DE60112266T2

DE60112266T2 - Bidirektionaler differenzdruck- durchflusssensor

Info

Publication number: DE60112266T2
Application number: DE60112266T
Authority: DE
Inventors: E. David WIKLUND; F. Terrance KROUTH; A. David BRODEN; S. Mark SCHUMACHER
Original assignee: Rosemount Inc
Current assignee: Rosemount Inc
Priority date: 2000-03-08
Filing date: 2001-02-22
Publication date: 2006-06-08
Anticipated expiration: 2021-02-23
Also published as: JP2003526097A; AU2001243213A1; US20030136196A1; EP1269027B1; DE60112266D1; WO2001066955A2; EP1269027A2; WO2001066955A3; US6725731B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen bidirektionalen Durchflusssensor zur Messung der Durchflussmenge bzw. -rate eines Fluidstroms. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung einen Differenzdruck-Durchflusssensor in der Ausführung mit einem Durchfluss-Drosselelement zur Erzeugung eines Druckgefälles im Fluidstrom, dessen Messung benutzt werden kann, um die Richtung und Durchflussrate bzw. Durchflusssatz eines Fluidstroms zu bestimmen.
Durchflusssensoren lassen sich für viele unterschiedliche Verwendungszwecke einsetzen, so beispielsweise bei der Steuerung industrieller Prozesse zur Messung der Durchflussraten von Prozessmedien (Flüssigkeiten und Gasen) sowie zur Erzeugung von Signalen für Durchflussanzeiger, Steuerungen und Durchflussvolumenmesser. Differenzdruck-Durchflusssensoren messen die Fluiddurchflussrate in einem Rohr oder einer Leitung durch Erfassen des Druckgefälles über eine Diskontinuität im Innern der Leitung hinweg. Eine Möglichkeit zum Ausbilden der Diskontinuität ist die Anordnung eines Durchfluss-Drossel- oder Primärelements in der Leitung zur Erzeugung des gewünschten Druckgefälles. Ein derartiges Durchfluss-Drosselelement ist beispielsweise eine Normblende, welche den Fluidfluss drosselt und das gemessene Druckgefälle erzeugt. Als Beispiel für eine Normblende wäre die von Rosemmount Inc., Eden Prairie, Minnesota hergestellte Blende Modell 1195 zu nennen. Diese Durchfluss-Drosselelemente sind im Allgemeinen unidirektional ausgeführt und ermöglichen Durchflussratenmessungen von Fluidströmen in nur einer Richtung.
Die US-A-5 576 498 betrifft als am nächsten kommender Stand der Technik ein Präzisions-Laminarströmungselement zur Verwendung in Massen- und Volumen-Fluiddurchflussmessern. Das Durchflusselement weist eine oder mehrere drahtumwickelte Platten mit Anordnung im Strömungspfad auf. Der Durchfluss durch das Laminarströmungselement resultiert in einem der Durchflussrate linear proportionalen Druckgefälle über das Element hinweg. Die symmetrische Konstruktion des Laminarströmungselements ermöglicht bidirektionale Durchflussmessungen.
Typische Durchflussmesssysteme zapfen die den Fluidstrom führende Leitung zu beiden Seiten des Durchfluss-Drosselelements an, messen den Druck in jedem Anzapfpunkt und bedienen sich zur Erfassung des Druckgefälles eines äußeren Drucksensors. Mit Fluid gefüllte Impuls- oder Messleitungen geben den Druck eines jeden der Anzapfpunkte an den äußeren Drucksensor. Derartige Systeme erfordern relativ hohe Einbaukosten aufgrund der Tatsache, dass äußere Drucksensoren auf der Leitung aufgebracht und dass im Bereich der Leitungsanzapfpunkte Lecksicherungen vorgesehen werden müssen. Darüber hinaus dämpfen Impulsleitungen die Drucksignale und verursachen Verzögerungen, wodurch die Messempfindlichkeit und das Ansprechvermögen der Durchflussmessung reduziert werden. Auch können beim Einsatz in Gassystemen kondensierende Gase in den Impulsleitungen zu fehlerhaften Anzeigen führen. Weiter können durch den Einsatz von Impulsleitungen diese Arten von Durchflussmesssystemen lagesensitiv sein. Dies hat zur Folge, dass sie nach jeder Positionsänderung nachkalibriert werden müssen.
Es wird ein bidirektionaler Differenzdruck-Durchflusssensor bereitgestellt, der zur Bestimmung der Richtung und der Durchflussmenge bzw. Durchflussrate eines Fluidstroms konzipiert ist. Der Durchflusssensor weist ein Durchflussdrosselelement, einen Differenzdrucksensor sowie eine Verarbeitungs elektronik auf. Das Durchflussdrosselelement ist zur Erzeugung eines Druckgefälles ausgelegt, wenn es sich im Fluidstrom befindet. Der Differenzdrucksensor ist in das Durchflussdrosselelement eingebettet oder einstückig mit diesem ausgeführt und erzeugt ein für das Druckgefälle repräsentatives Differenzdrucksignal. Die Verarbeitungselektronik ist in das bidirektionale Drosselelement eingebettet und bildet ein für die Richtung und die Durchflussmenge bzw. Durchflussrate des Fluidstroms repräsentatives Durchflussratensignal als Funktion des Differenzdrucksignals.
