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Die Erfindung betrifft einen Wirkdruckgeber mit einem rohrähnlichen Gehäuse, das zwischen einem ersten und einem zweiten Anschlusselement angeordnet ist, wobei es vorgesehen ist, dass ein Fluid durch das erste Anschlusselement dem Gehäuse zuströmt und durch das zweite Anschlusselement abströmt, wobei das Gehäuse in Strömungsrichtung des Fluids gesehen zunächst einen Zuströmabschnitt mit einem ersten Strömungsquerschnitt aufweist, nachfolgend einen Diffusorabschnitt mit einem sich kontinuierlich bis zu einem zweiten Strömungsquerschnitt vergrößerndem Strömungsquerschnitt aufweist, nachfolgend einen Konfusorabschnitt mit einem sich kontinuierlich bis zum ersten Strömungsquerschnitt verkleinerndem Strömungsquerschnitt aufweist, und nachfolgend ein Abströmabschnitt mit dem ersten Strömungsquerschnitt aufweist, wobei am Umfang des Gehäuses im Zuströmabschnitt oder im Abströmabschnitt wenigstens eine erste Druckabnahmeausnehmung angeordnet ist, wobei am Umfang des Gehäuses im Bereich des zweiten Strömungsquerschnitts wenigstens eine zweite Druckabnahmeausnehmung angeordnet ist.
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Es ist allgemein bekannt, dass zur Volumenstrombestimmung von Fluiden, also Gasen oder Flüssigkeiten, Wirkdruckgeber eingesetzt werden. Die am häufigsten verwendete Bauform von Wirkdruckgebern beruht darauf, den Querschnitt eines in einer Rohrleitung strömenden Mediums zunächst zu verengen und das strömende Medium auf diese Weise zu beschleunigen. Dabei werden die Drücke in der Fluidströmung bei dem ursprünglichen Rohrleitungsquerschnitt und bei verengtem Querschnitt gemessen und hieraus der Volumenstrom abgeleitet. Durch zusätzliches weiteres Messen von Prozessgrößen, zum Beispiel der Temperatur, und bei Bekanntheit der stofflichen Fluidzusammensetzung ist es auch möglich, den Massenstrom der Fluidströmung zu berechnen. Übliche Bauformen für diese Art von Wirkdruckgebern sind Messblenden, Messdüsen oder Venturirohre. Jede dieser Bauformen hat verschiedene Nachteile. Beispielsweise liefert eine Messblende eine vergleichsweise hohe Messgenauigkeit, verursacht jedoch einen vergleichsweise hohen unerwünschten Druckabfall im Fluid. Bei der Verwendung von Messdüsen ist der Druckverlust im Fluid zwar verringert im Vergleich zu den Messblenden, jedoch ist die erzielbare Messgenauigkeit vergleichsweise schlechter als bei den Messblenden. Bei einem Venturirohr ist der Druckverlust zwar vergleichsweise gering, dafür muss bei diesem Messprinzip mit einer vergleichsweise geringen Messgenauigkeit akzeptiert werden.
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Aus der
DE 196 48 588 C1 ist ein Wirkdruckgeber mit einer völlig anderen Bauform bekannt geworden, bei dem sich der Durchmesser der Messstrecke vom Durchmesser einer Einströmseite zunächst vergrößert, der Fluidstrom also zunächst verlangsamt wird. Nach der Erweiterung des Durchmessers der Messvorrichtung wird der Durchmesser wieder auf einen Ausströmdurchmesser verkleinert. Bei diesem Wirkdruckgeber werden Drücke an Messumfängen an der Einströmseite, der Ausströmseite und am Umfang des größten Durchmessers gemessen. Der vorgeschlagene Wirkdruckgeber weist dabei eine Vielzahl von Bohrungen in den verschiedenen Messebenen auf, die den Innenbereich des Wirkdruckgebers mit einem zum Wirkdruckgebergehäuse gehörenden Druckmesskanal in der entsprechenden Messebene zur Druckvergleichmäßigung verbinden. Erst in einer Bohrung im jeweiligen Druckmesskanal wird der Druck in der Messebene dann gemessen. Diese Maßnahmen führen zu einer indirekten Druckmessung des Wirkdruckgeberinnendrucks durch die Druckmessung in einem Druckmesskanal. Nachteilig dabei ist es, dass der Wirkdruckgeber vergleichsweise kompliziert aufgebaut ist und die Vielzahl der Bohrungen vor einem Eindringen von Schmutzpartikeln zu schützen sind, die vom Fluid mitgeführt werden können. Dieser Schutz wird durch einen zylindrischen Schutzeinsatz gewährleistet. Weiterhin ist nachteilig, dass der Schutzeinsatz einen unerwünschten Druckverlust verursacht, der den Druckverlust des Wirkdruckgebers zusätzlich erhöht.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, einen Wirkdruckgeber anzugeben, der einen besonders geringen Druckverlust hat.
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Die Aufgabe wird gelöst durch einen Wirkdruckgeber der eingangs genannten Art. Dieser ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten Anschlusselement und dem Zuströmabschnitt ein Ausgleichsrohr angeordnet ist, und dass ein Verhältnis zwischen einer Ausgleichsrohrlänge des Ausgleichsrohres und einem Rohrinnenmaß wenigstens 2,5 beträgt.
