eines Sensors 12, 14 dargestellt. Dieser ist in eine Aussparung 18 einer Rohrwandung 20 des Rohrabschnitts 2 aus 1 eingesetzt. Die Aussparung 18 ist als Schrägbohrung ausgebildet, die angewinkelt zu einer Längsachse 22 des Rohrabschnitts 2 ausgebildet ist. Der Sensor 12, 14 kragt mit seinem Sensorkopf 24 etwas in einen von einer Rohrinnenwandung 26 begrenzten Innenraum des Rohrabschnitts 2 ein. Eine Abstrahlfläche 28 zur Abstrahlung eines Schalls des Schallpfads 16 ist stirnseitig des Sensors 12, 14 angeordnet und erstreckt sich ebenfalls angewinkelt zur Längsachse 22. Ein derartig angeordneter Sensor 12, 14 führt zu einem Messfehler der Vorrichtung 1 in Form eines Eindringungsfehlers, da der Sensor 12, 14 in die Fluidströmung des Fluids eindringt.
-
Alternativ kann der Sensor 12, 14 gemäß 3 sich radial zur Rohrwandung 20 bzw. zur Längsachse 22 erstrecken. Eine Aussparung 30 ist hierbei ebenfalls radial in die Rohrwandung 20 eingebracht. Ein Sensorkopf 32 kragt hierbei im Vergleich zu 2 deutlich weiter in den an der Rohrinnenwandung 26 begrenzten Innenraum ein. Die Abstrahlfläche 28 ist ebenfalls schräg zur Längsachse 22 ausgebildet.
-
Gemäß 4a ist der Sensor 12, 14 vollständig in die schräg ausgebildete Aussparung 18 eingesetzt. Dennoch tritt hierbei ein Messfehler auf, der auch als Eindringungsfehler bezeichnet wird. Durch eine derartige Anordnung des Sensors 12, 14 begrenzt der Sensor 12, 14 stirnseitig in der Aussparung 18 eine Nische 32, in der sich ein Wirbel 34 der Fluidströmung bildet. Gemäß der 4a ist ein stromaufwärtiger Sensor 12, 14 dargestellt, bei dem sich der Wirbel 34 hin zu einer kleineren Seite 36 der Nische 32 dreht. Gemäß 4b ist ein stromabwärtiger Sensor 12, 14 dargestellt, der mit dem Sensor 12, 14 aus 4a kommuniziert. Hierbei dreht sich ein Wirbel 38 hin zur großen Seite 40 der Nische 32. Der Wirbel 34 des stromaufwärtigen Sensors 12, 14 dreht sich in eine entgegengesetzte Richtung im Vergleich zum Wirbel 38 des stromabwärtigen Sensors 12, 14.
-
Gemäß 4a erstreckt sich ein in den Innenraum mündender Mündungsabschnitt der Aussparung 18 etwa in Radialrichtung. Alternativ kann der Mündungsabschnitt eine entsprechende Schräge wie die übrige Aussparung 18 aufweisen.
-
5 zeigt den Sensor 12, 14, der sich gemäß 3 in Radialrichtung erstreckt und in die in Radialrichtung eingebrachte Aussparung 30 eingesetzt ist. Der Sensor 12, 14 ist hierbei im Unterschied zur 3 vollständig in der Aussparung 30 angeordnet.
-
Gemäß 6a ist ein entsprechend der 3 ausgebildeter Sensor 12, 14 dargestellt. Dieser kragt mit seinem Sensorkopf 31 in den Innenraum des Rohrabschnitts 2 ein. Hierdurch bildet sich stromaufwärts des Sensors 12, 14 ein Wirbel 42 und stromabwärts des Sensors 12, 14 ein weiterer Wirbel 44. Der stromabwärtige, mit dem Sensor 12, 14 aus 6a kommunizierender Sensor 12, 14 ist in 6b dargestellt. Dessen Abstrahlfläche 28 weist etwa entgegen der Strömungsrichtung, womit sie als eine Art Rampe für die Fluidströmung wirkt. Stromaufwärts des Sensors 12, 14 bildet sich somit kein Wirbel. Lediglich stromabwärts des Sensors 12, 14 ist ein Wirbel 46 ausgebildet, der entgegengesetzte zu dem Wirbel 42, 44 aus 6A orientiert ist.
