DE69629211T2 - Pitotdurchflussmesser mit mittelwertdruck - Google Patents

Pitotdurchflussmesser mit mittelwertdruck

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DE69629211T2
DE69629211T2 DE1996629211 DE69629211T DE69629211T2 DE 69629211 T2 DE69629211 T2 DE 69629211T2 DE 1996629211 DE1996629211 DE 1996629211 DE 69629211 T DE69629211 T DE 69629211T DE 69629211 T2 DE69629211 T2 DE 69629211T2
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DE
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Grant
Patent type
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DE1996629211
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DE69629211D1 (de )
Inventor
J. Brian BISCHOFF
E. David WIKLUND
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Rosemount Inc
Original Assignee
Rosemount Inc
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01FMEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through the meter in a continuous flow
    • G01F1/05Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through the meter in a continuous flow by using mechanical effects
    • G01F1/34Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through the meter in a continuous flow by using mechanical effects by measuring pressure or differential pressure
    • G01F1/36Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through the meter in a continuous flow by using mechanical effects by measuring pressure or differential pressure the pressure or differential pressure being created by the use of flow constriction
    • G01F1/40Details or construction of the flow constriction devices
    • G01F1/46Pitot tubes

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • [0001]
    Die vorliegende Erfindung betrifft die Messung einer Fluidströmung. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Strömungsmessung eines Prozessfluids unter Verwendung eines Sensors von der Art einer Staudüse zur Bildung eines Mittelwerts.
  • [0002]
    Die Messung der Strömungsgeschwindigkeit eines Prozessfluids ist notwendig, um Prozesse in der Industrie zu steuern. In Prozessen in der Industrie werden Sender, welche die Strömungsrate (Q) messen, an Fernadressen im Feld eines Prozesssteuerungssystems angeordnet. Diese Sender übertragen Informationen über die Strömungsrate an eine Steuerwarte. Die Informationen über die Strömungsrate werden zur Steuerung des Prozessbetriebs verwendet. Die Bezeichnung "Prozessfluid" bezieht sich in dieser Beschreibung sowohl auf flüssige als auch auf gasförmige Stoffe.
  • [0003]
    Eine herkömmliche Vorrichtung zur Messung der Strömungsrate in der Prozesssteuerungsindustrie ist die Messung des Druckabfalls an einer festen Begrenzung in dem Rohr, welche oft als Differentialerzeuger oder Messaufnehmer bezeichnet wird. Die allgemeine Gleichung für die Berechnung der Strömungsrate über einen Differentialerzeuger kann folgendermaßen lauten: Q = NCdEY1d2 √ρh Gleichung 1wobei
    Q = Massenströmungsrate (Masse/Einheitszeit)
    N = Einheiten-Umwandlungsfaktor (Einheiten variieren)
    Cd = Entladungskoeffizient (dimensiosslos)
    E = Geschwindigkeit eines Annäherungsfaktors (dimensionslos)
    Y1 = Gasausdehungsfaktor (dimensionslos)
    d = Bohrung des Differentialerzeugers (Länge)
    ρ = Fluiddichte (Masse/Einheitsvolumen)
    h = Differenzdruck (Kraft/Einheitsbereich)
  • [0004]
    Von den Parametern in dieser Gleichung ist nur der Einheiten-Umwandlungsfaktor, der konstant ist, leicht zu berechnen. Die anderen Parameter werden durch Gleichungen ausgedrückt, die von relativ einfach bis zu sehr komplex reichen. Einige Gleichungen enthalten viele Parameter und erfordern Potenzzahlen mit nicht ganzzahligen Exponenten. Hierbei handelt es sich um einen rechnerisch aufwendigen Vorgang.
  • [0005]
    Es gibt eine Reihe von Messgeräten, die zur Messung der Strömung verwendet werden können. Zuflussmesser sind die gebräuchliste Art von Messgerät, das für die Messung von Fluid-Strömungsraten verwendet wird. Diese messen die Fluidströmung indirekt, indem sie mit Hilfe eines Hindernisses für die Fluidströmung einen Differenzdruck erzeugen und diesen messen. Durch die Verwendung altbekannter Umwandlungskoeffizienten, die von der Art des benutzten Zuflussmessers und von dem Durchmesser des Rohrs abhängen, kann eine Messung des Differenzdrucks in eine Masse- oder Volumenrate umgewandelt werden.
