DE3143919A1

DE3143919A1 - Verfahren und vorrichtung zum messen eines druckes, insbesondere eines fuids

Info

Publication number: DE3143919A1
Application number: DE19813143919
Authority: DE
Inventors: Hans W. Dipl.-Ing. 8890 Aichach Häfner
Original assignee: Pfister GmbH
Current assignee: Pfister GmbH
Priority date: 1981-11-05
Filing date: 1981-11-05
Publication date: 1983-05-11
Also published as: JPS5885128A; DE3143919C2

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Messen eines Druckes,
insbesondere eines Fluids Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen eines Druckes, insbesondere des stationären oder quasi-stationären Druckes eines Fluids mit einem in einem Zylinder geführten, druckbeaufschlagten Meßkolben, der mit einer Lastmeßvorrichtung in Verbindung steht.
Die Verwendung eines in einem Zylinder geführten Meß-Kolbens zum Messen eines Druckes ist bekannt.
Derartige Meßeinrichtungen haben jedoch in der Praxis keine wesentliche Bedeutung erlangt, da der Meßkolben zum Nachteil der Genauigkeit eine verhältnismäßig hohe Flächenreibung gegenüber dem Zylinder aufweist, und zudem infolge von Leckverlusten zur sehr begrenzt oder nur unter Inkaufnahme eines höheren Aufwandes anwendbar ist (DE-AS 12 06 174).
Es besteht jedoch in der Praxis ein großes Bedürfnis nach äußerst genauer Messung eines Druckes, insbesondere des stationären oder quasi-stationären Druckes eines Fluids, zum Beispiel zur Bestimmung der Masse, - auch als Gewicht bezeichnet - des Inhalts von Stehtanks eines Tanklagers für Erdölprodukte. Aber auch andere Anwendungsfälle wie möglichst exakte Messungen beispielsweise eines Staudruckes bei Modellversuchen im Windkanal und ähnliche meßtechnische Aufgaben erfordern Meßverfahren und Druckmeßeinrichtungen von höchster Genauigkeit und Unkompliziertheit.
In dem als typisches Anwendungsbeispiel gewählten Falle der gravimetrischen Bestimmung der Menge von Erdölprodukten in Stehtanks sind diese bisher mit erheblichen Problemen verbunden. Wegen der Schwierigkeit der Messungen, insbesondere auf dem Umweg über das Volumen, ergeben ich unter anderem durch Temperatureinflüsse beim Erdöl sowie durch mechanische Einflüsse am Tank selbst, sowie infolge von Fehlern wie Ablese-Ungenauigkeiten bei der Meßwerterfassung7insgesamt Fehlerquotienten in der Größenordnung von + 0,5 % beim Volumen und von ft 1 % bei der Masse.
Um die Auswirkungen derartiger Abweichungen am Beispiel eines Tanklagers für Erdöl deutlich zu machen, sei erwähnt, daß der Betrag solcher Meßwert toleranzen, in Geldwert ausgedrückt, bei einer einzigen Tankerladung eine Summe von DM 500.000,-- erreichen kann.
Ein Referat mit dem Titel "bleiche Methoden zur Bestimmung der Menge von Erdölprodukten in Stehtanks" von H. Lerch, Dipl.-Phys. E.T.H. Sektions-Chef beim eidgenössischen Amt für Meßwesen, enthält die Zeitschrift "Schweizer Ingenieur und Architekt", Nr. 5, 1980, Schweizerischer Ingenieurs-und Architekten-Verein, Verlag der akademischen Technischen Vereine, Zürich.
Zum Beispiel werden Volumenbestimmungen durch Ermittlung der Höhe des Flüssigkeitsspiegels bzw. der Flüssigkeitssäule in einem Tank durchgeführt. Unter einem Stehtank der hier infrage kommenden Art wird beispielsweise ein zylindrischer Behälter aus Stahl mit vertikaler Achse verstanden, wie er in Tanklagern zur Bevorratung großer Mengen von Erdölprodukten üblicherweise eingesetzt ist. Ein solcher Tank hat beispielsweise Abmessungen im Durchmesser bis zu 50 m bei einer Höhe von 20 bis 25 m.
Bei einem solchen Tank wird die Höhe des Flüssigkeitsspiegels zum Beispiel vom Dach aus durch ein mit einem Gewicht beschwertes Meßband ermittelt, welches herabgelassen wird, bis es die sogenannte Referenzplatte im Boden des Tanks berührt. An der Skala des Meßbandes wird die Füllhöhe abgelesen. Aus dem Integral der Querschnittsfläche des Tanks und seiner Füllhöhe wird das Volumen berechnet.
Da die Flüssigkeit, ebenso wie der Tank selbst, einen nicht unbeachtlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, muß das Ergebnis auf eine Referenztemperatur umgerechnet werden. Hinzu kommt, daß sich der Tank nach Maßgabe des sich mit der Füllhöhe ändernden Flüssigkeitsdruckes dehnt und damit seine Querschnitts-Flächen in unterschiedlichen Höhen unterschiedlich verändert.
