DE102016119541A1

DE102016119541A1 - Vorrichtung zur Bestimmung eines Durchflusses

Info

Publication number: DE102016119541A1
Application number: DE102016119541.3A
Authority: DE
Inventors: Heinerich Hagenmeyer; Michel Touzin; Wolfgang Drahm
Original assignee: Endress and Hauser Flowtec AG; Flowtec AG
Current assignee: Endress and Hauser Flowtec AG
Priority date: 2016-10-13
Filing date: 2016-10-13
Publication date: 2018-04-19
Also published as: WO2018068942A1

Abstract

Vorrichtung zur Bestimmung eines Durchflusses, insbesondere eines Massendurchflusses, einer feststoffbeladenen Flüssigkeit (12) zumindest aufweisend:ein Messrohr (2, 3, 4) zum Führen der Flüssigkeit (12);eine magnetisch induktive Durchflussmesseinrichtung (1), welche einen Volumendurchfluss der Flüssigkeit (12) durch das Messrohr (2, 3, 4) bestimmt;eine Wägeeinrichtung (6, 7, 8, 9), welche eine Masse der in dem Messrohr (2, 3, 4) befindlichen Flüssigkeit (12) bestimmt;

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Durchflusses, insbesondere eines Massendurchflusses, einer feststoffbeladenen Flüssigkeit.
Bekannte Durchflussmesssysteme zur Bestimmung eines Durchflusses einer feststoffbeladenen Flüssigkeit, beispielsweise einer Schlemme, auch „slurry“ genannt, verwenden üblicherweise berührungslos arbeitende Messgeräte und keine Geräte oder Geräteteile, die der feststoffbeladenen Flüssigkeit und damit ihrer abrasiven Wirkung ausgesetzt sind. Heutzutage werden überwiegend Gammadichtemessgeräte hierfür eingesetzt, die die Dichte der Schlemme messen. Typischerweise finden derartige Messungen bei Prozessen in Minen, auf Baggerschiffen und auch in der Chemie und Papierindustrie statt.
Nachteilig an solchen Gammadichtemessgeräten ist, dass die Funktionsweise auf radioaktiven Isotopen basiert, und daher aufwendige Regularien erfüllt werden müssen.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Durchflusses vorzuschlagen, die aufgrund ihres technischen Aufbaus weniger aufwendigen Regularien genügen muss.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Durchflusses, insbesondere eines Massendurchflusses, einer feststoffbeladenen Flüssigkeit gelöst, wobei die Vorrichtung zumindest folgendes aufweist:

- ein Messrohr zum Führen der Flüssigkeit;
- eine magnetisch induktive Durchflussmesseinrichtung, welche einen Volumendurchfluss der Flüssigkeit durch das Messrohr bestimmt;
- eine Wägeeinrichtung, welche eine Masse der in dem Messrohr befindlichen Flüssigkeit bestimmt;
- eine Auswerteeinheit, welche anhand des bestimmten Volumendurchflusses und der bestimmten Masse den Massendurchfluss der Flüssigkeit ermittelt.

Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung vorgeschlagen, die mittels einer magnetisch induktiven Durchflussmesseinrichtung einen Volumendurchfluss einer durch ein Messrohr strömenden feststoffbeladenen Flüssigkeit bestimmt und gleichzeitig über eine Wägeeinrichtung die Masse der in dem Messrohr befindlichen Flüssigkeit bestimmt, umso einen Massendurchfluss ermitteln zu können.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Messrohr zwei endseitig befindliche Rohrfederabschnitte aufweist, so dass ein Innerer Teil des Messrohrs mit einem Zulaufrohr bzw. mit einem Ablaufrohr über die Rohrfederabschnitte verbindbar ist, wobei die Rohrfederabschnitte jeweils wenigstens zwei Ausnehmungen, vorzugsweise in Form wenigstens eines Schlitzpaares, aufweisen. Insbesondere sieht die Ausgestaltung vor, dass über eine Dimensionierung der Ausnehmungen eine Federsteifigkeit des jeweiligen Rohrfederabschnittes so eingestellt ist, dass die Federsteifigkeit der beiden Rohrfederabschnitte eine geringere Steifigkeit aufweist als eine Steifigkeit der Wägeeinrichtung.
Ferner kann die Ausgestaltung vorsehen, dass die Dimensionierung der Ausnehmungen ferner derartig gewählt ist, dass sich der Innere Teil des Messrohres aus einer Ruhelage, bei der sich der Innere Teil des Messrohres befindet, wenn das Messrohr nicht mit der Flüssigkeit durchströmt wird, herausbewegt, wenn das Messrohr mit der Flüssigkeit durchströmt wird und/oder dass zumindest der Innere Teil des Messrohrs und die Rohrfederabschnitte mit einem elastischen, vorzugsweise einem einen Gummi aufweisenden Liner ausgekleidet sind und/oder die Ausnehmungen in axialer Richtung zueinander versetzt sind und derartig ausgebildet sind, dass zumindest zwei benachbarte Ausnehmungen mit einem Endbereich in azimuthaler Richtung überlappen.
Ferner kann die Ausgestaltung auch vorsehen, dass die Rohrfederabschnitte und der Innere Teil des Messrohrs aus einem einstückigen Material hergestellt sind oder die Rohrfederabschnitte und der Innere Teil des Messrohres miteinander gefügt sind.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Wägeeinrichtung einen Kraftsensor aufweist, welcher mit dem Messrohr mechanisch verbunden ist und zur Bestimmung der Masse eine Kraft auf den Inneren Teil des Messrohres ermittelt, so dass die Wägeeinrichtung anhand der Kraft die in dem Inneren Teil des Messrohres befindlichen Flüssigkeit bestimmt.
Eine alternative Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass zumindest einer der beiden Rohrfederabschnitte einen Dehnungsmesstreifen aufweist, welcher eine Verformung auf den zumindest einen Rohrfederabschnitt ermittelt, und wobei die Wägeeinrichtung anhand der Verformung die Masse der in dem Inneren Teil des Messrohres befindlichen Flüssigkeit bestimmt.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass in der Auswerteeinheit druckabhängige Kennlinien hinterlegt sind und die Auswerteeinheit den Massendurchfluss der Flüssigkeit druckabhängig ermittelt.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

