DE1966331B2

DE1966331B2 - Verfahren und Vorrichtung zum Messen des Durchflusses eines strömenden Mediums

Info

Publication number: DE1966331B2
Application number: DE19691966331
Authority: DE
Inventors: George V. Copland; Carl W. Zimmerman
Original assignee: Halliburton Co
Current assignee: Halliburton Co
Priority date: 1968-02-09
Filing date: 1969-02-07
Publication date: 1975-05-15
Also published as: CA944861A; DE1966331A1; DE1906116C3; GB1267441A; DE1966331C3; JPS5228377B1; DE1906116A1; DE1906116B2; NL6901994A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen des Durchflusses eines strömenden Mediums mit Korrektur der Durchflußmenge nach mindestens einem Parameter des Mediums mittels elektrischer Signale, von denen eines eine der Durchflußmenge entsprechende erste Impulsfolge ist und ein anderes einem veränderlichen Parameter des Mediums zugeordnet ist, wobei beide Signale in einer Torschaltung so zusammengesetzt werden, daß entsprechend einem periodisch gesteuerten Öffnungsverhältnis der Torsclialtung eine Folge von Impulspaketen erzeugt wird, die der korrigierten Durchflußmenge entspricht.

Bei einem bekannten Verfahren dieser Art (GBPS 8 30 449) wird die Messung einer Flüssigkeitsströmung hinsichtlich dei Dichte der Flüssigkeit korrigiert, um den Massedurchsatz zu erhalten. Mittels eines in der Flüssigkeitsleitung angeordneten Flügelrades, dessen Umdrehungen mittels eines induktiven Gebers abgetastet werden, wird eine Impulsfolge erzeugt, deren Frequenz dem Volumenstrom der Flüssigkeit proportional ist. Diese Impulsfolge wird über eine Torschaltung auf einen Zähler gegeben. Die Torschaltung wird von einem Oszillator mit fester Frequenz aber veränderbarem Tastverhältnis periodisch aufgestcucrt. Das Tastverhältnis des Oszillators wird von einem Dichtemesser in Abhängigkeit von der Dichte der Flüssigkeit gesteuert. Auf diese Weise werden von der Impulsfolge des induktiven

Gebers Impulspakete durch die Torschaltung zu dem Zähler durchgelassen. Jedes dieser Impulspakete enttiält eine Anzahl von Impulsen, die proportional der Impulsfrequenz, also dem Volumenstrom, und der Länge der Aufsteuerintervalle und damit der Dichte der Flüssigkeit ist. Der Zähler summiert die Impulse der Impulspakete auf, bildet also das Zeitintegral des Produktes von Volumenstrom und Dichte, welches gleich dem Massendurchsatz ist.

Eine ähnliche Vorrichtung zeigt die US-PS 3176 514.

Bei diesen bekannten Vorrichtungen wird das Tastverhältnis des die Torschaltung steuernden Oszillators in Abhängigkeit von einer mit der Dichte oder einer zu kompensierenden Zustandsgröße stetig veränderlichen Spannung gesteuert. Die Schaltung kann daher nicht, was wünschenswert ist, mit üblichen Digitalbauteilen aufgebaut werden.

Es ist weiterhin ein Flüssigkeitszähler für Zapfvorrichtungen bekannt, der sowohl die abgegebene Flüssigkeitsmenge als auch den digital einstellbaren Preis der abgegebenen Flüssigkeitsmenge digital anzeigt und dessen Schaltung vollständig mit Digitalbausteinen aufgebaut ist. Dabei werden Impulse, die von einem Strömungsmesser geliefert werden und deren Frequenz derr Volumenstrom der gezapften Flüssigkeit proportional ist, über Torschaltungen auf Zähler gegeben. Die Torschaltuni>en werden von einem Oszillator über je einen einstellbaren Frequenzteiler periodisch mit fester Frequenz für vorgegebene Intervalle durchgesteuert, deren Länge jeweils von der Einstellung des betrefferden Frequenzteilers abhängt. Es kann so durch die Einstellung der Frequenzteiler eine Eichung der Anzeige erfolgen, so daß an den Zählern unmittelbar die abgegebene Flüssigkeitsmenge, z. B. in Litern, und deren Preis, z. B. in DM, angezeigt wird.

Es erfolgt bei dieser Anordnung somit eine Multiplikation des Volumenstromsignals mit einem festen Volumen- oder Preiseichfaktor. Es geht nicht um die Korrektur eines solchen Volumenstromsignals nach Maßgabe einer gemessenen, veränderlichen Zustandsgröße.