  • [0006]
    Ein Verfahren zum Messen eines Differenzdrucks für das Bestimmen einer Strömung erfolgt mit Hilfe eines Messaufnehmers von der Art einer Staudüse zur Bildung eines Mittelwerts. Im Allgemeinen besteht ein Messaufnehmer von der Art einer Mittelwertbildungs-Staudüse zum Anzeigen einer Strömung aus zwei hohlen Röhren, die den Druck an unterschiedlichen Stellen innerhalb des Rohrs messen. Diese Röhren können separat in dem Rohr angebracht sein oder zusammen in einem Gehäuse als eine einzige Vorrichtung installiert sein. Dieses Design weist ein nach vorne gerichtetes Rohr auf, das den Gesamtdruck (PTOT) misst. Ein zweites Rohr misst einen Druck stromabwärts. Der Differenzdruck zwischen den beiden Rohren ist proportional zum Quadrat der Strömung gemäß Gleichung 2. Q = NKD2Y1 √ρh Gleichung 2wobei:
    N = Einheiten-Umwandlungsfaktor
    K = Strömungskoeffizient der Staudüse zur Bildung eines Mittelwerts (dimenstionslos)
    D = Rohrdurchmesser in mm (Zoll)
    Y1 = Gasausdehungskoeffizient (dimensionslos)
    ρ = Gasdichte in kgs/m2 (Pfundm/Fuß3)
    h = Differenzdruck in mm (Zoll) H2
  • [0007]
    Eine genaue Berechnung der Strömung basierend auf der Druckmessung erfordert eine genaue Messung der Dichte (ρ) und des Gasausdehungskoeffizienten (Y1) zur Verwendung in Gleichung 1. Diese Parameter werden mit exakten Gleichungen, Ablesetabellen, polynomischen Näherungswerten und anderen Methoden zur stochastischen Kurvenermittlung berechnet. Eine genaue Bestimmung der Dichte (ρ) und des Gasausdehungskoeffizienten (Y1) erfordert einen präzisen Wert für den statischen Druck (PSTAT) zur Verwendung in den vorstehend genannten Methoden. Der Messaufnehmer von der Art einer Staudüse zur Bildung eines Mittelwerts misst jedoch keinen statischen Druck. Weder die stromaufwärts gerichtete noch die stromabwärts gerichtete Staudüse liefert eine präzise Anzeige des statischen Drucks. In typischen Sendern des Stands der Technik werden die Dichte (ρ) und der Gasausdehungskoeffizient (Y1) berechnet, indem eine separate Messung des statischen Drucks (PSTAT) verwendet wird. Aus Gründen der Genauigkeit erfolgt diese Messung in einem gewissen Abstand zur Mittelwertbildungs-Staudüse. Dies ist unpraktisch, erfordert einen zusätzlichen Sensor und macht einen zusätzlichen Eintritt in das Prozessrohrsystem notwendig.
  • [0008]
    Das US-Patent 4,320,665 von Cain offenbart eine Anordnung wie oben beschrieben, bei der ein Gesamtdruck-Sensor stromaufwärts in der Fluidströmung vorgesehen ist, um zu messen, was als Absolut- oder Gesamtdruck (PTOT) bezeichnet wird, während ein zweiter Sensor stromabwärts angeordnet ist, um aufzuzeichnen, was darin als statischer Druck (PSTAT) betrachtet wird, wobei die Differenz zwischen diesen beiden Drücken als Differenzdruck (h) zwischen diesen bezeichnet wird, d. h. PTOT–PSTAT h; es ist eine Schaltkreisanordnung vorgesehen, die u. a. die Strömungsrate (Q) aus den Werten PTOT und h berechnet.
  • [0009]
    Der zusätzliche Sensor zum Messen des statischen Drucks (PSTAT) im Stand der Technik ist schwerfällig, unpraktisch sowie teuer und stellt eine zusätzliche Fehlerquelle dar.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • [0010]
    Die vorliegende Erfindung schafft eine Vorrichtung zum Koppeln an einen Messaufnehmer von der Art einer Staudüse zur Bildung eines Mittelwerts, der ein im Allgemeinen nach vorne gerichtetes Rohr sowie ein zweites Rohr aufweist, wobei die Vorrichtung zum Berechnen der Strömungsrate des Prozessfluids Folgendes aufweist: einen Gesamtdruck-Sensor, der zum Messen des Gesamtdrucks (PTOT) des Prozessfluids angeordnet ist, indem er das im Allgemeinen nach vorne gerichtete Rohr verwendet, und zum Liefern eines Ausgangssignals (PTOT') des Gesamtdruck-Sensors; einen Differenzdruck-Sensor, der zum Messen eines Differenzdrucks (h) in dem Prozessfluid zwischen dem im Allgemeinen nach vorne gerichteten Rohr und dem zweiten Rohr angeordnet ist, und zum Liefern eines Ausgangssignals (h') des Differenzdruck-Sensors; eine Schaltkreisanordnung, die zum Berechnen der Strömungsrate basierend auf dem Ausgangssignal (PTOT') des Gesamtdruck-Sensors und dem Ausgangssignal (h') des Differenzdruck-Sensors angeordnet ist; eine Ein-/Ausgabe-Schaltkreisanordnung, die zum Liefern der berechneten Strömungsrate (Q) angeordnet ist; und dadurch gekennzeichnet ist, dass die Ein-/Ausgabe-Schaltkreisanordnung, die Drucksensoren sowie die Schaltkreisanordnung alle in einem Sender angeordnet sind, und dass der Sender die berechnete Strömungsrate (Q) an eine Prozessregelschleife überträgt; und dass die Schaltkreisanordnung angeordnet ist, um die Strömungsrate (Q) in folgenden Schritten zu berechnen:
    • a) das Berechnen eines statischen Drucks PSTAT entsprechend der Formel PSTAT = PTOT' – C1h' , wobei C1 eine Konstante ist, die einen durchschnittlichen Anstieg von Druck und Temperatur über einen Betriebsbereich darstellt;
    • b) das Berechnen einer Dichte (ρ) als Funktion des berechneten statischen Drucks PSTAT;
    • c) das Berechnen des Gasausdehnungskoeffizienten (Y1) als Funktion des berechneten statischen Drucks PSTAT; und
    • d) das Berechnen der Strömungsrate (Q) als Funktion der berechneten Dichte (ρ), des berechneten Gasausdehnungskoeffizienten (Y1) und des Ausgangssignals (h') des Differenzdruck-Sensors.
