DE4339197A1 - Verfahren und Einrichtung zur Erfassung des Durchflusses in einem Leitungsrohr - Google Patents

Verfahren und Einrichtung zur Erfassung des Durchflusses in einem Leitungsrohr

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren sowie eine Einrichtung zur Erfassung des Durchflusses in einem Leitungsrohr gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 6.
Solche Verfahren werden vorteilhaft zur Erfassung des Durchflusses eines flüssigen oder gasförmigen Strömungsmediums angewendet, wobei der erfaßte Durchfluß beispielsweise der Energieverrechnung dienen kann.
Ein Verfahren zur Ermittlung des Durchflusses eines durch eine Drosselstelle strömenden Mediums ist aus DIN 1952 (Durchflußmessung mit Blenden, Düsen und Venturirohren in voll durchströmten Rohren mit Kreisquerschnitt, Deutsches Institut für Normung, Juli 1982) bekannt. Im Verfahren werden die Temperatur des Mediums und die Differenz der statischen Drücke über der Drosselstelle gemessen und danach der Durchfluß mittels einer Standardformel berechnet.
Die Standardformel zur Berechnung des Volumendurchflusses q lautet demnach in einer ersten Gleichung (G1):
q = α · E · (d2π/4) (2 · δp/r)1/2 (G1)
wobei
α die Durchflußzahl,
E die Expansionszahl,
d der Durchmesser der Öffnung der Drosselstelle,
δp die Druckdifferenz über der Drosselstelle und
r die temperaturabhängige Dichte des Mediums ist.
Mit kleiner werdender Druckdifferenz wird die Standardformel zunehmend ungenauer; die Einflüsse der Reynoldszahl und der Temperatur des Mediums werden relativ groß.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Erfassung des Durchflusses anzugeben, das auch bei kleinen Volumenströmen genau ist, und eine Einrichtung zur genauen Erfassung des Durchflusses zu schaffen, die mit wenig Aufwand abgleichbar ist.
Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 6 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen: Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau einer Einrichtung zur Erfassung des Durchflusses und
Fig. 2 ein Datenflußdiagramm zum Abgleich der Einrichtung.
In der Fig. 1 bedeutet 1 ein von einem flüssigen oder gasförmigen Strömungsmedium durchflossenes Leitungsrohr, welches eine Drosselstelle 2 aufweist. Eine Einrichtung zur Erfassung des Durchflusses q im Leitungsrohr 1 weist eine über der Drosselstelle 2 angeordnete Druckdifferenz-Messeinrichtung 3, eine Temperatur-Messeinrichtung 4 sowie eine gestrichelt dargestellte Recheneinheit 5 auf.
Mit der Temperatur-Messeinrichtung 4 ist die Temperatur T des Strömungsmediums meßbar, während durch die Druckdifferenz- Meßeinrichtung 3 die in DIN 1952 als Wirkdruck bezeichnete Druckdifferenz δp im Strömungsmedium über der Drosselstelle 2 erfaßbar ist.
Der prinzipielle Aufbau der Recheneinheit 5 ist anhand eines Datenflußdiagrammes dargestellt. In der gewählten, aus der Literatur bekannten Darstellungsart (D. J. Hatley, I. A. Pirbhai: Strategies for Real-Time System Specification, Dorset House, NY 1988) bedeutet ein Kreis eine Aktivität (activity), ein Rechteck ein angrenzendes System (terminator) und ein Pfeil einen Kommunikationskanal (channel) zur Übertragung von Daten und/oder Ereignissen, wobei die Pfeilspitze in die wesentliche Datenflußrichtung zeigt. Ein Datenspeicher (pool), der allgemein mehreren Aktivitäten zur Verfügung steht, ist durch zwei gleich lange, parallele Linien dargestellt. Im weiteren ist beispielsweise eine Anordnung aus zwei durch einen Kommunikationskanal verbundene Aktivitäten mit einer einzigen Aktivität, welche alle Aufgaben der beiden Aktivitäten erfüllt, äquivalent.
