DE102017202896B4

DE102017202896B4 - Durchflussmessanordnung sowie Messumformer zur Prozessinstrumentierung mit einer derartigen Durchflussmessanordnung

Info

Publication number: DE102017202896B4
Application number: DE102017202896.3A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Ens; Gilbert Alexander Erdler; Stefan Von Dosky
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2017-02-22
Filing date: 2017-02-22
Publication date: 2019-10-10
Anticipated expiration: 2037-02-23
Also published as: CN108458756A; US10571317B2; US20180238722A1; CN108458756B; DE102017202896A1

Abstract

Durchflussmessanordnung, die nach dem Wirkdruckverfahren arbeitet, mit einem Rohr (1), in dessen Querschnitt eine elastisch verformbare Messblende (2) angeordnet ist, und mit einem die Verformung erfassenden und in ein elektrisches Signal umsetzenden Dehnungssensor (12, 13), dadurch gekennzeichnet, dass die Messblende (2) und das Rohr (1) einstückig aus einem einheitlichen Material ausgebildet sind, dass die Messblende (2) auf beiden Seiten jeweils über eine Kehlnut (9, 10) in das Rohr (1) übergeht und dass der mindestens eine Dehnungssensor (12, 13) auf der Umfangsseite (7) des Rohres (1) gegenüber der Kehlnut (9, 10) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Durchflussmessanordnung, die nach dem Wirkdruckverfahren arbeitet, mit einem Rohr, in dessen Querschnitt eine elastisch verformbare Messblende angeordnet ist, und mit einem die Verformung erfassenden und in ein elektrisches Signal umsetzenden Dehnungssensor.
Die Erfindung betrifft ferner einen Messumformer zur Prozessinstrumentierung mit einer derartigen Durchflussmessanordnung.
Eine Durchflussmessanordnung der eingangs genannten Art ist aus der DE 1 943 021 A bekannt.
Bei der Durchflussmessung nach dem Wirkdruckverfahren wird der Querschnitt einer Rohrleitung an einer Stelle durch Einbringen eines Drosselgeräts (z. B. Blende, Düse, Venturirohr) verengt. Aufgrund der Verengung wird bei gleichem Volumendurchfluss die Strömungsgeschwindigkeit erhöht. Die in kinetische Energie umgesetzte Druckenergie erzeugt einen Druckabfall über dem Drosselgerät, der als Differenzdruck (Wirkdruck) vor und hinter dem Drosselgerät gemessen wird. Da der funktionelle Zusammenhang zwischen dem Wirkdruck und dem Durchfluss bekannt ist (z. B: ISO 5167), kann der so der Durchfluss ermittelt werden.
Bei der aus der DE 1 943 021 A bekannten Durchflussmessanordnung sind an der Messblende Dehnungsfühler (Dehnungsmessstreifen) angeordnet, die eine vom Wirkdruck abhängige Verformung der Messblende oder Teilen davon in ein elektrisches Signal umwandeln. Die Messblende ist entweder über ihren gesamten Querschnitt oder in ihrem Randbereich elastisch verformbar, wobei die Messblende im letztgenannten Fall aus einer inneren starren Lochscheibe und einer oder zwei äußeren kreisringförmigen Membranen besteht. Die zwei äußeren kreisringförmigen Membranen bilden zwischen sich einen zur Außenseite des Rohres hin offenen spaltförmigen Raum, in dem die Dehnungsfühler, von dem in dem Rohr strömenden Medium geschützt, an den Membranen angebracht werden können. Alternativ können die Dehnungsfühler an Biegebalken angebracht sein, der an einem Ende mit der Lochscheibe und an dem anderen Ende mit der Rohrwand kraftschlüssig verbunden ist.