Will man mit bekannten Meßmethoden das Gewicht des Tankinhaltes ermitteln, so muß dieses aus dem Volumen und der entsprechenden Dichte errechnet werden. Dabei ist die Genauigkeit der Dichtebestimmung schwierig und oft problematisch, wobei zu berücksichtigen ist, daß Kohlenwasserstoff-Flüssigkeiten der infrage kommenden Art, wie beispielsweise Benzin, einen Volumenausdehnungskoeffizienten in der Größenordnung von 0,1 % / K aufweisen, wobei auch noch unterschiedliche Temperaturschichten im Tank zu berücksichtigen sind.
Wie gesagt, wird mit den meisten derzeit üblichen und bekannten Meßverfahren und -vorrichtungen bei der Volumen-Bestimmung ein Fehlerquotient von + 0,5 S und bei der Massebestimmung ein solcher von 4 als üblich zugelassen und einkalkuliert.
Gleiche Fehler-Größenordnungen ergeben sich auch bei Volumenmessungen mit Durchlaufzählern, wobei die Fehler durch Verschleiß gegebenenfalls noch höher ausfallen.
Besonders nachteilig wirken sich diese Meßfehler-Größenordnungen aus, wenn beispielsweise beim Ein- und Auslagern von Teilmengen im Tank die Differenz zweier Messungen einen Mengenbetrag ergibt, wobei sich die Fehler ungünstigstenfalls addieren.
Es ist bereits bekannt, die Gewichtsbestimmung einer Flüssigkeit mittels Auftriebsmessung eines Auftriebskörpers mit einer Waage zu ermitteln.
Auch dieses Meßverfahren und eine entsprechende Vorrichtung sind nicht unproblematisch. Bei Stehtanks mit einem Schwimmdach ist die Durchführung des Auftriebskörpers, wie man sich vorstellen kann, schwierig und wegen der unumgänglichen Öffnung im Schwimmdach unerwünscht.
Ähnliches gilt für die Durchführung durch ein festes Behälterdach, wobei zur Verhinderung von Gasaustritt, bzw.
zur Sicherung gegen erhöhte Risiken durch Brandgefahr die gesamte Meßeinrichtung explosionssicher und gasdicht eingekapselt werden muß. Man hat deshalb schon den Ausweg beschritten, die Meßeinrichtung in einem separat neben dem Tank aufzustellenden Meßbehälter unterzubringen, jedoch auch daraus ergibt sich unter anderem als Nachteil ein entsprechend hoher Aufwand, und es bleibt das Problem der Abdichtung unverändert bestehen (P 27 47 111.0).
Auch sind Veränderungen am Auftriebskörper zum Beispiel durch Korrosionseinflüsse nicht auszuschließen.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Messen eines Druckes, insbesondere des stationären oder quasi-stationären Druckes eines Fluids mit einem in einem Zylinder geführten, druckbeaufschlagten Meßkolben der mit einer Lastmeßeinrichtung in Verbindung steht, zur Verfügung zu stellen, welches höchste Genauigkeit mit unkomplizierter Funktion verbindet. Insbesondere soll die Temperatur keinen Einfluß auf die Genauigkeit der Wägung haben und die Meßeinrichtung soll unabhängig vom Standort, auch bei einem vom Tank entfernteren Standort, den Meßwert ohne Fehler anzeigen.
Die Lösung der Aufgabe gelingt bei einem Verfahren zum Messen eines Druckes der eingangs genannten Art dadurch.
daß der Kolben im Zylinder mittels hydrostatischer oder pneumostatischer Schmierung durch ein unter Druck zugeführtes Trennfluid berührungslos geführt ist.
Bei einem erfindungsgemäß berührungslos in dieser Weise geführten Kolben ist die Wandreibung zwischen Kolben und Zylinder vernachlässigbar klein, insbesondere bei einem unbeweglich von der Lastmeßeinrichtung im Zylinder gehaltenen Meßkolben. Dabei wirkt auf die Kolbenfläche ausschließlich der zu messende Druck und kann daher bei Abstützung des Kolbens gegen eine praktisch hub frei Wägezel.le als Lastmeßvorrichtung ein Ergebnis von höchster Genauigkeit liefern.
Die erfindungsgemäße Meßeinrichtung ist dadurch geeignet, die bisherigen Meßunsicherheiten und Unwägbarkeiten nahezu vollständig zu eliminieren. Insbesondere fällt bei der Wägung des Druckes einer Flüssigkeitssäule als Basis-Faktor einer gravimetrischen Mengenbestimmung der Einfluß der Temperatur weg und bleibt damit außer Betracht.
Wegen der Unkompliziertheit im Aufwand für das Meßverfahren wird dieses Ergebnis mit vergleichsweise geringem Aufwand erzielt.
Das Meßsystem ist darüberhinaus bezüglich seines Standortes entfernungsunabhängig, da mit stehender Drucksäule gemessen wird und infolgedessen in den Meßleitungen keine Bewegung, somit keine Widerstände und Druckveränderungen auftreten können.
Dabei ist es für die erfindungsgemäße Funktion wichtig, daß das Trennfluid einen höheren Druck aufweist, als das zu messende Fluid.
Ein hohes Maß an Flexibilität in der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Messen eines Druckes ergibt sich auch dadurch, daß als Trennfluid sowohl das den Druck erzeugende Fluid verwendet werden kann, als auch alternativ eine beliebige, gegebenenfalls andere Flüssigkeit, oder auch ein Gas, vorzugsweise Luft.