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Die Grundidee der Erfindung besteht darin, einen Wirkdruckgeber anzugeben, dessen strömungsführende Bauelemente einen möglichst kleinen Druckverlust aufweisen. Dazu ist der Einsatz von druckverlusterzeugenden Einbauteilen in der Strömung des Fluids im durchströmten inneren Bereich des Wirkdruckgebers vermieden. Der Druckverlust durch den erfindungsgemäßen Wirkdruckgeber ist auf diese Weise minimiert. Als Fluid ist dabei ein gasförmiges, ein flüssiges oder ein dampfförmiges Medium gemeint. Gemäß dem Stand der Technik sind jeweils Einbauteile im inneren Bereich des Wirkdruckgebers notwendig, um zum Beispiel die Strömung des Mediums für eine ausreichend gute Messqualität zu beeinflussen, oder ein Verschmutzen einer Vielzahl von Löchern zur indirekten Druckmessung in der Gehäusewand des Wirkdruckgebers durch ein Schmutzsieb zu verhindern.
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Es hat sich zudem herausgestellt, dass sich mit dem Anordnen des Ausgleichrohres in Strömungsrichtung vor dem Gehäuse die Strömung derart günstig beeinflussbar macht, dass eine Messgenauigkeit erzielbar ist, die kalibrierbar und eichfähig ist. Es hat sich des Weiteren herausgestellt, dass je nach Fluid bereits bei einem Verhältnis zwischen einer Rohrlänge des Ausgleichsrohres und einem Rohrinnenmaß von 2,5 eine für eine Eichung ausreichende Messqualität erzielbar ist. Bei einem Verhältnis von 3 ist die Messqualität weiter verbessert. Beträgt das Verhältnis zwischen 4 und 6 wird ein Optimum an Messqualität bei gleichzeitig minimalem durch das Ausgleichsrohr verursachten Druckverlust erreicht. Bei einem Verhältnis größer als 6 ergibt sich keine erkennbare Verbesserung der Messgenauigkeit beziehungsweise der Messqualität, wobei der Druckverlust durch ein entsprechend längeres Ausgleichsrohr dementsprechend steigt.
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Die Strömungsquerschnitte im ersten und zweiten Anschlusselement, im Ausgleichsrohr und im Gehäuse können grundsätzlich verschiedene Formen aufweisen, zum Beispiel kreisförmig, elliptisch, quadratisch, rechteckig, sechseckig, trapezförmig oder andersförmig sein. Als Innenmaß oder Rohrinnenmaß ist dabei ein für den Strömungsquerschnitt typisches Maß anzusehen, zum Beispiel für ein Rohrstück mit kreisförmigem Strömungsquerschnitt ist als Rohrinnenmaß der Innendurchmesser des Rohrs gemeint, für ein Rohr mit quadratischem oder rechteckigem Strömungsquerschnitt ist die Diagonale des Querschnitts des Rohrinneren als Rohrinnenmaß heranzuziehen, für ein Rohr mit vieleckigem Strömungsquerschnitt ist ebenfalls eine Diagonale des Querschnitts des Rohrinneren als Rohrinnenmaß heranzuziehen und für ein Rohr mit einem trapezförmigen Strömungsquerschnitt ist als Rohrinnenmaß ebenfalls die Diagonale des Strömungsquerschnitts gemeint.
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Durch die Anordnung eines Ausgleichsrohrs und eines Gehäuses zwischen einem ersten und einem zweiten Anschlusselement zu einem Wirkdruckgeber, ist auch dessen Aufbau in vorteilhafter Weise vereinfacht. Eine weitere Verbesserung des erfindungsgemäßen Wirkdruckgebers besteht darin, dass die Druckabnahmeausnehmungen so ausgestaltet sind, dass eine Druckmessung unmittelbar an diesen erfolgt. Eine sonst notwendige Druckvergleichmäßigung über eine Vielzahl von Druckmesslöchern und einem zusätzlichen Druckmessringraum ist vermieden.
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Der erfindungsgemäße Wirkdruckgeber ist zum Einbau in Rohrleitungen unterschiedlicher Rohrinnenmaße, beispielsweise Durchmesser, anpassbar. Dabei ist der Wirkdruckgeber prinzipiell bei allen Rohrleitungsinnenmaßen einsetzbar, zum Beispiel für runde Rohre ab einem Rohrinnenmaß, nämlich einem Durchmesser von 1mm. Zudem erweist sich der besonders einfache Aufbau insbesondere ab einem Nenndurchmesser von DN80 als vorteilhaft, da die Herstellung von kleinen Wirkdruckgebern jeder Bauart zwar vergleichsweise einfach ist, jedoch steigt mit dem Nenndurchmesser der Fertigungsaufwand überproportional. So ist die Fertigung von erfindungsgemäßen Wirkdruckgebern der Größe DN300, DN500 oder DN1000 mit einfachen Grundkörpern ohne Einbauten vergleichsweise einfach zu realisieren. Die sonst üblichen passgenauen Einbauten anderer Wirkdruckgeberarten, wie Siebe oder Strömungsgleichrichter, erfordern hingegen einen entsprechend überproportional hohen Fertigungsaufwand gerade bei großen Nenndurchmessern.
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Für eine Druckmessung ist es ausreichend, dass genau eine erste und genau eine zweite Druckabnahmeausnehmung vorhanden sind. Es gibt aber auch Einsatzfälle für den Wirkdruckgeber, bei denen zum Beispiel aus Redundanzgründen mehrere unabhängige Messstellen für eine Druckmessung gewünscht sind. Dann werden 2, 3 oder auch 4 erste und / oder zweite Druckabnahmeausnehmungen über den Umfang des Gehäuses im jeweiligen Gehäuseabschnitt, also im Zuströmabschnitt, im Abströmabschnitt oder im. Gehäuseabschnitt, mit dem größten Strömungsquerschnitt - beim zweiten Strömungsquerschnitt - verteilt. Damit lassen sich Redundanzen von zum Beispiel 1 aus 2, 2 aus 3 oder 3 aus 4 realisieren.
