DK174757B1 - Massestrømningsmåler med integration af accelerationskræfter på rør samt system der anvender massestrømningsmåleren - Google Patents

Description

1 DK 174757 B1

Massestrømningsmåler med integration af accelerationskræfter på rør samt system der anvender massestrømningsmåleren

Opfindelsen vedrører en massestrømningsmåler samt et system der gør brug 5 af massestrømningsmåleren ved batch dispensing, d.v.s ved portionering af fluider.

Udmåling af fluider i portioner af en ønsket størrelse er en meget almindelig foreteelse i mange grene af industrien. I denne forbindelse dækker udtrykket 10 fluider over en meget bred vifte af medier med strømningsevne, nemlig ægte væsker, for eksempel mineralske olieprodukter, drikkevarer og flydende madvarer, gasser, faste stoffer med strømningsevne, som for eksempel fine pulvere, opslemninger og så videre. Et eksempel er fyldning af beholdere til salg. Beholderne skal fyldes hurtigt med en nøjagtig portion. Gentagen 15 overfyldning er lige så uacceptabel af økonomiske grunde som gentagen underfyldning, som af kunder og myndigheder kan blive betragtet som bedrageri. Ligeledes skal tilfælde af beholderoverløb på grund af overdreven fyldning undgås, idet dette kan føre til forurening af produktionsudstyr, produktionsstop og endog farlige situationer, som for eksempel brandfare.

20

Et typisk system til udmåling af portioner indeholder en fluidkanal udstyret med en flowmåler og et elektrisk styret afspærringsorgan som foreksempel en ventil eller en pumpe, til at starte og stoppe fluidstrømmen til en doseringsdyse eller lignende. Flowmåler, ventil eller pumpe og styreenhed 25 kan være separate eller sammenbyggede enheder. Flowmåleren kan enten måle volumen eller masse. Denne opfindelse vedrører måling af masse.

Det er kendt at måle massestrømning ved at måle virkninger af acceleration og eller deceleration af væsken, når væsken passerer en indsnævring f.eks.

30 en blænde. Accelerationen måles da som en trykforskel før og efter indsnævringen. Andre trykforskels typer er kendt: venturirør, kritisk-strømnings-dyser og pitotrør. Disse giver ikke sand massestrømning, da 2 DK 174757 B1 visningen er afhængig af massefylden af væsken og hastigheden i anden potens: (1) AP = V2-p(v-v0)2 Ι2-ΔΡ (2) v = |— -V.

Her er v er hastigheden i indsnævringen, ΔΡ er trykfaldet, p er massefylden, 5 vo er hastigheden i indløbsrøret. Formlerne gælder kun for ideelle fluider. Der findes normerede tabeller for sammenhængen mellem blændens udformning og trykfaldet, som regel givet som korrektionsfaktorer der skal ganges på den teoretiske strømning, når der er afvigelser fra det ideelle.

Andre principper kendes, hvor kræfterne på et rør måles, når en fluid presses 10 ud gennem en dyse. Kræfterne er proportionale med produktet af massestrømmen og hastigheden:

(3) F = Konst Qmm · vouf = Konst p A vJ

15 Her er p er massefylden, A er tværsnitsarealet af røret, Vouf er strømningshastigheden ud af dysen og Qmass er massestrømmen. Her kræves igen kendskab til massefylden p for at løse ligningen med hensyn til massestrømmen Qmass· 20 Fra US 4,677,859 kendes en masseflowmåler, der gør brug af en momentmåling. Massefiowmåleren bygger på den grundtanke, at hvis man holder en målepind ind ind i en væskestrømning vil pindens udbøjning være et udtryk for flowet. I den konkrete konstruktion sættes et s-formet rør ind i serie med flowrøret sådan at fluiden går fra flowrøret ind i det s-formede rør 25 og ud i den fortsættende del af flowrøret igen. Når fluiden passerer s-røret opstår der i s'ets kurver normalkræfter, der måles af to krafttransducere, idet røret vil udbøjes. Massestrømsmåleren er i stand til at give en kontinuerlig udlæsning af det aktuelle masseflow, men det kræver en ekstra sensor i form af en hastighedssensor eller viden om fluidens densitet. En anden ulempe 3 DK 174757 B1 ved konstruktionen er, at flowrøret er brudt for at give plads til det s-formede målerør.

En fjerde type massestrømningsmålere er corioliskraft-baserede målere som 5 anvender coriolisaccelerationen til bestemmelse af massestrømning i vibrerende rør. Dette er eksempelvis kendt fra DE 19831505. Dette princip måler massestrømning direkte og er et princip der vinder stadig større udbredelse, men det har en enkelt ulempe. Når væsken ændrer hastighed opstår der kræfter på de svingende rør, der kan sætte dem i svingninger der 10 interfererer med de svingninger der anvendes til målingen. Herved opstår støj på målesignalet ved pludselige start og stop. Det giver en begrænsning når massestrømningsmåleren skal bruges til fyldning af små beholdere på kort tid som tidligere beskrevet.

