DE4411738A1 - Verfahren und Turbinenradzähler zur Durchflußmessung eines strömenden Fluids - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und einen Turbinenrad­ zähler zur Durchflußmessung eines strömenden Fluids, insbesondere eines Gases, wobei durch ein von dem strömenden Fluid angetriebe­ nes Turbinenrad Impulse erzeugt und diese zu einer den Durchfluß repräsentierenden Information verarbeitet werden.

Turbinenradzähler arbeiten mit einem Meßfehler, der auf das Trägheitsmoment des Turbinenrades zurückgeht. Sobald die Strömung unterbrochen wird, läuft das Turbinenrad nach und simuliert auf diese Weise einen Durchfluß. Eine gewisse Kompensation ergibt sich beim erneuten Ingangsetzen der Strömung, da das Turbinenrad erst auf seine den tatsächlichen Durchfluß repräsentierende Dreh­ zahl beschleunigt werden muß. Die Kompensation beträgt jedoch le­ diglich 3 bis 10% des Nachlauffehlers. Letzterer liegt im Nieder­ druckbereich je nach Einschaltdauer bei bis zu 18%, im Extremfall noch darüber. Besonders ungünstig sind die Verhältnisse bei in­ termittierendem Betrieb.

Aus der Praxis ist es bekannt, den Nachlauf des Turbinenrades mechanisch abzubremsen. Dadurch ergibt sich jedoch eine Ein­ schränkung des Meßbereichs, verbunden mit hohem Druckverlust.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Nachlauf des Turbinenrades ohne Einschränkung des Meßbereichs und ohne Erhö­ hung des Druckverlustes zu kompensieren.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist das Verfahren nach der Erfin­ dung dadurch gekennzeichnet, daß stromab des Turbinenrades der Drall in der Strömung des Fluids erfaßt wird, daß bei einer Un­ terbrechung der Strömung die hieraus resultierende Dralländerung in ein den Zeitpunkt der Unterbrechung repräsentierendes Schalt­ signal umgesetzt wird und daß das Schaltsignal zur Nachlaufkor­ rektur der den Durchfluß repräsentierenden Informationen verwen­ det wird.

Die Kompensation des Nachlauffehlers erfolgt also rechne­ risch. Hierzu wird der Zeitpunkt der Unterbrechung der Strömung erfaßt, so daß der anschließend gemessene Nachlaufdurchfluß vom Gesamtergebnis der Messung wieder abgezogen werden kann.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß das Turbi­ nenrad nach dem Abschalten der Strömung seine gespeicherte Rota­ tionsenergie hauptsächlich über Ventilationsarbeit abgibt. Da­ durch entsteht eine axiale Strömung mit überlagertem Drall. Die axiale Komponente dieser Strömung ist von der Betriebsströmung nicht zu unterscheiden. Anders hingegen die Drallkomponente der Nachlaufströmung, die sich augenblicklich bei Strömungsunterbre­ chung aufbaut.

Ein wesentlicher weiterer Vorteil, der mit der Erfindung er­ zielt wird, liegt in der Tatsache, daß das Meßsystem völlig au­ tark arbeitet und keiner externen Informationen oder Eingriffe bedarf.

In wesentlicher Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschla­ gen, daß die statischen Drücke am Rand und im Inneren der Strö­ mung erfaßt und in ein Differenzdrucksignal umgewandelt werden und daß aus einer signifikanten Änderung dieses Signals das Schaltsignal abgeleitet wird. Dieser Weiterbildung der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß sowohl bei laminarer als auch bei turbulenter Strömung in Wandnähe ein höherer statischer Druck als zur Mitte hin herrscht. Diese Druckverhältnisse ändern sich schlagartig, sobald in der Strömung eine Drallkomponente auf­ tritt. Ganz besonders günstige Bedingungen sind dann gegeben, wenn der statische Druck am Rande der Strömung in einer im we­ sentlichen tangential zur Strömung liegenden Ebene und der im In­ neren der Strömung in einer im wesentlichen radial zur Strömung liegenden Ebene abgegriffen wird. Der wandnahe statische Druck steigt beim Übergang in den Nachlauf geringer an als der im Inne­ ren der Strömung gemessene, weil hier die Drallkomponente senk­ recht zur Abgriffsebene wirksam wird. Bevorzugt wird man die Druckmessung im Inneren der Strömung so durchführen, daß sich die Drallkomponente als Staudruck auswirkt, was bei Beginn des Nach­ laufs zu einer Vorzeichenumkehr des Differenzdrucksignals führt.