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Es ist erfindungsgemäß auch vorgesehen, dass beim Wirkdruckgeber im Zuströmabschnitt oder im Abströmabschnitt wenigstens eine dritte Druckabnahmeausnehmung angeordnet ist, so dass der Zuströmabschnitt und der Abströmabschnitt entweder die wenigstens eine zweite oder die wenigstens eine dritte Druckabnahmeausnehmung aufweist.
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Auf diese Weise ist sichergestellt, dass wenigstens eine Druckabnahmeausnehmung sowohl im Zuströmabschnitt als auch im Abströmabschnitt vorhanden ist. Auf diese Weise ist eine Redundanz bei der Druckmessung ermöglicht. Zudem können Vergleichsmessungen zwischen Zuströmabschnitt und Abströmabschnitt durchgeführt werden, ebenso wie unterschiedliche Differenzdruckbildungen, nämlich der Differenzdruck zwischen dem Druck an der zweiten und der ersten Druckabnahmeausnehmung oder zwischen dem Druck an der zweiten und der dritten Druckabnahmeausnehmung.
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Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Wirkdruckgebers ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Quotient von einem maximalen Innenmaß des Gehäuses zu einem ersten Innenmaß des Zuströmabschnittes wenigstens 1,2 und höchstens 2,5, idealerweise jedoch 1,5 beträgt. Dabei ist das als zweites oder maximales Innenmaß bezeichnete Innenmaß das des zweiten Strömungsquerschnitts und das erste Innenmaß ist das Innenmaß des ersten Strömungsquerschnitts.
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Eine weitere Verbesserung des Wirkdruckgebers wird erzielt, wenn ein Innenbereich des Gehäuses den vorstehend beschriebenen Quotienten aufweist. Dabei ist es vorgesehen, dass eine Schnittlinie der Mantelfläche einer Innenseite des Wirkdruckgebers mit jeweils einer Ebene senkrecht zu jedem Punkt entlang einer gedachten Mittellinie entlang seiner Längserstreckung, also entlang dem ersten Anschlusselement, dem Ausgleichsrohr, dem Gehäuse und dem zweiten Anschlusselement, jeweils kreisförmig ist. Derart ist zu jedem dieser Punkte entlang der gedachten Mittellinie der dort vorhandene Strömungsquerschnitt durch den jeweiligen Innendurchmesser an dieser Stelle angebbar beziehungsweise berechenbar.
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Besonders vorteilhafte Strömungsverhältnisse für die Druckmessungen stellen sich dann ein, wenn das Verhältnis zwischen dem zweiten Innenmaß, der das maximale Innenmaß ist, und dem ersten Innenmaß 1,5 beträgt.
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Weiterhin ist es vorgesehen, den erfindungsgemäßen Wirkdruckgeber so auszugestalten, dass ein Quotient von einer Länge des Diffusorabschnittes zu einer Länge des Konfusorabschnittes in Strömungsrichtung gesehen wenigstens 1 und höchstens 5, vorzugsweise 3,7 ist.
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Durch dieses Merkmal ist es möglich, die Strömung durch das Gehäuse zu beeinflussen und derart die Strömungsbedingungen für die Druckmessungen vorteilhaft zu beeinflussen. Es hat sich herausgestellt, dass es für die Qualität der Druckmessung vorteilhaft ist, wenn der vorstehend genannte Quotient in etwa den Wert von 3,7 annimmt. Wenn der Quotient den Wert 1 einnimmt, sind der Diffusorabschnitt und der Konfusorabschnitt gleich lang. In diesem Fall besteht die Möglichkeit, dass der erfindungsgemäße Wirkdruckgeber für eine bidirektionale Durchströmung geeignet ist, also für eine Messung von Strömungen in beiden möglichen Richtungen durch den Wirkdruckgeber. In den anderen Fällen ist die Durchströmung nur in einer Richtung vorgesehen.
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Zudem ist es vorteilhaft, wenn der Wirkdruckgeber so ausgestaltet ist, dass der Quotient vom zweiten Innenmaß des Gehäuses zur Länge des Diffusorabschnittes wenigstens 0,3 und höchstens 0,5 beträgt. Auch mit dieser Ausgestaltung ist die Strömung für eine verbesserte Messqualität der Druckmessung beeinflussbar.
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Eine weitere Ausgestaltung des Wirkdruckgeber sieht vor, dass zwischen dem Diffusorabschnitt und Konfusorabschnitt ein Messabschnitt zwischengefügt ist, der das zweite Innenmaß aufweist und eine Messabschnittslänge hat, deren maximales Längenmaß dem Wert der Hälfte des ersten Innenmaßes entspricht.
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Auf diese Weise ist ein Messabschnitt des Gehäuses mit einem konstanten zweiten Innenmaß vorgesehen, mit dem es ermöglicht ist, in besonders einfacher Weise die wenigstens eine zweite Druckabnahmeausnehmung anzuordnen. Die wenigstens eine zweite Druckabnahmeausnehmung ist dann nämlich auf der gesamten Länge des Messabschnittes an dessen Umfang anordenbar nicht nur im Bereich des Übergangs zwischen Konfusorabschnitt und Diffusorabschnitt, was die Flexibilität bei der Anordnung der Druckabnahmeausnehmung erhöht.