15 Den foreliggende opfindelse har som opgave at fremstille en massestrømningsmåler der ikke har denne ulempe, men tværtimod udnytter de forstyrrende kræfter til at bestemme massestrømningen.

Den heri beskrevne opfindelse løser den stillede opgave ved at måle de 20 kræfter hidrørende fra acceleration og deceleration der opstår på rørene, når gennemstrømningen ved start og stop af en fluid ændrer sig og herefter foretage en integration af den målte størrelse for at finde den påtrykte massestrømning.

25 Ved at foretage endnu en integration af den målte størrelse kan den totale mængde, der er strømmet gennem massestrømningsmåleren siden start, findes.

Bestemmelsen af massestrømningen har vist sig at være særligt nøjagtig hvis 30 begyndelsesstrømningen ved begyndelsen af måleperioden kendes. Den kendte værdi har foretrukket størrelsen nul.

4 DK 174757 B1

Den stillede opgave løses endvidere med et system til udmåling af portioner af fluid, hvor massestrømningsmåleren er en del af systemet, som indeholder en central flowstyreenhed og et afspærringsorgan. Portioneringen af fluid sker ved at den centrale flowstyreenhed eller massestrømningsmåleren åbner og S lukker for afspærringsorganet, og at der på massstrømningsmålerens målerør er anbragt en transducer til at måle den kraft, røret udsættes for af fluiden ved åbning og lukning af afspærringsorganet.

Herefter følger en gennemgang af opfindelsen med udgangspunkt i figurerne 10 hvor

Fig.1 viser et bøjet målerør anbragt i en blok Fig.2 viser et målekredsløb ifølge opfindelsen Fig.3 viser en rørsløjfe med transducere ifølge opfindelsen 15 Fig.4 viser et portioneringssystem der gør brug af opfindelsen Fig.5 er et blokdiagram over signalbehandlingskredsløbet

Figur 1 viser en simpel udformning af røret 1 holdt fast af en ubevægelig blok 2. Den øverste vandrette del med længden L er den del hvor kræfter fra 20 massestrømningsændringen giver anledning til et bøjningsmoment i røret, dette moment er størst der hvor røret går ind i ankerblokken.

Newtons anden lov siger, at summen af kræfterne på et legeme er lig med ændringen af bevægelsesmængde pr tidsenhed: 25 (4) v ' ^ dt Væskens masse m udtrykkes ved A-p-Log væskens hastighed v ved

Qm/Ap. L er den længde af røret, som udsættes for kraften. Lader vi 30 væskestrømningen i røret 1 fastspændt i en ankerblok 2 som vist i Fig. 1.

5 DK 174757 B1 ændres fra O til Qm(t), så får vi en kraft F(t) på den vandrette del L af røret 1.

Kraften udtrykkes ved ligning (5): (5) F(t) = L^& dt 5

Denne kraft kan måles med en krafttransducer. I den foretrukne udførelse bliver kraften målt med strain gauges anbragt uden på røret tæt ved ankerblokken 2.

Er kraften F(t) målt kan massestrømningen Qm(t) (kg/s) og den totale masse 10 Mass(t) (kg) beregnes ved henholdsvis integration og dobbelt integration: («) QÅt)°\'\n‘)-dt L 0 1 1 * (7) Massif) = — Ij>(/) dt dt ^00

Den målte kraft F(t) vil selv om strømningen er konstant kunne vise en værdi forskellig fra nul. Dette kan skyldes tyngdekraften eller unøjagtigheder i transduceren hidrørende fra temperaturændringer, ældning eller andet. Det 15 giver især ved lange måletider en meget stor fejl, idet den konstante fejl integreres to gange med hensyn til tiden og dermed bliver fejlen proportional med måletiden i anden potens. For at undgå at denne fejlmåling, aflæses kraften i et tidsrum hvor det vides at strømningen ikke ændrer sig, for eksempel i et tidsrum hvor der er lukket for strømningen. Den således fundne 20 kraft anvendes som nulpunkt i den efterfølgende måling. I Fig. 5. vises hvorledes signalbehandlingskredsløbet kunne udføres. Til venstre signalet F(t) fra krafttransduceren. Differensen af to på hinanden følgende samples AF(t) findes medens ventilen er lukket. Ved integration af denne størrelse findes igen F(t), men lige før ventilen åbnes sættes denne digitale integrator 25 på nul, hvorefter værdien F(t)-F(0) haves som resultat af integrationen. F(0) er kraften når strømningen er uændret (nul). Den fundne værdi divideres med længden L af det rørstykke der frembringer kraften. Efter endnu en digital integration fås massestrømningen Qm(t) og endnu en digital integration giver 6 DK 174757 B1 den totale mængde Mass(t), der er strømmet gennem røret siden ventilen blev åbnet.

