DE69837206T2

DE69837206T2 - Durchflussmesser

Info

Publication number: DE69837206T2
Application number: DE69837206T
Authority: DE
Inventors: Johannes Roine
Original assignee: Valtion Teknillinen Tutkimuskeskus
Current assignee: Valtion Teknillinen Tutkimuskeskus
Priority date: 1997-08-19
Filing date: 1998-08-18
Publication date: 2007-11-22
Anticipated expiration: 2018-08-19
Also published as: DE69837206D1; ATE355507T1; CA2301908C; WO1999009376A1; FI973395A; FI103073B; CA2301908A1; EP1007910B1; EP1007910A1; US6520029B1; JP2001515219A; FI103073B1; FI973395A0

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 zum Messen des Durchflusses eines Gases oder einer Gasmischung in einer Durchflussleitung. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren nach dem Oberbegriff von Anspruch 9 zum Messen des Durchflusses eines Gases oder einer Gasmischung in einer Durchflussleitung.
Nach dem Stand der Technik ist ein sogenanntes Pitot-Rohr bekannt, das zum Messen des Durchflusses eines Gases oder einer Gasmischung in einer Durchflussleitung verwendet wird. Bei einer Pitot-Rohr-Anwendung umfasst das Rohr zwei Sensoren, von denen einer zum Messen des Normaldrucks in der Durchflussleitung und der andere zum Messen des durch den Durchfluss in dem Sensor erzeugten Drucks verwendet wird. Solche Sensoren können z. B. Rohre sein, von denen eines so gegen die Durchflussrichtung gebogen wird, dass der Durchfluss in einer im Wesentlichen senkrechten Richtung in das Rohr eintritt, während das andere in die Durchflussrichtung gerichtet ist und den Innendruck in der Durchflussleitung misst. Die so ermittelte Druckdifferenz ist proportional zu dem Quadrat des gegebenen Durchflusses.
Wenn das Gas oder die Gasmischung, die zu messen sind, große Partikel, Kondensationsflüssigkeiten und korrodierende Substanzen enthalten, sind herkömmliche Sensoren, die von außerhalb der Durchflussleitung eingeführt werden, unzuverlässig, da statische Pitot-Rohre dazu neigen, sich zu verstopfen und Kondensationsflüssigkeit zu sammeln.
Eine Vorrichtung zum Messen des Durchflusses eines Gases oder einer Gasmischung ist aus JP56-164960 bekannt. Im Besonderen zeigt dieses Dokument ein Gehäuse, das einen Messraum enthält, und ein Messrohr, das an dem Gehäuse angebracht ist und das an beiden Enden offen ist, um eine durch den Durchfluss erzeugte Druckwelle von dem Messrohr in den Messraum weiterzuleiten. Ein Messelement in dem Gehäuse wird verwendet, um die Druckwelle zu messen, wobei das Messelement nahe dem zweiten Ende des Messrohres angeordnet ist. Das Messrohr ist in einer im Wesentlichen senkrechten Ausrichtung relativ zu der Durchflussrichtung des Gases angeordnet und es dreht sich um seine Längsachse. Es umfasst eine erste Öffnung, die an dem ersten Ende des Messrohres angeordnet ist und die so eingerichtet ist, dass sie abwechselnd in die Richtung des Durchflusses und von dem Durchfluss weg weist, um eine sich ändernde zyklische Druckwelle in das Messrohr weiterzuleiten.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die oben erwähnten Nachteile zu beseitigen.
Eine spezifische Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung herzustellen, die einfach und billig ist.
Eine weitere spezifische Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren vorzulegen, bei dem das Messrohr, d. h. der Sensor, nicht verstopft werden kann.
Die Vorrichtung der Erfindung ist durch das in Anspruch 1 Dargestellte gekennzeichnet.
Das Verfahren der Erfindung ist durch das in Anspruch 9 Dargestellte gekennzeichnet.
