DE60032606T2

DE60032606T2 - Rauschverminderte differenzdruck-messprobe

Info

Publication number: DE60032606T2
Application number: DE60032606T
Authority: DE
Inventors: N. Russell Louisville EVANS; X. Terry Longmont BEACHEY
Original assignee: Dieterich Standard Inc
Current assignee: Dieterich Standard Inc
Priority date: 1999-08-05
Filing date: 2000-07-18
Publication date: 2007-10-11
Anticipated expiration: 2020-07-19
Also published as: CA2346520C; TW505779B; ATE349686T1; US6470755B1; AR028851A1; ES2274797T3; BR0006987A; EP1196749B1; KR100493565B1; AU6222000A; EP1196749A4; EP1196749A1; CN1189728C; WO2001011327A1; CN1321244A; DE60032606D1; KR20010082222A; CA2346520A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Prozessindustrie verwendet Geber für Prozessvariablen zum Überwachen von Prozessvariablen, die Substanzen wie beispielsweise Feststoffen, Schlämmen, Flüssigkeiten, Dämpfen und Gasen in Anlagen der Chemie-, Papier-, Petrol-, Pharma- und Nahrungsmittelindustrie sowie anderen Industriezweigen zugeordnet sind. Prozessvariablen umfassen Druck, Temperatur, Strömung, Füllstand, Trübung, Dichte, Konzentration, chemische Zusammensetzung und andere Eigenschaften. Ein Prozess-Fluidstromgeber stellt in Bezug auf einen erfassten Prozess-Fluidstrom eine Ausgabe bereit. Die Ausgabe des Stromgebers kann über eine Prozessregelung an einen Kontrollraum kommuniziert werden, oder die Ausgabe kann einer anderen Prozessvorrichtung kommuniziert werden, so dass der Prozess überwacht und gesteuert werden kann.
Das Messen der Geschwindigkeit des Fluidstroms in einer abgeschlossenen Leitung durch Verändern der Innengeometrie der Leitung und Anwenden eines Algorithmus auf den gemessenen Differenzdruck in dem strömenden Fluid ist bekannt. Bei der herkömmlichen Art und Weise wird die Geometrie der Leitung durch Verändern des Querschnittes der Leitung erreicht, beispielsweise mit einem Venturirohr, oder durch Einführen einer die Strömung verändernden Vorrichtung, beispielsweise einer Lochplatte oder eines Pitotrohrs mit Durchschnittsermittlung oder dergleichen, in die Leitung.
Ein Pitotrohr mit Durchschnittsermittlung umfasst im Allgemeinen einen geformten Prallkörper, der den Fluidstrom innerhalb der Leitung leicht behindert. Eine Begrenzung mancher Pitotrohre mit Durchschnittsermittlung ist ein im Verhältnis geringeres Signal-Rausch-Verhältnis der erfassten Differenzdruckdaten. „Rauschen" bezeichnet im Kontext einer Differenzdruck-Messvorrichtung, wie beispielsweise eines Strömungsgebers, die momentane Abweichung von einer Durchschnittsdruckmessung von einem Datenpunkt zum nächsten. Das Rauschen wird in einem Pitotrohr auf der dem Differenzdrucksensor zugewandten Seite des Pitotrohrs und in den Niederdruckanschlüssen auf der stromabwärts gelegenen Seite des Pitotrohrs erzeugt.
Da Differenzdruckgeber und Datenerfassungssysteme anspruchsvoller geworden sind und auf geringere Eingangsgrößen reagieren, sind sie auch empfindlicher gegen das von der Druckerfassungseinheit erzeugte Rauschen und werden dadurch zunehmend beeinflusst. Dementsprechend sind die Rauscheigenschaften von Differenzdruck-Erfassungsvorrichtungen zu einem wichtigeren Faktor bei ihrer Auswahl und ihrem Betrieb geworden. Es besteht also ein Bedarf, eine verbesserte Differenzdruck-Erfassungsvorrichtung mit einem verbesserten Signal-Rausch-Verhältnis bereitzustellen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß der Erfindung wird eine Differenzdruck-Messsonde bereitgestellt, die zum Einsetzen in eine Fluid führende Leitung eingerichtet ist, die Sonde umfasst eine sich in Längsrichtung erstreckende, im Wesentlichen ebene Prallfläche, die sich entlang der Länge und innerhalb der Sonde erstreckt, und einen ersten Raum, der ein Hochdruckraum ist, und konfiguriert wurde, um an einen ersten Drucksensoranschluss anzukuppeln, der erste Raum umfasst wenigstens eine längliche Prallöffnung, die darin angeordnet ist, um den Druck von der Prallfläche zu dem ersten Drucksensoranschluss zu übertragen; eine prallfreie Fläche, die von der Prallfläche beabstandet ist, die prallfreie Fläche besitzt wenigstens eine prallfreie Öffnung, die darin angeordnet ist, um den Druck von der prallfreien Fläche zu einem zweiten Drucksensoranschluss an demselben Ende der Sonde wie der erste Drucksensoranschluss zu übertragen, und einen zweiten Raum, der ein Niederdruckraum ist, und der sich entlang der Länge und innerhalb der Sonde erstreckt, die prallfreie Fläche ist an dem zweiten Raum angeordnet.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 und 2 sind schematische Darstellungen eines Prozess-Messsystems, die die Umgebung von Ausführungsformen der Erfindung zeigen.