Bei Verwendung des den Druck erzeugenden Fluids als Trennfluid ist es notwendig, daß dieses vor der Einleitung in den Zylinder im Druck erhöht wird.
Ferner kann als Trennfluid auch eine Flüssigkeit verwendet werden, die ein höheres spezifisches Gewicht aufweist, als die zu messende Flüssigkeit, die sich mit dieser nicht mischt und darüber hinaus nicht brennbar und explosionsgefährdet ist. Als Beispiel wäre zu nennen: Inhaltsmessung eines Benzol-Tankes mit Wasser als Trennfluid. Dabei kann insbesondere bei Anordnung eines Trenngefäßes, in welchem sich ein Berührungs-Horizont der beiden unterschiedlichen Fluide ausbildet, die Differenz der spezifischen Gewichte der Fluide vernachlässigt werden, wenn nur Mengen-Differenzen des zu messenden Fluids festzustellen sind.
Die absolute Höhe des Druckes für das Trennfluid ist von einer Reihe von Parametern abhängig und daher ziffernmäßig nicht festgelegt. Immerhin hat das Trennfluid die beiden Funktionen, die Meßkammer im Zylinder, das heißt, den vom zu messenden Druck beaufschlagten Raum zwischen Zylinder und Kolben gegenüber Druckverlust abzudichten und darüberhinaus in Form einer Schmiermittelschicht den Spalt zwischen Kolben und Zylinderwand so aufrechtzuhalten, daß eine Berührung der Wände nicht erfolgen kann.
Dabei hängt die Druckhöhe des Sperrfluids in erster Linie von dessen kinetischer Zähigkeit ab, die bei Gasen oder Flüssigkeiten sehr große Unterschiede aufweist, ferner von Flächengrößen und Höhe des Spaltes sowie in geringerem Maße von der Temperatur des Systems.
Die Lehre, daß der Druck des Sperrfluids höher sein muß als der Druck des zu messenden Fluids besagt demnach, daß dieser Druck wenigstens so hoch sein muß, daß die Sperrfunktion gegenüber dem Meß-Fluid und der berührungslose Zustand Kolben/Zylinder erreicht werden.
Infolge der mit der Erfindung erzielbaren höchsten Genauigkeit bei äußerst unkompliziertem Verfahrensgang und meßtechnischem Aufwand ergeben sich mit der Erfindung besondere Vorteile bei deren Anwendung auf die gravimetrische Bestimmung der Menge von Erdölprodukten in einem festehenden Tank, vorzugsweise in einem Großtank.
Hierdurch wird nämlich der bisherige Fehlerquotient bei der Ermittlung der gravimetrischen Menge von annähernd t 1 % um mindestens eine Zehnerpotenz auf wenigstens + 0,1 % herabgesetzt. Denn bei der erfindungsgemäß durchgeführten Mengenbestimmung durch den Druck der Flüssigkeitssäule entfallen, wie bereits erwähnt, außer dem Einfluß der Temperatur auch andere Fehler, die bei der Ermittlung des Mengengewichtes auf dem Umweg über das Volumen auftreten, wie zum Beispiel Ablese-Ungenauigkeiten bei der Pegelmessung. Darüberhinaus ist das Auflösevermögen einer Hochpräzisions-Waage allen anderen Meß-Methoden überlegen.
Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, daß der Druck von dem zu bestimmenden Fluid unmittelbar auf den Kolben übertragen wird.
In diesem Falle ist beispielsweise die Leitung vom Tank bis zum Meßkolben von diesem Fluid erfüllt.
Fallweise, insbesondere bei längerer Leitungsführung, wenn ein Netz von mit Fluid gefüllten Meß-Leitungen aus Sicherheitsgründen unerwünscht sein könnte, kann erfindungsgemäß von der Maßnahme Gebrauch gemacht sein, daß der Druck von dem zu bestimmenden Fluid durch ein Gas, vorzugsweise Luft, unmittelbar auf den Kolben übertragen wird.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß in der Außenwand des Kolbens und/oder der Innenwand des Zylinders Taschen zum Aufbau einer hydrostatischen oder pneumostatischen Schmierung durch ein Trenn-Fluid vorgesehen und an ein Fluid-Versorgungssystem angeschlossen sind.
Der Vorteil der Vorrichtung liegt überwiegend in ihrer unkomplizierten Ausgestaltung sowie äußersten Genauigkeit beim Meßergebnis infolge der berührungsfreien Führung des Meßkolbens. Da der Meßkolben infolge der Abstützung gegen die Meßzelle zusammen mit dieser ein hubfreies Wäge-System darstellt, ist der mögliche Reibungseinfluß durch die dynamischen Kräfte des Trennfluids bei entsprechender Ausführung des Kolbens bzw. der Taschen vernachlässigbar klein, daß heißt praktisch Null. Damit entfällt jeglicher Reibungs-Einfluß zwischen Kolben und Zylinder, zumindest im Bereich messbarer Größen.
Bei Verwendung einer Flüssigkeit als Trenn-Fluid ist in weiterer Ausgestaltung vorgesehen, daß der Zylinder einen als Auffangwanne für das Trenn-Fluid ausgebildeten Boden mit Anschluß an eine Leckstrom-Rückführungsleitung des Versorgungssystems aufweist, und daß in dem Boden eine zentrale Öffnung zur berührungslosen Durchführung eines Stützelementes vorgesehen ist, mit dem sich der Meßkolben gegen einen Meßwertgeber abstützt.