Die Vorrichtung der Erfindung umfasst ein Gehäuse, ein Messrohr und ein Messelement. Die Vorrichtung ist mit einer Durchflussleitung verbunden, in der der Durchfluss eines Gases oder einer Gasmischung gemessen wird. Das Gehäuse umfasst des Weiteren einen Messraum. Das Messrohr ist an dem Gehäuse zwischen der Durchflussleitung und dem Messraum angebracht. Das Messrohr ist an beiden Enden offen, so dass eine durch den Durchfluss in dem Rohr erzeugte Druckwelle in den Messraum vordringen kann. Das Messelement ist nahe dem zweiten Ende des Messrohres in dem Messraum angeordnet und es wird zum Messen der Druckwelle verwendet.
Erfindungsgemäß ist das Messrohr in einer im Wesentlichen senkrechten Ausrichtung relativ zu der Durchflussrichtung des Gases oder der Gasmischung und so, dass es sich um seine eigene Längsachse drehen kann, angeordnet. Das Messrohr umfasst eine erste Öffnung, die an dem ersten Ende des Messrohres und abwechselnd in die Richtung des Durchflusses und von dem Durchfluss weg angeordnet ist, um eine sich ändernde und zyklische Druckwelle in das Messrohr hineinzulassen. Das Messrohr umfasst des Weiteren eine zweite Öffnung, die in dem Teil des Messrohres angeordnet ist, das sich in den Messraum erstreckt, um die statischen Drücke in dem Messraum und dem Messrohr auszugleichen.
Bei einer Ausführung der Vorrichtung ist der Durchmesser der ersten Öffnung größer als der Innendurchmesser des Messrohrs, um ungehindertes Erzeugen einer Druckwelle in dem Messrohr zu ermöglichen. Die Öffnung weist vorzugsweise eine kreisförmige oder ovale Form auf.
Bei einer Ausführung der Vorrichtung umfasst die Vorrichtung eine Antriebseinrichtung, vorzugsweise einen Elektromotor, die an dem Gehäuse angebracht und, vorzugsweise mittels eines Keilriemens, an das Messrohr angeschlossen ist, um das Messrohr zu drehen.
Bei einer Ausführung der Vorrichtung ist das Messelement ein Mikrofon, Lautsprecher oder Entsprechendes, das verwendet wird, um die Druckwelle in ein elektrisches Signal zu wandeln. Die Vorrichtung kann ein oder mehr Messelemente umfassen. Zum Beispiel kann bei einer Anordnung, die zwei Mikrofone umfasst, das Messrohr eine Doppelrohrstruktur aufweisen, die zwei Rohre umfasst, wobei sich ein Rohr in dem anderen befindet und zwei getrennte Durchflusswege gebildet werden.
Bei einer Ausführung der Vorrichtung ist das Messrohr über luft- und wasserdichte Verbindungen an die Durchflussleitung und den Messraum angeschlossen, um sicherzustellen, dass äußere Störungen, z. B. Luftstrom und Flüssigkeitsspritzer, keine Fehler bei der Messung erzeugen.
Bei einer Ausführung der Vorrichtung wird ein Schutzluftstrom, der in den Messraum strömt, verwendet, so dass die Schutzluft in den Messraum und durch den Messraum hindurch über das Messrohr weiter in den Durchflussraum strömt. Dies hindert Fremdstoffe daran, in das Messrohr und weiter in den Messraum einzudringen.
Bei einer Ausführung der Vorrichtung ist der Teil des Messrohres, der sich in die Durchflussleitung erstreckt, mit einer Öffnung oder mit mehreren Öffnungen versehen, das bzw. die in verschiedenen Winkeln relativ zu dem Radius senkrecht zu der Längsachse des Messrohres angeordnet ist bzw. sind. In diesem Fall werden zyklische Druckwellen, die sich in verschiedener Phase ändern, in das Messrohr weitergeleitet.
Bei einer Ausführung der Vorrichtung umfasst die Vorrichtung Einrichtungen zum Verarbeiten und Bilden eines elektrischen Signals. Diese Einrichtungen können ein Signalfilter und ein Wandlerelement umfassen. Das Signalfilter filtert das elektrische Signal auf eine Art und Weise, die selbst bekannt ist, um Frequenzen, die von einem Sinussignal abweichen, zu beseitigen. Das Wandlerelement wandelt auf eine Art und Weise, die selbst bekannt ist, ein Analogsignal in ein Digitalsignal, das, z. B. unter Verwendung eines Rechners, verarbeitet werden kann.