Es zeigen:
1 ein vereinfachtes Schema eines an einer Leitung in einer Prozessanlage angebrachten Durchflusssensors;
2 eine Darstellung eines im Innern einer Leitung angeordneten Durchflusssensors nach einer Ausführungsform der Erfindung;
3a–3c Querschnittsansichten von Ausführungsformen eines Durchfluss-Drosselelements entlang der Linie A-A von 2, in denen einzelne Komponenten weggelassen sind;
4–6 Querschnittsansichten von Ausführungsformen der Erfindung entlang der Linie B-B von 2;
7 und 8 vereinfachte Blockschaltbilder der zur Erstellung von Durchflussratenberechnungen vorgesehenen Schaltungen gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung;
9 eine Querschnittsansicht eines in einer Leitung installierten Durchflusssensors;
10 eine Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
11 und 12 Querschnittsansichten weiterer Ausführungsformen der Erfindung;
13a–f Darstellungen von Durchfluss-Drosselelementen nach verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung; und
14 eine Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
Mit der vorliegenden Erfindung wird ein bidirektionaler Differenzdruck-Durchflusssensor bereitgestellt, in dem Komponenten eines Differenzdrucksensors einstückig bzw. integral mit dem Durchfluss-Drosselelement ausgebildet sind. Der Durchflusssensor ist in den Fluidstrom einsetzbar, so dass das Durchfluss-Drosselelement ein Druckgefälle erzeugt, das vom Differenzdrucksensor erfasst werden kann. Der Differenzdrucksensor ist so konzipiert, dass er ein für das erfasste Druckgefälle repräsentatives Signal erzeugt. Eine mit dem Differenzdrucksensor gekoppelte Verarbeitungselektronik ist für die Bildung eines Signals geeignet, das für die Größe der Durchflussmenge bzw. Durchflussrate und die Richtung des Fluidstroms als Funktion des Differenzdrucksignals steht.
1 stellt auf das Beispiel einer Prozessanlage bezogen eine Umgebung dar, in welcher der generell mit der Bezugsziffer 10 bezeichnete erfindungsgemäße Durchflusssensor eingesetzt werden kann. Der Durchflusssensor 10 ist zur Erzeugung und Erfassung eines Druckgefälles, das zur Bestimmung der Durchflussrate bzw. Druchflussmenge eines Fluidstroms durch die Leitung sowie in den und aus dem Prozessbehälter 14 in der Leitung 12 installiert. Der Fluidstrom kann eine Flüssigkeit oder Gas umfassen. Der Durchflusssensor 10 kann über eine Zweidraht-Steuerschleife 18 elektronisch mit dem Steuersystem 16 oder eine sonstige Verarbeitungselektronik gekoppelt sein. Das Steuersystem 16 befindet sich üblicherweise im Leitstand 17 der Prozessanlage. Das Steuersystem 16 ist zur Steuerung und zum Empfang von durchfluss-relevanten Informationen vom Durchflusssensor 10 über die Zweidraht-Steuerschleife 18 mit tels eines normalen 4–20 mA Analogsignals oder eines Digitalsignals nach einem digitalen Übertragungsprotokoll wie eines multiplex adressierbaren Ferntransducers = Highway Addressable Remote Transducer (Hart^®), Foundation^TM, Fieldbus, Profibus PA. Profibus DP, Device Net, Controller Area Network (CAN), Asi oder sonstigen digitalen Übertragungsprotokollen, wie sie normalerweise in der Industrie benutzt werden, einsetzbar. Weiter kann der Durchflusssensor 10 in leistungsarmer Ausführung zur ausschließlichen Versorgung mit über die Steuerschleife 18 empfangener Energie vorgesehen werden.