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Eine Weiterbildung des Wirkdruckgebers ist dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der wenigstens ersten, wenigstens zweiten oder wenigstens dritten Druckabnahmeausnehmungen als Kopplungsausnehmung so ausgestaltet ist, dass diese zum Anschluss eines Kopplungselementes oder zur Einführung von Sensoren zur visuellen Kontrolle, zur geometrischen Vermessung oder zur Kalibration des messtechnisch relevanten Bereiches des Gehäuseinneren geeignet ist.
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Auf diese Weise ist einerseits erreicht, dass die Druckmessung weiterhin unmittelbar an der Druckabnahmeausnehmung erfolgt. Andererseits ist die Kopplungsausnehmung bei Bedarf auf das Anbringen anderer Messwertaufnehmer geeignet oder für das Einführen von Sensoren ausgestaltet.
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Eine weitere technische Alternative des Wirkdruckgebers sieht vor, dass die wenigstens eine Kopplungsausnehmung mit einem Kopplungselement verbunden ist, das eine erste und/oder eine zweite Anschlussausnehmung für einen Druckmesssensor oder eine Wirkdruckleitung eines Druckmessgerätes aufweist oder zum Anschluss oder Einführung von Sensoren geeignet ist.
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Mit einem Kopplungselement sind zum Beispiel standardisierte Druckmessleitungen besonders einfach anschließbar und es ist zudem eine unmittelbare Druckmessung an der Druckabnahmeausnehmung ermöglicht. Zudem sind durch das Kopplungselement gegebenenfalls weitere technische Funktionen ermöglicht. Beispielsweise ermöglicht ein Kopplungselement mit zwei Anschlussausnehmungen, dass einerseits eine Wirkdruckleitung an eine erste Anschlussausnehmung anschließbar ist und andererseits ein Messsensor über eine zweite Anschlussausnehmung in das Gehäuseinnere einführbar ist. Ein besonderer Vorteil liegt dabei darin, dass die Wirkdruckleitung vor dem Einführen des Sensors dann nicht demontiert werden muss.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Wirkdruckgebers mit Kopplungselementen sieht vor, dass eine Anschlussausnehmung durch eine Aussengewindekappe, einen Innengewindestopfen, einen Flanschdeckel, einen Clampdeckel oder ein anderes Verschlusselement verschließbar oder verklebbar oder verschweißbar ist. Auf diese Weise ist eine Anschlussausnehmung besonders leicht verschließbar, wenn diese temporär nicht benötigt wird.
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Der Wirkdruckgeber ist auch dadurch gekennzeichnet, dass das Anschlusselement mit einer Ausgleichsvorrichtung verbunden ist, mit der das freie Volumen in der Wirkdruckleitung veränderbar ist. Auf diese Weise ist es besonders einfach möglich, Messstörungen in der betreffenden Wirkdruckleitung, wie beispielsweise Schwingungen oder Schwebungen des Fluids in der Wirkdruckleitung, durch das Reduzieren des freien Volumens zu vermeiden.
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Weiterhin ist es beim Wirkdruckgeber auch vorgesehen, dass das Anschlusselement mit einer Reinigungsvorrichtung verbunden ist, mit der die mit dem Anschlusselement verbundene Druckabnahmeausnehmung bedarfsweise reinigbar ist. Durch eine derartige Reinigungsvorrichtung ist die Druckabnahmeausnehmung beispielsweise mit einem mechanischen Reinigungselement, mit Druckluft oder Druckluftstößen oder mit Ultraschall reinigbar. Eine derartige Reinigungsvorrichtung ist vor allem dann zweckmäßig, wenn das Fluid mit entsprechenden Fremd- oder Schmutzpartikeln beladen ist. Die Reinigung selbst erfolgt entweder bei Bedarf oder zyklisch in zuvor festgelegten Zeitabständen.
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Zudem betrifft die Erfindung ein Durchflussmessgerät mit einem erfindungsgemäßen Wirkdruckgeber wobei ein jeweiliger Druck an den Druckabnahmeausnehmungen durch Druckaufnehmer gegebenenfalls durch Zwischenfügung von Druckmessleitungen und/oder Kopplungselementen messbar ist, wobei mit einem Temperaturmesssensor die Temperatur des Fluids messbar ist, und wobei mit einem Messcomputer auf Basis der gemessenen Druck- und Temperaturmesswerte eine Berechnung des Volumenstroms oder des Massenstroms des Fluids ermöglicht ist.
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Für die Berechnung des Volumen- oder des Massenstroms sind gegebenenfalls weitere Messungen durch Sensoren notwendig, sofern der physikalische Zustand des Fluids während der Messung veränderlich ist. Als weitere Messgröße kommen zum Beispiel die Dichte des Fluids, die chemische Zusammensetzung oder Gasanalyse und weitere Messungen in Betracht. Diese Messungen müssen nicht zwangsläufig im Bereich des Wirkdruckgebers erfolgen, sondern können beispielsweise aus dem Prozessleitsystem einer technischen Anlage, die den Wirkdruckgeber verwendet, abgerufen werden.
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Zudem wird der erfindungsgemäße Wirkdruckgeber für ein Verfahren zur Kalibrierung der Messung durch einen Wirkdruckgeber eingesetzt, das folgende Schritte umfasst:
- - Einführen eines Messsensors durch wenigstens eine der Druckabnahmeausnehmungen oder durch wenigstens eine der Kopplungsausnehmungen,
- - geometrische Vermessung der Gehäuseinnenfläche mit dem Messsensor,
- - Vergleich der Maße der vermessenen Gehäuseinnenfläche mit einem vorgegebenen Modell der Gehäuseinnenfläche zu einer gemessenen Geometrie der Gehäuseinnenfläche durch eine dafür eingerichtete Datenverarbeitungsanlage,
- - Berechnung der Korrekturdaten für die Kalibrierung des Wirkdruckgebers und
- - Bereitstellung der Korrekturdaten für den Messcomputer des Durchflussmessgerätes.