Bei dem Verfahren der Erfindung wird das Messrohr in einer im Wesentlichen senkrechten Ausrichtung zu dem Durchfluss gedreht, mit dem Ergebnis, dass die erste Öffnung, die in dem Messrohr enthalten ist, abwechselnd in die Richtung des Durchflusses und von dem Durchfluss weg weist. Somit wird eine in dem Messrohr erzeugte, sich ändernde und zyklische Druckwelle durch die Öffnung in das Messelement weitergeleitet und die sich ändernde und zyklische Druckwelle wird in dem Messelement in ein elektrisches Signal umgewandelt, woraufhin der Durchfluss auf der Basis der Amplitude des elektrischen Signals bestimmt wird.
Bei einer Ausführung des Verfahrens wird ein Sinussignal durch Ausfiltern aller anderen Signale von dem elektrischen Signal getrennt. Dies erzeugt ein Signal einer konstanten Wellenlänge.
Bei einer Ausführung des Verfahrens wird das Messrohr mit einer konstanten Geschwindigkeit gedreht.
Bei einer Ausführung des Verfahrens wird der Durchfluss auf Basis der Formel v² = ΔP berechnet, wobei v = Durchfluss und ΔP = Druckdifferenz, die zu der Amplitude des elektrischen Signals proportional ist.
Die Erfindung ermöglicht die Verwendung der Vorrichtung unter unreinen Bedingungen, bei denen das zu messende Gas in dem Durchfluss z. B. große Partikel, Kondensationsflüssigkeit und korrodierende Substanzen enthalten kann. Störgrößenkumulierung er folgt bei der Messung kontinuierlich. Die Vorrichtung ist leicht und billig zu konstruieren und daher außerdem leicht und billig zu warten. Die Kalibrierung der Messung kann unter unreinen Bedingungen immer erfolgreich durchgeführt werden. Die Vorrichtung kann für Messungen bei hohen Drücken verwendet werden, da der Messraum als kleiner und daher druckbeständiger Raum implementiert werden kann.
Im Folgenden wird die Erfindung ausführlich beschrieben, wobei Bezug auf die beigefügten Zeichnungen genommen wird, bei denen
1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung darstellt; und
2 ein erfindungsgemäßes Messrohr darstellt.
Die in 1 dargestellte Vorrichtung umfasst ein Gehäuse 10, einen Messraum 8, ein Messelement 1, ein Tragelement 11, ein Messrohr 6, Öffnungen 3, 4, einen Dichtungsring 12, eine mit dem Messrohr verbundene Riemenscheibe 13, eine Antriebseinrichtung 5, eine mit der Antriebeseinrichtung verbundene Riemenscheibe 14, einen Riemen 15 und ein Element 18 für die Versorgung mit Schutzgas, ein Signalfilter 16 und ein Wandlerelement 17. Die Vorrichtung ist an eine Durchflussleitung 7 angeschlossen. Dieser Anschluss kann ein Standardventilanschluss sein.
Bei der in 1 dargestellten Ausführung umfasst die Vorrichtung einen Dichtungsring 12, der zwischen dem Gehäuse 10 und der Durchflussleitung 7 positioniert ist und vorzugsweise mit Gummidichtungen versehen ist, um die Verbindung luft- und wasserdicht zu machen. An dem Gehäuse 10 ist ein Tragelement 11 angebracht, an dem das Messelement 1 und die Antriebseinrichtung angebracht sind. Das Messrohr 6 ist zwischen dem Messraum 8 und der Durchflussleitung 7, vorzugsweise durch Lager getragen, angeschlossen.
In dem Teil, der sich in den Messraum 8 erstreckt, ist eine Riemenscheibe 13 an dem Messrohr 6 angebracht. An der Antriebseinrichtung 5 ist eine weitere Riemenscheibe 14 angebracht und die Riemenscheiben 13, 14 sind mit einem Riemen 15 verbunden.