Fig.2 viser en bro 3 bestående af strain gauges med en 5 instrumenteringsforstærker 4 efterfulgt af en digital analog konverter 5 og en mikroprocessor 6. Andre typer transducere kan også anvendes. Til måling af acceleration kan et accelerometer anvendes. Kræfter måles med ohmske strain gauges som beskrevet, eller ved brug af en kapacitiv pick up. Hvis man ønsker at bestemme rørets udbøjning kan man f.x. bruge en lysgaffel. Til 10 måling af hastighed kan en elektromagnetisk pick up anvendes En ulempe ved at anvende strain gauges i forhold til de i vid udstrækning anvendte elektromagnetiske pickupper er, at strain gauges skal have tilført en spænding for at virke efter hensigten. Hvis den fornødne spænding ikke er til rådighed, for eksempel fordi antallet af ledninger til sensoren er begrænset, 15 kan en anden type sensorer, nemlig piezokeramiske pickupper, anvendes i stedet for strain gauges og monteres på samme måde og samme sted. Ved mekanisk deformation genererer den piezokeramiske pickup et signal, der kan bruges som udtryk for rørets bøjning. Fordelen ved piezokeramiske pickupper er typisk et højere temperaturområde og at de afgiver en spænding 20 uden behov for ekstra strømforsyning. Til gengæld giver strain gauges et mere robust signal og der findes også metoder til at fremstille strain gauges til høj temperatur. Anvendelsen af accelerometre kræver to ekstra integratorer, og elektromagnetiske pickupper og elektromagnetiske pickupper kræver én ekstra i forhold til strain gauges.

25

Fig. 3 viser en alternativ udformning af røret i forhold til figur 1, og har en rørsløjfe 9, der er fastholdt af en ankerklods 12. Tæt ved klodsen er der monteret strain gauges 10 (vist i udsnit på figuren) til måling af momentet der opstår som følge af accelerationskræfterne på røret. Indløb 7 og udløb 8 og 30 rørsløjfe kan udføres i et stykke rør.

7 DK 174757 B1

Fig. 4. viser et fyldesystem hvor rørsløjfe 32, målerør 21, flowstyreenhed 33, massestrømningsmåler 23 og ventil 24 er forbundne. Indløb 27 og udløb 28 er fastholdt i en ankerblok 26 således at de står vinkelret på hinanden.

Systemet i Fig. 4. er den foretrukne udførelse, og kan anvendes til fyldning af 5 beholdere hvor fyldningen tager relativt kort tid. Massestrømningsmåleren 23 kontrollerer ventilen 24. Inden fyldningen påbegyndes måles kraften fra strain , gauge broen 3 (fig.2 samt 10, fig.3) via ledningerne 22 og denne kraft betragtes som nulpunkt og de to førnævnte integratorer nulstilles. Et startsignal på ledning 30 fra flowstyreenhed 33 sætter batch processen igang 10 så ventilen 24 åbnes med signal via ledning 31. Væsken begynder at strømme og fra fyldestudsen 29 doseres væske til beholder 25. På grund af væskestrømmen opstår kræfter på rørsløjfen, og strain gauge broen ændrer værdi. Den aflæste kraft minus værdien før start integreres fra start, og resultatet viser den øjeblikkelige massestrømning. Den øjeblikkelige 15 strømning integreres også fra start og den øjeblikkelige totale mængde findes. Når den totale mængde er lig med den ønskede mængde, fratrukket et eventuelt forventet efterløb på grund af forsinkelser i ventilen eller målekredsløbet, lukkes ventilen. Er strømningen forskellig fra gang til gang vil det forventede efterløb ændres proportionalt med strømningen. Fra EP 20 1132722 A2 er det kendt at foretage en sådan dynamisk kompensering for efterløbet.

Haves en naturligt pulserende strømning som fra en stempelpumpe, hvor det vides at strømningen er nul imellem hvert stempelslag, kan princippet også 25 anvendes. Her kan man så enten etablere en forbindelse mellem pumpen og måleren der fortæller, hvornår strømningen er nul. Eller der kan også laves en rutine der finder kraften når den har været konstant i en given tid, her vides det at strømningen er nul og at den ikke ændrer sig. Hvis den beregnede strømning samtidigt er nær nul må det antages at den virkelige strømning 30 reelt er nul og en ny korrektionsværdi Foam for kraften kan beregnes ud fra forrige korrektionsværdi FoN samt afvigelsen i det beregnede flow Qm(t) divideret med tiden t hvori der er målt og ganget med længden L.

