EP2215432A1 - Messsystem, insbesondere zur durchflussmessung eines in einer rohrleitung strömenden messmediums - Google Patents

Messsystem, insbesondere zur durchflussmessung eines in einer rohrleitung strömenden messmediums

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Publication number
EP2215432A1
EP2215432A1 EP08853911A EP08853911A EP2215432A1 EP 2215432 A1 EP2215432 A1 EP 2215432A1 EP 08853911 A EP08853911 A EP 08853911A EP 08853911 A EP08853911 A EP 08853911A EP 2215432 A1 EP2215432 A1 EP 2215432A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
temperature
measuring
functional
medium
tube
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP08853911A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas Berger
Achim Wiest
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Endress and Hauser Flowtec AG
Original Assignee
Endress and Hauser Flowtec AG
Flowtec AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Endress and Hauser Flowtec AG, Flowtec AG filed Critical Endress and Hauser Flowtec AG
Publication of EP2215432A1 publication Critical patent/EP2215432A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F15/00—Details of, or accessories for, apparatus of groups G01F1/00 - G01F13/00 insofar as such details or appliances are not adapted to particular types of such apparatus
    • G01F15/02—Compensating or correcting for variations in pressure, density or temperature
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/66—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by measuring frequency, phase shift or propagation time of electromagnetic or other waves, e.g. using ultrasonic flowmeters
    • G01F1/662—Constructional details

Definitions

  • Measuring system in particular for flow measurement of a flowing in a pipeline medium
  • the present invention relates to a measuring system, in particular for
  • Flow measurement of a flowing in a pipe measuring medium, in particular a fluid which measuring system comprises a measuring tube and at least two holding elements for holding at least one functional component, in particular for holding sensors, which each functional components have at least one functional surface comprises, which measuring tube comprises a support tube which holding elements are in each case connected to the carrier tube at at least one connecting surface and in each case two mutually opposite connecting surfaces of the holding elements have a distance Y and two respective opposing functional surfaces of the functional components, which are held in the holding elements, have a distance X.
  • measuring systems in particular from the magnetic inductive flow measurement or from the flow measurement based on ultrasound known, where at least two sensors face each other, wherein at least one sensor picks up a measurement signal, which depends inter alia on the distance of the sensors. There is a signal path between the sensors.
  • US7044001 B2 describes an ultrasonic flowmeter wherein two ultrasonic sensors are spaced apart at an angle to a support tube on which the sensors are mounted. A signal which is emitted by a first sensor in the direction of a second sensor, the speed of the flow of the measuring medium flowing in the support tube is determined by this receiving and the propagation times of the signal.
  • Ultrasonic flowmeters are widely used in process and automation technology. They allow in a simple manner, the volume flow in a pipeline to determine contactless.
  • the known ultrasonic flowmeters often work after the Doppler or after the transit time difference principle.
  • ultrasonic pulses are sent both in and against the flow.
  • the runtime difference can be used to determine the flow velocity and, with a known diameter of the pipe section, the volume flow rate.
  • the ultrasonic transducers normally consist of a piezo element, also called piezo for short, and a coupling element, also known as a coupling wedge or, more rarely, a precursor body, made of plastic.
  • a piezoelectric element In the piezoelectric element, the ultrasound is generated and guided via the coupling element to the pipe wall and from there into the liquid. Since the speeds of sound in liquids and plastics are different, the ultrasonic waves are refracted during the transition from one medium to another. The refractive angle is determined by Snell 's law. The angle of refraction is thus dependent on the ratio of the propagation velocities in the two media.
  • the coupling element is aligned on the pipe or in a sensor holder attached to the pipe.
  • WO03 / 006932A1 shows the structure of an ultrasonic sensor.
  • the materials from which the coupling elements are made usually have certain properties to conduct ultrasonic signals, at the same time they usually have a higher thermal expansion than the sensor sleeve. They are firmly inserted into the sensor sleeve or potted in this, in order to prevent a temperature-induced expansion of the coupling elements.