1: eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
2: einen Ausschnitt der endseitig modifizierten Rohrabschnitte bzw. Rohrfedern, und
3: eine Schnittansicht A-A entsprechend der in 2 dargestellten Schnittebene.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung eines Massendurchflusses einer strömenden feststoffbeladenen Flüssigkeit 12. Derartige Flüssigkeiten 12 können prinzipiell jegliche fließfähige elektrisch leitfähige Flüssigkeiten darstellen, insbesondere auch in Wasser gelöste Schüttgute.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst ein Messrohr 2, 3, 4 durch welches die Flüssigkeit 12 fliest, eine Wägeeinrichtung 7, die mit einem inneren Teil des Messrohrs 2 mechanisch verbunden ist, eine magnetisch induktive Durchflussmesseinrichtung 1 mit einer entsprechenden Auswerteeinheit 14.
Als magnetisch induktive Durchflussmesseinrichtung 1 kann bspw. ein aus dem Stand der Technik bekannter magnetisch induktiver Durchflussmesser eingesetzt werden. Dieser umfasst neben dem Messrohr, welches vorzugsweise Metall aufweist, eine Einheit zur Erzeugung eines Magnetfelds, welches das Messrohr durchsetzt, zumindest zwei am Messrohr gegenüberliegende, quer zum Magnetfeld angeordnete Messelektroden, die zur Erfassung der induktiv erzeugten Messspannung vorgesehen sind, umso anhand der Messspannung ein Durchflusswert bzw. ein Durchflusssignal für die strömende Flüssigkeit zu ermitteln.
Die Wägeeinrichtung 7, kann bspw. einen Kraftsensor, der mechanisch mit dem inneren Teil des Messrohrs 2, bspw. über ein Verbindungsstück 6 verbunden ist, umfassen. Hierzu weist die Wägeeinrichtung 7 einen starren Trägerrahmen 8 für den Kraftsensor auf. Der Trägerrahmen 8 ist beispielsweise mit dem äußeren Teil des Messrohres 4 mechanisch verbunden. Der Kraftsensor ist ebenfalls mechanisch mit dem Trägerrahmen verbunden und vorzugsweise in Richtung der Erdbeschleunigung g ausgerichtet. Auf diese Weise misst der Kraftsensor eine Kraft, welche im Wesentlichen einer Gewichtskraft, die auf den Inneren Teil des Messrohres wirkt, umfasst. Zur Bestimmung der Masse wird vorzugsweise die Kraft auf das Messrohr ohne Flüssigkeit mit der Kraft auf das Messrohr mit Flüssigkeit in Relation gesetzt.
Damit die Wägeeinrichtung eine Auslenkung des Messrohres 2 aufgrund der Masse der Flüssigkeit messen kann, ist das Messrohr 2 beweglich an einem ersten Ende mit einem Zuflussrohr 10 und an einem zweiten Ende mit einem Abflussrohr 11 verbunden. Hierzu kann die Vorrichtung jeweils einen Gummipuffer rechts und links des Messrohres aufweisen, die das Messrohr flexibel in einer zur axialen Achse vertikalen Richtung lagern. Ferner können zwei in axialer Richtung steife Platten, vorzugsweise Stahlplatten, vorgesehen sein, von denen jeweils eine parallel zu dem entsprechenden Gummipuffer rechts und links des Messrohres angeordnet ist, und die Stahlplatten derartig ausgebildet sind, dass eine Bewegung des Messrohres 2 in axialer Richtung verhindert bzw. erschwert wird, wohingegen die Auslenkung in vertikaler Richtung weitestgehend ungehindert erfolgen kann.
Alternativ kann die Vorrichtung statt der Gummipuffer auch zwei Rohrfedern 3, 3' aufweisen. Rohrfedern bieten den Vorteil, dass eine ungewollte Bewegung des Messrohres in axialer Richtung vermieden wird, aber gleichzeitig bei richtiger Dimensionierung eine Bewegung in vertikaler Richtung möglich ist.
Die Rohrfedern 3 und 3' sind hierzu an einem ersten Ende des Messrohrs und an einem zweiten Ende des Messrohres angeordnet, wobei die Rohrfedern 3, 3' und das Messrohr vorzugsweise einstückig ausgebildet sind, d.h. die Rohrfedern sind endseitig jeweils in das Messrohr präpariert. Das Messrohr weist vorzugsweise ein Metall auf und zur Herstellung der Rohrfedern kann bspw. ein Wasserstrahlschneidverfahren zum Erzeugen der Ausnehmungen eingesetzt werden. Denkbar sind natürlich auch andere aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren zum Präparieren des metallischen Messrohres. Mittels dem Verfahren zum Präparieren der Rohrfedern werden die Ausnehmungen 15 so dimensioniert, dass eine Federsteifigkeit c des jeweiligen Rohrfederabschnittes bzw. der Rohrfeder so eingestellt ist, dass die Federsteifigkeit der beiden Rohrfederabschnitte eine geringere Steifigkeit aufweisen als eine Steifigkeit der Wägeeinrichtung, so dass sich der Innere Teil des Messrohres 2 aus einer Ruhelage, in der sich der Innere Teil des Messrohres 2 befindet, wenn das Messrohr 2, 3, 4 nicht mit der Flüssigkeit 12 durchströmt bzw. befüllt wird, herausbewegt, wenn das Messrohr 2, 3, 4 mit der Flüssigkeit 12 durchströmt bzw. befüllt wird.
Die Auswerteeinheit 15 bestimmt ausgehend von der ermittelten Masse und des Durchflusswertes einen Massendurchflusswert. In der Auswerteeinheit 15 können druckabhängige Kennlinien hinterlegt sein, so dass die Auswerteeinheit 15 den Massendurchfluss der Flüssigkeit 12 druckabhängig ermitteln kann.
2 zeigt einen Ausschnitt der endseitig modifizierten Rohrabschnitte bzw. Rohrfedern 3, 3' und 3 eine Schnittansicht A-A entsprechend der in 2 dargestellten Schnittebene. Die Federsteifigkeit der Rohrfedern c kann durch die Abmessungen des Schlitzpaares bzw. der beiden Ausnehmungen 15 derartig dimensioniert werden, dass die Rohrfedern 3, 3' relativ weich in Bezug zur Steifigkeit der Wägezelle 7 ist. Auf diese Weise kann der systematische Fehler aufgrund des Kraftnebenschlusses klein gehalten werden.
Zur Dimensionierung der Federsteifigkeit der Rohrfedern c = F/H werden die Abmessungen der Ausnehmungen der Rohrfedern gezielt gewählt. Ausgehend von der Gleichung c = F/H, wobei F der Kraft auf ein Balkenende und H der Verschiebung des Balkenendes aufgrund der Kraft F entspricht, und der Verschiebung des Balkenendes aufgrund der Kraft, welche sich zu H = F·U³/(12·E·I), ergibt, wobei U der resultierenden Balkenlänge, E dem E-Modul und I dem Flächenmoment entspricht, folgt, dass die Steifigkeit c = (12·E·I)/U³ ist. Über das Flächenmoment I = (r·W³)/12 ergibt sich somit folgende Dimensionierungsgleichung für die Rohrfeder: c = (E·r·W³)/U³, wobei r der verbleibenden Balkenbreite zwischen den beiden Ausnehmungen entspricht, und W der Wandstärke des Rohres.
Bezugszeichenliste