Aktivitäten sind als elektronische Schaltung und/oder als Prozeß, Programmstück oder Routine verwirklicht.
Die Recheneinheit 5 weist einen ersten Eingang 6 für einen ersten, der Temperatur T zugeordneten Kommunikationskanal 7, einen zweiten Eingang 8 für einen zweiten, der Druckdifferenz δp zugeordneten Kommunikationskanal 9 und einen Ausgang 10 für einen dritten, dem Durchfluß q zugeordneten Kommunikations­ kanal 11 auf. Im weiteren verfügt die Recheneinheit 5 über eine erste Aktivität 12, eine zweite Aktivität 13 und einen mit der zweiten Aktivität 13 verbundenen Datenspeicher 14. Die erste Aktivität 12 ist mit der zweiten Aktivität 13 über einen vierten, der Dichte r des Strömungsmediums zugeordneten Kommunikationskanal 15 verbunden.
Der erste Kommunikationskanal 7 verbindet die Temperatur- Meßeinrichtung 4 mit der ersten Aktivität 12 und auch mit der zweiten Aktivität 13, während der zweite Kommunikationskanal 9 von der Druckdifferenz-Messeinrichtung 3 zur zweiten Aktivität 13 führt. Über den dritten Kommunikationskanal 11 ist eine Anwendungseinheit 16 mit der zweiten Aktivität 13 verbunden.
Die Einrichtung zur Erfassung des Durchflusses im Leitungsrohr 1 ist in der Fig. 2 zur Durchführung eines Abgleichverfahrens mit einer gestrichelt dargestellten Abgleicheinrichtung 17 verbunden, welche eine dritte Aktivität 18 aufweist. Das Leitungsrohr 1 ist derart durch einen Referenz-Durchfluß­ messer 19 geführt, daß der Durchfluß des Strömungsmediums im Leitungsrohr 1 als ein Referenz-Durchfluß qR vom Referenz- Durchflußmesser 19 hochgenau erfaßbar ist.
Der Referenz-Durchflußmesser 19 ist beispielsweise ein bekannter magnetisch-induktiver Durchflußmesser.
Über den dritten Kommunikationskanal 11 ist der Durchfluß q von der zweiten Aktivität 13 zur dritten Aktivität 18 übertragbar. Im weiteren sind die Temperatur-Messeinrichtung 4 über den ersten Kommunikationskanal 7, die Druckdifferenz- Meßeinrichtung 3 über den Kommunikationskanal 9 und der Referenz-Durchflußmesser 19 über einen fünften, dem Referenz- Durchfluß qR zugeordneten Kommunikationskanal 20 mit der dritten Aktivität 18 verbunden.
Im weiteren ist die dritte Aktivität 18 mit Vorteil über einen sechsten Kommunikationskanal 21 mit dem Datenspeicher 14 verbunden.
Bei Bedarf ist zwischen der Recheneinheit 5 und der Abgleicheinrichtung 17 physikalisch nur ein einziger bidirektionaler Kanal verwirklicht, über den alle zwischen der Recheneinheit 5 und der Abgleicheinrichtung 17 auszutauschenden Daten leitbar sind.
Die Fig. 1 zeigt den Datenfluß der Einrichtung in einer Betriebsphase, in welcher die Recheneinheit 5 aus der von der Temperatur-Messeinrichtung 4 gemessenen Temperatur T und der von der Druckdifferenz-Messeinrichtung 3 gemessenen Druck­ differenz δp den für die Anwendungseinheit 16 benutzbaren Durchfluß q des beispielsweise in der Richtung eines Pfeiles 22 durch die Drosselstelle 2 fließenden Strömungsmediums berechnet.
Die zweite Aktivität 13 berechnet den Durchfluß q vorteilhaft nach einer neuen Formel unter Verwendung der Temperatur T, der von der ersten Aktivität 12 berechneten Dichte r des Strömungs­ mediums, der Druckdifferenz δp sowie mindestens einer Berichtigungskonstante, einem Abgleichwert K und einer Abgleichtemperatur TA.