Das vom Durchflusssensor 10 erzeugte Durchflussratensignal repräsentiert die Durchsatzmenge bzw. -rate des Fluidstroms und dessen Strömungsrichtung. Ist das Durchflusssignal beispielsweise ein Analogsignal (4–20 mA), so lassen sich die Durchflussmenge bzw. rate und die Richtung des Fluidstroms über die Signalstärke darstellen. Eine Null-Durchflussmenge kann durch eine Null-Durchsatzgröße wie die Stromstärke 12 mA angezeigt werden. Ein in Negativrichtung fließender bzw. negativer Fluidstrom ist durch ein Durchflusssignal mit einer Stromstärke darstellbar, welche geringer ist als die Null-Durchsatzgröße. Ein positiver Fluidstrom ist durch ein Durchflusssignal mit einer Stromstärke darstellbar, welche größer ist als die Null-Durchsatzgröße. Die Differenz zwischen der Stärke des Durchflusssignals und der Null-Durchsatzgröße lässt sich zur Bestimmung der Durchflussmenge bzw. -rate von positiven oder negativen Fluidströmen heranziehen. Beispielsweise könnte eine Vergrößerung der Differenz zwischen der Größe des Durchflusssignals und der Null-Durchsatzgröße eine Zunahme der Durchflussrate eines positiven oder des negativen Fluidstroms bedeuten. Weiter können die vorerwähnten Übertragungsprotokolle ebenfalls die Richtung und die Durchflussrate des Fluidstroms mitteilen.
2 zeigt eine vereinfachte Darstellung einer Ausführungsform des Durchflusssensors 10 in einer Leitung 12. Der Durchflusssensor 10 weist allgemein ein Durchfluss-Drossel- oder Primärelement 20 sowie einen in das Drosselelement 20 eingebetteten oder einstückig mit diesem ausgebildeten Differenzdrucksensor 22 auf. Generell ist das Durchfluss-Drosselelement 20 als bidirektionale Drossel ausgebildet, die eine Diskontinuität im Fluidstrom zur Erzeugung eines Druckgefälles über die erste und zweite Seite 24, 26 des Drosselelements 20 bildet. Ein positives Druckgefälle tritt dann ein, wenn der Druck auf der ersten Seite 24 größer als der Druck auf der zweiten Seite 26 ist. Das positive Druckgefälle ist einem positiven bzw. von links nach rechts oder von der ersten Seite 24 zur zweiten Seite 26 gerichteten positiven Fluidstrom zugeordnet. Ein negatives Druckgefälle ist zu verzeichnen, wenn der Druck auf der ersten Seite 24 geringer ist als der auf der zweiten Seite 26. Das negative Druckgefälle entspricht einem negativen bzw. von rechts nach links oder von der zweiten Seite 26 zur ersten Seite 24 gerichteten Fluidstrom. Je größer das Druckgefälle, umso schneller die Strömungsgeschwindigkeit bzw. -rate des Fluidstroms. Dies bedeutet, dass das Druckgefälle für sowohl die Richtung des Fluidstroms als auch dessen Strömungsgeschwindigkeit bzw. Durchflussmenge steht. Für den Fachmann ist erkennbar, dass zum Erzeugen eines gewünschten Druckgefälles das Durchfluss-Drosselelement 20 in vielen unterschiedlichen Formen vorgesehen werden kann. Hierzu gehören beispielsweise Drosselplatten mit konzentrischen und exzentrischen Öffnungen, Platten ohne Öffnungen, Keilelemente aus zwei eine Spitze bildenden nicht parallelen Flächen oder andere übliche Durchfluss-Drosselelemente.
Die in 2 dargestellte Ausführungsform eines Durchfluss-Drosselelements 20 weist einen Fluiddurchlass oder eine Öffnung 28 zwischen der ersten und der zweiten Seite 24, 26 auf. Das Drosselelement 20 ist in einem durch die Leitung 12 gehenden Fluidstrom angeordnet und zwingt den Fluidstrom durch den Fluidstromdurchlass 28, wodurch sich ein Druckgefälle über die erste und die zweite Seite 24, 26 des Drosselelements 20 ergibt. Der Differenzdrucksensor 22 ist zur Erfassung des Drucks auf der ersten und zweiten Seite 24, 26 des Drosselelements 20 und zum Erzeugen eines für das Druckgefälle bzw. die Druckdifferenz zwischen der ersten und zweiten Seite 24, 26 repräsentativen Signals konzipiert. Im Ergebnis kann das Differenzdrucksignal zur Berechnung der Strömungsrichtung und der Strömungsgeschwindigkeit bzw. Durchflussmenge des Fluidstroms herangezogen werden.
3a–3c zeigen Querschnittsansichten verschiedener Ausführungsformen des Drosselelements 20 entlang der Linie A-A in 2. Zum Zwecke einfacherer Darstellung ist der Differenzdrucksensor 22 nicht dargestellt. Der Fluidstromdurchlass 28 ist symmetrisch um die Achse 29 herum angeordnet und durch erste und zweite Halsabschnitte 30, 32 definiert, die der ersten bzw. zweiten Seite 24, 26 entsprechen. Diese Ausführungsformen des Drosselelements 20 ermöglichen den Einsatz des Durchflusssensors 10 in bidirektionalen Fluidströmen. In 3a sind die Halsabschnitte 30, 32 des Durchfluss-Drosselelements senkrecht zu den ersten und zweiten Seiten 24, 26 ausgebildet. Wahlweise können die ersten und zweiten Halsabschnitte 30, 32 aber auch zur Mitte des Fluidstromdurchlasses 28 abgeschrägt sein, wie dies 3b und 3c zeigen.