Bei der bekannten Durchflussmessanordnung besteht das Rohr aus zwei Abschnitten, zwischen denen die Messblende montiert ist. Die Messblende selbst besteht bei der erwähnten Ausbildung in Form der inneren starren Lochscheibe mit den zwei äußeren kreisringförmigen Membranen aus mehreren Teilen, die miteinander und mit den Rohrabschnitten verbunden werden müssen. Der Ort zur Montage der Dehnungsfühler an den Membranen liegt im Bereich zwischen dem Innendurchmesser des Rohres und dem Außendurchmesser der starren Lochscheibe und somit, von der Außenseite des Rohres aus gesehen, sehr tief in dem von den Membranen gebildeten spaltförmigen Raum. Es ist daher schwierig, die Dehnungsfühler erst gegen Ende des Zusammenbaus der Durchflussmessanordnung in dieser unterzubringen. Werden dagegen die Dehnungsfühler vorher auf den Membranen aufgebracht, können sie beschädigt werden, wenn die Membranen später mit den übrigen Teilen der Durchflussmessanordnung verbunden, z. B. an diesen angeschweißt, werden.
Aus der US 2003/0172742 A1 ist eine Durchflussmessanordnung bekannt, die ebenfalls nach dem Wirkdruckverfahren arbeitet. Die Messblende und das Rohr sind einstückig aus einem einheitlichen Material ausgebildet. Der Durchfluss wird aus der Differenz zweier Drücke ermittelt, die von zwei Drucksensoren vor und hinter der Messblende gemessen werden.
Aus der WO 2009/156209 A1 ist eine Drucksensoranordnung mit einem Rohr und einer darin angeordneten Trennmembran bekannt, die einstückig aus einem einheitlichen Material gefertigt sind. Das Rohr weist auf seiner Umfangsseite gegenüber der Trennmembran eine Ausnehmung auf, in deren Bereich die Rohrwand mit ihrer reduzierten Dicke als Seitenwandmembran dient. Eine an der Trennmembran anliegende Druckdifferenz führt zu deren Deformation. Da die Trennmembran T-förmig auf die Seitenwandmembran trifft, findet dort wegen der hohen Steifigkeit keine Verformung statt, so dass sich die Deformation der Trennmembran auf die Seitenwandmembran überträgt und mit dort in der Ausnehmung angeordneten Dehnungsaufnehmern erfasst wird. Die bekannte Drucksensoranordnung ist für einen Einsatz im Rahmen der Überwachung von Dieselpartikelfiltern vorgesehen, um den Abgasdruck vor und hinter dem Partikelfilter zu messen und so den Stand seiner Beladung zu ermitteln.
Eine Drucksensoranordnung ist auch Gegenstand der nachveröffentlichten Patentanmeldungen DE 10 2015 216 624 A1 und DE 10 2015 216 626 A1 .
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Durchflussmessanordnung zu schaffen, die sich durch einen einfachen konstruktiven Aufbau auszeichnet und gleichzeitig für einen Einsatz in einem Messumformer zur Prozessinstrumentierung geeignet ist.
Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass bei der Durchflussmessanordnung der eingangs angegebenen Art die Messblende und das Rohr einstückig aus einem einheitlichen Material ausgebildet sind, dass die Messblende auf beiden Seiten jeweils über eine Kehlnuten in das Rohr übergeht und dass der mindestens eine Dehnungssensor auf der Umfangsseite des Rohres der Kehlnut angeordnet ist.
Aufgrund der einstückigen Ausbildung von Messblende und Rohr ist die erfindungsgemäße Durchflussmessanordnung wesentlich einfacher und mit höherer Genauigkeit reproduzierbar herstellbar, als dies bei der aus der DE 1 943 021 A bekannten Durchflussmessanordnung möglich ist. Mit der Kehlnut im Verbindungsbereich von Rohr und Messblende wird unmittelbar dort, wo die Messblende rechtwinklig bzw. T-förmig auf das Rohr stößt, ein Biegegelenk realisiert. An dieser Stelle ist bei Auslenkung der Messblende die Materialverformung am größten, so dass der auf der Umfangsseite des Rohres gegenüber der Kehlnut angeordnete Dehnungssensor ein maximales Signal liefert. Die lokale Einfachbiegung an dem Biegegelenk ist größer, als dies bei der räumlich ausgedehnten Mehrfachbiegung der Rohrwand der Fall wäre, wenn die Deformation der Messblende form- und kraftschlüssig auf die Rohrwand übertragen würde. Schließlich ist bei der erfindungsgemäßen Durchflussmessanordnung der Dehnungssensor auf der Umfangsseite des Rohres gut zugänglich und einfach montierbar und kontaktierbar angeordnet.