In einer ersten vorteilhaften Variante der Recheneinheit 5 sind die Berichtigungskonstante/Berichtigungskonstanten, der Abgleichwert K und die Abgleichtemperatur TA im Datenspeicher 14 abgespeichert und für die zweite Aktivität 13 verfügbar.
In einer zweiten vorteilhaften Variante der Recheneinheit 5 sind nur die Berichtigungskonstante/Berichtigungskonstanten sowie der Abgleichwert K im Datenspeicher 14 abgespeichert, während die Abgleichtemperatur TA als ein vorbestimmter Wert der zweiten Aktivität 13 verwirklicht ist.
Mit einer einzigen Konstante Z hat die in der ersten Gleichung (G1) genannte Standardformel den Aufbau gemäß einer zweiten Gleichung (G2):
q = Z · (δp/r)1/2 (G2).
Die einzige Konstante Z der zweiten Gleichung (G2) wird vorteilhaft durch das aus dem Abgleichwert K und einer ersten Berichtigungskonstante D1 gebildete Produkt ersetzt, womit sich für die Standardformel der Aufbau nach einer dritten Gleichung (G3) ergibt:
q = K · D1 · (δp/r)1/2 (G3).
Die neue Formel, mit welcher der berichtigte Durchfluß qb berechenbar ist, wird mit Vorteil aus der dritten Gleichung (G3) entwickelt, indem die dritte Gleichung (G3) mit einem ersten Term R1 und einem zweiten Term R2 zu einer vierten Gleichung (G4) ergänzt wird:
qb = K · D1 · (δp/r)1/2 + R1 + R2 (G4).
Mit einer zweiten Berichtigungskonstante D2 wird der erste Term R1 vorteilhaft nach einer fünften Gleichung (G5) definiert:
R1 = K2 · D2 · (δp/r) (G5)
und der zweite Team e2 wird mit einer dritten Berichtigungs­ konstante D3 vorteilhaft nach einer sechsten Gleichung (G6) bestimmt:
R2 = K · D1 · D3 · (T-TA) · (δp/r)1/2 (G6).
Durch Einsetzen der fünften Gleichung (G5) und auch der sechsten Gleichung (G6) in der vierten Gleichung (G4) ergibt sich in einer siebten Gleichung (G7) eine erste vorteilhafte Variante der neuen Formel mit welcher der Durchfluß qb als berichtigter Volumendurchfluß berechenbar ist:
qb = K · D1 · (δp/r)1/2 + K2 · D2 ·(δp/r) + K · D1 · D3(T - TA) · (δp/r)1/2 (G7).
Es versteht sich von selbst, daß anstelle des Volumen­ durchflusses ebensogut der Massendurchfluß in der gezeigten Art berichtigt werden kann, wenn anstelle der ersten Gleichung (G1) die entsprechende Standardformel für den Massendurchfluß erweitert wird. Die Ausrichtung des Verfahrens auf den Volumen­ durchfluß ist daher als Beispiel zu verstehen.
Eine zweite vorteilhafte Variante der neuen Formel wird gebildet, indem in der vierten Gleichung (G4) der zweite Term R2 weggelassen wird. Die zweite Variante ist damit eine achte Gleichung (G8):
qb = K · D1 · (δp/r)1/2 + K2 · D2 · (δp/r) (G8).
Die beiden Varianten der neuen Formel sind derart vorteilhaft aufgebaut, daß sie den einzigen Abgleichwert K sowie die in einer Phase des Abgleichverfahrens mit wenig Aufwand bestimmbaren Berichtigungskonstanten D1, D2 bzw. D3 enthalten.
Im Folgenden wird ein Korrekturverfahren beschrieben, durch welches der Abgleichwert K und die Berichtigungskonstanten D1, D2 und D3 bestimmbar sind.
Zugunsten der Übersichtlichkeit wird die siebte Gleichung (G7) als eine neunte Gleichung (G9) umgeschrieben:
qb = {1 + D3 · (T - TA)} · K · D1 · (δp/r)1/2 + K2 · D2 · (δp/r) (G9).