Das erste Ende 2 des Messrohrs 6 ist mit einer ersten Öffnung 4 versehen, dessen Durchmesser größer ist als der Innendurchmesser des Messrohrs 6. Das Messrohr 6 besitzt eine zweite Öffnung 3 zwischen der Riemenscheibe 13 und dem Gehäuse. Das zweite Ende 9 des Messrohrs 6 ist nahe dem Messelement 1 angeordnet.
2 stellt ein Messrohr 6 dar, das mit drei Öffnungen 4¹ , 4² und 4³ versehen ist, die dazu dienen, Druckwellen mit einer Phasendifferenz zwischen ihnen zu erzeugen.
Mit Hilfe des Riemens 15 treibt die Antriebseinrichtung 5 das Messrohr 6 mit einer konstanten Drehgeschwindigkeit an. Die konstante Geschwindigkeit der Antriebseinrichtung 5 kann auf eine Art und Weise eingestellt werden, die selbst bekannt ist. Als eine Folge des Durchflusses des Gases oder des Gasgemisches, der Drehung des Messrohrs 6 und der Öffnung 4 wird eine sich ändernde und kontinuierliche Druckwelle in dem Messrohr erzeugt, da die Öffnung 4 abwechselnd von dem Durchfluss weg und in die Richtung des Durchflusses weist. Wenn die Öffnung 4 von dem Durchfluss weg weist, befindet sich die Druckwelle in dem Messrohr 6 an einem Maximum, und wenn die Öffnung 4 in die Richtung des Durchflusses weist, befindet sich die Druckwelle in dem Messrohr 6 an einem Minimum. Das Messrohr 6 leitet die Druckwelle weiter zu dem zweiten Ende 9 des Messrohrs 6, das sich eng an dem Messelement 1 befindet. Die sich ändernde Druckwelle erzeugt eine Bewegung in dem Messelement 1 und diese Bewegung wird in dem Messelement 1 in ein elektrisches Signal umgewandelt. Das Messelement ist elektrisch an ein Signalfilter 16 angeschlossen, das alle unnötigen Komponenten aus dem Signal herausfiltert, so dass lediglich die Sinuskomponente in dem Signal verbleibt. Das Signalfilter 16 ist elektrisch an ein Wandlerelement 17 angeschlossen, das das Signal von einer zeitkontinuierlichen Form in eine zeitdiskrete Form umwandelt, mit anderen Worten eine A/D-Umwandlung an dem Signal durchführt. Dadurch kann das Signal zur weiteren Verarbeitung z. B. in einen Rechner gespeist werden.
Die zweite Öffnung 3 stabilisiert die Drücke in dem Messraum 8 und in dem Messrohr auf einem gleichen Niveau.
Über das Schutzgasversorgungselement 18 kann Schutzgas in den Messraum 8 und weiter in das Messrohr 6 hinein zugeführt werden. Daher werden Fremdstoffe nicht leicht von der Durchflussleitung 7 in das Messrohr 6 hineingelassen.
Wie in 2 dargestellt wird, kann das Messrohr 6 mit drei Öffnungen 4¹ , 4² und 4³ versehen sein, wobei in diesem Fall in dem Messrohr 6 drei Druckwellen mit einer Phasendifferenz zwischen ihnen erzeugt werden.
Die Erfindung ist nicht auf die Beispiele ihrer oben beschriebenen Ausführungen beschränkt, sondern es sind viele Varianten innerhalb des Umfangs der erfinderischen Idee, die durch die Ansprüche definiert wird, möglich.

Claims

Vorrichtung zum Messen des Durchflusses eines Gases oder einer Gasmischung in einer Durchflussleitung (7), die Vorrichtung umfasst: ein Gehäuse (10), das einen Messraum (8) enthält, ein Messrohr (6), das an dem Gehäuse zwischen der Durchflussleitung und dem Messraum angebracht ist und das an beiden Enden (2, 9) offen ist, um eine durch den Durchfluss erzeugte Druckwelle von der Durchflussleitung in den Messraum weiterzuleiten, und ein Messelement (1), das an dem Gehäuse angebracht ist und verwendet wird, um die Druckwelle zu messen, wobei das Messelement nahe dem zweiten Ende (9) des Messrohres angeordnet ist, das Messrohr eine erste Öffnung (4) umfasst, die an dem ersten Ende (2) des Messrohres angeordnet ist, wobei das Messrohr eingerichtet ist, um sich um seine Längsachse zu drehen, so dass die erste Öffnung abwechselnd in die Richtung des Durchflusses und von dem Durchfluss weg weist, um eine sich ändernde und zyklische Druckwelle in das Messrohr weiterzuleiten, wenn das Messrohr in einer im Wesentlichen senkrechten Ausrichtung relativ zu der Durchflussrichtung des Gases oder der Gasmischung angeordnet ist, und das Messrohr eine zweite Öffnung (3) umfasst, die in der Seitenwand des Teils des Messrohres angeordnet ist, das sich in den Messraum erstreckt, um die statischen Drücke in dem Messraum und in dem Messrohr auszugleichen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der ersten Öffnung (4) größer ist als der Innendurchmesser des Messrohres (6).