Vorzugsweise ist der mindestens eine Dehnungssensor in einer Ausnehmung auf der Umfangsseite des Rohres angeordnet. Die Ausnehmung bietet zum einen bei runden Rohren eine plane Montagefläche für den Dehnungssensor und ermöglicht es zum anderen aufgrund der Dickenreduktion der Rohrwand, das Biegegelenk optimal zu dimensionieren, ohne dass dazu die Kehlnut zu tief und damit auch zu breit ausgebildet werden muss.
Bei Auslenkung der Messblende unnötige Materialspannungen im Bereich zwischen den Biegegelenken zu vermeiden und die Biegegelenke flexibler zu gestalten, kann zwischen ihnen ein mittig zu der Messblende verlaufender Spalt vorgesehen werden, der von der Umfangsseite des Rohres aus zu einem Teil in die Messblende hineinreicht. Dadurch wird das Biegegelenk in den Spalt hinein verlängert, so dass in diesem gegenüber der Kehlnut mindestens ein weiterer Dehnungssensor angeordnet werden kann. Da der weitere Dehnungssensor am Anfang des Spalts nahe zur Umfangsseite des Rohres angeordnet ist, gestaltet sich seine Montage in dem Spalt als nicht schwierig.
Damit das in den Spalt hinein verlängerte Biegegelenk über seine Länge, zumindest aber dort, wo die Dehnungssensoren angeordnet sind, gleiche Biegeeigenschaften aufweist, ist die Breite des Spalts vorzugsweise so bemessen, dass die Materialdicke zwischen der Kehlnut und dem Dehnungssensor auf der Umfangsseite des Rohres und zwischen der Kehlnut und dem in dem Spalt zumindest annähernd gleich ist. Beide Dehnungssensoren liefern dann etwa gleich große Signale und können z. B. zum Zwecke der Signalverdopplung elektrisch in Reihe geschaltet werden.
Um bei Auslenkung der Messblende deren Verformung auf den Randbereich zu konzentrieren, wo die Messblende über die Biegegelenke mit den dort aufgebrachten Dehnungssensoren mit dem Rohr verbunden ist, kann die Messblende in ihrem mittleren Bereich um die Öffnung eine höhere Dicke aufweisen, als in ihrem Randbereich. Alternativ kann die Messblende in einem Bereich zwischen dem Rohr und ihrer Öffnung auf beiden Seiten jeweils eine Umlaufnut enthalten. Der äußere Bereich der Messblende zwischen den Umlaufnuten und den Kehlnuten wirkt dann wie ein Doppelbiegebalken.
Die erfindungsgemäße Durchflussmessanordnung kann auf einfache Weise an unterschiedliche Messaufgaben angepasst werden, indem in die Öffnung der Messblende ein Drosselgerät als austauschbares Teil eingesetzt wird. Bei dem Drosselgerät kann es sich z. B. um einen Blendeneinsatz, eine Düse oder ein Venturirohr handeln.
Da sich die erfindungsgemäße Durchflussmessanordnung einfach und mit hoher und reproduzierbarer Genauigkeit herstellen lässt und dementsprechend robust ist, ist sie besonders für einen Einsatz als Messzelle oder Aufnehmer in einem Messumformer zur Prozessinstrumentierung geeignet.
Anhand der Zeichnungen, in denen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist, werden im Folgenden die Erfindung sowie Ausgestaltungen und Vorteile näher erläutert. Im Einzelnen zeigen