1: Magnetisch induktive Durchflussmesseinrichtung
2: Innerer Teil des Messrohres
3, 3': Rohrfederabschnitte
4: Äußerer Teil des Messrohres
5: Liner der magnetisch induktiven Durchflussmesseinrichtung
6: Verbindungsstück zwischen dem Inneren Teil des Messrohres und der Wäge Zelle
7: Wäge Zelle
8: Starrer Trägerrahmen für Wäge Zelle / äußerer Teil des Messrohres
9: Befestigung Trägerrahmen / Umgebung
10: Zulaufrohr mit Flansch zur Verbindung mit dem äußerem Teil des Messrohrs
11: Ablaufrohr mit Flansch zur Verbindung mit dem äußerem Teil des Messrohrs
12: Feststoffbeladenen Flüssigkeit bzw. Fluid mit unbekanntem Feststoffanteil
13: Erdbeschleunigung
14: Auswerteeinheit
15: Ausnehmungen der Rohrfedern
DN: Rohraußendurchmesser
W: Wandstärke
S: Abstand Schlitzpaar
T: Schlitzbreite
r: verbleibende Balkenbreite
U: resultierende Balkenlänge
F: Kraft auf ein Balkenende
I: Flächenmoment
E: E-Modul
H: Verschiebung des Balkenendes aufgrund der Kraft
c: Federsteifigkeit