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Dieses Verfahren wird erst durch den erfindungsgemäßen Wirkdruckgeber ermöglicht. Als Messsensor für das Vermessen der Gehäuseinnenfläche sind beispielsweise Ultraschall- oder Lasermesssensoren vorgesehen. Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, dass zur Vermessung der Gehäuseinnenfläche eines im Betrieb befindlichen Wirkdruckgebers, dieser nicht mehr ausgebaut werden muss. Die im Betrieb regelmäßig erforderlichen Kalibrierungen können also „in-situ“ vorgenommen werden. Die geometrische Vermessung der Gehäuseinnenfläche kann so zum Beispiel bei verringertem Betriebsdruck oder auch bei entsprechender Ausgestaltung der Druckabnahmeausnehmungen auch unter Prozessbetriebsdruck erfolgen, jedenfalls jedoch im eingebauten Zustand. Das stellt einen erheblichen zeitlichen Vorteil gegenüber dem sonst notwendigen Ausbau des Wirkdruckgebers und der an diesen angeschlossenen Messwertabnehmer und Signalleitungen sowie gegebenenfalls das Stilllegen der Anlage, in der der Wirkdruckgeber eingebaut ist, dar.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungsmöglichkeiten sind den weiteren abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.
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Anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele sollen die Erfindung, weitere Ausführungsformen und weitere Vorteile näher beschrieben werden.
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Es zeigen:
- 1 einen ersten exemplarischen Wirkdruckgeber in einer Schnittansicht,
- 2 den ersten exemplarischen Wirkdruckgeber in einer 3D-Ansicht sowie
- 3 einen zweiten exemplarischen Wirkdruckgeber als Skizze.
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1 zeigt einen ersten erfindungsgemäßen Wirkdruckgeber 10 mit einem kreisförmigen Strömungsquerschnitt in einer Schnittansicht durch seine Längserstreckung. Daher sind im Folgenden die Innenmaße oder Rohrinnenmaße immer als Durchmesser bezeichnet. Dabei ist der Schnitt durch eine Mittelachse 12 des ersten Wirkdruckgebers 10 gelegt und eine Strömungsrichtung eines Fluids durch den ersten Wirkdruckgeber 10 durch einen Zuströmpfeil 14 und einen Abströmpfeil 16 angedeutet. In Strömungsrichtung gesehen strömt ein Fluid zunächst durch ein erstes Anschlusselement 18, das einen rohrinnenförmigen Innenbereich mit einem konstanten inneren Durchmesser 19 aufweist und im gezeigten Beispiel als Schraubflansch ausgestaltet ist. Hier sind jedoch eine Vielzahl von Anschlussmöglichkeiten denkbar, zum Beispiel ein Schweißflansch oder Klebeanschlusselement. Das erste Anschlusselement 18 ist stromabwärts mit einem ersten Ende eines Ausgleichsrohrs 20 verbunden, zum Beispiel verschweißt, das einen konstanten Rohrinnendurchmesser 21 und eine Ausgleichsrohrlänge 23 aufweist. Ein zweites Ende des Ausgleichsrohrs 20 ist mit einem Ende eines rohrförmigen Gehäuses 22 verbunden, dessen anderes Ende mit einem zweiten Anschlusselement 24 verbunden ist. Auch das zweite Anschlusselement 24 ist als Schraubflansch ausgestaltet, kann jedoch auch, wie das erste Anschlusselement 18, als anderes Anschlussstück ausgestaltet sein. Im gewählten Beispiel sind das erste Anschlusselement 18, das Ausgleichsrohr 20, das Gehäuse 22 sowie das zweite Anschlusselement 24 aus einem Stahl gefertigt, vorzugsweise aus demselben Material, aus dem die Rohrleitung gefertigt ist, in den der erste Wirkdruckgeber 10 eingebaut ist. Die Materialwahl kann aber auch davon abhängig sein, welches Fluid durch den ersten Wirkdruckgeber strömen soll, zum Beispiel ob dieses korrosiv ist oder mit Verschmutzung beladen ist, welche eine abrasive Wirkung hat. Dann ist ein Material zu wählen, das einen besonders niedrigen Verschleiß aufweist. Auf diese Weise ist erreicht, dass die innere Geometrie des ersten Wirkdruckgebers 10 nur geringe Veränderungen während einer Betriebszeit aufweist.