Es ist weiterhin eine Vorrichtung zur Messung des Massestromes eines Gases bekannt, bei welcher der Volumenstrom entsprechend den Gasgesetzen nach Maßgabe von Druck und Temperatur auf Normalbedingungen korrigiert wird (GB-PS 10 86 628). Zu diesem Zweck liefert ein Strömungsmesser mit einer in der Gasströmung angeordneten Turbine eine Impulsfolge, deren Frequenz dem Volumenstrom proportional ist. Jeder dieser Impulse setzt eine bistabile Kippschaltung. Durch Setzen der Kippschaltung wird ein Kondensator exponentiell entladen. Die Kondensatorspannung wird mit einer durch einen Temperaturfühler gelieferten, von der Gastemperatur abhängigen Referenzspannung verglichen, und bei Erreichen dieser Referenzspannung wird die bistabile Kippschaltung zurückgesetzt. Es ist dann bei geeigneter Auslegung die Schaltzeit der bistabilen Kippschaltung näherungsweise umgekehrt proportional der absoluten Temperatur des Gases. Die bislabile Kippschaltung steuert einen Impulshöhenmodulator. der von einer druckproportionaler. Spannung gesteuert ist und Rechteckimpulse mit der dem VoIumcnstrom proportionalen Frequenz liefert, deren Höhe proportional dem Druck und deren Breite proportional dem Kehrwert der Temperatur des Gases ist. Diese Impulse werden einem Drehspulinstrument zugeführt, das den mittleren elektrischen Strom anzeigt, dessen Ausschlag also proportional Voluinenstrorn mal Druck dividiert durch absolute Temperatür ist.

Diese bekannte Vorrichtung arbeitet zwar mit einer Impulsfolge als Volumenstromsignal. Die Berücksichtigung von Druck und Temperatur erfolgt jedoch durch die Impulsformung analog. Es erfolgt dementsprechend auch eine analoge Anzeige, und zwar des Massestromes (Masse pro Zeiteinheit). Es ist nicht möglich, diesen Massestrom mittels eines Digitalzählers zu integrieren, um die durchgeflossene Gesamtmasse zu erhalten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Verfahren der eingangs definierten Art das als digital aufzusummierende Impulsfolge erscheinende Druckmittelstromsignal mit einem Faktor zu korrigieren, der dem Kehrwert eines gemessenen Parameters proportional ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Impulse der der Durchflußmenge entsprechenden ersten Impulse das Tor jeweils zu Beginn eines Zeitintervalls öffnen, das bei Erreichen einer vcibestimmten Anzahl von Impulsen einer zweiten Impulsfolge endet, deren Frequenz einem Parameter des Mediums zugeordnet ist und um mehrere Größenordnungen höher ist als die Frequenz der ersten Impulsfolge, und daß von einem Oszillator eine dritte Impulsfolge erzeugt wird, deren Impulse das Tor durchlaufen und von einem Zähler summiert werden.

Es werden nach der Erfindung dem Zähler über ein Tor Impulspakete von einem schwingenden Oszillator (dritte Impulsfolge) zugeführt. Die Frequenz, mit welcher diese Impulspakete erscheinen, ist proportional der Durchflußmenge, da jeder Impuls der ersten Impulsfolge das Tor öffnet. Das Tor wird wieder gesperrt, wenn eine vorgegebene Anzahl von Impulsen der zweiten Impulsfolge erschienen ist. Die öffnungsdauer des Tores ist daher jeweils umgekehrt proportional zur Frequenz der zweiten Impulsfolge und damit zu dem besagten Parameter.

Es erscheinen also Impulspakete, deren jedes eine Zahl von Impulsen umgekehrt proportional zu dem Parameter aufweist. Die Anzahl der pro Zeiteinheit erscheinenden Impulspakete ist proportional der Durchfiußmenge, so daß die Anzahl der pro Zeiteinheit erscheinenden Impulse proportional zu der Durchflußmenge dividiert durch den besagten Parameter ist. Diese Impulse werden von einem Zähler aufsummiert, so daß eine Integration der korrigierten Durchflußmenge erfolgt. Die Frequenz der dritten Folge elektrischer Impulse kann eine feste Frequenz

sein, sie kann aber auch von einer zweiten veränderlichen Betriebsgröße abhängen, mit welcher die Messung des Durchflusses kompensiert werden soll. Urr beispielsweise als Durchfiußmenge einen Volumenstrom auf Normalbedingungen »umzurechnen«, kanr die Frequenz der zweiten Impulsfolge von der Temperatur und die Frequenz der von dem Oszillator erzeugten Impulse von dem Druck des Mediums ab hängen.

Wenn das strömende Medium eine Öl-Wasser Emulsion ist, ist deren Dielektrizitätskonstante aucl eine Funktion der Temperatur des Öls. Dies ist ins besondere von Bedeutung beim Messen von durcl eine Verkaufs-Pipeline strömenden raffinierten Roh

5 y 6

öl, wenn dessen prozentualer Anteil in der Emulsion Die Erfindung findet insbesondere Anwendung bei

verhältnismäßig groß ist. Erdölquellen, bei denen ein kompensierter Gasdurch-

Vorzugsweise hängt daher die Frequenz der zwei- llußmesser geschaffen wird, durch den Druckschwan-

ten Impulsfolge von zwei veränderlichen Betriebs- klingen rasch korrigiert werden. Die Meßeinrichtung

größen des strömenden Mediums und die Frequenz 5 wird zweckmäßig in die Gasdurchflußrohrleiümg eines

der vom Oszillator erzeugten Impulse in der gleichen Flüssiggasscheiders am Bohrlochkopf eingebaut. Die