Im Durchflusssensor 10 ist der Differenzdrucksensor 22 mit dem Durchflussdrosselelement 20 zu einer einzigen Einheit integriert, die in einem Fluidstrom angeordnet werden kann. 4–6 zeigen Querschnittsansichten verschiedener Ausführungsformen des Durchflusssensors 10 entlang der Linie B-B in 2. In jeder der dargestellten Ausführungsformen misst der Differenzdrucksensor 22 das Druckgefälle über das Durchflussdros selelement 20 hinweg, weil er an die ersten und zweiten Seiten 24 und 26 angekoppelt ist. Der Differenzdrucksensor 22 könnte beispielsweise als piezosensitiver Sensor vorgesehen sein, der nach dem Dehnungsmessprinzip auf eine kapazitiv arbeitende Differenzdruckzelle wirkt, in welcher sich die Kapazitanz des Differenzdrucksensors 22 als Funktion des Druckgefälles ändert, oder in jeder in der Industrie üblichen sonstigen geeigneten Ausführung. Der Differenzdrucksensor 22 erzeugt ein für das Druckgefälle repräsentatives Drucksignal, das zur Berechnung der Durchflussrate des Fluidstroms einer Verarbeitungselektronik zugeführt werden kann.
In einer Ausführungsform des Durchflusssensors 10 ist der Differenzdrucksensor 22 über erste bzw. zweite Öffnungen 34, 36 an die Drücke auf den ersten und zweiten Seiten 24, 26 angekoppelt, wie dies die 4 zeigt. Da in dieser Ausführungsform keine Impulsleitungen oder Fluidfüllungen zum Ankoppeln an die ersten und zweiten Seiten 24, 26 benutzt werden, ist sie lageunempfindlich. Dies hat zur Folge, dass der Differenzdrucksensor 22 in dieser Ausführungsform lagemäßig umgesetzt werden kann, ohne dass der Durchflusssensor 10 nachkalibriert werden muss. Der Differenzdrucksensor 22 kann durch eine Sperrmembran oder eine Beschichtung 37 auf seinen den ersten und zweiten Öffnungen 34, 36 zugewandten Seiten vom Fluid in der Leitung 12 getrennt sein. Die Beschichtung 37 ist vorzugsweise fluidundurchlässig, um den Sensor 22 zu schützen. Andererseits sollte die Beschichtung jedoch den Prozessdruck auf den Sensor 22 übertragen und die Erfassung des Drucks auf den ersten und zweiten Seiten 24, 26 durch den Differenzdrucksensor 22 nicht verhindern können. Es ist jedes Material einsetzbar, das den Sensor elektrisch gegen das Prozessfluid isoliert und dennoch den Fluiddruck an den Sensor weitergibt. Für die Beschichtung 37 verwendbare Materialien sind beispielsweise Fett oder Vergussmassen.
In einer weiteren Ausführungsform des Durchflusssensors 10 ist der Differenzdrucksensor 22 durch erste und zweite Membranen 38, 40 und entsprechende erste und zweite Aussparungen 42, 44 vom Fluidstrom abgetrennt, wie dies aus 5 ersichtlich ist. Die Ausnehmungen 42, 44 enthalten vorzugsweise ein geeignetes Füllfluid zur Übertragung des von den ersten und zweiten Membranen 38, 40 an den entsprechenden ersten und zweiten Seiten 24, 26 erfassten Drucks an den Differenzdrucksensor 22. Als Füllfluid werden beispielsweise Silikon, Öl, Glyzerin und Wasser, Propylen und Wasser oder jedes sonstige Medium verwendet, das vorzugsweise im Wesentlichen unkomprimierbar ist. Diese Ausführungsform ist anders als die Ausführungsform gemäß 4 aufgrund des Füllfluids etwas lagesensitiv. Diese Lagesensitivität lässt sich jedoch durch Reduzieren der Dicke des Durchfluss-Drosselelements 20 oder durch Anordnen der ersten und zweiten Membranen 38, 40 näher am Differenzdrucksensor 22 verringern.