-
Die Sensoren 12, 14 aus den 1 bis 6b führen zu dem Eindringungsfehler. Dieser ist abhängig von der Anordnung der Sensoren 12, 14, von deren Größe und von einem Rohrdurchmesser des Rohrabschnitts 2. Des Weiteren hat sich gezeigt, dass sich der Eindringungsfehler durch eine Anströmrichtung der Fluidströmung ändern kann. So ist beispielsweise in den 6a und 6b eine geradlinige Fluidströmung 48 dargestellt, die im Wesentlichen in Längsrichtung des Rohrabschnitts 2 strömt. Gemäß 7 ist dagegen die Vorrichtung 1 stromabwärts eines 90-Grad-Krümmers 50 angeordnet. Die Fluidströmung 48 tritt hierbei nicht mehr parallel zur Längsrichtung des Rohrabschnitts 2 in die Vorrichtung 1 ein, sondern strömt schräg zur Längserstreckung ein. Es hat sich gezeigt, dass hierbei ein völlig anderer Eindringungsfehler als bei einer geradlinigen Fluidströmung 48, wie in der 6a und 6b gezeigt, eintritt. Da die Vorrichtung 1 zumindest vier Sensoren 12, 14 aufweist, kann ein Vektor der Fluidströmung 48 ermittelt werden. Somit ist eine Anströmrichtung der Fluidströmung 48 durch die Sensoren 12, 14 ermittelbar. Daraus wird ein Korrekturwert zur Korrektur des Eindringungsfehlers bestimmt. Zusätzlich wird die Reynoldszahl des Rohrabschnitts 2 bei Bestimmen des Korrekturwerts berücksichtigt. Da durch die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 der Eindringungsfehler zusätzlich hinsichtlich der Anströmrichtung der Fluidströmung auf die Sensoren 12, 14 ermittelt wird, ist es nicht mehr notwendig, die Vorrichtung 1 derart anzuordnen, dass die Fluidströmung 48 geradlinig den Rohrabschnitt 2, also in Richtung von dessen Längsachse, durchströmt.
-
Gemäß 7 kann die Ermittlung des Vektors und das Bestimmen des Korrekturwerts durch eine „Electronic Control Unit“ (ECU) 52 erfolgen. Diese kann einen Prozessor und einen Speicher aufweisen, wobei auf den Speicher der Korrekturwert hinterlegbar ist. Hierdurch ist es ausreichend, bei einer gleichbleibenden Einbausituation der Vorrichtung 1 den Korrekturwert initial nur ein einziges Mal zu bestimmen und anschließend in der ECU 52 zu hinterlegen.
-
Gemäß 7 ist ersichtlich, dass sich die Schallpfade 16 in einer Richtung senkrecht zu den Sensorebenen gesehen überkreuzen.
-
Gemäß 8 ist das erfindungsgemäße Verfahren zur Korrektur des Eindringungsfehlers dargestellt. In einem ersten Schritt 54 wird der Vektor der Fluidströmung 48, siehe auch 7, in einem Sensorbereich der Sensoren 12, 14 ermittelt. Aus dem ermittelten Vektor 56 wird unter Heranziehung der Reynoldszahl 58 in einem zweiten Schritt 60 der Korrekturwert zur Korrektur des Eindringungsfehlers bestimmt. Der Korrekturwert 62 wird dann in einem dritten Schritt 64 in der ECU 52 aus 7 gespeichert.
-
Offenbart ist eine Vorrichtung zur Durchflussmessung einer Fluidströmung eines Fluids durch ein Rohr. Die Vorrichtung hat zumindest vier Sensoren, über die ein Vektor der Fluidströmung ermittelbar ist. Über den Vektor ist ein Korrekturwert zur Korrektur eines Eindringungsfehlers, der durch die mit dem Fluid in Kontakt stehenden Sensoren verursacht wird, bestimmbar.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Vorrichtung
- 2
- Rohrabschnitt
- 4
- Sensorpaar
- 6
- Sensorpaar
- 8
- Sensorpaar
- 10
- Sensorpaar
- 12
- Sensor
- 14
- Sensor
- 16
- Schallpfad
- 18
- Aussparung
- 20
- Rohrwandung
- 22
- Längsachse
- 24
- Sensorkopf
- 26
- Rohrinnenwandung
- 28
- Abstrahlfläche
- 30
- Aussparung
- 31
- Sensorkopf
- 32
- Nische
- 34
- Wirbel
- 36
- Seite
- 38
- Wirbel
- 40
- Seite
- 42
- Wirbel
- 44
- Wirbel
- 46
- Wirbel
- 48
- Fluidströmung
- 50
- Krümmer
- 52
- ECU
- 54
- erster Schritt
- 56
- Vektor
- 58
- Reynoldszahl
- 60
- zweiter Schritt
- 62
- Korrekturwert
- 64
- dritter Schritt