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Antriebseinrichtung (5) umfasst, die an das Messrohr (6) angeschlossen ist, um es zu drehen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Messelement (1) ein Mikrofon oder Entsprechendes ist, das dient, um die Druckwelle in ein elektrisches Signal zu wandeln, und dass die Vorrichtung ein Messelement oder mehrere Messelemente (1¹, 1², ..., 1ⁿ) umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Messrohr in einer luft- und wasserdichten Art und Weise an den Messraum (8) angeschlossen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Versorgung mit Schutzluft enthält, die in den Messraum (8) strömt, um Fremdstoffe daran zu hindern, in das Messrohr (6) und in den Messraum einzudringen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Teil des Messrohres (6), der sich in die Durchflussleitung (7) erstreckt, mit einer Öffnung oder mit mehreren Öffnungen (4¹ , 4² und 4³ ) versehen ist, das bzw. die in verschiedenen Winkeln relativ zu dem Radius senkrecht zu der Längsachse des Messrohres angeordnet ist bzw. sind, wobei in diesem Fall zyklische Druckwellen, die sich in verschiedener Phase ändern, in das Messrohr weitergeleitet werden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung Einrichtungen (16, 17) zum Verarbeiten und Bilden eines elektrischen Signals umfasst.
Verfahren zum Messen des Durchflusses eines Gases oder einer Gasmischung in einer Durchflussleitung unter Verwendung einer Vorrichtung, die umfasst: ein Gehäuse (10), das einen Messraum (8) enthält, ein Messrohr (6), das an dem Gehäuse zwischen der Durchflussleitung und dem Messraum angebracht ist und das an beiden Enden (2, 9) offen ist, um die durch den Durchfluss erzeugte Druckwelle von der Durchflussleitung in den Messraum weiterzuleiten, und ein Messelement (1), das an dem Gehäuse angebracht ist und verwendet wird, um die Druckwelle zu messen, wobei das Messelement nahe dem zweiten Ende (9) des Messrohres angeordnet ist, wobei – das Messrohr in einer Ebene, die im Wesentlichen senkrecht zu dem Durchfluss ist, gedreht wird, was dazu führt, dass eine Öffnung (4) abwechselnd in die Richtung des Durchflusses und von dem Durchfluss weg weist, – eine in dem Messrohr erzeugte, sich ändernde und zyklische Druckwelle durch die Öffnung in das Messelement weitergeleitet wird, – die sich ändernde und zyklische Druckwelle in dem Messelement in ein elektrisches Signal umgewandelt wird, – der statische Druck in dem Messraum mittels einer zweiten Öffnung, die in der Seitenwand des Teils des Messrohres (6), das sich in den Messraum erstreckt, angeordnet ist, kontinuierlich an den statischen Druck in der Durchflussleitung angeglichen wird und – der Durchfluss auf Basis der Amplitude des elektrischen Signals bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass durch Ausfiltern im Wesentlichen aller anderen Signale ein Sinussignal von dem elektrischen Signal getrennt wird.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Messrohr (6) mit einer konstanten Geschwindigkeit gedreht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchfluss auf Basis der Formel v² = ΔP berechnet wird, wobei v = Durchfluss und ΔP = Druckdifferenz zwischen den dynamischen und den statischen Drücken, die in der Durchflussleitung gegeben sind, d. h. Amplitude des elektrischen Signals.