7 zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild einer Ausführungsform der zum Erzeugen eines für die Richtung und die Strömungsdurchflussrate bzw. -menge repräsentativen Durchflusssignals erfindungsgemäß eingesetzten Verarbeitungsschaltung 50. Hier liefert der Differenzdrucksensor 22 das für das Druckgefälle über das Durchfluss-Drosselelement 20 hinweg repräsentative Signal an die Verarbeitungselektronik 50. Die Verarbeitungselektronik 50 weist allgemein einen A/D-Wandler 52, einen Mikroprozessor 54 sowie eine Ein-/Ausgabe-Schnittstelle 56 auf. Der A/D-Wandler 52 digitalisiert das vom Differenzdrucksensor 22 empfangene Drucksignal und gibt das digitalisierte Drucksignal weiter an den Mikroprozessor 54. Der Mikroprozessor 54 ist zur Bestimmung der Fluidströmungsrichtung über das Vorzeichen des Drucksignals, d.h. plus oder minus, konzipiert. Weiter ist der Mikroprozessor 54 zur Berechnung der Durchflussrate des Fluidstroms als Funktion des Absolutwertes des digitalisierten Drucksignals ausgelegt. So könnte der Mikroprozessor 54 beispielsweise die folgenden Gleichungen zur Berechnung des Massen- (Q_m) und des Volumendurchsatzes (Q_v) benutzen:
wobei:

Q_m: = der Massendurchsatz
Q_v: = der Volumendurchsatz
N: = der Umrechnungsfaktor der Einheiten (Konstante)
C_d: = die Ausflusszahl für das Primärelement (bezogen auf die Halsgeometrie)
Y: = der Gasausdehnungsfaktor (Y = 1,0 für Flüssigkeiten)
d: = der Halsdurchmesser des Primärelements
β: = das Beta-Verhältnis des Primärelements (Verhältnis Hals-/Leitungsquerschnitt)
ρ: = die Fluiddichte
h: = der Absolutwert des vom Differenzdrucksensor 22 gemessenen Differenzdrucks.

Der Mikroprozessor 54 ist weiterhin zur Erzeugung eines Durchflusssignals über die Ein-/Ausgangsschnittstelle 56 konzipiert, das die Richtung und den Durchsatz bzw. die Rate des Fluidstroms repräsentiert. Das Durchflusssignal kann, wie bereits erwähnt, an ein Steuersystem 16 (1) gegeben werden. Nach einem Aspekt der Erfindung wird das vom Differenzdrucksensor 22 erzeugte Signal als Ausgangssignal gebildet, das zur Korrektur von Fehlern wie beispielsweise infolge von Spitzen in den Messungen benutzt werden kann. Derartige Spitzen können ein Problem darstellen, wenn die Erfindung zum Messen der Kolbenposition in Hydrauliksystemen als Funktion des Hydraulikflüssigkeitsdurchsatzes eingesetzt wird.
Zurück zu 6 zeigt dies eine weitere Ausführungsform eines Durchflusssensors 10 mit einem Temperaturfühler 58, der zur Messung der Temperatur des Fluidstroms und/oder der Betriebstemperatur des Differenzdrucksensors 22 eingesetzt werden kann. Der Temperaturfühler könnte beispielsweise ein resistiver Temperaturdetektor (RTD) oder eine sonstige geeignete Temperaturerfassungseinrichtung sein. Der Temperaturfühler 58 ist zur Erzeugung eines für die erfasste Temperatur repräsentativen Temperatursignals konzipiert, das wie aus 8 ersichtlich am A/D-Wandler 52 in die Verarbeitungselektronik eingebracht wird. Der A/D-Wandler 52 digitalisiert das Temperatursignal und gibt das digitalisierte Temperatursignal an den Mikroprozessor 54. Der Mikroprozessor 54 kann so ausgelegt sein, dass er das digitalisierte Temperatursignal zum Berechnen verschiedener Fluidparameter, beispielsweise der Viskosität und Dichte, benutzt, wobei die entsprechenden Ergebnisse ihrerseits vom Mikroprozessor zur Berechnung des Fluidstromdurchsatzes herangezogen werden können. Weiterhin kann der Mikroprozessor 54 das Temperatursignal zur Temperaturkompensation des vom Differenzdrucktransmitter 22 empfangenen Drucksignals benutzen. Der Mikroprozessor 54 kann ein für die Durchflussrate des Fluidstroms repräsentatives Durchflusssignal als Funktion des Differenzdruck- und Temperatursignals erzeugen, welches über den Ein-/Ausgangsbaustein 56 anderen Verarbeitungsschaltungen, wie das Steuersystem 16, zugeführt werden kann.
Eine noch weitere Ausführungsform des Durchflusssensors 10 weist einen Statikdrucksensor 59 wie in 6 dargestellt auf. Der Statikdrucksensor 59 ist zum Erfassen des Fluidstrom-Leitungsdrucks sowie zum Erzeugen eines für den erfassten Druck repräsentativen Leitungsdrucksignals konzipiert. Aufgrund der Position des Statikdrucksensors 59 könnte für das Leitungsdrucksignal eine Korrektur im Hinblick auf Staudruckeffekte erforderlich sein. Das Leitungsdrucksignal kann beispielsweise für die Berechnung der Dichte eines Gases zur Verwendung in Gasdurchflussberechnungen herangezogen werden. Der Statikdrucksensor 59 kann ein piezoresistiver oder ein kapazitiver Drucksensor sein. Die Beschichtung 37 kann benutzt werden, um erforderlichenfalls den Statikdrucksensor 59 vor dem Fluidstrom zu schützen. Wahlweise kann der Statikdrucksensor 59 mittels einer Membran mit Ölfüllfluid vom Fluidstrom getrennt sein.