3 ist ein System-Blockdiagramm des Prozess-Messsystems.
4 ist eine perspektivische Teilansicht eines „T"-förmigen Form-Prallkörpers einer Ausführungsform der Erfindung, bei der im Sinne einer einfacheren Darstellung der Gesamtkonstruktion ein Teil geschnitten dargestellt wird.
5 ist eine Schnittdarstellung entlang der Linien 3-3' in 4. Die geschwungenen Pfeile zeigen die allgemeine Richtung der Strömung um den Körper herum.
6 ist eine perspektivische Teilansicht einer anderen Ausführungsform, die eine Form des Prallkörpers mit ebener Anprallfläche zeigt.
7 ist eine perspektivische Teilansicht einer anderen Ausführungsform, die einen im Wesentlichen „V"-förmigen Querschnitt des Prallkörpers mit ebener Anprallfläche darstellt.
8 ist eine perspektivische Teilansicht einer anderen Ausführungsform, die einen im Wesentlichen „U"-förmigen Querschnitt des Prallkörpers mit ebener Anprallfläche darstellt.
9 ist eine schematische Darstellung eines Fluids, das um die wie in 4 geformte Differenzdruck-Messsonde herumströmt.
10 ist ein Druck-Zeit-Diagramm, das die typische Rauschminderung einer Differenzdruck-Messsonde in der Art eines Pitotrohrs nach dem Stand der Technik, wie beispielsweise der in dem Patent US-A-4559836 offenbarten Sonde, darstellt.
11 ist ein Druck-Zeit-Diagramm, das die verbesserten Rauscheigenschaften der Differenzdruck-Messsonde der vorliegenden Erfindung darstellt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die Erfindung wird zwar mit Bezug auf spezielle Ausführungsformen von Differenzdruck-Messsonden beschrieben, Personen mit Erfahrung auf dem Gebiet der Technik erkennen jedoch, dass Änderungen in Form und Einzelheiten vorgenommen werden können, ohne von dem Geist und Umfang der Erfindung abzuweichen, die durch die beigefügten Ansprüche definiert werden.
1 ist eine schematische Darstellung eines Prozesssteuerungssystems 10, das ein Beispiel einer Umgebung von Ausführungsformen der Erfindung darstellt. Das Druckmesssystem 12 ist über die Prozessregelung 16 mit einem Kontrollraum 14 (modellhaft als Spannungsquelle und Widerstand dargestellt) verbunden. Die Regelung 16 kann zum Kommunizieren von Strömungsinformationen zwischen dem Messsystem 12 und dem Kontrollraum 14 jedes geeignete Protokoll verwenden. So funktioniert die Prozessregelung 16 beispielsweise in Übereinstimmung mit einem Prozessindustriestandardprotokoll wie beispielsweise Highway Addressable Remote Transducer (HART^®), FOUNDATION^TM Fieldbus oder jedem anderen geeigneten Protokoll.
2 zeigt einen aufgeschnittenen Teil eines Prozess-Fluidbehälters 18, wie beispielsweise ein Rohr oder eine abgeschlossene Leitung, in dem eine Differenzdruck-Messsonde 20 von der Art eines Pitotrohrs mit Durchschnittsermittlung eingebaut ist. Der Prallkörper 22 der Sonde 20 ist in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Erfindung konstruiert, die zu einem späteren Zeitpunkt in der Spezifizierung ausführlicher beschrieben wird. Der Prallkörper 22 erstreckt sich über den gesamten Innendurchmesser von Rohr 18. Der Richtungspfeil 24 in 2 gibt die Richtung des Fluidstroms in dem Rohr 18 an. Ein Fluidsammler 26 und der Strömungsgeber 13 werden am äußeren Ende des Pitotrohrs 20 befestigt dargestellt. Der Geber 13 umfasst einen Drucksensor 28, der mit der Sonde 20 über Kanäle 30 (in 2 als unsichtbar dargestellt) in Fluidverbindung steht.