Claims

Vorrichtung zur Bestimmung eines Durchflusses, insbesondere eines Massendurchflusses, einer feststoffbeladenen Flüssigkeit (12) zumindest aufweisend: - ein Messrohr (2, 3, 4) zum Führen der Flüssigkeit (12); - eine magnetisch induktive Durchflussmesseinrichtung (1), welche einen Volumendurchfluss der Flüssigkeit (12) durch das Messrohr (2, 3, 4) bestimmt; - eine Wägeeinrichtung (6, 7, 8, 9), welche eine Masse der in dem Messrohr (2, 3, 4) befindlichen Flüssigkeit (12) bestimmt; - eine Auswerteeinheit (14), welche anhand des bestimmten Volumendurchflusses und der bestimmten Masse den Massendurchfluss der Flüssigkeit (12) ermittelt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Messrohr (2, 3, 4) zwei endseitig befindliche Rohrfederabschnitte (3, 3') aufweist, so dass ein Innerer Teil des Messrohrs (2) mit einem Zulaufrohr (10) bzw. mit einem Ablaufrohr (11) über die Rohrfederabschnitte (3, 3') verbindbar ist, wobei die Rohrfederabschnitte (3, 3') jeweils wenigstens zwei Ausnehmungen (15), vorzugsweise in Form wenigstens eines Schlitzpaares, aufweisen.
Vorrichtung nach dem vorherigen Anspruch, wobei über eine Dimensionierung der Ausnehmungen (15) eine Federsteifigkeit des jeweiligen Rohrfederabschnittes (3, 3') so eingestellt ist, dass die Federsteifigkeit der beiden Rohrfederabschnitte (3, 3') eine geringere Steifigkeit aufweist als eine Steifigkeit der Wägeeinrichtung.
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Dimensionierung der Ausnehmungen (15) ferner derartig gewählt ist, dass sich der Innere Teil des Messrohres (2) aus einer Ruhelage, bei der sich der Innere Teil des Messrohres (2) befindet, wenn das Messrohr (2, 3, 4) nicht mit der Flüssigkeit (12) durchströmt wird, herausbewegt, wenn das Messrohr (2, 3, 4) mit der Flüssigkeit (12) durchströmt wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei zumindest der Innere Teil des Messrohrs (2) und die Rohrfederabschnitte (3, 3') mit einem elastischen, vorzugsweise einem einen Gummi aufweisenden Liner (5) ausgekleidet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei die Ausnehmungen (3, 3') in axialer Richtung zueinander versetzt sind und derartig ausgebildet sind, dass zumindest zwei benachbarte Ausnehmungen mit einem Endbereich in azimuthaler Richtung überlappen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei die Rohrfederabschnitte (3, 3') und der Innere Teil des Messrohrs (2) aus einem einstückigen Material hergestellt sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei die Rohrfederabschnitte (3, 3') und der Innere Teil des Messrohres (2) miteinander gefügt sind.
Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 2 bis 8, wobei die Wägeeinrichtung (6, 7, 8, 9) einen Kraftsensor aufweist, welcher mit dem Messrohr mechanisch verbunden ist und zur Bestimmung der Masse eine Kraft auf den Inneren Teil des Messrohres (2) ermittelt, so dass die Wägeeinrichtung anhand der Kraft die in dem Inneren Teil des Messrohres (2) befindlichen Flüssigkeit (12) bestimmt.
Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 2 bis 8, wobei zumindest einer der beiden Rohrfederabschnitte (3, 3') einen Dehnungsmesstreifen aufweist, welcher eine Verformung auf den zumindest einen Rohrfederabschnitt ermittelt, und wobei die Wägeeinrichtung (6, 7, 8, 9) anhand der Verformung die Masse der in dem Inneren Teil des Messrohres (2) befindlichen Flüssigkeit (12) bestimmt.
Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 2 bis 10, wobei in der Auswerteeinheit (14) druckabhängige Kennlinien hinterlegt sind und die Auswerteeinheit (14) den Massendurchfluss der Flüssigkeit (12) druckabhängig ermittelt.