Das vom Statikdrucksensor 59 erzeugte Leitungsdrucksignal kann als ein Parameter zur Berechnung des Fluidstrom-Durchflusses an die Verarbeitungselektronik 50 gegeben werden, wie dies die 8 zeigt. Das Leitungsdrucksignal wird von der Verarbeitungselektronik 50 am A/D-Wandler 52 empfangen, der es in digitaler Form an den Mikroprozessor 54 gibt. Der Mikroprozessor 54 kann ein für die Fluidstrom-Durchflussmenge repräsentives Durchflusssignal als Funktion des Differenzdrucksignals aus dem Differenzdrucksensor 22 und dem Leitungsdrucksignal erzeugen. Durchfluss-, Leitungsdruck-, Differenzdruck- oder Temperatursignale lassen sich über den Ein-/Ausgangsbaustein 56 auf weitere Verarbeitungsschaltungen wie ein Steuersystem 16 übertragen. Eine weitere Ausführungsform des Durchflusssensors 10 weist eine Verarbeitungselektronik 50 auf wie in 6 dargestellt. In diesem Falle ist die Verarbeitungselektronik 50 in das Durchfluss-Drosselelement 20 eingebettet oder einstückig mit diesem ausgebildet. Die Verarbeitungselektronik 50 ist wie aus 7 ersichtlich zum Empfang des Differenzdrucksignals mit dem Differenzdrucksensor 22 elektronisch verbunden. Weiter kann die Verarbeitungselektronik 50 zum Empfang von Signalen aus dem Temperatursensor 58 und/oder dem Statikdrucksensor 59 eingerichtet sein, wie dies die 8 zeigt. Die Verarbeitungselektronik kann die vorstehend erörterten Berechnungen bezüglich der Fluidstrom-Durchflusses ausführen.
Zwar stellt 6 den Durchflusssensor 10 mit einem Temperatursensor 58, einem Statikdrucksensor 59 und einer Verarbeitungselektronik 50 dar, doch könnte der Durchflusssensor einige, keine oder alle diese Komponenten enthalten.
9 zeigt ein Beispiel für den Einbau eines Durchflusssensors 10 in die Leitung 12. Die Leitung 12 ist mit ersten und zweiten Flanschabschnitten 60, 62 ausgelegt. Der Durchflusssensor 10 ist an seiner Umfangskante 64 zwischen diese ersten und zweiten Flanschabschnitte 60, 62 eingespannt. O-Ringe 66 werden zum Schutz gegen Leckage zwischen der Umfangskante 64 und dem ersten und zweiten Flanschabschnitt 60, 62 zusammengedrückt. Wahlweise könnten die O-Ringe 66 durch Faser- oder Metalldichtungen oder sonstige geeignete Dichtelemente ersetzt werden. Schrauben 68 sichern den Einbau des Durchflusssensors 10. Vom Durchflusssensor 10 erzeugte Signale, darunter Durchflussraten-, Differenzdruck- oder sonstige durchfluss-relevante Parameter wie Temperatur und Leitungsdruck betreffende Signale können über die Anschlüsse 70, die über Drähte 72 mit dem Durchflusssensor 10 in elektronischer Verbindung stehen, eingebracht werden.
10 zeigt einen weiteren Aspekt der Erfindung. In dieser 10 weist ein Differenzdrucksensor 100 zwei Absolut- oder Eichdrucksensoren 102A und 102B auf. Der Differenzdruck ist eine Funktion der Differenz zwischen den Ausgangsgrößen der Sensoren 102A und 102B. Die Sensoren 102A und 102B sind über durch Öffnungen 104A und 104B über Membranen oder Beschichtungen 106A bzw. 106B an das Prozessfluid angekoppelt. Die Differenz ist mittels Analogschaltung oder Mikroprozessor 54 bestimmbar.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist in 11 und 12 dargestellt. Hier weist das Durchfluss-Drosselelement 20 eine Platte 110 auf, die keine Öffnung besitzt, aber dennoch für den Einsatz in bidirektionalen Fluidströmen konzipiert ist. Der einfacheren Darstellung wegen sind der Differenzdrucksensor 22 und die anderen vorbeschriebenen Komponenten des Durchflusssensors 10 nicht aufgezeigt. Hier ist die Platte 110 in der Weise an der Leitung 12 angebracht, dass sie sich zur Ausbildung einer Diskontinuität im Fluidstrom entweder teilweise (11) in den Fluidstromdurchlass (28) oder über diesen hinweg (12) erstreckt. Das resultierende Druckgefälle über die ersten und zweiten Seiten 24, 26 der Platte 110 hinweg kann durch den Differenzdrucksensor 22 (nicht dargestellt) gemessen werden, der wie vorerwähnt vorzugsweise in die Platte 110 eingebettet ist. Weiterhin weisen diese Ausführungsformen des Durchflusssensors 10 genau wie die bereits früher beschriebenen eine Verarbeitungselektronik 50, einen Temperaturfühler 58 und einen Statikdrucksensor 59 auf. Zwar sind die ersten und zweiten Seiten 24, 26 als zueinander parallel dargestellt, doch können diese auch unparallel sein sowie Keilelemente bilden. 13a–f zeigen Beispiele der Platte 110, wie sich diese im Fluidstrom darstellen. Die Platte 110 kann zum Ausbilden der gewünschten Diskontinuität im Fluidstrom die verschiedensten Formen aufweisen. Beispielsweise können sie rautenförmig (13b), rechteckig (13c und f), dreieckig (13d) und halbrund (13e) oder in anderen Formen vorgesehen sein.