8 DK 174757 B1 (8) Fo^=Fo„-L.M1

Samme fremgangsmåde kan også anvendes i det tilfælde hvor ventilen 5 kontrolleres af massestrømningsmåleren 23.

Claims (23)

1. En massestrømningsmåler kendetegnet ved at have mindst ét bøjet rør (9,32) med hjælpemidler (3,10) til at måle kræfter på røret hidrørende fra S acceleration og deceleration rettet langs rørets akse ved start og stop af en fluid i røret, og hvor de målte kræfter underkastes en integration for at finde den påtrykte massestrømning.

2. Massestrømningsmåler i henhold til krav 1 kendetegnet ved at den fundne 10 massestrømning (Qm(t)) integreres for at finde den totale mængde (Mass(t)) der er strømmet gennem måleren siden start.

3. Massestrømningsmåler i henhold til krav 1 eller 2 kendetegnet ved at massestrømningen beregnes ud fra kræfterne på røret i en tidsperiode hvortil 15 begyndelsesstrømningen kendes.

4. Massestrømningsmåler i henhold til krav 3 kendetegnet ved at begyndelsesstrømningen er nul.

5. Massestrømningsmåler i henhold til krav 1 kendetegnet ved at kræfterne på røret måles med en krafttransducer.

6. Massestrømningsmåler i henhold til krav 5 kendetegnet ved at krafttransduceren er baseret på strain gauges (3,10). 25

7. Massestrømningsmåler i henhold til krav 5 kendetegnet ved at krafttransduceren er baseret på piezoelektriske materialer.

8. Massestrømningsmåler i henhold til krav 5 kendetegnet ved at kræfterne 30 måles ved hjælp af ændringer i permeabiliteten i et transducermateriale.

9. Massestrømningsmåler i henhold til krav 1 kendetegnet ved at kræfterne måles ved at måle rørets udbøjning.

9 DK 174757 B1 Patentkrav.

10. Massestrømningsmåler i henhold til krav 9 kendetegnet ved at 5 ud bøjningen måles ved hjælp af strain gauges (10).

10 DK 174757 B1

11 DK 174757 B1 acceleration, hastighed, udbøjning eller kraft, og at det integrerede signal fra transduceren i tiden hvor hvor et afspærringsorgan (24) er lukket anvendes til beregning af nulpunkt for transduceren.

11. Massestrømningsmåler i henhold til krav 9 kendetegnet ved at udbøjningen måles ved hjælp af en kapacitiv pickup.

12. Massestrømningsmåler i henhold til krav 9 kendetegnet ved at udbøjningen måles ved hjælp af lys.

13. Massestrømningsmåler i henhold til krav 1 kendetegnet ved at kræfterne beregnes ud fra en måling af rørets acceleration. 15

14. Massestrømningsmåler i henhold til krav 13. kendetegnet ved at accelerationen måles ved hjælp af et accelerometer.

15. Massestrømningsmåler i henhold til krav 1 kendetegnet ved at kræfterne 20 beregnes ud fra en måling af rørets hastighed.

16. Massestrømningsmåler i henhold til krav 15 kendetegnet ved at hastigheden måles ved hjælp af en elektromagnetisk pickup.

17. Massestrømningsmåler i henhold til krav 1 eller 2 kendetegnet ved at hjælpemidlet til at måle kræfter er en transducer (3.10) til måling af acceleration, hastighed, udbøjning eller kraft, og at signalet fra transduceren i tiden hvor et afspærringsorgan (24) er lukket anvendes som nulpunkt for transduceren.

18. Massestrømningsmåler i henhold til krav 1 eller 2 kendetegnet ved at hjælpemidlet til at måle kræfter er en transducer (3,10) til måling af 30

19. Massestrømningsmåler i henhold til krav 17 og 18 kendetegnet ved at det fundne nulpunkt fratrækkes den målte kraft før integrationen.

20. Massestrømningsmåler i henhold til et af de foregående krav kendetegnet ved at hjælpemidlerne til måling af kræfter på røret er anbragt tæt på en 10 ankerblok (2) i hvilken røret er fixeret.

21. System til udmåling af portioner af en fluid hvor systemet indeholder en central flowstyreenhed (33), en massestrømningsmåler. (23) indeholdende et målerør (32), og et afspærringsorgan (24) og hvor portioneringen af fluid sker 15 ved at åbne og lukke for afspærringsorganet kendetegnet ved at der på massestrømningsmålerens målerør (32) er anbragt en transducer (10) som måler den kraft (F(t)) målerøret udsættes for af fluiden ved åbning og lukning af afspærringsorganet.

22. System i henhold til krav 21 kendetegnet ved at massestrømningsmåleren foretager en integration af den målte kraft for at bestemme massestrømningen.

23. System i henhold til krav 22 kendetegnet ved at massestrømningsmåleren 25 foretager en integration af den bestemte massestrømning for at bestemme den totale masse.