Werden in der neunten Gleichung (G9) der Wert der ersten Berichtigungskonstante D1 gleich eins und die Werte der zweiten Berichtigungskonstante D2 sowie der dritten Berichtigungs­ konstante D3 gleich null gesetzt, wird ein fehlerhafter Durchfluß q* nach einer zehnten Gleichung (G10) berechenbar:
q*= K · (δp/r)1/2 (G10).
Aus der zehnten Gleichung (G10) wird eine elfte Gleichung abgeleitet, mit welcher der Abgleichwert K in einem Abgleichpunkt bei der Abgleichtemperatur TA bestimmbar ist:
K = qo · (ro/δpo)1/2 (G11)
wobei die mit null indizierten Größen im gewählten Abgleichpunkt qo bei der Abgleichtemperatur TA meßbar bzw. berechenbar sind.
Eine auf den Referenz-Durchfluß qR - den wahren Durchfluß - bezogene Meßabweichung e wird in einer zwölften Gleichung (G12) definiert:
e = (q*/qR) - 1 (G12).
Mit einer die Meßabweichung e kompensierenden Berichtigungs­ funktion b wird für den berichtigten Durchfluß qb eine dreizehnte Gleichung (G13) aufgestellt:
qB = (1 - b) · q* (G13)
worauf für die Berichtigungsfunktion b aus den drei Gleichungen (G13), (G9) und (G10) eine vierzehnte Gleichung (G14) gebildet wird:
b = [ 1 - {1 + D3 · (T-TA)} · D1] - D2 · q* (G14).
Eine auf den Referenz-Durchfluß qR bezogene Gesamtmeß­ abweichung f des berichtigten Durchflusses qb wird in einer fünfzehnten Gleichung (G15) definiert:
f = (qb/qR) - 1 (G15).
Die beiden Gleichungen (G12) und (G13) werden in der Gleichung (G15) eingesetzt und durch Umformen wird eine sechzehnte Gleichung (G16) gebildet:
f = e - b - e · b (G16).
Mit der Voraussetzung, daß die Meßabweichung e klein ist, wird der gemischte Term e · b weggelassen und für die Gesamtmeßabweichung f eine siebzehnte Gleichung (G17) definiert:
f ≈ e - b (G17).
Zur Bestimmung der drei Berichtigungskonstanten D1, D2 und D3 wird für die Gesamtmeßabweichung f in der siebzehnten Gleichung (G17) null eingesetzt und daraus eine achtzehnte Gleichung (G18) gebildet:
e = b (G18).
Durch Einsetzen der vierzehnten Gleichung (G14) in der achtzehnten Gleichung (G18) wird eine neunzehnte Gleichung (G19) für die Meßabweichung e gebildet:
e = [1 - {1 + D3 · (T - TA)} · D1] - D2 · q* (G19).
Mit drei vorteilhaft definierten Bestimmungspunkten, von denen ein erster Bestimmungspunkt beispielsweise der maximal einsetzbare Referenz-Durchflußwert qR2 mit der auftretenden Meßabweichung e2 und ein zweiter Bestimmungspunkt der minimal einsetzbare Referenz-Durchflußwert qR1 mit der auftretenden Meßabweichung e1 ist, werden die drei Berichtigungs­ konstanten D1, D2 und D3 bestimmt:
Mit D1=1 und T = TA und den zwei definierten Bestimmungspunkten wird aus der neunzehnten Gleichung (G19) eine zwanzigste Gleichung (G20) gebildet:
D2 = (e1 - e2)/(qR2 - qr1) (G20).
Die zweite Berichtigungskonstante D2 ist vorteilhaft nach der zwanzigsten Gleichung (G20) bestimmbar.
Mit der zweiten Berichtigungskonstante D2 und T = TA und einem Bestimmungspunkt, beispielsweise dem zweiten, wird aus der neunzehnten Gleichung (G19) eine einundzwanzigste Gleichung (G21) abgeleitet:
D1 = 1 - e2 - D2 · qR2 (G21).