Ein noch weiterer Aspekt der Erfindung ist in 14 dargestellt. In dieser Ausführungsform ist das Durchfluss-Drosselelement 20 mit ersten und zweiten Kanälen 112A und 112B entsprechend ersten und zweiten Seiten 24, 26 versehen. Über diese ersten und zweiten Kanäle 112A, 112B wird der Druck auf den ersten und zweiten Seiten 24 bzw. 26 an den Differenz drucksensor 22 angekoppelt. Der Differenzdrucksensor 22 ist vorzugsweise als piezoresistiver Drucksensor vorgesehen. In dieser Ausführungsform kann der Differenzdrucksensor 22 nahe an der Außenseite des Durchflusssensors 10 angeordnet sein, wodurch ein einfacher Zugang zum Differenzdrucksensor 22 gewährleistet ist. Das Durchfluss-Drosselelement 20 weist gemäß 14 erste und zweite Abschnitte 114A und 114B mit variierenden Durchflussquerschnitten auf, die den Fluidstrom einschnüren und die gewünschte Diskontinuität bilden. Die vorbeschriebenen Ausführungsformen des Durchfluss-Drosselelements 20 können jedoch auch, wie oben beschreiben, mit ersten und zweiten Kanälen 112A und 112B versehen sein, welche die Anordnung des Differenzdrucksensors 22 nahe an der Außenseite des Durchflusssensors 10 ermöglichen. Ablass-/Entlüftungsschrauben oder -ventile (nicht dargestellt) können strömungstechnisch an die ersten und zweiten Kanäle 112A und 112B angekoppelt werden, um unerwünschtes Gas und Fluid in den ersten und zweiten Kanälen 112A und 11B entfernen zu können. Dichtungen 116 bieten Schutz gegen Leckage und halten den statischen Druck in der Leitung 12.
Außer in der Prozesssteuerung (1) lässt sich die Fähigkeit des Durchflusssensors 10, den Durchfluss bidirektional zu messen/zu überwachen, auch in anderen Bereichen vorteilhaft nutzen. So könnte der Durchflusssensor 10 beispielsweise in Hydrauliksystemen zur Bestimmung der Position eines in einem Hydraulikzylinder eines hydraulischen Stellglieds angeordneten Kolbens eingesetzt werden. Hier ist die Position des Kolbens im Innern des Hydraulikzylinders eine Funktion des im Hydraulikzylinder enthaltenen Hydraulikflüssigkeitsvolumens. Die Position des Kolbens wird also durch den Hydraulikflüssigkeitsstrom gesteuert, mit dem Hydraulikflüssigkeit in den und aus dem Hydraulikzylinder verbracht wird. Durch Anschließen des Durchflusssensors 10 an den Hydraulikflüssigkeitsstrom lässt sich das Hydraulikflüssigkeitsvolumen im Hydraulikzylinder berechnen. Als Ergebnis die Position des Kolbens im Hydraulikzylinder als Funktion des Hydraulikflüssigkeitsvolumens berechnen.
Zwar wurde die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen beschrieben, doch ist für den Fachmann erkennbar, dass Änderungen in Form und Detail möglich sind, ohne dass der Schutzumfang der Erfindung verlassen wird. So lässt sich beispielsweise jede Art von Drucksensor, Elektronik oder Blendenplatte bzw. Drosselelement einsetzen.

Claims

Bidirektionaler Differenzdruck-Durchflusssensor mit: einem bidirektionalen Durchfluss-Drosselelement (20), das geeignet ist bei Anordnung in einem Fluidstrom ein Druckgefälle zu erzeugen und einem in das bidirektionale Durchfluss-Drosselelement (20) eingebetteten Differenzdrucksensor (22), der zur Erzeugung eines für das Druckgefälle repräsentativen Differenzdrucksignals konzipiert ist; wobei eine in das bidirektionale Durchfluss-Drosselelement (20) eingebettete Verarbeitungsschaltung (50) geeignet ist ein für die Richtung und den Durchfluss des Fluidstroms repräsentatives Durchflusssignal als Funktion des Differenzdrucksignals zu erzeugen.