Ferner ist es vorteilhaft, daß die Abgriffsstellen der stati­ schen Drücke im wesentlichen in einer gemeinsamen, senkrecht zur Strömung ausgerichteten Ebene liegen. Die Gefahr einer Störung des Systems durch Verschmutzung ist dabei sehr gering.

In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß bei einer zylindrischen Rohrströmung der statische Druck im Inneren der Strömung an einer Stelle erfaßt wird, die etwa auf der Mitte zwischen dem Zentrum und dem Außenrand der Rohrströmung liegt. Dabei lassen sich sehr zuverlässige Meßergebnisse erzielen.

Die Erfindung richtet sich ferner auf einen Turbinenradzähler für ein strömendes Fluid, insbesondere ein Gas, mit einem Ge­ häuse, das einen Strömungskanal bildet, einem in dem Gehäuse ge­ lagerten Turbinenrad, einem dem Turbinenrad zugeordneten Impuls­ aufnehmer und einem an den Impulsaufnehmer angeschlossenen Zähl­ werk. Dieser Turbinenradzähler ist erfindungsgemäß dadurch ge­ kennzeichnet, daß stromab des Turbinenrades an einer Wand und im Inneren des Strömungskanals je ein Drucksensor zur Erfassung des statischen Drucks angeordnet ist und daß die Drucksensoren zur Bildung eines Differenzdruckimpulses miteinander gekoppelt sowie zur Lieferung eines Schaltsignals für eine Nachlaufkorrektur mit dem Zählwerk verbunden sind. Die Drucksensoren erfassen die un­ terschiedlichen statischen Drücke am Rand und im Inneren des Strömungskanals, wobei eine signifikante Änderung der Druckdiffe­ renz den Hinweis daraufliefert, daß in der Strömung eine auf den Beginn des Nachlaufs zurückzuführende Drallkomponente auftritt. Hieraus wird der Zeitpunkt abgeleitet, von dem an die weiteren Impulse des Meßwerkes vom Endergebnis des Zählwerkes wieder ab zu­ ziehen sind, um den Nachlauffehler zu korrigieren. Die Erfindung ermöglicht in einfacher Weise eine sehr genaue Durchflußmessung, wobei das Meßwerk selbst sämtliche erforderlichen Daten liefert und demnach eine Baueinheit bilden kann, die von externen Infor­ mationen völlig unabhängig ist. Es handelt sich um eine apparativ unaufwendige, voll elektronische Durchflußmessung.

In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß der an der Wand des Strömungskanals angeordnete Drucksensor mit seinem Druckaufnehmer im wesentlichen radial zum Strömungskanal ausge­ richtet ist, während der im Inneren des Strömungskanals angeord­ nete Drucksensor mit seinem Druckaufnehner im wesentlichen tan­ gential zum Strömungskanal ausgerichtet ist. Beim Abschalten der Betriebsströmung, d. h. beim Auftreten der Drallströmung ändert sich vor allem der statische Druck im Inneren der Strömung, wobei diese Anordnung eine sehr zuverlässige Erfassung der Druckände­ rung ermöglicht. Dies gilt insbesondere dann, wenn der im Inneren des Strömungskanals angeordnete Drucksensor mit seinem Druckauf­ nehmer im wesentlichen gegen die Drallkomponente der beim Nach­ laufen des Turbinenrades erzeugten Strömung gerichtet ist. Dabei wirkt die Drallkomponente der Strömung als Staudruck auf den in­ nen angeordneten Drucksensor ein. Dies führt bei hohem Durchfluß zu einer Vorzeichenänderung des Differenzdrucksignals.

Eine weitere Verbesserung der Meßgenauigkeit und Reproduzier­ barkeit wird dadurch erzielt, daß die Druckaufnehmer der beiden Drucksensoren im wesentlichen in einer gemeinsamen, senkrecht zum Strömungskanal ausgerichteten Ebene liegen.