Bei Anwendung der Erfindung auf die gravimetrische Bestimmung der Menge von Erdöl produkten in einem feststehenden Tank, vorzugsweise in einem Großtank, ist vorgesehen, daß der Meßwertgeber an einen Rechner angeschlossen ist, dem zur Berechnung des gravimetrischen Tankinhaltes weitere Parameter wie die Größe der wirksamen Kolbenfläche des Meßkolbens, das Integral der wirksamen Querschnittsfläche des Tanks mit dessen Veränderung unter dem Einfluß von Temperatur sowie von Gewichtskräften der Flüssigkeit zur Berechnung und Korrektur aufgeschaltet sind.
Und schließlich kann dabei gegebenenfalls ein Netz von Meßleitungen vorgesehen sein, welches mit einem mehrere Tanks umfassenden Tanklager verbunden ist, und das zum Zu-und Abschalten einzelner Tanks mit einer Gruppe von Schaltorganen ausgestattet ist.
Diese Anordnung hat den Vorteil, daß mehrere Tanks an die erfindungsgemäße Meßeinrichtung abwechselnd angeschlossen werden können. Dies ist nicht nur möglich bei Tanks mit gleichen Flüssigkeitsmedien, sondern auch bei Tanks mit unterschiedlichen Flüssigkeitsmedien, sofern erfindungsgemäß der Flüssigkeitsdruck durch ein Gas mittelbar auf den Kolben übertragen wird 9 oder sofern bei unmittelbarer Übertragung des Flüssigkeitsdrucks auf den Kolben eine zusätzliche Einrichtung zum Leerblasen der Meßleitungen vor dem Wechsel eines Tanks vorgesehen ist Im übrigen sei deutlich darauf hingewiesen, daß die Erfindung - wie eingangs bereits kurz erwähnt - keineswegs auf die gravimetrische Mengenmessung von Flüssigkeiten beschränkt ist, sondern ganz allgemein dem Zweck hochgenauer Druckmessungen, gegebenenfalls auch nur Gewichts-Messungen dient.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung näher erläutert Es zeigen: Fig. 1 eine Vorrichtung nach der Erfindung zur gravimetrischen Tank-Inhalts-Messungp teils im Schnitt, teils als Blockschaltbild dargestellt mm 2 ein Mineralöl-Tanklager mit mehreren Großtanks, angeschlossen über ein Netz von Meßleitungen an eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Messen des stationären Druckes einzelner Flüssigkeits-Säulen, in schematischer Darstellung, Fig. eine Zapfsäule für Mineralöl-Produkte mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur gravimetrischen Tankinhalts-Messung, teils im Schnitt, teils als Blockschaltbild dargestellt, Fig. 4 eine erfindungsgemäße Vorrichtung ähnlich Fig. 1, jedoch mit pneumostatischer Gas-Schmierung des Meßkolbens, im Schnitt.
Die Vorrichtung nach Fig. 1 zeigt den Vorratstank 1 mit der Tankfüllung 2, beispielsweise einem Mineralöl-Produkt, dessen Füllhöhe H1 im Tank 1 mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung 3 zum Messen eines Druckes zu ermitteln ist.
Bei dem Tank 1 handle es sich, um bei einem praxisnahmen Beispiel zu bleiben, um einen sogenannten oberirdischen Stehtank in zylindrischer Bauweise aus Stahl mit vertikaler Achse, mit einem angenommenen Durchmesser von 50 m und einer Höhe des zylindrischen Körpers von 25 m. Bei diesem beträgt das Fassungsvermögen etwa 50.000 Tonnen Mineralöl.