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Das Gehäuse 22 ist in seiner Längserstreckung in verschiedene Abschnitte unterteilbar. Auf der Seite, auf der dem Gehäuse 22 das Fluid zuströmt, befindet sich ein Zuströmabschnitt 26, der einen konstanten ersten Innendurchmesser 28 aufweist. Entsprechend dem ersten Innendurchmesser 28 weist der Zuströmabschnitt 26 einen ersten Strömungsquerschnitt auf. Stromabwärts vom Zuströmabschnitt 26 folgt ein Diffusorabschnitt 30, dessen kreisförmiger Innendurchmesser in Strömungsrichtung gesehen kontinuierlich zunimmt, bis ein zweiter Innendurchmesser 32 erreicht ist. Korrespondierend zur Zunahme des Innendurchmessers im Diffusorabschnitt 30 erhöht sich der Strömungsquerschnitt für das Fluid vom ersten Strömungsquerschnitt kontinuierlich bis zu einem zweiten Strömungsquerschnitt, der am zweiten Innendurchmesser 32 erreicht ist. Der zweite Innendurchmesser 32 ist auch der maximale Innendurchmesser des Gehäuses. Dementsprechend ist die Geschwindigkeit des Mediums in Strömungsrichtung gesehen verlangsamt und dessen statischer Druckanteil an dieser Stelle erhöht im Vergleich zum Bereich des ersten Innendurchmessers 28. Stromabwärts des Diffusorabschnittes 28 weist das Gehäuse 22 einen Konfusorabschnitt 34 auf, der auch Düsenabschnitt genannt wird, dessen Innendurchmesser sich kontinuierlich vom zweiten Innendurchmesser 32 wieder auf den ersten Innendurchmesser 28 verkleinert. Dementsprechend stellt sich in dem dem Konfusorabschnitt folgenden Abströmabschnitt 34 mit erstem Innendurchmesser 28 wiederum der erste Strömungsquerschnitt gleichen Strömungsgeschwindigkeiten wie beim Zuströmabschnitt 26 ein.
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Im gewählten Beispiel beträgt das Verhältnis zwischen dem zweiten Innendurchmesser 32 und dem ersten Innendurchmesser 28 in etwa 1,4 und liegt damit innerhalb einer üblichen Spanne, die von 1,2 bis 2,5 reicht. Abhängig vom Fluid, der Strömungsgeschwindigkeit, dem Durchmesser der Rohrleitung, dem Betriebsdruck weiterer Randbedingungen kann dieses Verhältnis jedoch innerhalb der angegebenen Spanne variieren.
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Um vorteilhafte Strömungsverhältnisse im Diffusorabschnitt 30 zu erhalten, ist es vorgesehen dass das Verhältnis von zweitem Innendurchmesser 32 und Länge des Diffusorabschnittes 30 in dessen Längserstreckung gesehen zwischen 0,3 und 0,5 ist.
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Zudem hat sich herausgestellt, dass auch das Verhältnis zwischen der Länge des Diffusorabschnittes 30 und dem Konfusorabschnitt 34 einen Einfluss auf die Druckmessung hat. Als vorteilhaft hat sich erwiesen, wenn dieses Verhältnis zwischen 0,3 und 0,5 liegt.
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Im Abströmbereich 36 des Gehäuses 22 ist eine erste Kopplungsausnehmung 38 als Bohrung durch das Gehäuse 22 gezeigt. An der Außenseite der ersten Kopplungsausnehmung 38 ist ein erstes Kopplungselement 40 angebracht, dessen Durchgangsbohrung einerseits mit der ersten Kopplungsausnehmung 38 korrespondiert und andererseits ein Anschlusselement aufweist, das mit einer ersten Impulsleitung 42 bzw. Wirkdruckleitung eines in der Figur nicht dargestellten Druckmessgeräts oder Durchflussmesscomputers verbunden ist. Auf diese Weise ist es ermöglicht, dass die Druckmessung durch die Kopplungsausnehmung 38 unmittelbar an der inneren Mantelfläche des Gehäuses 22 im Abströmabschnitt 36 erfolgt. Als Druckaufnehmer für die Druckmessung kommen eine Vielzahl von Ausgestaltungen in Betracht, beispielsweise ein hydraulisches U-Rohr Manometer, ein Einzeldruckaufnehmer, ein Differenzdruckaufnehmer oder eine kombinierte Differenzdruckaufnehmer mit integrierter separater Druckmessung. Einen vergleichbaren Aufbau weist eine Druckmessstelle im Bereich des zweiten Innendurchmessers 32 auf. Dort ist nämlich im Gehäuse 22 eine zweite Kupplungsausnehmung 44 angeordnet, über der ein zweites Kopplungselement 46 angebracht ist, dessen Durchgangsbohrung wiederum einerseits mit der zweiten Kopplungsausnehmung 44 korrespondiert, andererseits ein weiteres Anschlusselement aufweist, an das eine zweite Impulsleitung 48 angeschlossen ist. Auch hier erfolgt eine unmittelbare Druckmessung des Drucks im Bereich des zweiten Innendurchmessers 32, ohne dass die Zwischenschaltung eines sonst notwendigen Druckvergleichmäßigungselements, wie zum Beispiel eines Druckvergleichmäßigungsringraums, notwendig ist. Im Übrigen ist die Druckmessung an nur einer Stelle am Umfang des Gehäuses 22 im Bereich des zweiten Innendurchmessers 32 bzw. im Abströmabschnitt 36 zur Messung oder Berechnung von Drücken oder Druckdifferenzen völlig ausreichend. Aus bestimmten verfahrenstechnischen Gründen ist es jedoch gegebenenfalls zweckmäßig zusätzlich eine, zwei und/oder drei weitere Kopplungsausnehmungen über den Umfang des Gehäuses an Stellen der ersten 38 bzw. zweiten Kopplungsausnehmung 44 anzuordnen. Auf diese Weise lässt sich besonders einfach eine messtechnische Redundanz von zum Beispiel 1 aus 2, 2 aus 3, 2 aus 4 oder 3 aus 4 Druckmessungen realisieren.