  • [0011]
    Die vorliegende Erfindung liefert zudem ein Verfahren, das eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Strömungsrate (Q) eines an einem Messaufnehmer von der Art einer Staudüse zur Bildung eines Mittelwerts vorbeifließenden Prozessfluids verwendet, wobei der Messaufnehmer im Allgemeinen ein nach vorne gerichtetes Rohr sowie ein zweites Rohr aufweist, wobei das Verfahren das Messen eines Gesamtdrucks (PTOT) des Prozessfluids in dem im Allgemeinen nach vorne gerichteten Rohr mit Hilfe eines Gesamtdruck-Sensors aufweist, der ein Ausgangssignal (PTOT') des Gesamtdruck-Sensors liefert; weiter das Messen eines Differenzdrucks (h) in dem Prozessfluid zwischen dem im Allgemeinen nach vorne gerichteten Rohr und dem zweiten Rohr mit Hilfe eines Differenzdruck-Sensors, der ein Ausgangssignal (h') des Differenzdruck-Sensors liefert; das Bereitstellen einer Ein/Ausgabe-Schaltkreisanordnung, die zum Liefern der berechneten Strömungsrate (Q) angeordnet ist; und das Anordnen der Ein/Ausgabe-Schaltkreisanordnung, der Drucksensoren und der Schaltkreisanordnung in einem Sender, der die berechnete Strömungsrate (Q) über eine Prozessregelschleife überträgt; und das Berechnen der Strömungsrate (Q) in der Schaltkreisanordnung in den folgenden Schritten:
    • a) das Berechnen eines statischen Drucks PSTAT entsprechend der Formel PSTAT = PTOT' – C1h' , wobei C1 eine Konstante ist, die einen durchschnittlichen Anstieg von Druck und Temperatur über einen Betriebsbereich darstellt;
    • b) das Berechnen einer Dichte (ρ) als Funktion des berechneten statischen Drucks PSTAT;
    • c) das Berechnen eines Gasausdehnungskoeffizienten (Y1) als Funktion des berechneten statischen Drucks PSTAT;
    • d) das Berechnen der Strömungsrate (Q) als Funktion der berechneten Dichte (ρ), des berechneten Gasausdehnungskoeffizienten (Y1) und des Ausgangssignals (h') des Differenzdruck-Sensors.
  • [0012]
    Die vorliegende Erfindung liefert eine Vorrichtung zum Messen der Massenströmungsrate (Q), indem ein Messaufnehmer von der Art einer Staudüse zur Bildung eines Mittelwerts verwendet wird. Die Erfindung benötigt keinerlei separate Messung des statischen Drucks. Ein Aspekt der Erfindung schließt einen Gesamtdruck-Sensor ein, der den Gesamtdruck (PSTAT) eines Prozessfluids an einer Staudüse misst. Ein zweiter Drucksensor misst einen Differenzdruck zwischen den Röhren des Messaufnehmers. Die Schaltkreisanordnung in dem Sender berechnet den statischen Druck (PSTAT) basierend auf dem Ausgangssignal des Gesamtdruck-Sensors. Der berechnete statische Druck (PSTAT) wird zur Berechnung der Fluiddichte (ρ) und des Gasausdehungskoeffizienten (Y1) verwendet. Die Strömung (Q) wird basierend auf den Druckmessungen, der Fluiddichte (ρ) und dem Gasausdehungskoeffizienten (Y1) berechnet.