3 ist ein System-Blockdiagramm des Differenzdruck-Messsystems 12. Das System 12 umfasst den Strömungsgeber 13 und die Differenzdruck-Messsonde 20. Das System 12 kann an eine Prozessregelung, wie beispielsweise die Regelung 16, gekoppelt werden und ist dafür eingerichtet, eine Ausgabe einer Prozessvariablen, die sich auf einen Differenzdruck des Fluidstroms innerhalb des Rohrs 18 bezieht, zu kommunizieren. Der Geber 13 von dem System 12 umfasst einen Regelungskommunikator 32, einen Drucksensor 28, einen Messschaltkreis 34 und einen Kontroller 36.
Der Regelungskommunikator 32 kann an eine Prozessregelung, wie beispielsweise Regelung 16, gekoppelt werden und ist dafür eingerichtet, abhängig von der Prozessregelung zu kommunizieren. Eine derartige Kommunikation kann in Übereinstimmung mit jedem geeigneten Prozessindustriestandardprotokoll, wie beispielsweise den oben genannten Protokollen, durchgeführt werden.
Der Drucksensor 28 umfasst einen ersten und einen zweiten Einlass 38, 40 die über Kanäle 30 an einen ersten beziehungsweise einen zweiten Raum 42 beziehungsweise 44 gekoppelt sind. Der Sensor 28 kann jede Vorrichtung sein, die elektrische Kennwerte besitzt, die sich in Folge von Änderungen des angelegten Druckes ändern. So kann beispielsweise der Sensor 28 ein kapazitiver Drucksensor sein, dessen Kapazität sich in Folge des zwischen den Anschlüssen 38 und 40 anliegenden Differenzdruckes ändert. Wenn gewünscht, kann der Sensor 28 ein Paar von druckempfindlichen Elementen enthalten, so dass jeder Raum mit seinem eigenen druckempfindlichen Element gekoppelt ist.
Der Messschaltkreis 34 ist mit dem Sensor 28 gekoppelt und konfiguriert, um eine Sensorausgabe in Bezug auf den Differenzdruck bereitzustellen, der zwischen den Anschlüssen 38 und 40 besteht. Der Messschaltkreis 34 kann aus beliebigen elektronischen Schaltkreisen bestehen, die ein geeignetes Signal in Bezug auf den Differenzdruck bereitstellen können. So kann der Messschaltkreis beispielsweise ein Analog-Digital-Wandler, ein Kapazitäts-/Digital-Wandler oder ein beliebiger anderer geeigneter Schaltkreis sein.
Der Kontroller 36 ist an den Messschaltkreis 34 und den Regelungskommunikator 32 gekoppelt. Der Kontroller 36 ist dafür eingerichtet, eine Prozessvariable an den Regelungskommunikator 32 auszugeben, diese Ausgabe bezieht sich auf die Sensorausgabe, die durch den Messschaltkreis 34 bereitgestellt wird. Der Kontroller 36 kann eine programmierbare Gatteranordnungs-Vorrichtung, ein Mikroprozessor oder eine beliebige andere geeignete Vorrichtung sein.
Obwohl der Regelungskommunikator 32, der Messschaltkreis 34 und der Kontroller 36 hinsichtlich individueller Module beschrieben wurden, wird davon ausgegangen, dass diese beispielsweise auf einer Anwendungsspezifischen Integrierten Schaltung (Application Specific Integrated Circuit, ASIC) kombiniert werden können.
Die Differenzdruck-Messsonde 20 ist über Kanäle 30 mit dem Geber 13 gekoppelt. Somit ist der Anschluss 38 des Sensors 28 mit dem ersten Raum 42 gekoppelt, während der Anschluss 40 des Sensors 28 mit dem zweiten Raum 44 gekoppelt ist. Ein „Raum" ist ein Durchlass, ein Kanal, ein Rohr oder dergleichen, in den oder in das ein Fluid einer bestimmten Eigenschaft oder mit einem bestimmten Druck hineingeleitet oder hineingelassen wird, und durch den oder das ein Fluiddruck kommuniziert, mitgeteilt oder gesendet wird.