Weise von einer der beiden Betriebsgrößen des Me- erfindungsgemäße Einrichtung kann auch in einem

diums ab, wie die zweite Impulsfolge von der erwähn- Reinölanalysator mit hohem Auflösungsvermögen

ten veränderlichen Betriebsgröße abhängt, wodurch zum Kompensieren der Temperatureinflüsse auf die

diese veränderliche Betriebsgröße als Variable beim io Dielektrizitätskonstante des Öls in einer öl-Wasser-

Summieren des inkrementellen mathematischen Pro- Emulsion verwendet werden,

duktes eliminiert wird. In Einrichtungen dieser Art kann die Frequenz-

Die erste Betriebsgröße kann dann die Dielektri- empfindlichkeit des Durchflußmessers gemäß der in

zitätskonstante des strömenden Mediums sein, und Fig. 1 gezeigten graphischen Darstellung variieren,

die Frequenz der dritten Folge elektrischer Impulse 15 in der die Frequenz des Durchflußmessers längs der

kann von der Temperatur und auch von der Dielek- F-Achse und die volumetrische Strömungsgeschwin-

trizitätskonstante des strömenden Mediums in der digkeit V längs der A'-Achse aufgetragen ist, wobei

gleichen Weise wie die Frequenz der zweiten Folge die Frequenz /, die durch die Lagerreibung bedingte

elektrischer Impulse von der Dielektrizitätskonstante Ausgangskonstante ist.

des Mediums abhängen. 20 Das Frequenzansprechvermögen bzw. die Fre-

Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfin- quenzempfindlichkeit des druckempfindlichen Meßdungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeich- Umformers in einem mit Gas arbeitenden. System net, daß der Ausgang eines Durchflußmessers mit kann nach der Darstellung von Fig. 2 variieren, in dem Setzanschluß eines Flip-Flop-Schalters und der der die Frequenz des Meßumformers gegenüber dem Ausgang eines Meßumformers mit dem Rücksetzan- 25 absoluten Druck aufgetragen ist.
Schluß eines Flip-Flop-Schalters über ein Tor ver- Wenn gemäß Fig. 4 die Frequenzempfindlichkeitsbunden ist, dessen Eingang an den Ausgangsanschluß kurve des Meßumformers im reziproken Verhältnis des Flip-Flop-Schalters angeschlossen ist, so daß der mit dem Zustand oder der Betriebsgröße des strömen-Flip-Flop-Schalter nach Setzen durch einen Impuls den Mediums variiert, für die die Kompensierung des Durchflußmessers geöffnet und nach einer vorbe- 30 durchgeführt werden soll, muß eine in F i g. 3 beistimmten Anzahl von Impulsen des Meßumformers spielsweise veranschaulichte Einrichtung verwendet wieder geschlossen wird, und daß mit dem Ausgangs- werden, bei der die reziprok variierende Funktion in anschluß des Flip-Flop-Schalters ein zweites Tor ver- Abhängigkeit von der gewünschten Kompensation bunden ist, das während der der vorbestimmten An- zu- oder abnehmen kann. Diese Schaltung kann auch zahl von Impulsen des Meßumformers entsprechen- 35 benutzt werden, wenn die Zahl der gespeicherten den, variablen Öffnungszeit Impulse eines Oszillators Impulse sich im umgekehrten Verhältnis zur Betriebszu einem Zähler durchläßt. größe des strömenden Mediums verändert, die direkt

Die Schaltung einer solchen Vorrichtung kann mit abhängig ist von der Frequenzempfindlichkeitskurve

rein logischen Bauteilen aufgebaut werden. des auf den Betriebszustand ansprechenden Meßum-

Die Erfindung soll im einzelnen an Hand der 40 formers. Auch hier kann die Frequenzempnndlich-

Zeichnungen erläutert werden. Es zeigt keitskurve des Meßumformers je nach der gewünsch-

F i g. 1 eine graphische Darstellung der Beziehung ten Kompensation entweder von zunehmender oder

zwischen der volumetrischen Durchflußgeschwindig- abnehmender Beschaffenheit sein,

keit und der Frequenzempfindlichkeit des Durchfluß- Bei dieser Schaltung werden mit reziproker Multi-

messers, 45 plikalion auch Impulsfolgen erzeugt, wobei die ge-

F i g. 2 eine graphische Darstellung der Beziehung naue Zahl der Impulse abhängig ist von dem Bedes absoluten Drucks zur Frequenzempfindlichkeit triebszustand des strömenden Mediums, durch das eines Druckmeßumformers, durch den die Darstel- der Ausgang des Durchflußmessers verändert werlung oder Wiedergabe der volumetrischen Gasdurch- den soll, und die Anzahl der Impulsfolgen in Belaufgeschwindigkeit modifiziert wird, 50 ziehung steht zur Durchflußmenge.

Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel eines Blockschalt- In dem Autführungsbeispiel der Fig. 3 ist der

bildes der Vorrichtung zur Erzeugung eines inkre- Meßumformer 10 ein Oszillator mit einer tempe'ratur-

mentellen mathematischen Multiplikationsproduktes empfindlichen Sonde und der Durchflußmesser 16 ein

mit einer reziproken Funktion, Gasmesser herkömmlicher Bauart, der in Reihe mil

F i g. 4 eine graphische Darstellung der Ausgangs- 55 dem Meßumformer 10 in einer von einem Medium

signalfrequenz des Meßumformers und einer vom durchflossenen Rohrleitung 12 liegt

Meßumformer gemessenen veränderlichen Betriebs- Das elektrische Ausgangssignal des Oszillators, dei

größe des strömenden Mediums, und zwar als rezi- hier als Teil des Meßumformers 10 anzusehen ist

proke Abhängigkeit der Frequenz von der gemesse- wird nach dem Formen in einem herkömmlichen Im-

nen Betriebsgröße, 60 pulsformer (nicht dargestellt) an die Eingangs-

Fig. 5 den zeitlichen Verlauf der Spannungen an klemme C von Tor 14 gegeben. Diese Impulse wer-

verschiedenen Punkten im Blockschaltbild nach den selektiv in Übereinstimmung mit dem Durch-

Fig. 3 und schalten von Tor 14 durch den Ausgang eines Flip-

Fig. 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines F.op-Schalters 20 durchgeschaltet und in einem Fre

Blockschaltbildes eines Reinöl-Analysators mit ho- 65 quenzteiler 22 gespeichert, der die auf die Eingangs

hem Auflösungsvermögen, der die Temperaturein- klemme D gegebenen Impulse teilt, nach dem Emp

Müsse auf die Dielektrizitätskonstante des Öls in der fang einer genau vorher bestimmten Anzahl von Ein

Öl-Wasser-Emulsion kompensiert. gangsimpulsen einen einzigen Ausgangsimpuls er

ft7Q

zeugt, der an die Rückstell-Eingangs-KIemme E des Flip-Flop-Schalters 20 gegeben wird. Ein Spannungsausgangssignal vom Durchflußmesser 16 wird einem Impulsformer 18 zugeführt und gelangt von diesem zu einem Frequenzteiler 24 und einem Zähler 26, der eine auf den Gesamtfiuß bezogene Angabe liefert. Die Schaltung des Impulsformers IR ist von herkömmlicher Bauart und so ausgebildet, daß ein steiler Wellenkopfauslöseimpuls geschaffen wird, der geeignet ist, den Frequenzteiler 24 und den Flip-Flop-Schalter 20 in Betrieb zu setzen. Ein Ausgangsspannungspegel an der eingesieilten Ausgangsklemme F des Flip-Flop-Schalters 20 bleibt so lange bestehen, bis ein Impuls vom Frequenzteiler 22 her auf der rückgestellten Eingangsklemme empfangen wird. Der Ausgangsimpuls vom Flip-Flop-Schalter 20 wird zum öffnen der Tore 14 und 28 verwendet.

Die maximale Dauer des Flip-Flop-Ausgangsimpulses muß unter der Mindestzeit zwischen den unter maximaler Strömungsgeschwindigkeit vom Durchflußrnesser 16 kommenden aufeinanderfolgenden Impulsen liegen, so daß kein Durchflußmesserimpuls ausgelassen wird. Andererseits muß der Impuls jedoch eine Dauer haben, die relativ zu den Frequenzen sowohl des Signals vom Meßumformer 10 als auch der Frequenz eines Oszillators 30 genügend lang bemessen wird, um den Durchgang einer ausreichend großen Anzahl von Impulsen vom Oszillator 30 zum Frequenzteiler 32 zu ermöglichen, so daß die gewünschte Genauigkeit erzielt wird.

Die eigentliche Dauer Λ der Ausgangsimpulse vom Flip-Flop-Schulter 20, die die Tore 14 und 28 öffnen, hängt von der Frequenz des Ausgangssignals vom Meßumformer IC ab und wird nach dem Empfang einer feststehenden Anzahl von vom Meßumformer kommenden Ausgangsimpulsen bestimmt. Da diese Impulsrate im Bereich von 0,8 bis 1 MHz variieren kann, würde beispielshal^er eine geeignete Durchschaltzeitspanne 200 Impulse umfassen. Die Frequenz des Signals des Oszillator:. 30 könnte in der Größenordnung von 1 MHz liegin. Somit wird die genaue Anzahl der das Tor 28 für jede Tordurchlaßschaltperiode durchlaufenden Impulse durch die genaue Dauer Λ der Toröffnungsr^riodc bestimmt, wobei die Dauer variabel ist, da sie jur Frequenz des Ausgangssignals vom Meßumformer in reziproker Beziehung steht. Die Ausgangsimpulse vom Frequenzteiler 32 sind ein Teil der an die Klemme // gegebenen Impulse und werden im Zähler 34 gesammelt.