1 eine Schnittdarstellung einer Durchflussmessanordnung,
2 einen vergrößerten Ausschnitt der Durchflussmessanordnung gemäß 1,
3 eine zu dem Beispiel nach 2 alternative Ausbildung der Durchflussmessanordnung, und
4 ein Beispiel für den Einsatz eines austauschbaren Drosselgeräts in der Öffnung der Messblende und
5 ein Beispiel für einen Messumformer mit der Durchflussmessanordnung.

In den Figuren sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt einen Längsschnitt durch ein Rohr 1, in dessen Querschnitt eine elastisch verformbare Messblende 2 angeordnet ist. Die Messblende 2 und das Rohr 1 sind einstückig aus einem einheitlichen Material, z. B. Stahl, ausgebildet. Die Messblende 2 weist in ihrer Mitte eine Blendenöffnung 3 auf, durch die der Querschnitt des Rohres für ein strömendes Medium 4 verengt wird. Das strömende Medium 4 bewirkt daher einen Druckabfall über der Messblende 2, so dass diese verformt und ausgelenkt wird. Bei dem gezeigten Beispiel weist die Messblende 2 in ihrem mittleren Bereich 5 um ihre Öffnung 3 eine höhere Dicke auf, als in ihrem äußeren Bereich 6, über den sie mit dem Rohr 1 verbunden ist. Das Rohr 1 enthält auf seiner Umfangsseite 7 in einem der Messblende 2 gegenüberliegenden Bereich eine Ausnehmung 8, wodurch die Wandstärke des Rohres 1 beiderseits der Messblende 2 reduziert ist.
2 zeigt die Einzelheit II aus 1. Dort, wo die Messblende 2 T-förmig auf das Rohr 1 stößt und in dieses übergeht, ist beiderseits der Messblende 2 jeweils eine Kehlnut 9, 10 in die Wand des Rohres 1 und, wie hier gezeigt, vorzugsweise aber nicht zwingend auch in die Messblende 2 eingearbeitet. Die Wand des Rohres 1 in den Bereichen zwischen den Kehlnuten 9, 10 und der hier von der Grundfläche 11 der Ausnehmung 8 gebildeten Umfangsseite 7 des Rohres 1, hier der Grundfläche 11 der Ausnehmung 8, jeweils ein Festkörper-Biegegelenk. Die Verformung der Biegegelenke bei Auslenkung der Messblende 2 wird mit Hilfe von Dehnungssensoren 12, 13 erfasst, die in der Ausnehmung 8 auf der Umfangsseite 7 des Rohres 1 gegenüber der Kehlnut 9, 10 angeordnet sind. Die Grundfläche 11 der Ausnehmung 8 ist daher an dieser Stelle plan ausgebildet. Wenn der Dehnungssensor 12 eine dehnende Verformung erfasst, misst der Dehnungssensor 13 gleichzeitig eine stauchende Verformung, und umgekehrt.
Zwischen den Biegegelenken erstreckt sich ein mittig zu der Messblende 2 verlaufender Spalt 14, der von der Umfangsseite 7 des Rohres 1 aus zu einem Teil in die Messblende 2 hineinreicht. Die Breite des Spalts 14 kann so bemessen sein, dass die Materialdicke zwischen der Kehlnut 9, 10 und der gegenüberliegende Umfangsseite 7 (Grundfläche 11) des Rohres 1 etwa genauso groß ist, wie zwischen der Kehlnut 9, 10 und der gegenüberliegenden Wand das Spalts 14. Der Spalt 14 bewirkt eine Verlängerung der Biegegelenke in den Spalt 14 hinein, in dem gegenüber der Kehlnut 9, 10 weitere Dehnungssensoren, z. B. 15 angeordnet werden können. Die Dehnungssensoren 12 und 15 liefern dann etwa gleich große Signale und können z. B. zum Zwecke der Signalverdopplung elektrisch in Reihe geschaltet werden.
Die Anordnung der Dehnungssensoren 12, 13, 15 entsprechend der in 2 gezeigten Einzelheit II kann über den Umfang des Rohres 1 in vorzugsweise äquidistanten Abständen wiederholt werden.
Zurück zu 1 kann die Messblende 2 anstelle des Dickensprungs zwischen dem mittleren Bereich 5 und dem äußeren Bereich 6 auf beiden Seiten jeweils eine hier nicht gezeigte Umlaufnut enthalten. Der äußere Bereich 6 der Messblende zwischen den Umlaufnuten und den Kehlnuten 9, 10 wirkt dann wie ein Doppelbiegebalken.
Wie 3 zeigt, kann bei einer einfacheren Ausbildung der erfindungsgemäßen Durchflussmessanordnung auf den Spalt 14 verzichtet werden.
4 zeigt einen Längsschnitt durch die Messblende 1 im Bereich der Öffnung 3. Um die Durchflussmessanordnung an unterschiedliche Messaufgaben anzupassen, ist in die Öffnung 3 ein Drosselgerät 16, hier in Form eines Blendeneinsatzes, eingesetzt. Das Drosselgerät 16 ist z. B. zweiteilig ausgebildet und kann daher einfach montiert und demontiert werden.
5 zeigt einen Messumformer 17 zur Prozessinstrumentierung mit dem die hier nicht sichtbare Messblende enthaltenden und mit Montageflanschen 18, 19 versehenen Rohr 1 und einem die Messelektronik beinhaltenden Messkopf 20.