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Einen weiteren wichtigen Einfluss auf die Strömung im ersten Wirkdruckgeber 10 hat auch das Verhältnis der Länge des Ausgleichsrohrs 20 zu dessen Rohrdurchmesser 21, der dem ersten Innendurchmesser 28 entspricht. Im gewählten Beispiel beträgt dieses Verhältnis in etwa 4,2 und liegt damit in einem Bereich, mit dem vorteilhafte Strömungsverhältnisse im ersten Wirkdruckgeber 10 vorgebbar sind. Die minimale Länge des Ausgleichsrohrs 20 bei einem gegebenen Durchmesser sollte wenigstens das Verhältnis 2,5 aufweisen, damit sich für eine Druckmessung vorteilhafte Strömungsverhältnisse im Wirkdruckgeber einstellen. Dabei ist berücksichtigt, dass die Länge des ersten Anschlusselements 18 sowie die Länge des ersten Zuströmabschnittes 26 für die Wirkung auf die Strömungsverhältnisse im Wirkdruckgeber zu der Länge des Ausgleichsrohrs 20 hinzukommen. Üblicherweise wird damit das Verhältnis von der Länge insgesamt zum Rohrdurchmesser 21 den Wert von wenigstens 3 annehmen. Erst stromabwärts des Zuströmabschnittes 26 beginnt die Verzögerung der Fluidgeschwindigkeit durch die Vergrößerung des Innendurchmessers im Diffusorabschnitt 30.
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Die 2 zeigt den ersten Wirkdruckgeber 10 mit seiner Mittelachse 12 in einer dreidimensionalen Ansicht. Hier ist dargestellt, dass das Ausgleichsrohr 20 und das Gehäuse 22 zwischen dem ersten 18 und dem zweiten Anschlusselement 24 angeordnet und als Messstrecke mit konstruktiv eindeutig definierter Länge vorgebbar sind. Das bedeutet, dass unabhängig davon, wo der Wirkdruckgeber in einer Rohrleitung eingebaut wird, also auch beispielsweise unmittelbar zwischen zwei Rohrbögen der Rohrleitung, geeignete Strömungsverhältnisse für eine Druckmessung durch die Gestaltung des ersten Wirkdruckgebers 10 selbst hergestellt sind. Durch die Gestaltung der Außendurchmesser im Bereich des Ausgleichsrohrs 20 und des Gehäuses 22 ist sichergestellt, dass die Einbaurichtung des ersten Wirkdruckgebers 10 leicht erkennbar ist. Die Zuströmseite zum ersten Wirkdruckgeber 10 ist immer diejenige Anschlussseite, die dem Ausgleichsrohr 20 mit dem vergleichsweise kleinen Außendurchmesser am nächsten ist. Demgemäß ist eine Abströmseite des ersten Wirkdruckgebers 10 die Seite mit dem größeren Außendurchmesser des Gehäuses 22 bzw. mit den Kopplungselementen 40, 46.
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Die 3 zeigt eine Skizze eines Gehäuseteils 60 eines zweiten Wirkdruckgebers bei dem der Zuströmpfeil 14 und der Abströmpfeil 16 die Strömungsrichtung durch das Gehäuseteil 60 anzeigen. Das Gehäuseteil 60 weist in Strömungsrichtung aufeinanderfolgend ein rohrförmiges Zuströmbauteil 64, ein Diffusorbauteil 66, ein Messbauteil 68, ein Konfusorbauteil 70 sowie ein rohrförmiges Abströmbauteil 71 auf. Bei dieser Ausgestaltung des Gehäuseteils 60 erfindungsgemäßen zweiten Wirkdruckgebers sind die Längen, also die Längen in Längserstreckung des zweiten Wirkdruckgebers, des Diffusorbauteils 66 und des Konfusorbauteils 70 gleich groß. Daher ist es möglich, dass eine Druckmessung auch bei einer Strömung durchführbar ist, die entgegengesetzt zur angezeigten Strömungsrichtung ist. Zudem zeigt das Gehäuseteil 60 ein Meßbauteil 68 zwischen dem Diffusorbauteil 66 und dem Konfusorbauteil 70, wobei die Länge des Meßbauteils 68 im gezeigten Beispiel dem Durchmesser einer weiteren Kopplungsausnehmung 72 entspricht. Die Länge des Meßbauteils 68 kann aber auch länger sein, nämlich bis zu einer Länge, die dem Innendurchmesser des Zuströmbauteils 64 entspricht. Im gezeigten Beispiel weist das Gehäuseteil 60 insgesamt drei weitere Kopplungsausnehmungen 72 auf, nämlich eine im Zuströmbauteil 64, eine zweite im Messbauteil 68 sowie eine dritte im Abströmbauteil 71.
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Anhand der Skizze sollen nun die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Kopplungsausnehmungen 72 näher erläutert werden. Diese weisen einen Durchmesser auf, mit dem es ermöglicht ist, einen Sensor in den Innenbereich des Gehäuseteils 60 einzuführen. Ein solcher Sensor ist zum Beispiel zur visuellen Kontrolle bestimmt, oder auch zur Vermessung des Innenbereichs, wobei dieser in der weiteren Kopplungsausnehmung 72 hin- und herbewegbar, dreh- oder schwenkbar sowie auf- und abbewegbar ist, so dass ein möglichst großer Bereich des Innenbereichs mit dem Sensor vermessbar ist. Solche Messungen müssen zu Kalibrationszwecken in bestimmten zeitlichen Abständen durchgeführt werden, um die Messergebnisse eines Wirkdruckgebers zu verifizieren. Vorteilhaft bei dem erfindungsgemäßen Wirkdruckgeber ist es, dass für derartige Messungen dieser nicht mehr aus der Rohrleitung ausgebaut werden muss, sondern vor Ort, also „in-situ“, kalibrierbar ist. Für diese Messung ist es weiterhin vorteilhaft, dass der zweite Wirkdruckgeber 60 drei weitere Kopplungsausnehmungen 72 aufweist, nämlich je eine im Zuströmbauteil 64, im Meßbauteil 68 sowie im Abströmbauteil 71. Auf diese Weise ist es ermöglicht, dass der Sensor die Vermessung der inneren Geometrie an drei verschiedenen Stellen vornimmt. Zudem besteht auch die Möglichkeit im Messbetrieb des Wirkdruckgebers, an den drei weiteren Kopplungsausnehmungen 72 Druckmessungen vorzunehmen.