Der Prallkörper 22 umfasst einen ersten Raum 42 und eine sich in Längsrichtung erstreckende Prallfläche 46 mit wenigstens einer Prallöffnung 48, die angeordnet ist, um einen Fluiddruck von der Prallfläche 46 durch den Raum 42 und die Leitungen 30 zu dem Anschluss 38 des Sensors 28 zu kommunizieren. In verschiedenen unterschiedlichen Ausführungsformen kann die Prallfläche 46 eine Breite besitzen, die in dem Bereich zwischen ungefähr 12,7 Millimeter (0,50 Zoll) bis ungefähr 50,8 Millimeter (2,00 Zoll) ist. Wie in den 2, 4 und 5 gezeigt, ist im Wesentlichen die gesamte Prallfläche 46 senkrecht zu der Strömungsrichtung des Fluidstroms, die durch den Pfeil 24 dargestellt wird. Wie aus den 2 und 4 bis 8 ersichtlich, kann die wenigstens eine Prallöffnung 48 jede geeignete Breite besitzen. So kann die Öffnung 48 beispielsweise eine Breite zwischen ungefähr 0,762 Millimetern (0,030 Zoll) und ungefähr 6,35 Millimetern (0,250 Zoll) besitzen. Ein Verhältnis von Raumbreite zu Öffnungsbreite, das größer ist als ungefähr 8:1, bringt anscheinend nützliche Ergebnisse hervor. Die Öffnung 48 kann die Form eines sich in Längsrichtung erstreckenden Schlitzes haben. Eine Schlitzöffnung stellt eine verbesserte Rauschminderung in dem Auftreffdrucksignal bereit und erhöht somit das Signal-Rausch-Verhältnis des Messsystems. Wird ein Schlitz verwendet, muss die Breite des Schlitzes geringer sein als die Innenbreite des Raumes, mit dem er in Kommunikation steht. Es kann eine Vielzahl von Schlitzen verwendet werden, die in Längsrichtung oder in Querrichtung voneinander beabstandet sind. Des Weiteren können Schlitze sowohl für die stromabwärts gelegenen Öffnungen sowie für die kreisförmigen Öffnungen verwendet werden.
Der zweite Raum 44 umfasst eine prallfreie Fläche 50, die von der Prallfläche 46 beabstandet ist. Die Oberfläche 50 umfasst wenigstens eine prallfreie Öffnung 52, die angeordnet ist, um den Druck von der prallfreien Fläche über den Raum 44 an den Anschluss 40 des Sensors 28 zu übertragen. Wie aus den 2 und 4 bis 8 ersichtlich ist, kann in Ausführungsformen der Erfindung eine Vielzahl von Geometrien genutzt werden. Im Allgemeinen ist bei jeder Ausführungsform wenigstens einer der ersten und zweiten Räume 42, 44 so geformt, dass ein Fluid-Staupunkt an der wenigstens einen prallfreien Öffnung 52 erzeugt wird. Wird kein zweiter Raum benötigt, kann in der Wand von Rohr 18 eine Druckmessbohrung bereitgestellt werden, so dass die prallfreie Öffnung 52 innerhalb von dem Rohr 18 angeordnet ist, um einen prallfreien Druck an Anschluss 40 zu kommunizieren. So kann die Öffnung 52 beispielsweise nahe einer Innenwand von Rohr 18 angeordnet sein. Zusätzlich können der Strömungsgeber 13 und die Sonde 20 werkseitig aneinander angepasst werden, um eine verbesserte Genauigkeit, Langlebigkeit und Diagnosemöglichkeiten für eine bestimmte Differenz-Strömungsmessanwendung bereitzustellen.
Die 4 beziehungsweise 5 zeigen eine perspektivische Teildarstellung und eine Schnittdarstellung des Prallkörper-Teils 22 des Pitotrohrs 20. Wie gezeigt, ähnelt ein Querschnitt des Prallkörpers dem Buchstaben „T", einschließlich eines Stabteils 54, der eine gerade, im Wesentlichen flachstumpfe, vordere Prallfläche 46 auf der „Oberseite" des Buchstaben „T" besitzt. Der Querschnitt des Körpers stellt des Weiteren den Schaftteil 56 des Buchstaben „T" dar, der in der Mitte des Stabes 54 und im Allgemeinen senkrecht dazu angeordnet ist. In der perspektivischen Ansicht des Prallkörpers (4) ist ersichtlich, dass der so genannte Schaftteil des „T" eine sich in Längsrichtung erstreckende Rippe 56 ist, die sich von der Rückseite des Stabes mit ebener Vorderseite 54 in eine stromabwärts gerichtete Richtung erstreckt.
Um das Signal-Rausch-Verhältnis der Niederdruckmessung zu erhöhen, sollte das Verhältnis von Länge zu Breite (L/B) des Prallkörpers 22, wie in 4 dargestellt, größer als ungefähr Einhalb (1/2) und geringer als ungefähr Eineinhalb (1 1/2) sein. Ein Verhältnis von Eins (1) scheint vorteilhafte Ergebnisse hervorzubringen.