Die erste Berichtigungskonstante D1 ist vorteilhaft nach der einundzwanzigsten Gleichung (G21) bestimmbar.
Aus der neunzehnten Gleichung (G19) und mit Hilfe eines dritten Bestimmungspunktes, der bei einer Temperatur T ungleich der Abgleichtemperatur TA und bei einem Referenz-Durchflußwert qRT und der dabei auftretenden Meßabweichung eT festgelegt ist, wird schließlich eine zweiundzwanzigste Gleichung (G22) definiert:
D3 = [1 - eT - D2 · qT - D1] / [D1 · (T - TA)] (G22).
Die dritte Berichtigungskonstante D3 ist vorteilhaft nach der zweiundzwanzigsten Gleichung (G22) bestimmbar.
Das Abgleichverfahren, nach welchem die Einrichtung zur Erfassung des Durchflusses im Leitungsrohr 1 (Fig. 2) vor der Betriebsphase abgleichbar ist, wird vorteilhaft wie folgt festgelegt:
In einem ersten Schritt wird nach der elften Gleichung (G11) der Abgleichwert K berechnet.
In einem zweiten Schritt wird der berechnete Abgleichwert K und bei Bedarf auch die Abgleichtemperatur TA im Datenspeicher 14 abgespeichert.
In einem dritten Schritt, der zeitlich vor oder nach dem zweiten Schritt ausführbar ist, werden im Speicher 14 die erste Berichtigungskonstante D1 auf den Wert eins, und die beiden Berichtigungskonstanten D2 und D3 je auf den Wert null gesetzt.
Nach den drei Schritten liefert die Recheneinheit den auf dem dritten Kommunikationskanal 11 bzw. am Ausgang 10 verfügbaren Wert des Durchflusses q - bedingt durch die gesetzten Werte der drei Berichtigungskonstanten D1, D2 und D3 - gemäß der dritten Gleichung (G3), obwohl die zweite Aktivität den Durchfluß q nach der siebten Gleichung (G7) berechnet.
Nach den ersten drei Schritten werden in einem vierten Schritt für die drei definierten Bestimmungspunkte qR1, qR2 und qRT die sich für den Punkt qR1 bzw. qR2 bzw. qRT ergebende Meß­ abweichung e1 bzw. e2 bzw. eT ermittelt.
Nach dem vierten Schritt werden in einem fünften Schritt in der nachfolgenden Reihenfolge
  • - die zweite Berichtigungskonstante D2 nach der zwanzigsten Gleichung (G20),
  • - die erste Berichtigungskonstante D1 nach der einundzwanzigsten Gleichung (G21) und
  • - die dritte Berichtigungskonstante D3 nach der zweiundzwanzigsten Gleichung (G22) berechnet.
Die drei Berichtigungskonstanten D1, D2 und D3 werden nach ihrer Berechnung in einem sechsten Schritt im Datenspeicher 14 abgespeichert. Bei Bedarf sind der fünfte Schritt und der sechste Schritt mindestens teilweise zeitlich parallel (concurrent) durchführbar.
Das Abgleichverfahren ist vorteilhaft von der dritten Aktivität 18 selbsttätig ausführbar.
Nach dem sechsten Schritt liefert die Recheneinheit 5 den auf dem dritten Kommunikationskanal 11 bzw. am Ausgang 10 verfügbaren berichtigten Durchfluß qb.
Wird der berichtigte Durchfluß qb entsprechend der zweiten Variante der neuen Formel nach der achten Gleichung (G8) berechnet, wird das beschriebene Abgleichverfahren selbstverständlich entsprechend vereinfacht.
Innerhalb eines homogenen Produktionsloses der beschriebenen Einrichtung sind die Berichtigungskonstanten D1, D2 und D3 nur in geringem Maß von einer einzelnen Ausführung innerhalb des Produktionsloses abhängig. Mit Vorteil werden die Berichtigungs­ konstanten D1, D2 und D3 für das Produktionslos nur ein einziges Mal bestimmt. Der Abgleichwert K hingegen wird bei jeder Einrichtung individuell ermittelt.