  • [0013]
    Weitere Einzelheiten, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Kurzbeschreibung anhand der Zeichnungen.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • [0014]
    Es zeigen:
  • [0015]
    1A einen erfindungsgemäßen Sender, der an ein Prozesrohr gekoppelt ist;
  • [0016]
    1B eine oberste Querschnittsansicht, die einen Messaufnehmer von der Art einer Staudüse zur Bildung eines Mittelwerts für die Verwendung in der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • [0017]
    1C einen Messaufnehmer von der Art einer Mittelwertbildungs-Staudüse aus 1B, der in ein Prozessrohr eingeführt ist;
  • [0018]
    2 eine Kurve, die einen Vergleich der bei maximalem Durchfluss unter Verwendung des Gesamtdrucks berechneten Gasdichte und unter Verwendung des statischen Drucks berechneten Gasdichte im Verhältnis zum Differenzdruck zeigt;
  • [0019]
    3 eine Kurve, die den Unterschied zwischen dem Gesamtdruck und dem statischen Druck im Verhältnis zum Differenzdruck für Kohlendioxidgas in einem Rohr mit einem Durchmesser von 18 cm (8 Zoll) zeigt;
  • [0020]
    4 eine Kurve, die einen Fehler bei einem erfindungsgemäß berechneten korrigierten statischen Druck im Verhältnis zum Differenzdruck für Kohlendioxidgas in einem Rohr mit einem Durchmesser von 18 cm (8 Zoll) zeigt; und
  • [0021]
    5 ein vereinfachtes Blockdiagramm, das einen Sender zum erfindungsgemäßen Bestimmen der Strömungsrate (Q) zeigt.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • [0022]
    1A ist eine Ansicht eines Prozesssteuerungssystems, das einen erfindungsgemäßen Sender 10 aufweist, der mit dem Prozessrohrsystem 12 gekoppelt ist. Das Prozessrohrsystem 12 führt das Prozessfluid, das eine Geschwindigkeit (V) und eine Strömungsrate (Q) aufweist. Das Rohr 12 leitet den Fluidstrom, entweder ein Gas oder eine Flüssigkeit, in die durch den Pfeil 16 angezeigte Richtung.
  • [0023]
    Die vorliegende Erfindung benötigt keine separate Messung des statischen Drucks (PSTAT) und liefert eine genaue Schätzung von PSTAT basierend auf dem Gesamtdruck (PTOT), der von dem nach vorne gerichteten Rohr in dem Messaufnehmer von der Art einer Staudüse zur Bildung eines Mittelwerts erfasst wird, und basierend auf dem Differenzdruck (h), der zwischen den beiden Rohren gemessen wird. Der geschätzte statische Druck wird in Berechnungen zum Bestimmen der Fluiddichte (ρ) und des Gasausdehnungskoeffizienten (Y1) verwendet. Die Methode zum Schätzen des statischen Drucks erfordert eine geringere Berechnungszeit und weniger Energie im Vergleich zu der Verwendung typischer Formeln des Stands der Technik.
  • [0024]
    Der Sender 10 weist ein Sender-Elektronikmodul 18 sowie ein Sensormodul 22 auf. Das Sender-Elektronikmodul 18 weist zudem vorzugsweise eine Anschlussfläche 20 zur Aufnahme eines Eingangssignals von einer resistiven Temperaturvorrichtung (RTV) auf, vorzugsweise einer 100 Ohm-RTV, die für gewöhnlich direkt in das Rohr oder in einen Thermometerschacht eingeführt wird, der in das Rohr zum Messen der Temperatur des Prozessfluids eingeführt wird. Die Drähte der RTV sind an einer Seite eines Anschlussblocks in einem Temperatursensorgehäuse 24 angeschlossen. Die andere Seite des Anschlussblocks ist mit Drähten verbunden, die durch das Rohr 26 verlaufen und an die Anschlussfläche 20 angeschlossen sind.
  • [0025]
    Das Sensormodul 22 schließt einen Differenzdrucksensor zum Messen des Differenzdrucks (h) und einen Drucksensor zum Messen des Gesamtdrucks (PTOT) ein. Die beiden Sensoren liefern Drucksignale, die digitalisiert und an einen Mikroprozessor geleitet werden. Das Modul 22 koppelt über die durch den Sockel 23 gestützte Rohrverzweigung 21 an den Messaufnehmer 14. Die kompensierten, linearisierten und digitalisierten Signale werden an das Elektronikmodul 18 geliefert. Das Elektro nikmodul 18 in dem Sender 10 liefert ein Ausgangssignal, das Prozesszustände, wie z. B. die Strömungsrate (Q) des durch das Rohr 12 an eine Fernadresse fließenden Prozessfluids anzeigt, über eine 4–20 mA-Zweidrahtschleife, die vorzugsweise gebildet wird, indem sie verdrillte Doppelleiter verwendet, durch ein flexibles Leitungsrohr 28. Weiter liefert der Sender 10 erfindungsgemäß auch ein Ausgangssignal, das die Strömungsrate anzeigt. Der Sender 10 ist an einen Messaufnehmer 14 gekoppelt. Der Messaufnehmer 14 kann beispielsweise eine Staudüse aufweisen, wie sie in dem am 15. Mai 1979 erteilten US-Patent 4,154,100 von Harbaugh et al. mit dem Titel "Verfahren und Vorrichtung zum Stabilisieren des Strömungskoeffizienten für Flussmesser von der Art einer Staudüse mit einer stromabwärts gerichteten Öffnung" gezeigt ist.