  • coupling element and sensor sleeve form a contact surface.
  • the measurement error due to a temperature expansion of the measuring tube or the sensors themselves ie the temperature dependence of the measurement of the geometric dimensions of the measuring system, in particular the distance of the sensors from one another and thus the signal path, did not receive any attention.
  • the object of the invention is to propose a measuring system for measuring a fluid flowing in a pipeline or in a measuring tube, which has a high measuring accuracy over a wide temperature range.
  • measuring system in particular for flow measurement of a flowing in a pipeline medium, in particular a fluid
  • which measuring system a measuring tube and at least two holding elements for holding in each case at least one functional component, in particular for holding sensors, which functional Components each have at least one functional surface
  • a measuring system thus has n holding elements, where n is an element of the natural numbers.
  • Geometries and material-own sizes of the holding elements and / or geometries and material-own sizes of the functional components and geometries and substance-own sizes of the support tube are coordinated so that relative distances x functional surfaces of the functional components in Dependence of a temperature T of flowing through the measuring tube
  • a geometry characterizes the structural design, in particular size and shape, of a body.
  • density or porosity in the case of open or closed-pore structures are also determined by the geometry.
  • material-specific quantities can change over time and / or via further parameters, in particular via temperature. They are usually calculated using functions, including material constants as coefficients.
  • thermal expansion, or thermal expansion is usually described by ⁇ , as most physical quantities are not linear.
  • the basic idea of the invention is the construction of the holding elements and / or the functional components of at least two materials whose thermal expansions are different from each other.
  • the invention can also be used in FüNstandsteil.
  • the shape of the measuring tube is not limited to a circular cross-section. Rectangular tubes or other known from the level measurement container container can be configured according to the invention. Due to the temperature-dependent adjustment of the distance of the functional surfaces, temperature-related measurement errors can be reduced, which would occur in a measuring system where the material's own sizes in relation to the geometry of the measuring system are not sufficiently taken into account in the design of the measuring system according to the invention.
  • the settings of the spacings of respectively two functional surfaces can lead to a reduction of a measuring error or the division of several opposing functional surface pairs contributes to the mentioned compensation , which can experience quite different Abstandsä ⁇ derept, so the interaction of different distance changes leads to the measurement error reduction.
  • Functional surfaces may be, for example, the sound exit or the sound output surface of the coupling elements in ultrasonic sensors, the Schalfeintritts- or the Schalleinkoppel friendship the Koppeleiemente or the piezoelectric elements or magnetically inductive flow meters, the opposing electrode surfaces.
  • the wide temperature range is the range in which the thermal expansions can be predicted or predicted, in particular the range in which the linear laws of thermal expansion and stiffness apply and can be assumed. The limits are substance-dependent.
  • the essential idea of the invention is to match the geometric relationships of sensor and carrier tube and their properties with respect to their expansion over the temperature so that the influence of the temperature of the measuring tube is reduced to the measurement.
  • the effects of different expansion over temperature of support tube and retaining element and / or functional component compensate each other in the ideal case.
  • the support tube and the holding member made of a first material and the functional component consists of a second material, wherein both materials differ and the coefficients of thermal expansion of both Materiaien and the geometric dimensions of the support tube and retaining element and functional component are coordinated accordingly.
  • this can be changes both in the radial direction of the measuring tube and in the axial direction. As a result, the measuring accuracy is less dependent on the temperature of the medium to be measured.
  • the material of the functional component such as a Ultraschallkoppeielements is no longer selected purely for manufacturing aspects or the quality of the sound-influencing properties, but the geometric dimensions of the functional component and / or the support member are dependent on the ratio of the geometric dimensions of the support tube and / or the Halteeiements, the substance-own sizes of the material of the support tube and / or the holding element and the intended use of the measuring system.
  • the temperature expansion coefficients are included for material selection.