Durchflusssensor nach Anspruch 1, wobei das bidirektionale Drosselelement (20) eine Blendenplatte mit einem Fluidstromdurchlass (28) zwischen symmetrischen ersten und zweiten Halsabschnitten (30, 32) ist.
Durchflusssensor nach Anspruch 1 mit einem in das bidirektionale Durchfluss-Drosselelement (20) eingebetteten Temperaturfühler (58), der zur Erfassung der Temperatur des Fluidstroms und/oder der Betriebstemperatur des Differenzdrucksensors (22) und zur Erzeugung eines für die erfasste Temperatur repräsentativen Temperatursignals konzipiert ist.
Durchflusssensor nach Anspruch 1 mit einem in das bidirektionale Durchfluss-Drosselelement (20) eingebetteten Statikdrucksensor (59), der zur Erfassung des Fluidstrom-Leitungsdrucks und zur Erzeugung eines für den erfassten Leitungsdruck repräsentativen Leitungsdrucksignals konzipiert ist.
Durchflusssensor nach Anspruch 1 mit: einem in das bidirektionale Durchfluss-Drosselelement (20) eingebetteten Temperaturfühler, der zur Erfassung der Temperatur des Fluidstroms und/oder der Betriebstemperatur des Differenzdrucksensors (22) sowie zur Erzeugung eines für die erfasste Temperatur repräsentativen Temperatursignals konzipiert ist, und einem in das bidirektionale Durchfluss-Drosselelement (20) eingebetteten Statikdrucksensor (59), der zur Erfassung des Fluidstrom-Leitungsdrucks und zur Erzeugung eines für den erfassten Leitungsdruck repräsentativen Leitungsdrucksignals konzipiert ist.
Durchflusssensoren nach einem der Ansprüche 1, 3, 4 und 5, wobei das Durchflusssignal weiter eine Funktion des Temperatur- und/oder des Leitungsdrucksignals ist.
Durchflusssensor nach Anspruch 1, wobei der Differenzdrucksensor (22) entweder ein piezoresistiver Differenzdrucksensor oder ein kapazitiver Drucksensor ist.
Durchflusssensor nach Anspruch 1, wobei das bidirektionale Durchfluss-Drosselelement (20) symmetrische erste und zweite Seiten (24, 26) mit entsprechenden ersten und zweiten Öffnungen aufweist und der Differenzdrucksensor (22) dem Fluidstrom auf den ersten und zweiten Seiten (24, 26) des bidirektionalen Durchfluss-Drosselelements (20) über die ersten und zweiten Öffnungen (34, 36) ausgesetzt ist.
Durchflusssensor nach Anspruch 1, wobei des bidirektionale Durchfluss-Drosselelement (20) symmetrische erste und zweite Seiten (24, 26) mit entsprechenden ersten und zweiten Ausnehmungen (42, 44) aufweist, die mit Füllfluid gefüllt und mittels erster bzw. zweiter elastischer Membranen (38, 40) abgedichtet sind, und wobei der Differenzdrucksensor (22) dem Füllfluid in den ersten und zweiten Ausnehmungen (42, 44) ausgesetzt ist, durch das der Differenzdrucksensor (22) vom Fluidstrom getrennt und an das Druckgefälle angekoppelt ist.
Durchflusssensor nach Anspruch 1, wobei das Durchflusssignal einem analogen oder einem digitalen Übertragungsprotokoll entspricht.
Durchflusssensor nach Anspruch 1, wobei das bidirektionale Durchfluss-Drosselelement (20) erste und zweite symmetrische Seiten (24, 26) aufweist, der Differenzdrucksensor (22) mit ersten und zweiten Drucksensoren versehen ist, die zur Erzeugung von für die ersten und zweiten Drücke entsprechend den ersten bzw. zweiten Seiten (24, 26) repräsentativen ersten und zweiten Drucksignalen konzipiert sind, und das Differenzdrucksignal eine Funktion der Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten Drucksignal ist.
Durchflusssensor nach Anspruch 1, weiter mit einem Ausgangssignal, das einer Prozessvariablen entspricht, die aus einer Gruppe die Temperatur, Statikdruck und Differenzdruck umfasst ausgewählt wird.
Durchflusssensor nach Anspruch 1, wobei das bidirektionale Durchfluss-Drosselelement (20) erste und zweite Druckkanäle (112A, 112B) aufweist und die ersten und zweiten Druckkanäle (112A, 112B) das Druckgefälle an den Differenzdrucksensor (22) ankoppeln, so dass der Differenzdrucksensor (22) das Druckgefälle erfassen kann.