Vorteilhafterweise beträgt der Abstand der Druckaufnehmer zum Turbinenrad das 1- bis 5fache des Außendurchmessers des Strö­ mungskanals, da hier die Drallkomponente der Strömung die signi­ fikantesten Änderungen der statischen Drücke ergibt. Sofern der Turbinenradzähler hinter einem Störelement, beispielsweise einem Rohrkrümmer angeordnet ist, kann es von Vorteil sein, dem Turbi­ nenrad einen Strömungsgleichrichter vorzuschalten, um die Be­ triebsströmung möglichst drallfrei zu machen, so daß das Auftre­ ten der durch den Nachlauf erzeugten Drallkomponente auch bei mi­ nimalem Durchfluß mit Sicherheit erkannt werden kann.

Vorzugsweise sind die Drucksensoren zu einem Differenzdruck­ sensor zusammengeschlossen. Dabei ist es vorteilhaft, dem Diffe­ renzdrucksensor eine Elektronik nachzuschalten, die beim Durch­ gang des Differenzdrucksignals durch eine Schaltwelle das logi­ sche Schaltsignal erzeugt. Dabei sollte die Schaltschwelle mög­ lichst nahe am Ruhepegel des Differenzdrucksensors liegen. Dies wird vorzugsweise dadurch erzielt, daß man dem Differenzdrucksen­ sor ein Tiefpaßfilter nachschaltet.

Als erfindungswesentlich offenbart gelten auch solche Kombi­ nationen der erfindungsgemäßen Merkmale, die von den vorstehend diskutierten Verknüpfungen abweichen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand bevorzugter Ausfüh­ rungsbeispiele im Zusammenhang mit der beiliegenden Zeichnung nä­ her erläutert. Die Zeichnung zeigt in:

Fig. 1 einen achssenkrechten Schnitt durch einen Strömungska­ nal nach einer ersten Ausführungsform;

Fig. 2 einen achsparallelen Schnitt durch den Strömungskanal nach Fig. 1;

Fig. 3 einen achssenkrechten Schnitt durch einen Strömungska­ nal nach einer zweiten Ausführungsform;

Fig. 4 einen achsparallelen Schnitt durch den Strömungskanal nach Fig. 3;

Fig. 5 ein erstes Diagramm eines Druckdifferenzsignals;

Fig. 6 ein zweites Diagramm des Druckdifferenzsignals.

Die Fig. 1 bis 4 zeigen das stromab gelegene Ende des Gehäu­ ses eines Turbinenradzählers. Stromauf ist ein Turbinenrad mit zugeordnetem Impulsaufnehmer vorgesehen. Der Impulsaufnehmer ist mit einem Zählwerk verbunden, welches die Impulse summiert und daraus den Durchfluß bestimmt. Diese Komponenten des Turbinenrad­ zählers sind von konventioneller Art und werden daher hier weder dargestellt noch näher erläutert.

Die Fig. 1 und 2 zeigen einen Strömungskanal 1, der von einer zylindrischen, rohrförmigen Wand 2 begrenzt ist. Ein Differenz­ drucksensor 3 weist zwei Druckaufnehmer 4 und 5 auf, von denen der Druckaufnehmer 4 an der Wand 2 angeordnet ist, während der Druckaufnehmer 5 in den Strömungskanal hineinragt. Der Druckauf­ nehmer 4 ist im wesentlichen radial ausgerichtet. Der Druckauf­ nehmer 5 hingegen weist eine im wesentlichen tangentiale Ausrich­ tung auf.

Im normalen Betriebszustand, nämlich bei eingeschalteter Strömung, messen die beiden Druckaufnehmer 4 und 5 den jeweiligen statischen Druck, wobei der statische Druck im Inneren der Strö­ mung kleiner als der in Wandnähe ist. Sobald die Strömung abge­ schaltet wird, entfällt der Antrieb des Turbinenrades. Dieses baut nun seine gespeicherte Rotationsenergie hauptsächlich über Ventilationsarbeit ab, wobei eine axiale Strömung mit überlagern­ tem Drall entsteht. Die axiale Komponente ist vom Betriebsstrom nicht zu unterscheiden und hält umso länger an, je höher der Durchfluß (und somit die Drehzahl) war. Die Pfeile in Fig. 2 ge­ ben die axiale Strömungskomponente wieder, während die Pfeile in Fig. 1 die Drallkomponente andeuten. Aus Fig. 1 ist auch ersicht­ lich, daß der Druckaufnehmer 5 gegen die Drallströmung gerichtet ist.