  • [0026]
    Bei andersartigen Messaufnehmern 14, wie z. B. Messblenden, Düsen oder Venturi-Durchflusser, ist der von dem Sender 10 gemessene Druck der statische Druck (PSTAT) des Prozessfluids, mit dessen Hilfe die Gasdichte (ρ) und der Gasausdehnungskoeffizient (Y1) berechnet werden. Diese Werte werden für die Berechnung der Strömungsrate verwendet. In der Erfindung wird der Sender 10 zusammen mit einem Messaufnehmer von der Art einer Staudüse zur Bildung eines Mittelwerts verwendet, wie sie in dem US-Patent 4,154,100 gezeigt ist, und der gemessene Druck auf der Stromaufwärtsseite der Staudüse ist ein Durchschnittswert des Gesamtdrucks PTOT, der manchmal auch als Staudruck bezeichnet wird. Ein zweites Rohr weist einen derartigen Winkel zur Strömungsrichtung auf, dass sich ein Differenzdruck (h) zwischen den Rohren entwickelt. Der Gesamtdruck (PTOT) ist höher als der statische Druck (PSTAT), so dass die Verwendung des Gesamtdrucks (PTOT) zur Berechung der Gasdichte und des Gasausdehungskoeffizienten zu Fehlern bei der Strömungsrate führt.
  • [0027]
    Die 1B und 1C zeigen detailliertere Ansichten eines Messaufnehmers 14 von der Art einer Mittelwertbildungs-Stau düse, der in ein Rohr 12 hineinragt. Der Messaufnehmer 14 weist einen länglichen Körper 30A auf, der eine nach vorne gerichtete Staudüse 30B und eine zweite, stromabwärts gerichtet Staudüse 30C aufweist. Die Rohre 30B und 30C weisen eine Vielzahl von Öffnungen 32 bzw. 34 auf, die entlang der Länge der Rohre verteilt sind. Die Vielzahl von Öffnungen stellt sicher, dass ein Durchschnittsdruck entlang dem gesamten Strom 16 gemessen wird. Die Rohre 30B und 30C sind mit dem Sensorkörper 22 des Senders 10 über die Rohrleitung 21A und 21B sowie die Rohrverzweigung 21 verbunden.
  • [0028]
    Zur Darstellung des Fehlers in den Strömungsberechnungen, wenn der Gesamtdruck PTOT als ein Schätzwert des statischen Drucks PSTAT herangezogen wird, ist es aufschlussreich, einige Beispiele auszuwerten. Dabei wird folgendermaßen vorgegangen:
    • 1. Es wird von einer Rohrgröße, einem Fluid, einem Druck und einem Temperaturbereich ausgegangen. Der Druck, von dem in diesem Schritt ausgegangen wird, ist der statische Druck PSTAT
    • 2. Basierend auf den Betriebsbereichen werden PMIN, PMID, PMAX sowie TMIN, TMID, TMAX berechnet, um die Leistung über den gesamten Druck- und Temperaturbereich zu bewerten.
    • 3. Aus den neun möglichen Kombinationen von P und T aus Schritt 2 werden die Strömungsraten mit Hilfe eines Referenz-Blendenströmungsmessers bei einem Differenzdruck gemessen, der von 5,6 cm bis 560 cm (2,5 bis 250 Zoll) H2O reicht.