Claims

Durchflussmessanordnung, die nach dem Wirkdruckverfahren arbeitet, mit einem Rohr (1), in dessen Querschnitt eine elastisch verformbare Messblende (2) angeordnet ist, und mit einem die Verformung erfassenden und in ein elektrisches Signal umsetzenden Dehnungssensor (12, 13), dadurch gekennzeichnet, dass die Messblende (2) und das Rohr (1) einstückig aus einem einheitlichen Material ausgebildet sind, dass die Messblende (2) auf beiden Seiten jeweils über eine Kehlnut (9, 10) in das Rohr (1) übergeht und dass der mindestens eine Dehnungssensor (12, 13) auf der Umfangsseite (7) des Rohres (1) gegenüber der Kehlnut (9, 10) angeordnet ist.
Durchflussmessanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Dehnungssensor (12, 13) in einer Ausnehmung (8) auf der Umfangsseite (7) des Rohres (1) angeordnet ist.
Durchflussmessanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein mittig zu der Messblende (2) verlaufender Spalt (14) von der Umfangsseite (7) des Rohres (1) aus zu einem Teil in die Messblende (2) hineinreicht.
Durchflussmessanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein weiterer Dehnungssensor (15) in dem Spalt (14) gegenüber der Kehlnut (9) angeordnet ist.
Durchflussmessanordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialdicke zwischen der Kehlnut (9, 10) und der gegenüberliegende Umfangsseite (7) des Rohres (1) und zwischen der Kehlnut (9, 10) und der gegenüberliegenden Wand das Spalts (14) gleich ist.
Durchflussmessanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messblende (2) in ihrem mittleren Bereich (5) um ihre Öffnung (3) eine höhere Dicke aufweist als in ihrem Randbereich (6).
Durchflussmessanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messblende (2) in einem Bereich zwischen dem Rohr (1) und ihrer Öffnung (3) auf beiden Seiten jeweils eine Umlaufnut enthält.
Durchflussmessanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Öffnung (3) der Messblende (2) ein Drosselgerät (16) als austauschbares Teil gehalten ist.
Messumformer (17) zur Prozessinstrumentierung mit einer Durchflussmessanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.