Sobald ein Drall auftritt, ändert sich also das Ausgangs­ signal des Differenzdrucksensors. Diese Verhältnisse sind anhand der Fig. 5 und 6 dargestellt Fig. 5 gilt für minimalen Durch­ fluß. Während des normalen Betriebes liegt das Differenzdrucksi­ gnal bei etwa 1,4 V. Zu Beginn des Nachlaufs sinkt es schlagartig auf den Ruhepegel des Sensors und unterschreitet dabei die Schaltschwelle, die auf 1,1 V eingestellt ist. Beim Passieren der Schaltschwelle erhält das Zählwerk die Information, daß die Strö­ mung abgeschaltet ist und der Nachlauf des Turbinenrades beginnt. Die von nun an gezählten Impulse können zur Nachlaufkorrektur von der Endsumme wieder abgezogen werden.

Fig. 6 zeigt die Verhältnisse bei maximalem Durchfluß. Das Differenzdrucksignal befindet sich in der Sättigung und liegt bei 8,7 V. Beim Auftreten der Drallströmung fällt das Signal ab, pas­ siert dabei die Schaltschwelle und wechselt sodann das Vorzei­ chen, um sich schließlich dem Ruhepegel von unten zu nähern.

Der Differenzdrucksensor arbeitet mit hinreichender Empfind­ lichkeit und besitzt eine geeignete Kennlinie, d. h., er liefert auch für negative Druckdifferenzen ein proportionales Signal. Das eigentliche Schaltsignal beim Passieren der Schaltschwelle wird von einer elektronischen Schaltung, z. B. von einem Komparator er­ zeugt. Dem Differenzdrucksensor ist ein Tiefpaßfilter nachge­ schaltet, um die Schaltschwelle des Komparators möglichst niedrig legen zu können.

Nach Fig. 1 liegt der Druckaufnehmer 5 ungefähr in der Mitte zwischen dem Zentrum des Strömungskanals 1 und der Wand 2. Diese Anordnung hat sich als günstig erwiesen. Die Feinjustierung läßt sich ohne weiteres empirisch durchführen.

Aus Fig. 2 ergibt sich, daß die Druckaufnehmer 4 und 5 in ei­ ner gemeinsamen achssenkrechten Ebene liegen.

Die Ausführungsform nach den Fig. 3 und 4 unterscheidet sich von der nach den Fig. 1 und 2 vor allen Dingen dadurch, daß der Strömungskanal 1 zwischen der Wand 2 und einem Abströmkörper 6 gebildet wird. Der Differenzdrucksensor 3 ist dabei im Abström­ körper 6 angeordnet.

In beiden Fällen kann der Turbinenradzähler außerdem einen Anströmkörper aufweisen, um keinen Drall von außen in das Meßwerk einzutragen. Ferner gilt für beiden Ausführungsbeispiele, daß der Abstand der Druckaufnehmer vom Turbinenrad das 3-fache des Durch­ messers bzw. Außendurchmessers des Strömungskanals beträgt.

Im Rahmen der Erfindung sind durchaus Abwandlungsmöglichkei­ ten gegeben. So kann anstelle des Differenzdrucksensors mit zwei gesonderten Sensoren gearbeitet werden, die zur Erzeugung des Differenzdrucksignals zusammengeschaltet sind. Auch kann die elektronische Verarbeitung des Differenzdrucksignals anders aus­ sehen, wenn auch die dargestellte und beschriebene Art besonders vorteilhaft ist. Wesentlich ist in jedem Falle, daß der Beginn des Turbinenrad-Nachlaufs erfaßt wird. Auch die Ausrichtung des Druckaufnehmers 5 stellt eine besonders vorteilhafte Möglichkeit dar, von der aber abgewichen werden kann. Gleiches gilt für die Anordnung der beiden Druckaufnehmer in einer gemeinsamen achs­ senkrechten Ebene.