    • 4. Berechnung des exakten Gesamtdrucks PTOT aus PSTAT indem die folgende Gleichung verwendet wird:
      Figure 00110001
      wobei : PTOT = Gesamtdruck in kg/m2 (psia) PSTAT = Statischer Druck in kg/m2 (psia) Q = Massenströmungsrate in kg/sek (lbm/sek) A = Rohrfläche in cm2 (Zoll2) Rg = spezifische Gaskonstante (Ru/Mo1 Wt) Ru = allgemeine Gaskonstante T = Absolute Temperatur in (K) gc = Gravitations-Proportionalitätskonstante γ = Verhältnis der spezifischen Wärme (isentropischer Exponent) Die Gleichung 3 setzt PTOT und PSTAT in eine Beziehung zueinander. Darüber hinaus handelt es sich bei der in der Gleichung verwendeten Temperatur um die Gesamttemperatur. Zum Zwecke dieser Analyse geht man davon aus, dass die von der RTV gemessene Temperatur die Gesamttemperatur darstellt. Einzelheiten siehe "Generalized Flow Across and Abrupt Enlargement" (Benedict, Wyler, Dudek und Gleed, Transactions of ASME, Journal of Power Engineering, Juli 1976, 327–334). Der unter Verwendung dieser Beziehung berechnete Gesamtdruck (PTOT) repräsentiert den Stromaufwärts-Druck, der ansonsten von dem Sender 10 unter Verwendung des Rohrs 30B gemessen würde. Die Vorgehensweise geht folgendermaßen weiter:
    • 5. Die Dichte-Berechnungen werden verglichen, indem die Werte des statischen Drucks PSTAT und die berechneten Werte des Gesamtdrucks PTOT herangezogen werden.
    • 6. Berechnung des Abfalls des Differenzdrucks (h) an einem Mittelwertbildungs-Sensor unter Verwendung von Gleichung 2.
  • [0029]
    Die Auswirkung auf den Strömungs-Messfehler bei der Verwendung des Gesamtdrucks (PTOT) anstelle des statischen Drucks (PSTAT) ist dargestellt, indem die Unterschiede bewertet werden, die auftreten, wenn die beiden Drücke zum Berechnen der Dichte von Gasen verwendet werden. Dies ist in 2 dargestellt. Die unter Verwendung des Gesamtdrucks (PTOT) berechnete Dichte ist höher als die Dichte, die unter Verwendung des statischen Drucks (PSTAT) berechnet wird. Wie in 3 gezeigt nimmt die Differenz mit Zunahme der Strömungsrate und mit Abnahme des statischen Drucks zu. 2 zeigt einen Vergleich des maximalen Fehlers bei der Gasdichte als Funktion des statischen Drucks für die drei in dieser Analyse verwendeten Gase. Die Daten wurden für die Strömung in einem Rohr mit einem Durchmesser von 18 cm (8 Zoll) berechnet.
  • [0030]
    Eine Überprüfung der Gleichungen 1 und 2 legt nicht so einfach die Beziehung zwischen dem Gesamtdruck (PTOT) dem statischen Druck (PSTAT) und dem Differenzdruck (h) offen. Falls die Differenz zwischen dem Gesamtdruck und dem statischen Druck jedoch als Kurve im Verhältnis zum Differenzdruck dargestellt wird, dann ist diese nahezu linear (siehe 3). Die Differenz ist zudem ziemlich unempfindlich gegenüber statischem Druck und Temperatur.
  • [0031]
    Der Gesamtdruck (PTOT) kann korrigiert werden, damit sich dieser dem statischen Druck (PSTAT) annähert, indem diese nahezu lineare Beziehung ausgenutzt wird. Da der Gesamtdruck und der statische Druck bei null Strömungsrate gegen den selben Wert konvergieren, kann die Beziehung zwischen dem Gesamtdruck und dem statischen Druck folgendermaßen ausgedrückt werden: PTOT – PSTAT = C1h Gleichung 4oder PSTAT = PTOT – C1h Gleichung 5wobei es sich bei C1 um das Durchschnittsgefälle über den Betriebsbereich von Druck und Temperatur handelt. 4 zeigt, dass die Bewertungsmethode aus Gleichung 5 sehr genau bei der Bewertung des statischen Drucks (PSTAT) ist, sogar bei großen Differenzdrücken (h). In einer Ausführungsform könnte die Genauigkeit der Berechnung des statischen Drucks PSTAT erhöht werden, indem ein Polynom höheren Grades bei h verwendet würde.