Zum Ein- und Auslagern von Teilmengen seines Inhalts ist der Tank 1 beispielsweise an ein unterirdisches Netz von Versorgungsleitungen angeschlossen, von denen in der schematischen Darstellung nur ein Zweig 4 der Hauptleitung mit dem Absperrorgan 5 dargestellt ist. Die Leitung 4 habe einen Nenndurchmesser von 400 mm. An diese angeschlossen ist eine Meßleitung 6 der Nennweite*10 mm, die über ein Filter 7 direkt auf den Zylinder 8 der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung 3 aufgeschaltet ist. Die Meßvorrichtung 3 ist gegebenenfalls in einem nicht dargestellten Meßraum unter Flur stationär unter dem Niveau des Tankbodens 9 angeordnet. Im Zylinder 8 befindet sich der Meßkolben 10, in dessen Außenwandung eine Anzahl von Taschen 11 angeordnet sind, die an eine Versorgungseinrichtung 12 für ein hydrostatisches Fluid mittels Kanälen 13 angeschlossen sind. Als hydrostatisches Fluid, auch als Trennfluid bezeichnet, ist im vorliegenden Fall das Mineralöl des Tanks 1 verwendet. Entsprechend ist die Versorgungseinrichtung 12 mit einer Zweigleitung 14 an die Leitung 4 des Tanks 1 angeschlossen. Die Versorgungseinrichtung umfaßt im übrigen die Pumpe 15, das Filter 16 und die Druckleitung 17, welche das als Trennfluid verwendete Mineralöl unter erhöhtem Druck durch die Kanäle 13 in die Taschen 11 zwischen Kolben 10 und Zylinderwand drückt. Lecköl wird durch die Kanäle 18 in der Wand des Zylinders 8 zu dessen Boden 19 abgeleitet, welcher hierfür Auffangtaschen 20 aufweist. Rückfließendes Trennfluid wird über eine Lecköl-Rückführungsleitung 21 mit der Pumpe 22 und der Leitung 23 mit dem Rückschlagventil 24 in die Hauptleitung 4 zurückgepumpt. Unter dem Einfluß des von der Versorgungseinrichtung 12 unter Druck in die Taschen 11 des Kolbens 10 eingeführten Trennfluids, wobei dieses im vorliegenden Ausführungsbeispiel dem zu messenden Mineralöl entnommen ist, schwimmt der Kolben 10 berührungslos im Gehäuse des Zylinders 8 und ist somit im Ruhezustand praktisch frei von jeder äußeren Kräftebeeinflussung, oder - anders ausgedrückt - der Kolben 10 wird im Zylinder 8 berührungsfrei und damit reibungsfrei geführt. Dabei stützt sich der Kolbenl0 über das Stützelement 25 vertikal nach unten gegen den Meßwertgeber 26 ab, der im Gestell 27 der Vorrichtung 3 fest angeordnet ist. Das Gestell 27 ist im übrigen zur absolut vertikalen Ausrichtung der Meßvorrichtung 3 mit einstellbaren Gewindefüßen 29 auf dem Boden 30 eines Fundamentes 31 angeordnet. An den Meßwertgeber 26 sind mit einer Signalleitung 32 die zur Meßwerterfassung- und Berechnung benötigten elektronischen Funktionseinheiten angeschlossen, und zwar ein Signalverstärker 33, eine Eingabeeinheit 34 zum Aufschalten von Parametern zur Fehlerkorrektur wie beispielsweise Temperatur und Flüssigkeitsdruck als äuGere Einflüsse, die eine Dehnung des Behälters 1 verursachen.
Alle der Eingabeeinheit 34 aufgeschalteten Signale werden von dieser über die Signalleitungen 35 auf den Rechner 36 übertragen, der den korrigierten Wert des gravimetrischen Behälterinhaltes errechnet, und diesen durch die Signalleitung 37 auf die Anzeigeeinheit 38 überträgt. Die Anzeigeeinheit kann, wie bekannt, nach freiem Ermessen mit einem Drucker ausgestattet sein, der jedoch aus Gründen der Ubersichtlichkeit nicht dargestellt ist.
Die Funktion der in Fig 1 dargestellten erfindungsgemäßen Druckmeßvorrichtung 3 ist denkbar einfach. Durch einen Teil der Leitung 4 und die daraus abzweigende Meßleitung 6, die unmittelbar auf die Meßanordnung 3 aufgeschaltet ist, wird die Meßkammer 39 zwischen Zylinderdeckel 40 und Oberseite 41 des Kolbens 10 unmittelbar vom Druck der anstehenden Flüssigkeitssäule H1 im Tank 1 belastet. Der Kolben 10 überträgt diese Last durch das Stützelement 25, das durch eine konzentrische Öffnung 42 im Boden 19 des Zylinders 8 berührungsfrei geführt ist, auf den Meßwertgeber 26, der diesen Meßwert durch die Signalleitung 32 auf den Signalverstärker 33 und über die Eingabeeinheit 34 auf den Rechner 36 überträgt, so daß schließlich das Gewicht der Flüssigkeitssäule H1 plus HN (HN = Höhendifferenz zwischen Tankboden 9 und Oberseite 41 des Kolbens 10) gemessen wird. Dabei ist für die Qualität des Meßergebnisses von besonderer Bedeutung, daß die temperaturbedingte Dehnung oder Kontraktion der Flüssigkeitssäule bei der Messung des Gewichtes keine Rolle spielt. Zum besseren Verständnis dessen sei es gestattet, als Beispiel einen Festkörper zu betrachten: Ein Aluminiumrohr von 20 m Höhe habe ein Gewicht von 20 kp. Das Rohr dehne sich unter dem Einfluß einer Temperatur um 10 mm. Das Gewicht bleibt dennoch exakt 20 kp. Das Rohr kontrahiere sich unter dem Einfluß einer Temperatur um 10 mm. Das Gewicht bleibt dennoch exakt 20 kp. Genau die gleichen Verhältnisse ergeben sich verständlicherweise bei der Gewichtsbestimmung der Flüssigkeitssäule. Diese mag sich unter dem Einfluß ändernder Temperaturen im Volumen beliebig ändern, so bleibt doch ihr Gewicht davon unberührt konstant.
Deshalb wird mit dem gravimetrischen Meßverfahren nach der Erfindung, durchgeführt mit der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung, der bisher am schwierigsten zu eliminierende Einfluß der Temperatur, welcher bei der bisher üblichen volumetrischen Messung des Tankinhalts und Errechnung der Masse durch Erfassung des spezifischen Gewichts so nachteilig ins Gewicht fiel, vollständig eliminiert.
Insbesondere ist dabei zu berücksichtigen, daß bei Tanks derartiger Größenordnungen in verschiedenen Höhenschichten ganz unterschiedliche Temperaturen und-damit ganz unterschiedliche Dichteverhältnisse angetroffen werden.