Claims (6)

1. In einem Verfahren zur Erfassung des Durchflusses eines flüssigen oder gasförmigen Mediums in einem eine Drosselstelle (2) aufweisenden Leitungsrohr (1) werden die Temperatur (T) des Mediums und auch die Druckdifferenz (δp) über der Drosselstelle (2) im Medium gemessen und aus der gemessenen Druckdifferenz (δp), der Dichte (r) des Mediums und der gemessenen Temperatur (T) der Durchfluß berechnet, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist,
  • [a] daß eine Standardformel mit mindestens einem eine Berichtigungskonstante (D1; D2; D3) aufweisenden Term zu einer einen Abgleichwert (K) aufweisenden neuen Formel erweitert wird, mit der der Durchfluß (q) berechenbar ist,
  • [b] daß in einer ersten Abgleichphase der Abgleichwert (K) in einem Abgleichpunkt (po) bei einer Abgleichtemperatur (TA) ermittelt wird,
  • [c] daß in einer zweiten Abgleichphase die Berichtigungs­ konstante/Berichtigungskonstanten (D1; D2; D3) ermittelt wird/werden und
  • [d] daß in einer auf die beiden Abgleichphasen folgenden Benutzungsphase der Durchfluß (q) nach der neuen Formel berechnet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die neue Formel drei Berichtigungskonstanten (D1; D2; D3) aufweist und wie folgt aufgebaut ist q = K · D1 · (δp/r)1/2 + K2 · D2 · (δp/r) + K · D1 · D3 · (T - TA) · (δp/r)1/2.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die neue Formel zwei Berichtigungskonstanten (D1; D2) aufweist und wie folgt aufgebaut ist q = K · D1 · (δp/r)1/2 + K2 · D2 · (δp/r).
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermittlung des Abgleichwertes (K) bei der Abgleichtemperatur (TA) und beim Durchfluß (qo) die Druck­ differenz (δpo) über der Drosselstelle (2) gemessen wird und der Abgleichwert (K) auch der Formel K = qo · (ro/δpo)1/2, wobei ro die Dichte des Mediums bei der Abgleichtemperatur (TA) ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb eines homogenen Produktionsloses der Einrichtung die Berichtigungskonstante/Berichtigungskonstanten (D1; D2; D3) für das Produktionslos nur ein einziges Mal bestimmt wird/werden.
6. Einrichtung zur Erfassung des Durchflusses eines flüssigen oder gasförmigen Mediums in einem eine Drosselstelle (2) aufweisenden Leitungsrohr (1), mit einer Druckdifferenz- Meßeinrichtung (3) mit der die Druckdifferenz (δp) im Medium über der Drosselstelle (2) meßbar ist, mit einer Temperatur- Meßeinrichtung (4) mit der die Temperatur des Mediums meßbar ist, dadurch gekennzeichnet,
  • [a] daß die Einrichtung über eine einen Ausgang (10) aufweisende Recheneinheit (5) mit einem Datenspeicher (14) verfügt, wobei am Ausgang (10) der erfaßte Durchfluß (q) berichtigt verfügbar ist,
  • [b] daß die Recheneinheit (5) mit der Temperatur- Meßeinrichtung (4) und der Druckdifferenz- Meßeinrichtung (3) verbunden ist,
  • [c] daß der Datenspeicher (14) mindestens eine Berichtigungs­ konstante (D1; D2; D3) aufweist,
  • [d] daß die Einrichtung in einer Abgleichphase durch einen einzigen in einem Abgleichpunkt (po) bei einer Abgleich­ temperatur (TA) bestimmbaren Abgleichwert (K) abgleichbar ist und
  • [e] daß der Abgleichwert (K) von einer Abgleich­ einrichtung (17) aus im Datenspeicher (14) speicherbar ist.
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