Der erste und der zweite Raum 42 und 44 sind entlang der Länge und im Inneren des Prallkörpers angeordnet und erstrecken sich in den Teil des Pitotrohrs 20, das sich aus der Fluid führenden Leitung 18 zu dem Strömungsgeber 13 erstreckt.
2 stellt dar, dass der Prallkörper 22 innerhalb der Fluid führenden Leitung 18 so ausgerichtet ist, dass die gerade, flachstumpfe Prallfläche 46 der Fluidstromfront entgegensteht und senkrecht zu der Richtung des Fluidstroms 24 ist. Eine derartige Ausrichtung stellt eine relativ große Kuppel des sich über die Oberfläche 46 erstreckenden Hochdruckes bereit und erschafft somit einen effizienteren Prall-Staubereich. Die her vorspringende Rippe 56 ist im Allgemeinen parallel zu der Richtung des Fluidstroms in der Leitung 18.
Die normale Vielzahl von kreisförmigen Hochdruck-Leitungsöffnungen in der stromaufwärts weisenden Seite eines Prallkörpers eines herkömmlichen Pitotrohrs mit Durchschnittsermittlung werden in den in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen durch eine oder mehrere schmale Schlitzöffnungen ersetzt, die alle in der Breite des Stabteils 54 platziert sind und sich in Längsrichtung im Wesentlichen über die gesamte Länge des Prallkörpers 22 erstrecken. Die Schlitze stellen eine Kommunikation zwischen dem Hochdruck-(Prall-)Fluid in Leitung 18 und dem Raum 42 bereit, wodurch der Pralldruck des strömenden Fluids in den Raum 42 und zu dem Anschluss 38 des Drucksensors 28 innerhalb des Strömungsgebers 13 geleitet wird. Im Gegensatz zu einer Vielzahl von beabstandeten, kreisförmigen Öffnungen ermöglicht die Konfiguration mit Schlitzen eine weitere Verringerung des mit dem Messen hoher Drücke von Fluids im Zusammenhang stehenden Rauschens, unter der Voraussetzung, dass der schmale Schlitz als Eingang zu einem breiteren und größeren Raum dient. Um die Rauschminderung zu erzielen, sollte der Schlitz nicht selbst als Raum fungieren. Ist beispielsweise der Schlitz in der Vorderseite des Stabes 0,762 Millimeter (0,030 Zoll) breit und der Raum 42 ist 3,2 Millimeter (0,125 Zoll) breit, würde ein zufrieden stellendes Verhältnis bestehen. Diese Dimensionen und das Verhältnis sind lediglich beispielhaft und sollten nicht als begrenzend oder einschränkend betrachtet werden.
Das prallfreie Fluid wird durch eine oder mehrere stromabwärts gerichtete Öffnungen 52 oder alternativ durch einen sich in Längsrichtung erstreckenden Schlitz, der sich hinter dem Stab 54 des Prallkörpers 22 befindet, in den zweiten Raum 44 in dem Pitotrohr 20 geleitet. Wie in 5 dargestellt, erzeugt der Stabteil 54 des Prallkörpers 22 abreißende Wirbel in dem um die Kanten 58 und 60 der seitlichen Enden der Platte 54 herumströmenden Fluid, wodurch das Fluid in dem an die Hinterseite 50 des Stabes 54 angrenzenden Bereich und um die seitlichen Flächen der hervorstehenden Rippe 56 stagniert. Die Hauptfunktion der Rippe 56 der „T"-förmigen Ausführungsform besteht darin, den Punkt weiter nach stromabwärts zu verlagern, an dem sich die Wirbel, die von den seitlichen Kanten 58 und 60 des Stabes mit ebener Vorderseite 54 erzeugt werden, wieder aneinander anlagern. Das Verzögern des Wiederanlagerns der Wirbel vergrößert die Größe des Staubereichs, wodurch das Restrauschen in dem Niederdruckteil der Diffe renzdruckmessung verringert wird.
Scharfe Ecken an den stromaufwärts gelegenen, seitlichen Kanten 58 und 60 des Stabes 54 erzeugen abreißende Wirbel um den Stab herum, starke oder abrupte Wirbel sind jedoch zum Erreichen der aus einer Fluidstagnation resultierende Ruhe weniger wünschenswert als Wirbel, die durch weichere, gerundete, seitliche Kanten des Strömungsprofils des Prallkörpers erzeugt werden. Spezifische Rundungsspezifikationen müssen von der Größe des Prallkörpers abhängig gemacht werden, der seinerseits von der Größe der Fluid führenden Leitung abhängt, es kann jedoch festgestellt werden, dass bei einem Prallkörper, der für ein Rohr mit einem Durchmesser von 25,4 cm (zehn Zoll) dimensioniert ist, eine Rundung der Ecken der vorderen Kanten mit einem Radius von ungefähr 0,4 bis 0,8 Millimeter (1/64 bis 1/32 Zoll) geeignet sein können.