  • [0032]
    5 ist ein vereinfachtes Blockdiagramm, das den Sender 10 für die Implementierung der vorliegenden Erfindung zeigt. Der Sender 10 schließt den Mikroprozessor 40 ein, der an den Analog-Digital-Wandler 42 angeschlossen ist. Der Analog-Digital-Wandler 42 koppelt zum Messen eines Drucks (PTOT) am Rohr 30B bzw, zum Messen eines Differezdrucks (h) am Rohr 30C an die Drucksensoren 44 und 46. Die Sensoren 44 und 46 liefern ein Gesamtdruck-Sensor-Ausgangssignal PTOT und ein Differenzdruck-Sensor-Ausgangssignal h' an den Wandler 42 und sind mit dem in 1A gezeigten Messaufnehmer 14 gekoppelt. Der Analog-Digital-Wandler 42 empfängt zudem ein Temperatur-Eingangssignal vom Temperatursensor 24. Der Mikroprozessor 40 arbeitet gemäß im Speicher 50 gespeicherten Befehlen bei einer durch die Taktuhr 52 bestimmten Taktrate. Der Speicher 50 speichert zudem Informationen für den Mikroprozessor 40. Die Eingabe-/Ausgabe-Schaltkreisanordnung 54 ist über Anschlussverbindungen 56 mit einer Prozessregelschleife 28A verbunden. Die Schleife 28A führt Strom I von einer entfernten Energiequelle, die von der Eingabe-/Ausgabe-Schaltkreisanordnung 54 zur Erzeugung von Energie für den Sender 10 verwendet wird. In einer Ausführungform wird der Sender 10 vollständig (oder ausschließlich) durch den Schleifenstrom I betrieben. Es werden Informationen über die Schleife 28A durch die Eingabe-/Ausgabe-Schaltkreisanordnung 54 übertragen, indem der Wert des Stroms I der Regelschleife 28A gesteuert wird. Darüber hinaus kann die Eingabe-/Ausgabe-Schaltkreisanordnung 54 Informationen auf die Schleife 28A digital aufmodulieren. Der Sender 10 ist auch in der Lage, Befehle über die Schleife 28A zu empfangen. Der Mikroprozessor 40 verwendet die vorstehend erläuterten Gleichungen und berechnet die Strömungsrate (Q) genau, indem er den Gesamtdruck (PTOT) zum Bestimmen der Fluiddichte (ρ) verwendet.
  • [0033]
    Die vorliegende Erfindung liefert einen geschätzten Wert für den statischen Druck (PSTAT) basierend auf dem Druck (PTOT) und dem Differenzdruck (h) von einem Messaufnehmer von der Art einer Staudüse zur Bildung eines Mittelwerts. Somit kann auf den zusätzlichen Sensor, der beim Stand der Technik zum Messen des statischen Drucks verwendet wird, verzichtet werden, und das zusätzliche Hindernis im Strömungsrohr wird beseitigt.
  • [0034]
    Obwohl die vorliegende Erfindung mit Bezug auf die bevorzugten Ausführungsformen beschrieben worden ist, ist es für Fachleute in der Technik offensichtlich, dass Veränderungen hinsichtlich Form und Detail vorgenommen werden können, ohne vom Schutzumfang der vorliegenden Erfindung gemäß den Ansprüchen abzuweichen. Beispielsweise können zusätzliche Analog-Digital-Wandler oder Mikroprozessoren ebenfalls zur Optimierung des Systems eingesetzt werden. Darüber hinaus kann jede Art von Messaufnehmer von der Art einer Staudüse zur Bildung eines Mittelwerts verwendet werden. Des Weiteren versteht sich, dass der Schritt der Berechnung des statischen Drucks (PSTAT) direkt in anderen Gleichungen angewendet werden kann, beispielsweise in solchen, die für die Berechnung der Dichte (ρ), des Gasausdehnungskoeffizienten (Y1) oder der Strömungsrate (Q) verwendet werden.

Claims (6)

  1. Vorrichtung zum Koppeln an ein Hauptbauelement (14) von der Art einer Mittelwertbildungs-Staudüse, welches ein im Allgemeinen nach vorne gerichtetes Rohr (30B) sowie ein zweites Rohr (30C) aufweist, wobei die Vorrichtung zum Berechnen der Durchflussgeschwindigkeit oder -menge (Q) des Prozessfluids Folgendes aufweist: einen Gesamtdruck-Sensor (44), der zum Messen des Gesamtdrucks (PTOT) des Prozessfluids angeordnet ist, indem er das im Allgemeinen nach vorne gerichtete Rohr (30B) verwendet, und zum Liefern eines Ausgangssignals (PTOT ) des Gesamtdruck-Sensors; einen Differenzdruck-Sensor (46), der zum Messen eines Differenzdrucks (h) in dem Prozessfluid zwischen dem im Allgemeinen nach vorne gerichteten Rohr (30B) und dem zweiten Rohr (30C) angeordnet ist, und zum Liefern eines Ausgangssignals (h') des Differenzdruck-Sensors; eine Schaltkreisanordnung (40, 42, 50), die zum Berechnen der Durchflussgeschwindigkeit oder -menge Q basierend auf dem Ausgangssignal (PTOT') des Gesamtdruck-Sensors und dem Ausgangssignal (h') des Differenzdruck-Sensors; eine Ein-/Ausgabe-Schaltkreisanordnung (54), die zum Liefern der berechneten