DE10314024B4 - Apparatus and method for determining a fluid flow - Google Patents
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Abstract
Vorrichtung zum Bestimmen einer Durchflussmasse eines Fluidstroms durch eine Rohrleitung mit einem Einlaufrohr, mit einem nachgeschalteten Volumenzähler, mit mindestens einer am Einlaufrohr angeordneten Druckentnahmestelle und mit mindestens einer weiteren Druckentnahmestelle zum Messen eines Fluiddrucks mittels eines Differenzdruckmessumformers, wobei die Messsignale des Differenzdruckmessumformers zusammen mit einem Messsignal des Volumenzählers zum Bestimmen der Durchflussmasse auswertbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine weitere Druckentnahmestelle (10') am Volumenzähler (3) am Ort (Xp,) des niedrigsten statischen Drucks (pstat) angeordnet ist.Device for determining a flow mass of a fluid flow through a pipeline with an inlet pipe, with a downstream volume meter, with at least one pressure tapping point arranged at the inlet pipe and with at least one further pressure tapping point for measuring a fluid pressure by means of a differential pressure transducer, wherein the measuring signals of the differential pressure transducer together with a measuring signal of Volumen counter for determining the flow mass are evaluated, characterized in that the at least one further pressure tapping point (10 ') on the volume meter (3) at the location (X p ,) of the lowest static pressure (p stat ) is arranged.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 7.The The invention relates to a device according to the preamble of the claim 1 and a method according to the preamble of claim 7.
Die Bestimmung des Massendurchflusses spielt in vielen Bereichen der alltäglichen industriellen Praxis eine wichtige Rolle. Bei der üblichen Massendurchflussmessung von Fluiden, d.h. Flüssigkeiten oder Gasen wird das über einen Volumenzähler, wie einen Ovalradzähler oder dergleichen, erfasste Betriebsdurchflussvolumen V .B des Fluids nach separater Messung von Druck und Temperatur sowie unter eventueller Berücksichtigung der Kompressibilität und einer Normdichte zur Bestimmung der Normmasse bzw. des Normvolumens unter Verwendung einer Zustandsgleichung umgerechnet. Damit ergibt sich der Massendurchfluss oder die Durchflussmasse (Masse pro Zeiteinheit) zu: wobei ρ die Fluiddichte, p den Fluiddruck, T die Fluidtemperatur und χ die Kompressibilität bezeichnen. Die Indices B und N stehen für die Werte der entsprechenden Messgröße bei Betriebs- bzw. Normalbedingungen. In diesem Zusammenhang erfolgt eine direkte Dichtemessung, beispielsweise mit einem Schwinggabeldichtemesser, was jedoch besonders bei aggressiven oder stark verschmutzten Messstoffen, wie Abgasen, nicht ohne Probleme möglich ist. Weitere Probleme ergeben sich, wenn sich die Normdichte aufgrund einer variablen Gaszusammensetzung ändert. In diesem Fall reicht eine einfache Zustandsmengenumwertung über Druck und Temperatur nach Gleichung 1 nicht aus.The determination of mass flow plays an important role in many areas of everyday industrial practice. In the conventional mass flow measurement of fluids, ie, liquids or gases, the operating flow volume V detected by a volumetric meter such as an oval gear meter or the like becomes. B of the fluid after separate measurement of pressure and temperature, and possibly taking into account the compressibility and a standard density for determining the standard mass or the standard volume using an equation of state. This results in the mass flow or the mass flow (mass per unit time) to: where ρ is the fluid density, p the fluid pressure, T the fluid temperature and χ the compressibility. The indices B and N stand for the values of the corresponding measurand under operating or normal conditions. In this context, there is a direct density measurement, for example, with a vibrating fork densitometer, but this is not without problems especially in aggressive or heavily polluted media such as exhaust gases. Further problems arise when the standard density changes due to a variable gas composition. In this case, a simple state quantity conversion over pressure and temperature according to equation 1 is not sufficient.
Die vorstehend erwähnten Nachteile gelten insbesondere für die nach dem Schwingungsprinzip funktionierenden bekannten Coriolis-Massemesser.The mentioned above Disadvantages apply in particular to the functioning according to the vibration principle known Coriolis mass meter.
Die
gattungsgemäße
Die
Die
Die
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren der gattungsgemäßen Art dahingehend weiterzuentwickeln, dass das Bestimmen von Massenströmen durch eine Rohrleitung mit verbesserter Genauigkeit und erhöhter Messsicherheit ermöglicht wird, wobei die Vorrichtung kompakt ausgebildet sein soll.Of the Invention is based on the object, an apparatus and a method of the generic type in that the determination of mass flows by a pipeline with improved accuracy and increased measuring reliability allows is, wherein the device should be made compact.