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Der Sensor selbst kann beispielsweise als Ultraschallmesssensor, als Lasermesssensor oder als optischer Sensor, zur visuellen Kontrolle ausgestaltet sein. Im dargestellten Beispiel ist ein Kopplungsbauteil 74 auf die Kopplungsausnehmung 72 aufgesetzt, wobei das Kopplungsbauteil 74 ein Durchgangsloch 76 aufweist, dessen eines Ende mit der Kopplungsausnehmung 72 fluchtend in Übereinstimmung gebracht ist und dessen anderes Ende durch eine Außengewindekappe 78 verschlossen ist. Die Außengewindekappe 78 dient im Betriebsfalle des zweiten Wirkdruckgebers 60 dazu, das andere Ende des Kopplungsbauteils 74 zu verschließen. Anstatt der Außengewindekappe 78 können auch andere Verschlusselemente, wie beispielsweise Innengewindenstopfen, Flanschdeckel, Clampdeckel zum Verschließen des anderen Endes aufschraubbar, verklebbar oder verschweißbar sein.
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Das Kopplungsbauteil 74 weist eine Anformung 80 auf, in die eine Bohrung 82 eingebracht ist, die einerseits bis zum Durchgangsloch 76 reicht und andererseits eine Öffnung in der Anformung 80 ausbildet. Diese Öffnung ist so ausgestaltet, dass dort ein Druckmesssensor oder eine Impulsleitung bzw. eine Wirkdruckleitung anschließbar ist, die jedoch in dieser Skizze nicht gezeigt sind.
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Anstatt mit einem Verschlusselement ist das andere Ende auch mit einer weiteren Vorrichtung verbindbar und verschließbar. Eine solche Vorrichtung ist zum Beispiel eine Reinigungsvorrichtung zur Reinigung der Kopplungsausnehmung 72, beispielsweise durch ein Gasdruckreinigungsgerät, das mit Druckluftimpulsen oder Druckstößen mit anderen Gasen arbeitet, einem mechanischen Reinigungsgerät - wie einem Reinigungsstift - oder einem Ultraschallreinigungsgerät, das mit Ultraschallimpulsen arbeitet. Auf diese Weise lässt sich im Bedarfsfalle, nämlich dann, wenn die Kopplungsausnehmung 72 durch Verunreinigungen im Fluid verschlossen ist, die Kopplungsausnehmung 72 von der Verunreinigung befreien, so dass eine durch Verunreinigungen und unbeeinflusste Druckmessung ermöglicht ist. Bei stark verschmutzten Fluiden ist mit der Reinigungsvorrichtung auch die periodische Reinigung der Kopplungsausnehmung 72 ermöglicht.
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Eine weitere Möglichkeit für eine Vorrichtung ist eine Ausgleichsvorrichtung, mit welcher das freie Volumen in der Wirkdruckleitung veränderbar, insbesondere reduzierbar, ist. Das freie Volumen setzt sich dabei zusammen aus dem freien Volumen der Wirkdruckzuleitung sowie dem freien Volumen der Ausnehmungen im Kopplungsbauteil 74. Eine besonders einfache Ausgestaltung einer solchen Vorrichtung ist ein Stift, der im Verschlusselement drehbar ist, und der durch das Drehen je nach Drehrichtung entweder in das Durchgangsloch 76 hineingedreht oder herausgedreht wird. Auf diese Weise wird das freie Volumen des Durchgangslochs 76 als Teil des freien Volumens des Kopplungsbauteils 74 verändert. Immer dann, wenn Schwingungen oder sonstige Störungen in den Wirkdruckleitungen auftreten, ist eine derartige Ausgleichsvorrichtung zur Beseitigung der Schwingungen einsetzbar.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- erster Wirkdruckgeber
- 12
- Mittelachse
- 14
- Zuströmpfeil
- 16
- Abströmpfeil
- 18
- erstes Anschlusselement
- 19
- innerer Durchmesser
- 20
- Ausgleichsrohr
- 21
- Rohrdurchmesser
- 22
- Gehäuse
- 23
- Ausgleichsrohrlänge
- 24
- zweites Anschlusselement
- 26
- Zuströmabschnitt
- 28
- erster Innendurchmesser
- 30
- Diffusorabschnitt
- 32
- zweiter Innendurchmesser
- 34
- Konfusorabschnitt
- 36
- Abströmabschnitt
- 38
- erste Kopplungsausnehmung
- 40
- erstes Kopplungselement
- 42
- erste Impulsleitung
- 44
- zweite Kupplungsausnehmung
- 46
- zweites Kopplungselement
- 48
- zweite Impulsleitung
- 60
- Gehäuseteil
- 64
- Zuströmbauteil
- 66
- Diffusorbauteil
- 68
- Messbauteil
- 70
- Konfusorbauteil
- 71
- Abströmbauteil
- 72
- weiteren Kopplungsausnehmung
- 74
- Kopplungsbauteil
- 76
- Durchgangsloch
- 78
- Außengewindekappe
- 80
- Anformung
- 82
- Bohrung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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