Durchflussgeschwindigkeit oder -menge (Q) angeordnet ist; und dadurch gekennzeichnet ist, dass: die Ein-/Ausgabe-Schaltkreisanordnung (54), die Drucksensoren (44, 46) sowie die Schaltkreisanordnung (40, 42, 50) alle in einem Sender (10) angeordnet sind, und der Sender (10) die berechnete Durchflussgeschwindigkeit oder -menge (Q) an eine Prozessregelschleife (28A) überträgt; und die Schaltkreisanordnung (40, 42, 50) zum Berechnen der Durchflussgeschwindigkeit oder -menge (Q) die folgenden Schritte aufweist: a) das Berechnen eines statischen Drucks PSTAT entsprechend der Formel PSTAT = PTOT – C1h', wobei C1 eine Konstante ist, die einen durchschnittlichen Anstieg von Druck und Temperatur über einen Betriebsbereich darstellt; b) das Berechnen einer Dichte (ρ) als Funktion des berechneten statischen Drucks PSTAT; c) das Berechnen des Gasausdehnungskoeffizienten (Y1) als Funktion des berechneten statischen Drucks PSTAT; d) das Berechnen der Durchflussgeschwindigkeit oder -menge (Q) als Funktion der berechneten Dichte (ρ), des berechneten Gasausdehnungskoeffizienten (Y1) und des Ausgangssignals (h') des Differenzdruck-Sensors.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltkreisanordnung (40, 42, 50) so angeordnet ist, dass sie Schritt d) durchführt, indem sie eine polynomische Beziehung zu dem Ausgangssignal (h') des Differenzdruck-Sensors einsetzt.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1, welche ferner einen an die Schaltkreisanordnung (40, 42, 50) gekoppelten Temperatur- Eingang (26) aufweist, wobei die Schaltkreisanordnung (40, 42, 50) so angordnet ist, dass sie den Schritt d) durchführt, indem sie Eingangsdaten verwendet, die die gemessene Temperatur des Prozessfluids am Temperatureingang (26) darstellen.
  4. Verfahren, das eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Durchflussgeschwindigkeit oder -menge (Q) eines an einem Hauptbauelement (14) von der Art einer Mittelwertbildungs-Staudüse vorbeifließenden Prozessfluids verwendet, wobei das Hauptbauelement im Allgemeinen ein nach vorne gerichtetes Rohr (30B) sowie ein zweites Rohr (30C) aufweist, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: das Messen eines Gesamtdrucks (PTOT) des Prozessfluids in dem im Allgemeinen nach vorne gerichtete Rohr (30B) mit Hilfe eines Gesamtdruck-Sensors (44), zum Liefern eines Ausgangssignal (PTOT) des Gesamtdruck-Sensors; das Messen eines Differenzdrucks (h) in dem Prozessfluid zwischen dem im Allgemeinen nach vorne gerichteten Rohr (30B) und dem zweiten Rohr (30C) mit Hilfe eines Differenzdruck-Sensors (46), zum Liefern eines Ausgangssignals (h') des Differenzdruck-Sensors; das Bereitstellen einer Ein-/Ausgabe-Schaltkreisanordnung (54), die zum Liefern der berechneten Durchflussgeschwindigkeit oder -menge (Q) angeordnet ist; und dadurch gekennzeichnet ist, dass: die Ein-/Ausgabe-Schaltkreisanordnung (54), die Drucksensoren (44, 46) und die Schaltkreisanordnung (40, 42, 50) in einem Sender (10) angeordnet sind, der die berechnete Durchflussgeschwindigkeit oder -menge (Q) über eine Prozessregelschleife (28) überträgt; und die Durchflussgeschwindigkeit oder -menge (Q) in der Schaltkreisanordnung (40, 42, 50) in den folgenden Schritten berechnet wird: a) das Berechnen eines statischen Drucks PSTAT entsprechend der Formel PSTAT = PTOT'- C1h', wobei C1 eine Konstante ist, die einen durchschnittlichen Anstieg von Druck und Temperatur über einen Betriebsbereich darstellt; b) das Berechnen einer Dichte (ρ) als Funktion des berechneten statischen Drucks PSTAT; c) das Berechnen des Gasausdehnungskoeffizienten (Y1) als Funktion des berechneten statischen Drucks PSTAT; d) das Berechnen der Durchflussgeschwindigkeit oder -menge (Q) als Funktion der berechneten Dichte (ρ), des berechneten Gasausdehnungskoeffizienten (Y1) und des Ausgangssignals (h') des Differenzdruck-Sensors.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenz zwischen dem statischen Druck (PSTAT) und dem Gesamtdruck (PTOT) berechnet wird, indem eine polynomische Beziehung zum Differenzdruck (h) eingesetzt wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, welches Folgendes einschließt: das Messen der Temperatur des Prozessfluids; und das Aufnehmen der Temperatur des Prozessfluids in den Schritt der Berechnung der Durchflussgeschwindigkeit oder -menge (Q) .
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