Die genannte Aufgabe wird mit einer Vorrichtung der eingangs genannten Art gelöst, die die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 aufweist. Weiterhin wird die Aufgabe durch ein Verfahren der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst.The This object is achieved with a device of the aforementioned Sort of solved, having the characterizing features of claim 1. Farther The object is achieved by a method of the type mentioned solved with the characterizing features of claim 7.
Die Erfindung schafft damit eine integrierte bauliche Anordnung von Volumenzähler und Differenzdruckmesseinrichtung, was einerseits die Messung als solche sicherer und genauerer macht und andererseits eine kompakte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ermöglicht, indem die Druckentnahmestelle im Ort des niedrigsten statischen Drucks angeordnet ist bzw, dort die weitere Druckmessung erfolgt. Mittels der einfach vorzunehmenden Druckmessung steht eine zweite unabhängige direkte Messgröße zur Verfügung, durch die sich das Messsignal des Volumenzählers in weitgehend exakter Weise zur Bestimmung des Massendurchflusses umrechnen lässt.The Invention thus provides an integrated structural arrangement of volume meter and differential pressure measuring device, which on the one hand the measurement as making them safer and more accurate and, on the other hand, a compact one Embodiment of the device according to the invention allows by placing the pressure point in place of the lowest static Pressure is arranged or, there is the further pressure measurement. By means of the simple pressure measurement is a second independent direct measurement available, by the measurement signal of the volumetric counter is largely accurate Convert way to determine the mass flow.
Für quellen-
bzw. senkenfreie Massenströme
von Fluiden existiert eine Kontinuitätsgleichung
In Gleichung 2 bezeichnet u die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids und A die Querschnittsfläche der Rohrleitung. Eine Betrachtung der potentiellen und kinetischen Energie des strömenden Fluids führt auf die Bernoulli-Gleichung, die besagt, dass die Summe aus statischem Druck (Betriebsdruck + geodätischer Druck) und dynamischem Druck (Staudruck) eine Konstante ist. Der dynamische Druck berechnet sich allgemein nach der Formel: In equation 2, u denotes the flow rate of the fluid and A the cross-sectional area of the pipeline. Consideration of the potential and kinetic energy of the flowing fluid leads to the Bernoulli equation, which states that the sum of static pressure (operating pressure + geodetic pressure) and dynamic pressure (dynamic pressure) is a constant. The dynamic pressure is generally calculated according to the formula:
Bei einer Umströmung vom im Fluidstrom angeordneten Körpern kommt es seitlich des umströmten Körpers zu einer Einschnürung der Strömung, so dass an diesen Stellen gemäß der Kontinuitätsgleichung – Gleichung 2 – die Fluidströmung an Geschwindigkeit gewinnt, wobei der statische Druck nach der Bernoulli-Gleichung zusammen mit Gleichung 3 ein Minimum annimmt. Wenn sich unter geeigneten Bedingungen die an dem umströmten Körper anliegenden Flüssigkeitsschichten ablösen, tritt eine Wirbelbildung auf. Bei geeigneten Strömungsparametern kommt es zur Ausbildung einer Kármánschen Wirbelstraße, wobei sich zeitlich periodisch wechselseitig vom umströmten Körper gegensinnig rotierende Wirbel ablösen. So bilden sich auf der Rückseite eines angeströmten Körpers Wirbel, in denen sich die Fluidteilchen sehr schnell bewegen, was nach der Bernoulli-Gleichung einen erhöhten Staudruck (dynamischen Druck) und einen verminderten statischen Druck zur Folge hat. Dadurch entsteht eine Druckdifferenz Δp vor und hinter dem umströmten Körper. Diese berechnet sich gemäß und ist für den statischen Druck negativ (Druckabnahme), für den dynamischen Druck dagegen positiv (Druckzunahme). Den Faktor cp bezeichnet man als Druckwiderstandsbeiwert, der von der Geometrie des umströmten Körpers und der Art der Fluidströmung (laminar bzw. turbulent) abhängt. Die vorstehende Gleichung 4 lässt sich nach der Fluiddichte umformen: In a flow around the bodies arranged in the fluid flow, a constriction of the flow occurs at the side of the flowed body, so that at these points according to the equation of continuity - Equation 2 - the fluid flow gains in velocity, the static pressure according to the Bernoulli equation together with equation 3 takes a minimum. If, under suitable conditions, the liquid layers adjacent to the body flowing around become detached, vortex formation occurs. With suitable flow parameters, a Kármán vortex street is formed, with temporally periodically mutually alternating from the body around which the fluid flows in opposite directions. For example, vortexes form on the back of a streamlined body in which the fluid particles move very rapidly, which, according to the Bernoulli equation, results in an increased back pressure (dynamic pressure) and a reduced static pressure. This creates a pressure difference Δp in front of and behind the body that flows around. This is calculated according to and is negative for the static pressure (pressure decrease), positive for the dynamic pressure (pressure increase). The factor c p is referred to as the pressure resistance coefficient, which depends on the geometry of the body flowing around and the type of fluid flow (laminar or turbulent). The above equation 4 can be reformed according to the fluid density:
Der Druckwiderstandsbeiwert cp ist eine Gerätekonstante, die Strömungsgeschwindigkeit u ergibt sich gemäß u = V ./A aus der Kontinuitätsgleichung (Gleichung 1).The pressure resistance coefficient c p is a device constant, the flow velocity u results according to u = V ./A from the continuity equation (equation 1).