Die flachstumpfe Aufprallseite des Prallkörpers produziert zusammen mit den gerundeten seitlichen Kanten verbesserte Fluidstrom-Eigenschaften und abreißende Wirbel, die eine das Rauschen reduzierende Ruhe in dem strömenden Fluid erzeugen. Obwohl eine Ausführungsform der Erfindung eine Prallfläche nutzt, die umgangssprachlich als „eben" bezeichnet werden würde, so ist es doch ersichtlich, dass auch eine Aufprallfläche verwendet werden kann, die etwas von der nominell „ebenen" Oberfläche abweicht. So würde beispielsweise eine leicht konvexe Oberfläche ebenso genügen wie eine leicht gewellte, aufgeraute oder ausgebogte Oberfläche. Eine konkave Oberfläche erhält die Fluidstrom-Eigenschaften aufrecht, und ihre seitlichen Kanten erzeugen die erforderliche Trennung der Strömung. In der Beschreibung der Erfindung und der begleitenden Ansprüche bedeutet „eben" also eine Oberfläche, die eine konvexe oder stromaufwärts weisende Abweichung von einer nominell ebenen Oberfläche besitzt, die nicht mehr als die 0,134-fache Breite des Prallkörpers (0,134 × B), oder die eine unbegrenzte konkave Abweichung von einer nominell ebenen Oberfläche besitzt.
Zusätzliche Ausführungsformen der Erfindung werden in den 6 bis 8 dargestellt. Eine gemeinsame Eigenschaft dieser Figuren ist die flachstumpfe, ebene Aufprallfläche mit einem oder mehreren schmalen Schlitz-Öffnungen, die Fluid mit hohem Druck einströmen lassen. Die Hauptunterschiede zwischen den alternativen Ausführungsformen und der Ausführungsform, wie oben beschrieben, sind die Form und die Position der stromabwärts abhängigen Verlängerungen des Stabes, die Verzögerungen beim Wie deranlagern der Wirbel erzeugen. Verschiedene Konstruktionen der stromabwärts gelegenen Verlängerung ergeben Veränderungen in Form und Größe der Fluidstagnationsbereiche. Die Auswahl der speziellen Form oder Konstruktion des Verlängerungsgliedes des Prallkörpers kann von mehreren Faktoren der Messungsumgebung abhängen, wie beispielsweise den Kosten, der Art des Fluids, dem Bereich der Geschwindigkeiten des Fluidstroms der jeweiligen Größe der Fluid führenden Leitung, und anderen.
6 stellt eine Grundform eines Prallkörpers 22a dar, der keine Wiederanlagerungsverlängerung oder hervorstehende Rippe besitzt. Ein Körper 70 wird mit einer ebenen, dem Aufprall entgegengerichteten Oberfläche 72 bereitgestellt, die mindestens einen schmalen Schlitz 48a besitzt, der das Hochdruck-Fluid durch den Prallkörper hindurch in den ersten Raum 42a, dann in den äußeren Teil des Pitotrohrs und in den Strömungsgeber 13 hinein leitet. Abgeschlossene Räume 44a im Inneren des Körpers kommunizieren mit prallfreien Öffnungen 52a und leiten das Niederdruck-Fluid durch den Körper in den äußeren Teil des Pitotrohrs und in den Strömungsgeber 13 hinein. Der Staubereich, der durch die abreißenden Wirbel erzeugt wird, ist kleiner als der, der durch die „T"-förmige Ausführungsform erzeugt wird, die in den 2 und 4 bis 5 dargestellt wird, nichtsdestotrotz wird auch hier eine Verbesserung beim Verringern des Restrauschens bei der Niederdruckmessung erzielt. Durch das Bereitstellen von Aufprallschlitzen 48a in der Vorderseite des Prallkörpers wird ein gleichartiger Anstieg im Signal-Rausch-Verhältnis bei der Hochdruckmessung wie in der „T"-förmigen Ausführungsform erzielt.