  • Thermal expansion coefficient of the functional component support tube and / or the holding element is a function of the coefficient of thermal expansion of the support tube and / or the holding element.
  • the sound velocities in coupling elements, carrier tube and / or measuring medium are relevant for the measurement with an ultrasonic flowmeter, the electrical conductivities for a magneto-inductive measuring device. However, some of these are known or a prerequisite for the material used or they can be determined during or shortly before the actual measurement. Thus, they are not relevant to the geometric design of the measuring system in the production of the measuring system according to the invention.
  • the support tube expands upon heating or cooling in a certain dependence on the temperature difference around which it is heated or cooled, and on material-own sizes of the material of which the support tube consists, and on the geometric conditions of the support tube.
  • a technically qualified person is usually known in this context as the term expansion, although cooling is actually a shrinkage.
  • retaining elements which are fixedly mounted on the support tube and / or functional components expand. If the material of the functional component has a higher thermal expansion compared to the support tube and / or the holding element at the same temperature difference, the functional component expands more, so to a greater extent. Since the expansion of the functional component is limited at least in one direction by the retaining element or by the fastening in the retaining element, the functional component expands in a desired direction.
  • the material's own sizes are to be matched to the existing geometries.
  • the measurement deviation due to the temperature-induced expansion of the support tube is, as already described, reduced by the deviating from the support tube expansion over temperature of the functional component and / or the Halteeiements.
  • the invention enables cost-effective high measurement accuracy in comparison with the prior art Achieve technology. But also in the level measurement, the measuring system according to the invention can be used advantageously.
  • isotropic materials may be used or anisotropic materials may be used for the production of the functional component and / or for the production of the support element and / or for the production of the support tube, in particular with different inherent sizes, e.g. axially and radially different coefficients of thermal expansion.
  • thermo-related measurement deviations in addition to the geometric changes of the measuring system, is the temperature dependence of the speed of sound in the medium to be measured, which leads to a measurement error, especially in ultrasound flow meters.
  • a further advantageous embodiment of the device according to the invention is to be seen in that the holding elements have a tempering device, whereby a predetermined temperature of the holding elements and / or the functional components attached to the holding elements is adjustable.
  • the tempering device can be located in the holding element and / or on the holding element, in particular around the holding element around. In particular in the case where sensors are attached to the holding elements and functional components of the sensors or their distance from each other are to be aligned, If the sensors are to be tempered, it is preferable for temperature control devices to be mounted in and / or on and / or around the sensor housing.
  • the temperature of the temperature control device is controlled by the temperature of the medium to be measured as a controlled variable or it depends on the time course of the temperature of the medium and / or the temperatures in the support tube and / or the temperature of the environment of the measuring system.
  • tempering are conceivable.
  • Cooling or heating fluids in particular in connection with at least one
  • Temperature sensor which determines the temperature of the medium used.
  • X (T 0 ) functional components at a temperature change AT-TT 0 of the measuring medium, starting from an initial temperature T 0 of the measuring medium, is smaller than a relative change AY (T) - ⁇ (T) - ⁇ ( ⁇ o ) of the distance of the connecting surfaces of
  • the distance of opposing functional surfaces of the functional components is approximately constant over a wide temperature range or a distance of, the measuring medium facing sides of, on the functional surfaces of bodies attached to functional components is approximately constant over a wide temperature range, or a distance of sides or surfaces of the bodies, in particular sensors, which are attached to the functional surfaces of the functional components is approximately constant over a wide temperature range.