Alle diese dem Temperatureinfluß zuzuschreibenden Fehlerquellen werden mit der Erfindung vermieden.
Diese hat aber noch einen weiteren Vorteil, der sich aus ihrer Funktion von selbst ergibt: Wenn nämlich, wie es in der Praxis fast ausschließlich der Fall ist, mittels zweier Volumenbestimmungen lediglich Differenzbeträge gemessen werden sollen, die sich durch Ein- oder Auslagern von Teilmengen des Tankinhaltes ergeben, so konnten sich bei der Meßmethode nach dem Stand der Technik die Fehler der beiden Messungen im ungünstigsten Falle addieren Nach der Erfindung ist dies ausgeschlossen Dazu sei am vorliegenden Beispiel die Bestimmung einer Abfüllmenge betrachtet, die sich ergibt aus H1 minus H2 Mit Hilfe des wirksamen Flächenintegrals geteilt durch die wirksame Fläche des Meßkolbens 10, errechnet sich das Gewicht der abgegebenen Flüssigkeitsmenge in Tonnen. Da die dem Mineralöl innewohnende Primärenergie zum Beispiel bei Verwendung als Brennstoff an das Gewicht gebunden ist, interessiert beim Handel mit Mineralöl ausschließlich das Gewicht. Das gleiche gilt beim Handel von Mineralölprodukten zum Zweck der petrochemischen Weiterverarbeitung in der chemischen Industrie.
Bei dem angenommenen Beispiel der Feststellung der Gewichtsdifferenz ß8 wird vor der Abfüllung mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung 3 nach Fig. 1 die Flüssigkeitssäule H1 gemessen, wobei der Wert mit einem Fehlerquotienten kleiner 1 % ermittelt wird. Das gleiche wird am Schluß der Teil-Entleerung durch gravimetrische Messung der Rest-Flüssigkeitssäule H2 mit gleicher Genauigkeit durchgeführt, wobei sich aus der Differenz der beiden Beträge ergibt. Die entsprechende Gewichtsdifferenz G errechnet sich demnach aus hierbei ist K der fehlerbereinigte Quotient des Flächenverhältnisses Tank/Meßkolben.
Das Beispiel läßt erkennen, daß mit dem Verfahren und der Vorrichtung nach der Erfindung die Berechnung einer Tankinhalts-Differenz unkompliziert, mit einem Bruchteil des bisherigen Arbeitsaufwandes, und infolge Wegfall der lästigen und fehlerträchtigen Dichtebestimmungen, schnell und zuverlässig durchgeführt werden kann, wobei die Fehlerquotienten wenigstens eine Zehnerpotenz geringer sind als bei Meßmethoden vom Stand der Technik.
Die Darstellung in Fig. 2 zeigt ein Tanklager 43, wie es an großen Umschlagplätzen für die Mineralölwirtschaft üblich ist, in schematischer Darstellung Aus dem Tanker 44 wird über ein Leitungsnetz 45 Rohöl in die Tanks 46 gepumpt.
Diese sind durch Meßleitungen 47 über eine Gruppe von Schaltorganen 48 mit der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung 50 verbunden, die in dem Meßraum 49 untergebracht sind. Von einem beliebig entfernten Schalt- und Meßpult 51 können die Meßleitungen 47 durch die Schaltorgane 48 zu- und abgeschaltet, und damit einzelne Tanks 46 mit der Meßeinrichtung 50 über jeweils eine Meßleitung 47 in Verbindung gesetzt werden. Die Darstellung ist im übrigen selbsterläuternd. Sie zeigt einen typischen, besonders vorteilhaften Anwendungsfall für die, Erfindung.
In Fig. 3 ist die Vorrichtung 3 nach der Erfindung und das mit dieser durchführbare Meßverfahren anhand einer Abfülleinrichtung einer Mineralöl-Station dargestellt. Der zumeist unterirdisch angelegte Vorratstank 1 steht über eine Entnahmeleitung 52 mit dem Filter 53 und der Umfüllpumpe 54 mit dem ortsfest angeordneten Meßtank 55 in Verbindung. Dieser wird bis zu einer beliebigen Füllhöhe H3 gefüllt bei welcher das Zählwerk 56 der Zapfsäule auf Null gestellt wird. Nach Ablassen einer Zapfmenge, dargestellt durch den Pfeil 57, in das Tankfahrzeug 58 und Schließen des Hahnes 59, wird das Niveau H4 des Meßtanks 55 mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung 3 ermittelt und die entnommene Menge in Gewichtseinheiten durch die elektronische Einheit 60, bestehend aus dem Signalverstärker 33 und der Recheneinheit 34 errechnet und dem Zählwerk 56 der Tanksäule 61 aufgeschaltet. Bei einem vorgegebenen Soll-Wert kann eine Zusatzeinrichtung 80 das automatische Schließen des Zapfhahnes 59 vornehmen.
Die erfindungsgemäße Meßvorrichtung 3 wird in der vorgängig beschriebenen Weise durch die Versorgungseinrichtung 12 mit Sperrfluid, das der zu messenden Mineralöl-Flüssigkeit entnommen ist, unter erhöhtem Druck durch die Pumpe 15 versorgt, wobei rücklaufende Leck-Flüssigkeit durch die Pumpe 22 zurückgefördert wird.
Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 sei die abzufüllende Mineralöl-Flüssigkeit ein Propan/Butan/Gemisch, das unter Raumtemperaturen von ca.20 OC einen Dampfdruck in der Größenordnung von annähernd 0,5 bis 1,5 bar aufbaut. Dieser Dampfdruck belastet die Flüssigkeitsspiegel 80 und 81 vom Vorratstank 1 und Meßtank 55 wobei durch die Leitung 62 beide Dampfräume gegeneinander ausgeglichen sind. Zur Eliminierung des Dampfdruck-Einflusses auf das Meßergebnis ist die Meßvorrichtung 3 mit einem doppelseitig geschlossenen Meß-Zylinder 63 ausgestattet, wobei der Meßkolben 10 von oben durch die Flüssigkeitssäule H3 bzw.
H4 zuzüglich Dampfdruck beaufschlagt ist, und von unten mit der Leitung 64 ebenfalls vom Dampfdruck. Auf diese Weise kompensiert sich der Einfluß des Dampfdruckes auf Null, und die Einflüsse sowohl von Dampfdruck als auch von Temperatur sind erfindungsgemäß eliminiert, so daß die gewünschte Messung der Gewichtsdifferenz H3 minus H4 = ß H fehlerfrei ausfällt.
Die erfindungsgemäße Zapfsäule mit der Meßvorrichtung überwindet Schwierigkeiten und grobe Fehler bei der lnhaltsmessung, die bisher bei einem auf einer Wägeeinrichtung aufgestellten Meßtank durch den unkalkulierbaren Einfluß der Zu- und Ableitungsorgane unvermeidlich in Kauf genommen werden mußte.
Mit der Erfindung kann der Meßtank 55 ortsfeste installiert und mit der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung 3 ausgestattet werden, wodurch eine Meßgenauigkeit von weniger als l0/0 Fehler erreicht wird. Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird demnach optimal gelöst.
Die in Fig. 3 dargestellte Einrichtung ist' auch als Tankstelleneinrichtung zur Betankung von PKW9s und LKWgs gedacht.
Ferner ist auch an eine Direktentnahme aus dem waagrecht.
liegenden Bodentank unter Einrechnung der Tankkonfiguration gedacht.
In diesem Fall ist die erfindungsgemäße Wägeeinrichtung unterhalb des zu messenden Flüssigkeitsspiegels anzuordnen.
Eine wesentlich vereinfachte, in ihrer Funktion jedoch gleichartige Meßvorrichtung nach der Erfindung zeigt Fig.
4. Dabei wird die Vorrichtung 3 zum Messen des Druckes im Tank 1, die ebenfalls einen Zylinder 8 und einen Meßkolben 10 umfaßt, zum Unterschied zu den vorgängig beschriebenen Ausführungsformen, mit einem pneumostatischen Trennfluid beaufschlagt, wobei sich in den Taschen 11 des Kolbens 10 zur berührungslosen Führung als Schmiermittel ein Gas, nämlich Luft, befindet, die unter Druck zugeführt wird. Die Luft wird mit dem volurnetrisch fördernden Kolben-Kapselgebläse 66 in regelbarer Menge und mit regelbarem Druck aus der Atmosphäre über die Druckleitung 67 in das System eingeleitet. Eine ringförmige Entlastungstasche 68 im Meßkolben 10, die mit einem Auslaßstutzen 69 im Mantel des Zylinders 8 zusammenwirkt, ist vorgesehen, um ein Überfluten von Sperrluft aus den Taschen 11 in den Raum der Meßkammer 39 zu verhindern. Im Tank 1 ist ein Meßrohr 70 angeordnet, das von dicht unterhalb des Daches 71 nach unten in Richtung des Bodens 9 verläuft. Dieses Meßrohr 70 endet in einer kleinen Tauchglocke 72, die mit einem Auslaßstutzen 73 ausgestattet ist. Das Meßrohr 70 steht in Verbindung mit der Meßleitung 74, welche an ein ebenfalls in Druck und Menge regelbares Kolbenkapselgebläse 75 angeschlossen ist. Der Meßkolben 10 ist im übrigen erfindungsgemäß mit dem Stützelement 25 gegen den Meßwertgeber 26 abgestützt, dessen Signal über die Signalleitung 32 in der vorgängig beschriebenen Weise über den Eingangsverstärker 33 sowie die Eingabeeinheit 34 zum Aufschalten von Parametern zur Fehlerkompensation und über einen Rechner 36 sowie den Endverstärker 65 geleitet wird, worauf in der Anzeigeeinheit 38 das gemessene und errechnete Gewichts-Ergebnis digital angezeigt wird.