Aufgrund der allgemeinen Formel für den Massendurchfluss, m . = V .·ρ bestimmt sich damit der Massendurchfluss nach Einsetzen in die Gleichung 5 zu: Due to the general formula for mass flow, m. = V · · ρ is determined by the mass flow after insertion into Equation 5:
Erfindungsgemäß ist vorzugsweise eine Bestimmungseinheit zum Bestimmen der Durchflussmasse aus den Differenzdruckmesssignalen und dem Messsignal des Volumenzählers vorgesehen.According to the invention is preferred a determination unit for determining the flow mass from the Differential pressure measuring signals and the measurement signal of the volumeter provided.
Zur Bestimmung der für die Durchflussmasse maßgeblichen Druckdifferenz ist nach einer Weiterbildung vorgesehen, dass die Druckmessung am Volumenzähler am Ort des geringsten statischen Drucks erfolgt. Dazu ist nach einer äußerst bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Durchflussgerätes vorgesehen, dass die Druckentnahmestelle am Volumenzähler am Ort des niedrigsten statischen Drucks angeordnet ist.to Determination of for the flow mass relevant Pressure difference is provided according to a development that the Pressure measurement on the volume counter takes place at the location of the lowest static pressure. This is after a highly preferred Further development of the flow device according to the invention provided, that the pressure tapping point on the volumetric counter is at the location of the lowest static pressure is arranged.
Nach einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Durchflussmessgerätes ist vorgesehen, dass der Volumenzähler ein Wirbelzähler ist, der vorzugsweise zum Messen einer Wirbelfrequenz von Fluidwirbeln ausgebildet ist. Ein Wirbelzähler dient zum Bestimmen eines Volumendurchflusses V . durch eine Rohrleitung, indem die Ablösefrequenz von Wirbeln (Wirbelfrequenz) beim Umströmen eines in dem zu vermessenden Volumenstrom angeordneten Körpers bestimmt wird, beispielsweise über die beim abwechselnden Ablösen der Kármánschen Wirbel auftretende Schwenkbewegung des umströmten Körpers (Wirbelkörper). Der Volumendurchfluss V .B ist dabei über einen Zählerfaktor K mit der gemessenen Wirbelfrequenz f verknüpft.According to a further embodiment of the flowmeter according to the invention it is provided that the volume meter is a vortex meter, which is preferably designed for measuring a vortex frequency of fluid vortices. A vortex meter is used to determine a volume flow V. by a pipeline, by the Ablösefrequenz of eddies (vortex frequency) is determined when flowing around a arranged in the volume to be measured body, for example, on the occurring during the alternate detachment of the Karman vortex pivotal movement of the body (vortex body). The volume flow V. B is linked via a counter factor K with the measured vortex frequency f.
Unter Einsatz eines Wirbelzählers zum Bestimmen des Volumendurchflusses ist damit aufgrund des regelmäßigen Vorhandenseins eines umströmten Wirbelkörpers dafür gesorgt, dass die erfindungsgemäße Messung einer Druckdifferenz Δp, die in die Berechnung der Durchflussmasse direkt eingeht, in optimaler Weise durchführbar ist.Under Use of a vortex meter to determine the volume flow is thus due to the regular presence a flow around vertebra ensured, that the measurement according to the invention a pressure difference Δp, which enters directly into the calculation of the flow mass, in optimal Way feasible is.
Nach einer äußerst bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung erfolgt daher ein Bestimmen eines Massendurchflusses mittels der Beziehung direkt aus den Messgrößen ohne Verwendung einer Zustandsgleichung für das Fluid, wobei m . den Massendurchfluss, Δp die gemessene Druckdifferenz, V .B den gemessenen Volumendurchfluss und k eine geometrieabhängige numerische Konstante bezeichnen, wozu die Bestimmungseinrichtung der erfindungsgemäßen Vorrichtung entsprechend ausgebildet ist. Die Bestimmung des Massendurchflusses berücksichtigt folglich nur direkt gemessene Größen und ist von jeder näherungsweisen Zustandsmengenumwertung über Druck und Temperatur unabhängig.According to a highly preferred embodiment of the invention, therefore, a determination of a mass flow occurs by means of the relationship directly from the measured quantities without using an equation of state for the fluid, where m. the mass flow, Δp the measured pressure difference, V. B denote the measured volume flow and k a geometry-dependent numerical constant, for which purpose the determination device of the device according to the invention is designed accordingly. The determination of the mass flow thus takes into account only directly measured quantities and is independent of any approximate state quantity conversion over pressure and temperature.