Die in Fig. 5 dargestellter. Wellenformen treten an den mit entsprechenden Bezugszeichen gekennzeichneten Anschlüssen der Fig. 3 auf. Das Ausgangssignal vom Durchflußmesser 16 wird direkt erzeugt oder geformt und besitzt somit eine im wesentlichen Rechteckwellenform A, wobei die Frequenz vom Durchfluß abhängt. Die inkrementale Integrationszeit t_t bis <₂ wird durch aufeinanderfolgende negative Rückflanken jedes positiven Impulses der Wellenform A bestimmt. Der Ausgangsimpuls des Impulsformer; 18 am Anschluß B der Fi g. 3 ist als Wellenform B dargestellt und wird zum Auslösen des bistabilen Kippschalters oder Flip-Flop-Schalters 2® verwendet, um die Tore 14 und 28 für die Impulse C und G zu öffnen. Die Of nungszeät hat eine Dauer Λ und ist in F i g. 5 als Linienzug F dargestellt.

Das Ausgangssignal des Meßumformers I β ist als Kurve C dargestellt und wird dem Eingang C des Tores 14 in F i g, 3 zugeführt. Wenn ein Durchschaltimpuls mit Wellenform F auftritt, werden die Impulse der Kurve C vom Tor 14 zum Ausgangsanschluß D durchgelassen, was in der Kurvenform D dargestellt ist. Die Anzahl der aufgetragenen Impulse, die erforderlich sind, um einen Ausgangsimpuls vom Frequenzteiler 22 zu erwirken, ist durch den Teilungsfaktor S_s des Frequenzteilers 22 bestimmt.

Das Ausgangssignal A des Durchflußmessers 16 kann eine Folge von Impulsen sein, deren Folgefre-

quenz vom Durchfluß durch die Rohrleitung 12 abhängt. Um eine hinreichende Genauigkeit zu erzielen, muß die Ausgangsfrequenz des Meßumformers 10 verhältnismäßig groß in bezug auf die Frequenz der Ausgangsimpulse des Durchflußmessers 16 sein. Dies läßt sich dadurch erreichen, daß entweder der Meßumformer 10 und der Durchflußmesser 16 entsprechend ausgelegt werden oder zwischen den Durchflußmesser 16 und den Flip-Flop-Schalter 20 ein (nicht gezeigter) geeigneter Frequenzteiler geschaltet wird. Das Ausgangssignal C des Meßumformers 10, das dem Tor 14 in F i g. 3 zugeführt wird, ist eine Folge von Impulsen mit einer Frequenz, die von einer Betriebsgröße des durch die Rohrleitung 12 strömenden Mediums abhängt. In dem Augenblick, in dem das Tor 14 durchgeschaltet, d. h. geöffnet wird, wird eine Folge von Impulsen, z. B. zweihundert Impulse, zum Frequenzteiler 22 durchgelassen, bevor der Flip-Flop-Schalter 20 geschlossen wird. Dieser bleibt so lange in diesem Zustand geschlossen, bis er bei Erhalt eines Durchflußimpulses vom Durchflußmesser 16 wieder geöffnet wird.

Der Oszillator 30 erzeugt eine Folge von Impulsen konstanter Frequenz, wie es durch die Kurve G in F i g. 5 dargestellt ist. Diese Impulse G werden dem Eingangsanschluß des Tors 2% zugeführt, das die ihm zugeführten Impulse nur so lange zum Frequenzteiler 32 durchläßt, wie es vom Ausgangssignal F des Flip-Flop-Schalters 20 geöffnet ist. Aus Gründen der Genauigkeit ist es zweckmäßig, wenn das Tor in jeder Öffnungszeit 3 mindestens zehn, vorzugsweise aber einige zwanzig oder einige hundert Impulse H durchläßt. Ein Ausgangssignal B des Impulsformer 18 öffnet also den Flip-Flop-Schalter 20. der seinerseits die Tore 14 und 28 öffnet. Daraufhin läßt das Toi 14 eine Folge von Ausgangsimpulsen C des Meßumformers 10 so lange zum Frequenzteiler 22 durch, bis eine vorbestimmte Anzahl erreicht ist, und in dieserr Augenblick schließt der Ausgangsimpuls E des Frequenzteilers 22 den Flip-Flop-Schalter 20. Dadurch werden die Tore 14 und 28 wieder geschlossen, bi: der Flip-Flop-Schalter 20 von dem nächsten Durchflußimpuls B des Impulsformers 18 wieder geöffne wird.

Während der Zeit Λ zwischen dem öffnen des Flip-Flop-Schalters 20 durch einen Ausgangsimpuls B de! Impulsformers 18 und der Ansammlung einer genu genden Anzahl von Ausgartgsimputsen D des Meß Umformers 10 im Frequenzteiler 22, was ein Schlie Ben des FHp-Flop-Schalters 20 zur Folge hat, win die Ausgangsfrequenz S des Oszillators 30 über da Tor 28 dem Frequenzteiler 32 zugeführt.