Die Funktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist folgende: Durch Ingangsetzen des Gebläses 66 wird die Berührung zwischen dem Meßkolben 10 und dem Zylinder 8 aufgehoben, und dieser infolgedessen berührungslos und reibungslos geführt. Danach wird das Gebläse 75 ingang gesetzt, welches Luft in regelbarer Menge und mit regelbarem Druck in die Meßleitung 74 und das Meßrohr 70 sowie die Tauchglocke 72 fördert. Die Luft erfüllt das ganze System bis zu dem Pegel 76 der durch den Auslaß 73 exakt definiert ist Das Gebläse 75 wird mit einem Druck, der geringfügig höher als der Druck der verdrängten Flüssigkeitssäule sein muß eingestellt, und mit konstantem Liefervolumen derart gefahren, daß zum Auslaß 73 pro Zeiteinheit wenige klone Luftbläschen austreten, die dafür sorgen, daß das untere Meßniveau 76 in der Tauchglocke 72 unter allen Bedingungen und Füllhöhen auf Bruchteile von Millimetern genau eingehalten wird. Das Austreten der Luftbläschen könnte beispielsweise durch ein an der Tauchglocke installiertes Mikrophon akustisch festgestellt werden.
Der dabei in der Meßleitung 74 anstehende Druck entspricht exakt dem Druck der Flüssigkeitssäule zwischen dem oberen Flüssigkeitsniveau Ho und dem konstanten unteren Meß-Niveau HuS welches dem Referenz-Flüssigkeitsspiegel 76 entspricht. Bei Veränderung des oberen Flüssigkeitsniveaus Ho durch Auffüllen oder Entleeren des Tanks 1 wird die Gewichtsveränderung in der gleichen Weise meßtechnisch erfaßt, wie dies in der beispielhaften Funktionsbeschreibung der Fig. 1 oder Fig. 3 vorgängig geschildert wurde. Bei der Vorrichtung nach Fig.
4 wird lediglich im Unterschied zu diesen Ausführungen keine Flüssigkeit in der Meßleitung 74 geführt, sondern der Druck der zu messenden Flüssigkeitssäulen Ho bzw. H u wird durch Gas, nämlich Luft, in die Meßkammer 39 und damit auf die Oberfläche des Kolbens 10 übertragen. Dadurch ergibt sich der Vorteil, daß die Einrichtung außerordentlich einfach ist, und daß die Meßleitungen nicht mit dem zu messenden Medium gefüllt sein müssen.
An dieser Stelle sei nochmals darauf hingewiesen, daß die Ausführungsbeispiele lediglich typische und vorteilhafte Anwendungen der Erfindung zum Gegenstand haben. Die Erfindung ist jedoch keineswegs auf diese Beispiele beschränkt und betrifft ganz allgemein hochgenaue Druck-und/oder Kraftmessungen.
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Claims

Patentansprüche ad, Verfahren zum Messen eines Druckes, insbesondere des statlonären oder quasi-stationären Druckes eines Fluids mit einem in einem Zylinder geführten, druckbeaufschlagten Meßkolbens der mit einer Lastmeßeinrichtung in Verbindung steht dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben im Zylinder mittels hydrostatischer oder pneumostatischer Schmierung durch ein unter Druck zugeführtes Trennfluid berührungslos geführt ist
2 Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnetp daß das Trennfluid einen höheren Druck aufweist, als das ZU messende Fluid.
3 Verfahren nach Anspruch 1, oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß als Trennfluid das den Druck erzeugende Fluid verwendet und vor der Einleitung in den Zylinder im Druck erhöht wird.
4D Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, da durch gekennzeichnet, daß als Trennfluid eine Flüssigkeit verwendet wird
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Trennfluid ein Gas, vorzugsweise Luft, verwendet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitsdruck unmittelbar auf den Kolben übertragen wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitsdruck durch ein Gas, vorzugsweise Luft, mittelbar auf den Kolben übertragen wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet-durch Anwendung des Verfahrens auf die gravimetrische Bestimmung der Menge von Erdölprodukt in einem feststehenden Tank, vorzugsweise in einem Großtank.
9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 mit einem in einem Zylinder geführten Meßkolben, dadurch gekennzeichnet, daß in der Außenwand des Kolbens (10) und/oder der Innenwand des Zylinders (8) Taschen (11) zum Aufbau einer hydrostatischen oder pneumostatischen Schmierung durch ein Trenn-Fluid vorgesehen und an ein Fluid-Versorgungs System (12) angeschlossen sind.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinder (8) einen als Auffangwanne (20) für das Trenn-Fluid ausgebildeten Boden (19) mit Anschluß an eine Leckstrom-Rückführungsleitung 21, 22, 23, 24) des Versorgungssystems (12) aufweist, und daß in dem Boden (19) eine zentrale Öffnung (42) zur berührungslosen Durchführung eines Stützelementes (25) vorgesehen ist, mit dem sich der Meßkolben (10) gegen einen Meßwertgeber (26) abstützt.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 oder 10, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwertgeber (26) an einen Rechner (34, 36) angeschlossen ist, dem zur Berechnung des gravimetrischen Tankinhaltes weitere Parameter wie die Größe der wirksamen Kolbenfläche des Meßkolbens (10), das Integral der wirksamen Querschnittsfläche des Tanks (1) mit dessen Veränderung unter dem Einfluß von Temperatur sowie von Gewichtskräften der Flüssigkeit zur Berechnung und Korrektur aufgeschaltet sind
12. Vorrichtung nach Anspruche 11, dadurch gekennzeichnet, daß diese durch ein Netz von Messleitungen (6, 47) mit einem mehrere Tanks (1, 46) umfassenden Tanklager (43) verbunden ist, das zum Zu- und Abschalten einzelner Tanks (46) mit einer Gruppe von Schaltorganen (48) ausgestattet ist.