In 7 wird eine „V"-förmige Form eines Prallkörpers 22b dargestellt, der einen Stabteil mit ebener Vorderseite 34b besitzt, der stromaufwärts gerichtet ist und mit dem- oder denselben einen oder mehreren, sich in Längsrichtung erstreckenden Aufprallschlitz oder Aufprallschlitzen 48b und einem ersten Raum 42b bereitgestellt wird. Die stromabwärts gelegene Verlängerung zum Verzögern des Wiederanlagerns der Fluidwirbel besitzt die Form eines Paars von hervorspringenden Lamellen oder Schenkeln 74 und 76, die von den seitlichen Enden der Hinterseite des Stabes 34b ausgehen und nach außen in den Strom des strömenden Fluids auseinanderlaufen. Wie zwischen den Kanten des Stabes 78 und 80 sowie den äußeren seitlichen Kanten 82 und 84 der Schenkel 74 und 76 erzeugen die seitlichen Kanten 86 der Schenkel (die seitlichen Kanten des Strömungsprofils des Körpers) die stärkste Trennung der Fluid-Grenzschicht, wodurch ein Bereich der Ruhe des Fluids zwischen den Schenkeln erzeugt wird. Die Breite L1 des Stabes 34b sollte geringer als oder gleich der Gesamtbreite L2 des gesamten Prallkörpers sein. Eine Vielzahl von in Längsrichtung beabstandeten, prallfreien Öffnungen 52b befindet sich auf der inneren Seite der Schenkel 74, 76 und kommuniziert mit zweiten Räumen 44b in dem Körper der Schenkel, um das Niederdruck-Fluid zu dem Druckgeber zu übertragen.
Eine weitere Ausführungsform eines Prallkörpers 22c der vorliegenden Erfindung wird in 8 dargestellt. Der wesentliche Unterschied zwischen dieser Form des Prallkörpers und der in 7 dargestellten Form besteht darin, dass die Schenkel 74c und 76c senkrecht zu der Hinterseite des Stabes 54c angeordnet sind und dadurch eine Struktur bilden, die einen seitlichen Querschnitt hat, der dem Buchstaben „U" ähnelt. Ähnlich wie bei der Aktion der in den 2, 4 und 5 gezeigten Ausführungsform werden die Wirbel von den stromaufwärts gelegenen Kanten 78c und 80c des Stabes 54c abgerissen. Der Staubereich wird zwischen den Schenkeln 74c und 76c des Prallkörpers 22c gebildet. Eine Vielzahl von in Längsrichtung beabstandeten, prallfreien Öffnungen 52c befindet sich auf der hinteren Seite des Stabes 54c sowie im Inneren der Schenkel 74c und 76c und kommuniziert mit inneren Räumen 44c in dem Körper der Schenkel, um das Niederdruck-Fluid zu dem Anschluss 40 des Drucksensors 28 in dem Strömungsgeber 13 zu übertragen.
9 ist eine schematische Darstellung eines Fluids, das um die Differenzdruck-Messsonde herumströmt, die geformt ist, wie in 4 gezeigt. Wie in 9 dargestellt, erzeugt die im Wesentlichen ebene Prallfläche eine Hochdruckkuppel in dem nahe der Prallfläche befindlichen Fluid.
10 ist ein beispielhaftes Diagramm, das die Rauscheigenschaften einer Differenzdruck-Messsonde nach dem Stand der Technik, beispielsweise der in dem Patent US-A-4559836 gezeigten Differenzdruck-Messsonde, darstellt.
11 ist ein Diagramm, das dem in 10 gezeigten Diagramm ähnelt, in 11 werden jedoch die Rauscheigenschaften der Differenzdruck-Messsonde der vorliegenden Erfindung dargestellt, die sowohl die im Wesentlichen ebene Prallfläche als auch den sich in Längsrichtung erstreckenden Schlitz, die in 2 und 4 bis 8 gezeigt wer den, umfasst. Wie durch diese Diagramme gezeigt, wird durch die vorliegende Erfindung eine nennenswerte Rauschminderung in einem Differenzdrucksystem erzielt. Eine derartige Rauschminderung ermöglicht schnelleres Berechnen einer genauen Angabe des Differenzdruckes, wodurch sie eine effizientere Prozesssteuerung bereitstellen kann.

Claims

Differenzdruck-Messsonde, eingerichtet zum Einsetzen in einer Fluid führenden Leitung, die Sonde (20) umfasst: eine sich in Längsrichtung erstreckende, im Wesentlichen flache Prallfläche (46), einen ersten Raum, der ein Hochdruckraum (42) ist, der sich entlang der Länge und innerhalb der Sonde (20) erstreckt und konfiguriert ist, um an einen ersten Drucksensoranschluss (38) anzukuppeln, wobei der erste Raum (42) wenigstens eine längliche Prallöffnung (48) enthält, die darin angeordnet ist, um den Druck von der Prallfläche zu dem ersten Drucksensoranschluss (38) zu übertragen, eine prallfreie Fläche (50), die von der Prallfläche (46) beabstandet ist, wobei die prallfreie Fläche (50) wenigstens eine prallfreie Öffnung (52) darin angeordnet hat, um den Druck von der prallfreien Fläche (50) zu einem zweiten Drucksensoranschluss (40), an demselben Ende der Sonde wie der erste Drucksensoranschluss (38), zu übertragen, und einen zweiten Raum, der ein Niederdruckraum (44) ist, der sich entlang der Länge und innerhalb der Sonde (20) erstreckt, wobei die prallfreie Fläche (50) an dem zweiten Raum (44) angeordnet ist.