Die Öffnungszeit Λ, während der das Tor 28 ge öffnet ist, ist somit

Λ =

wobei

509 520/«

879

d die Öffnungszeit des Flip-Flop-Schalters 20, S₅ der Teilungsfaktor des Frequenzteilers 22 und

/ die Impulsfrequenz des Meßumformers 10 ist.

Der Teilungsfaktor S₅ muß so gewählt sein, daß die Öffnungszeit des Tors 28 stets kleiner ist als die Zeit zwischen dem Eintreffen zweier aufeinanderfolgender Durchflußausgangsimpul'se B des Impulsformers 18.

Die Anzahl /V der Ausgangsimpulse des Oszillators 30, die in dieser Zeit über das Tor 28 zum Frequenzteiler 32 durchgelassen werden, ist

N = ^fo
f

(2)

wobei /₀ die Frequenz des Oszillators 30 ist.

Die Anzahl der im Frequenzteiler 32 angesammelten Impulse ist daher gleich dem Teilungsfaktor S₅ des Frequenzteilers 22 multipliziert mit der Frequenz /₀ des Oszillators 30 und dividiert durch die Frequenz / der Ausgangsimpulse des Meßumformers 10.

Die gleiche Beziehung gilt, wenn die Ausgangsfrequenz des Meßumformers 10 direkt von der Betriebsgröße des strömenden Mediums abhängt, aber statt einer Multiplikation' eine Division erforderlich ist, um die gewünschte Kompensation zu erzielen.

Bei Beschreibung der F i g. 3 wurde die Frequenz des Oszillators 30 als konstant angegeben. Aus Gleichung (2) ergibt sich jedoch, daß die Ausgangsfrequenz des Oszillators 30 auch in Abhängigkeit von irgendeinem anderen Parameter oder einer physikalischen Größe, z. B. dem Druck des durch die Rohrleitung 12 strömenden Mediums, veränderbar sein kann, zu welchem Zweck in F i g. 3 eine Drucksonde 35 dargestellt ist.

Durch die Schaltungsanordnung nach F i g. 3 können also Schwankungen zweier verschiedener Betriebsgrößen des strömenden Mediums, dessen Durchfluß vom Durchflußmesser 16 gemessen wird, kompensiert werden. Bei der einen Betriebsgröße ändert sich die Ausgangsfrequenz des Meßumformers reziprok in Abhängigkeit von einem veränderlichen Betriebs2:ustand und bei der anderen direkt in Abhängigkeit von einem zweiten Betriebszustand. Bei einer Gasdurchflußeinrichtung kann der Meßumformer 10 temperaturempfindlich und der Oszillator 30 druckempfindlich sein.

Das in Fig 6 dargestellte Ausführungsbeispiel kann auch zur Temperaturkompensation einer ReinüldurchrTußrneßeinrichtung, wie sie oben beschrieben ist, angepaßt sein. Die Temperaturkompensation ist besonders beim Messen des Durchflusses von raffiniertem öl durch eine Verkaufspipeline wichtig, weil dort ein hohes Auflösungsvermögen erforderlich ist. In einem derartigen Fall schwankt der Wassergehalt der Emulsion zwischen 0 und 3%, und man will den ölgehalt auf mindestens 0,1 °/o von dem gesamten iFlüssigikeitsvolumen der Emulsion genau erfassen.

Nach F i g. 6 ist eine kapazitive Sonde 51 koaxial in einer Rohrleitung 53 in an sich bekannter Weise auf einem Stützelement 55 angeordnet. Die Sonde 51 bildet einen Teil eines Meßumformers 56, der einen Oszillator enthält, dessen Ausgangssignalfrequenz f sich mit der Dielektrizitätskonstanten der Emulsion ändert, die zwischen der Sonde 51 und der die andere Elektrode des Kondensators bildenden Innenwandung der Rohrleitung 53 strömt.

Da die Dielektrizitätskonstante der Emulsion, wie

erwähnt, vom Öl-Wasser-Verhältnis der Emulsion abhängig ist, hängt die Ausgangssignalfrequenz /' des Meßumformers 56 ebenfalls vom Reinölgehalt der Flüssigkeit ab.

Die Dielektrizitätskonstante des Öls ändert sich jedoch auch mit der Temperatur. Wenn sich die Temperatur des Öls ändert, ändert sich auch die Ausgangssignalfrequenz /' des Meßumformers, was als Änderung des Öl-Wasser-Verhältnisses aufgefaßt wird, obwohl sich dieses Verhältnis nicht geändert hat. Diese Temperaturabhängigkeit der Dielektrizitätskonstanten des Öls kann sich also als Meßfehler auswirken und soll daher kompensiert werden, wozu die erfindungsgemäße Einrichtung dient.