Claims (14)

1. Verfahren zur Durchflußmessung eines strömenden Fluids, insbesondere eines Gases, wobei durch ein von dem strömenden Fluid angetriebenes Turbinenrad Impulse erzeugt und diese zu ei­ ner den Durchfluß repräsentierenden Information verarbeitet wer­ den, dadurch gekennzeichnet,
daß stromab des Turbinenrades der Drall in der Strömung des Fluids erfaßt wird,
daß bei einer Unterbrechung der Strömung die hieraus resul­ tierende Dralländerung in ein den Zeitpunkt der Unterbrechung re­ präsentierendes Schaltsignal umgesetzt wird
und daß das Schaltsignal zur Nachlaufkorrektur der den Durch­ fluß repräsentierenden Information verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die statischen Drücke am Rand und im Inneren der Strömung erfaßt und in ein Differenzdrucksignal umgewandelt werden und daß aus einer signifikanten Änderung dieses Signals das Schaltsignal abgeleitet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der statische Druck am Rand der Strömung in einer im we­ sentlichen tangential zur Strömung liegenden Ebene und der im In­ neren der Strömung in einer im wesentlichen radial zur Strömung liegenden Ebene abgegriffen wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Abgriffstellen der statischen Drücke im wesentlichen in einer gemeinsamen, senkrecht zur Strömung ausgerichteten Ebene liegen.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß bei einer zylindrischen Rohrströmung der statische Druck im Inneren der Strömung an einer Stelle erfaßt wird, die etwa auf der Mitte zwischen dem Zentrum und dem Außenrand der Strömung liegt.

6. Turbinenradzähler für ein strömendes Fluid, insbesondere ein Gas, mit einem Gehäuse, das einen Strömungskanal (1) bildet, einem in dem Gehäuse gelagerten Turbinenrad, einem dem Turbinen­ rad zugeordneten Impulsaufnehmer und einem an den Impulsaufnehmer angeschlossenen Zählwerk, dadurch gekennzeichnet,
daß stromab des Turbinenrades an einer Wand (2; 6) und im In­ neren des Strömungskanals (1) je ein Drucksensor zur Erfassung des statischen Drucks angeordnet ist und
daß die Drucksensoren zur Bildung eines Differenzdrucksignals miteinander gekoppelt sowie zur Lieferung eines Schaltimpulses für eine Nachlaufkorrektur mit dem Zählwerk verbunden sind.

7. Turbinenradzähler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der an der Wand (2; 6) des Strömungskanals (1) angeordnete Drucksensor mit seinem Druckaufnehmer (4) im wesentlichen radial zum Strömungskanal ausgerichtet ist, während der im Inneren des Strömungskanals angeordnete Drucksensor mit seinem Druckaufnehmer (5) im wesentlichen tangential zum Strömungskanal ausgerichtet ist.

8. Turbinenradzähler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der im Inneren des Strömungskanals (1) angeordnete Druck­ sensor mit seinem Druckaufnehmer (5) im wesentlichen gegen die Drallkomponente der beim Nachlauf des Turbinenrades erzeugten Strömung gerichtet ist.

9. Turbinenradzähler nach einem der Ansprüche 6 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß die Druckaufnehmer (4, 5) der beiden Drucksensoren im we­ sentlichen in einer gemeinsamen, senkrecht zum Strömungskanal (1) ausgerichteten Ebene liegen.

10. Turbinenradzähler nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich­ net, daß der Abstand der Druckaufnehmer (4, 5) zum Turbinenrad das 1- bis 5fache des Außendurchmessers des Strömungskanals (1) be­ trägt.

11. Turbinenradzähler nach einem der Ansprüche 6 bis 10, da­ durch gekennzeichnet, daß dem Turbinenrad ein Strömungsgleichrichter vorgeschaltet ist.

12. Turbinenradzähler nach einem der Ansprüche 6 bis 11, da­ durch gekennzeichnet, daß die Drucksensoren zu einem Differenzdrucksensor (3) zu­ sammengeschlossen sind.

13. Turbinenradzähler nach Anspruch 12, dadurch gekennzeich­ net, daß dem Differenzdrucksensor (3) eine Elektronik nachgeschal­ tet ist, die beim Durchgang des Differenzdrucksignals durch eine Schaltschwelle das logische Schaltsignal erzeugt.

14. Turbinenradzähler nach Anspruch 13, dadurch gekennzeich­ net, daß dem Differenzdrucksensor ein Tiefpaßfilter nachgeschaltet ist.