Sonde nach Anspruch 1, wobei der Hochdruckraum (42) und der Niederdruckraum (44) durch eine Längsrippe (56), die konfiguriert ist, um sich stromabwärts zu erstrecken, angeordnet sind.
Sonde nach Anspruch 2, wobei die Rippe (56) senkrecht zu der Prallfläche angeordnet ist.
Sonde nach Anspruch 2, wobei der Niederdruckraum (44) geformt ist, um einen sich in Längsrichtung erstreckenden Rippenteil (56) zu enthalten, der mit der Hochdruckraum (42) verbunden ist.
Sonde nach Anspruch 4, wobei wenigstens eine prallfreie Öffnung (52) in dem Rippenteil (56) angeordnet ist.
Sonde nach Anspruch 1, wobei die prallfreie Fläche (50) im Wesentlichen flach ist.
Sonde nach Anspruch 6, wobei die prallfreie Fläche im Wesentlichen parallel zu der Prallfläche (72) ist.
Sonde nach Anspruch 1, wobei der Niederdruckraum geformt ist, um ein Paar von sich in Längsrichtung erstreckenden Rippenteilen (74, 76) zu enthalten, die in Bezug auf die Prallfläche im Winkel auseinanderlaufen.
Sonde nach Anspruch 8, wobei die prallfreie Fläche auf einem Teil von einem der sich seitlich erstreckenden Rippenteile (74), der dem anderen der sich seitlich erstreckenden Rippenteile (76) gegenübersteht, angeordnet ist.
Sonde nach Anspruch 1, wobei der zweite Raum, der ein Niederdruckraum (44) ist, geformt ist, um ein Paar von beabstandeten, sich in Längsrichtung erstreckenden Rippenteilen (74c, 76c) zu enthalten, die jeder senkrecht zu der Prallfläche angeordnet sind.
Sonde nach Anspruch 1, wobei der erste Raum, der ein Hochdruckraum (42) ist, eine Raumbreite hat und die Prallfläche (46) geformt ist, um im Wesentlichen über die gesamte Raumbreite einen örtlichen Bereich relativ hohen Drucks zu erzeugen.
Sonde nach Anspruch 11, wobei die Breite des ersten Raumes, der ein Hochdruckraum ist, in einem Bereich von ungefähr 1,27 cm bis zu ungefähr 5,08 cm liegt.
Sonde nach Anspruch 1, wobei die wenigstens eine Prallöffnung (48) eine Öffnungsbreite hat, die in dem Bereich von ungefähr 0,0762 cm bis zu ungefähr 0,635 cm ist.
Sonde nach Anspruch 1, wobei der Hochdruckraum (42) eine Raumbreite hat, die wenigstens eine Prallöffnung (48) eine Öffnungsbreite hat, und wobei das Verhältnis von Raumbreite zu Öffnungsbreite größer als 8:1 ist.
Differenzialdruck-Messsystem, das mit einer Prozessregelung gekoppelt werden kann und das eingerichtet ist, um die Ausgabe einer Prozessvariablen, die in Bezug auf einen Differenzdruck eines Fluidstroms in einer Fluid führenden Leitung ausgegeben wird, zu kommunizieren, das System umfasst einen Prozessdrucktransmitter, der enthält: einen Regelungskommunikator, der mit der Prozessregelung gekoppelt werden kann und der eingerichtet ist, um abhängig von der Prozessregelung zu kommunizieren, wenigstens einen Drucksensor mit einem ersten und einem zweiten Druckeingang, einen Messschaltkreis, gekoppelt an den wenigstens einen Drucksensor und konfiguriert, um eine Sensorausgabe, die sich auf einen Differenzdruck zwischen dem ersten und dem zweiten Druckeingang bezieht, bereitzustellen, einen Kontroller, der an den Messschaltkreis und den Regelungskommunikator gekoppelt ist, wobei der Kontroller eingerichtet ist, um die Ausgabe einer Prozessvariablen für den Regelungskommunikator bereitzustellen, wobei sich die ausgegebene Prozessvariable auf die Sensorausgabe bezieht, und eine Differenzdruck-Messsonde nach einem der Ansprüche 1 bis 14, eingerichtet, um in eine Fluid führende Leitung eingesetzt zu werden.