Demzufolge ist ein zweiter temperaturabhängiger Meßumformer 58 in der Rohrleitung 53 angeordnet. Dieser Meßumformer 58 kann einen Oszillator enthalten, der dem Oszillator des Reinöl-Meßumformers 56 in jeder Hinsicht gleicht. Der Meßumformer 58 kann eine kapazitive Sonde 60 enthalten, die koaxial in einer dichten zylindrischen Zelle 62 angeordnet ist, die von den Wänden der Rohrleitung 53 nach innen ragt, so daß sie dieselbe Temperatur annimmt wie die durch die Rohrleitung 53 strömende Flüssigkeit. Das Innere 64 der Zelle 62 kann mit einem Öl oder mit einer anderen Substanz gefüllt sein, die ähnliche dielektrische Eigenschaften hat, wie das Öl in der durch die Rohrleitung 53 strömenden Emulsion hat. Die Zelle 62 bildet die andere Elektrode des Kondensators und kann aus einem Material hergestellt sein, dessen Festigkeit ausreicht, die Strömungsikräfte der die Rohrleitung 53 durchströmenden Emulsion auszuhalten. Es ist wichtig, daß der Abstand zwischen der Sonde 60 und der Zelle 62 konstant bleibt.

Die Frequenz /" des Ausgangssignals des Meßumformers 58 hängt in derselben Weise von der Kapazität bzw. der Dielektrizitätskonstanten des Öls zwischen der Sonde 60 und der Zelle 62 ab wie die Frequenz /' des Ausgangssignals des Meßumformers 56 vorn Ölgehalt in der durch die Rohrleitung 53 strömenden Flüssigkeitsemulsion. Ebenso wie sich die Dielektrizitätskonstante des Öls im Innern 64 der Zelle 62 nur mit der Temperatur ändert, ändert sich auch die Frequenz /' des Ausgangssignals des Meßumformers 56 vom Ölgehalt in der durch die Rohrleitung 53 strömenden Emulsion.

In der Rohrleitung 53 kann auch ein herkömmlicher Durchflußmesser 66 mit ein Flügelrad 68 tragender Leitschaufelanordnung 69 sowie eine Abtasteinrichtung 70 angeordnet sein, die die Rotation des Flügelrades 68, wenn eine Flüssigkeit durch die Rohrleitung 53 strömt, festhält Das Ausgangssignal des Durchflußmessers 66 besteht aus einer Folge elektrischer Impulse, die in einem Impulsformer 72 geformt werden können und dem Setzeingang 74 eines Flip-Flops 76 zugeführt werden. Die Frequenz des Ausgangssignals des Impulsformers 72 wird in einem Frequenzteiler 78 untersetzt und einer Subtrahierschaltung 80 zugeführt.

Der binäre 1-Ausgang des Flip-Flops 76 ist mil einem Eingang eines UND-Tores 84 und mit einerr Eingang 86 eines UND-Tores 88 verbunden. Da; Ausgangssignal des Meßumformers 56 wird dem an deren Eingang 90 des UND-Tores 88 und das Aus

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gangssignal des Meßumformers 58 dem anderen Eingang 92 des UND-Tores 84 zugeführt. Das Ausgangssignal des UND-Torcs 84 wird in einem Frequenzteiler 96 untersetzt und dem Rücksetzeingang 98 des Flip-Flops 76 zugeführt. Das Ausgangssignal des UND-Tores 88 wird in einem Frequenzteiler 100 untersetzt und der Subtrahierschaltung 80 zugeführt. Das Ausgangssignal der Subtrahierschaltung 80 wird einem herkömmlichen Impulszähler 82 zugeführt.

Die Anzahl N der vom UND-Tor 88 durchgelassenen Impulse ist eine Funktion der Durchschaltdauer und der Frequenz /' des Reinöl-Meßumformers 56, d. h.

Hierin ist

(3)

(4)

15

wobei S₁₁ der Teilungsfaktor des Frequenzteilers 96

₁₁

ist, dabei ist

A/=-S„ -

(5)

Der Teilungsfaktor S₁₁ des Frequenzteilers 96 ergibt sich aus Gleichung (5), in der /" die Frequenz

des Ausgangssignals des temperaturempnndlichen Meßumformers 58 bei Normaltemperatur der Flüssigkeitsemulsion in der Rohrleitung 53 ist.

Da die Frequenz /' des Ausgangssignals des Meß-Umformers 56 vom Öl-Wasser-Verhältnis und der Temperatur abhängt und da das Ausgangssignal des Meßumformers 58 in derselben Weise wie das des Meßumformers 56 lediglich von der Temperatur abhängt, lassen sich die Auswirkungen der Temperatur-Schwankungen auf die Dielektrizitätskonstante des Öls in der Flüssigkeit, die durch die Rohrleitung 53 strömt., und damit aus der Anzahl der dem Frequenzteiler 100 und anschließend dem Zähler 82 zugeführten Impulse eliminieren.