Um ein möglichst gleichmäßiges Einströmen des zu messenden Fluids in den Bereich der Druckmessung und das Zählervolumen zu gewährleisten, ist nach einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass das Einlaufrohr einen Strömungsgleichrichter aufweist. Auf diese Weise erfolgt die erste Druckmessung vor dem Volumenzähler im stationären ungestörten Fluidstrom und die physikalischen Gegebenheiten bei der nachfolgenden Durchströmung des Volumenzählers bzw. der Umströmung des Wirbelkörpers sind reproduzierbar.Around one possible uniform inflow of to be measured fluids in the range of pressure measurement and the counter volume to ensure, is provided according to a development of the invention that the Inlet pipe a flow straightener having. In this way, the first pressure measurement takes place before volume meter in the stationary undisturbed Fluid flow and the physical conditions in the subsequent flow of the volumeter or the flow around of the vertebral body are reproducible.
Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand von Zeichnungen. Es zeigt:Further Details of the invention will become apparent from the following description an embodiment based on drawings. It shows:
Das
in
Der
Volumenzähler
Von
der Zählereinheit
Im
Inneren des Einlaufrohres
Die
vorstehend genannten Bestandteil des erfindungsgemäßes Durchflussmessgerätes können in kompakter
Bauweise mittels eines gemeinsamen Gehäuses (nicht gezeigt) zu einer
einheitlichen Messeinrichtung zusammengefasst sein. Dies betrifft
insbesondere das Zählervolumen
Der
bezüglich
des Massendurchflusses zu vermessende Fluidstrom F tritt aus der
Rohrleitung
Der
Fluidstrom F im Inneren des Einlaufrohres
Anschließend tritt
der zu vermessende Fluidstrom F in das Zählervolumen
Im
Normalbetrieb des dargestellten Durchflussmessgeräts
Die
Steuerung der Ventile
Im
Zuge einer elektronischen Ventilsteuerung kann der Differenzdruckmeßumformer
Der
Wirbelzähler
In
der vorstehenden Gleichung bezeichnet St die Strouhalzahl, die für typische
Anwendungen als eine Konstante betrachtet werden kann. d bezeichnet
eine charakteristische Abmessung des Wirbelkörpers, z.B. seinen Durchmesser
quer zur Anströmung
durch den Fluidstrom F. Der Volumendurchfluss V .B ergibt
sich direkt aus der Wirbelfrequenz f in Verbindung mit einem geräteabhängigen Zählerfaktor
K. Das Ergebnis wird als elektrisches Signal über die Zeitung
Die
Bestimmungseinheit
Das
Auslaufrohr
Durch
die baulich feste Verbindung des Druckmesswertumformers
Bei
der Umströmung
des Wirbelkörpers
Im
unteren Bereich der
Das
erfindungsgemäße Verfahren
ist nicht nur mit Wirbelzählern,
wie im Ausführungsbeispiel
gemäß
- 11
- DurchflussmessgerätFlowmeter
- 22
- Einlaufrohrinlet pipe
- 33
- Volumenzähler/WirbelzählerVolume meter / meter body
- 44
- Auslaufrohroutlet pipe
- 55
- Anschlussflanschflange
- 66
- Anschlussflanschflange
- 77
- Rohrleitungpipeline
- 88th
- Zählervolumencounter volume
- 8a8a
- Wirbelkörpervertebra
- 8b8b
-
Flanke
(von
8a )Flank (from8a ) - 99
- Zählereinheitcounter unit
- 10, 10'10 10 '
- DruckentnahmestellePressure tapping
- 10a, 10a', 11a'10a, 10a ', 11a'
- VentilValve
- 1111
- Druckleitungpressure line
- 11a11a
- Druckleitungpressure line
- 1212
- Druckleitungpressure line
- 1313
- Differenzdruckumformerdifferential pressure transducer
- 1414
- Halteteilholding part
- 1515
- Schellenverbindungclamp connection
- 1616
- Leitungmanagement
- 1717
- Leitungmanagement
- 1818
- Bestimmungseinheitdetermining unit
- 1919
- Anzeigeeinrichtungdisplay
- 2020
- StrömungsgleichrichterFlow straightener
- AA
- Rohrachsepipe axis
- FF
- Fluidstromfluid flow
- WW
- Fluidwirbelfluid vortex
- pp
- Druckprint
- pdyn p dyn
- dynamischer Druckdynamic print
- pstat p stat
- statischer Druckstatic print
- ΔpAp
- Druckdifferenzpressure difference
- xp, xp'x p , x p '
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