Eine Drift läßt sich ebenfalls kompensieren, wenn die beiden Meßumformer 56 und 58 aus der gleichen Spannungsquelle gespeist werden. Dadurch ergibt sich eine Reinöl-Meßeinrichtung, die sowohl gegen Temperatur- als auch Speisespannungsschwankungen unempfindlich ist und ein Auflösungsvermögen hat, wie es bisher nicht erreicht wurde. Wenn der Wasseranteil der Flüssigkeitsemulsion in der Rohrleitung 53 auf etwa 3%> begrenzt wird, ist es mit dieser Einrichtung möglich, den Wassergehalt auf mindestens 0,1 °/o des Gesamtvolumens der Flüssigkeitsemulsion in der Rohrleitung 53 aufzulösen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Messen des Durchflusses eines strömenden Mediums mit Korrektur der Durchflußmenge nach mindestens einem Parameter des Mediums mittels elektrischer Signale, von denen eines eine der Durchflußmenge entsprechende erste Impulsfolge ist und ein anderes einem veränderlichen Parameter des Mediums zugeordnet ist, wobei beide Signale in einer Torschaltung so zusammengesetzt werden, daß entsprechend einem periodisch gesteuerten öflnungsverhältnis der Torschaltung eine Folge von Impulspaketen erzeugt wird, die der korrigierten Durchflußmenge entspricht, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulse der der Durchflußmenge entsprechenden ersten Impulsfolge (B) das Tor (28) jeweils zu Beginn eines Zeitintervalls (ό) öffnen, das bei Erreichen einer vorbestimmten Anzahl von Impulsen eine^r zweiten Impulsfolge (C) endet, deren Frequenz einem Parameter des Mediums zugeordnet ist und um mehrere Größenordnungen höher ist als die Frequenz der ersten Impulsfolge (ß), und daß von einem Oszillator (30) eine dritte Impulsfolge (G) erzeugt wird, deren Impulse (H) das Tor (28) durchlaufen und von einem Zähler (34) summiert werden (F i g. 4 und 5).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der dritten Folge elektrischer Impulse eine feste Frequenz ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der dritten Folge elektrischer Impulse von einer zweiten veränderliehen Betriebsgröße abhängt, mit welcher die Messung des Durchflusses kompensiert werden soll.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der zweiten Impulsfolge von der Temperatur und die Frequenz der von dem Oszillator (30) erzeugten Impulse von dem Druck des Mediums abhängt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der zweiten Impulsfolge von zwei veränderlichen Betriebsgrößen des strömenden Mediums und die Frequenz der vom Oszillator erzeugten Impulse in der gleichen Weise von einer der beiden Betriebsgrößen des Mediums abhängig ist, wie die zweite Impulsfolge von der erwähnten einen veränderlichen Betriebsgröße abhängt, wodurch diese veränderliche Betriebsgröße als Variable beim Summieren des inkrementellen mathematischen Produktes eliminiert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Betriebsgröße die Dielektrizitätskonstante des strömenden Mediums ist und die Frequenz der dritten Folge elektrischer Impulse von der Temperatur und auch von der Dielektrizitätskonstante des Mediums in der gleichen Weise wie die Frequenz der zweiten Folge elektrischer Impulse von der Dielektrizitätskonstante des Strömungsmediums abhängt.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfallrens nach einem der Ansprüche I bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang eines Durchflußmessers (16, 66) mit dem Setzanschiuß eines Flip-Flop-Schalters (20, 76) und der Ausgang eines Meßumformers (10, 58) mit dem Rücksetzanschluß eines Flip-Flop-Schalters über ein Tor (14, 84) verbunden ist, dessen Eingang an den Ausgangsanschluß des Flip-Flop-Schalters (20, 76) angeschlossen ist, so daß der Flip-Flop-Schalter nach Setzen durch einen Impuls (5) des Durchflußmessers (16, 66) geöffnet und nach einer vorbestimmten Anzahl von Impulsen (C) des Meßumformers (10, 58) wieder geschlossen wird, und daß mit dem Ausgangsanschluß des Fiip-Flop-Schalters ein zweites Tor (28, 88) verbunden ist, das während der der vorbsstimmten Anzahl von Impulsen (C) des Meßumformers entsprechenden variablen Öffnungszeit (<3) Impulse (G) eines Oszillators (30, 56) zu einem Zähler (34, 82) durchläßt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß dem Setzanschluß des FHp-Flop-Schaltürs (20, 76) ein Impulsformer (18, 72) vorgeschaltet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß dem Rücksetzanschluß des Fiip-Flop-Schalters (20) ein Frequenzteiler (22, %) vorgeschaltet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß dem Zähler (34, 82) ein Frequenzteiler (32, 100) vorgeschaltet ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, gekennzeichnet durch einen Subtrahierer (80), dem die erste Impulsfolge (B) und die dritte Impulsfolge (H) über zwei entsprechende Eingangsanschlüsse zugeführt werden und von dessen Ausgangsanschluß eine unmittelbar ablesbare Darstellung des kompensierten Durchflusses abgenommen wird.