  • n is the natural number element and in each case two connecting surfaces q and r, which have a distance Y qr and two functional surfaces q and r, respectively, which have a distance X qr , wherein associated holding elements,
  • Connecting surfaces, functional components and functional surfaces each have the same index, i. wherein Haiteeiement i is connected to the support tube at the joints i, the functional component i with the functional surfaces i in turn is supported by the holding element i and i- 1, ..., n, are geometries and material-own sizes of the Haiteiata and / or geometries and In-house sizes of the functional components and geometries and material-specific sizes of the support tube are coordinated so that a relative
  • ⁇ qrU ⁇ ) functional components at a temperature change ⁇ T T-To of the measured medium, starting from an initial temperature T 0 of the Meßmedäums, less than 50%, preferably less than 20%, in particular less than 10%, in particular less than 5%, in particular less than 2%, in particular less than 1%, is, as a relative change
  • sensors such as ultrasonic wall mounted on the holding elements
  • the distance between the functional components or the functional surfaces of the sensors such as piezoelectric layers or the surface of the sound outlet from the sensor into the measuring medium, which emit and receive the Uftraschallsignal over a wide temperature range approximately constant.
  • opposing sensors which face each other in particular axially, in particular in a measuring tube for flow measurement, a in a wide temperature range approximately the same distance and thus one approximately the same signal path.
  • a temperature-related measurement deviation as occurs in the prior art by changing the signal path under the influence of temperature, is significantly reduced.
  • Inner diameter for example, a lined with a liner carrier tube, this is among other things particularly advantageous for ultrasonic flow measuring devices, which measure the transit time parallel to the flow direction of the medium.
  • the distance of the sensors over a wide temperature range can be kept constant, but by the extension of the support tube is Messfehier introduced into the calculation of the flow. If the free cross section of the measuring tube or its clear width is kept constant, the measurement error is substantially reduced. But also in the level measurement, the measuring tube according to the invention can be advantageously used. Thus, the distance of sensors or the length of a signal path can be kept approximately constant, as e.g. also with magnetic inductive flowmeters or optical measuring devices.
  • the flow measuring system operates on the basis of ultrasound and comprises at least two ultrasonic sensors spaced apart from one another parallel to the main flow direction of the measuring medium in a measuring tube, wherein the inner diameter of the
  • Measuring tube is approximately constant over a wide temperature range and wherein the distance of the functional surfaces of the sensors over a wide temperature range is approximately constant.
  • the functional surfaces of the ultrasonic sensors are the ends of the leading bodies of the ultrasonic sensors. They fulfill the function of the transmission of the sound from the sensor to the measuring medium and back.
  • the Voriauf stresses are preferably fixed in a metal sleeve, which in turn serves as a holding element, wherein the fixing of the flow body in the metal sleeve is designed so that the flow body can expand freely in the direction of the opposite sensor, so the sensors each at the, the opposite end facing away from the sensor body to the holding element, ie in the metal sleeve, are fixed.
  • the flow body itself thus represents a functional component with the sound output surface as a functional surface.
  • An alternative is the fixation of the ultrasonic sensor to a holding element, wherein the sensor facing away from the opposite end of a sensor is fixed to the holding element.
  • the flow body is the distance-compensating functional component, a lining of a support tube comparable or accepting their functionality, which compensates for the axial extent of the measuring tube and optionally the first part of the support member.
  • Such a Ultraschallail-Messzeiie can have very small dimensions and is therefore variable.
  • a flow measuring system wherein the distances of the functional surfaces of the sensors over a wide temperature range are approximately constant, the angle of the functional surfaces to each other but change over the temperature.
  • Pressure range is approximately constant.
  • the length of the central axis of the measuring tube inlet to the measuring tube outlet is referred to as the length of the measuring tube.
  • the Haiteeiemente can, in addition to sensors, for example, the tube ends closing plates, creating a hollow cylinder with a, over a wide temperature range constant volume.
  • the functional surface or the side of the functional component which faces the measuring medium is the side of the plate which points into the tube to the measuring medium.
  • the holding elements may in this case be designed as a plate itself.
  • Such a container with a, over a wide temperature range constant volume can be used in many areas. With it can be particularly advantageous measure a volume of a fluid.
  • Another expedient embodiment of the solution of the invention is that the distance of the functional surfaces of the sensors in dependence on the change in cross section of the measuring tube, that is, to the change in the inner diameter.
  • Fig. 1 shows a sectional view in the longitudinal direction of an inventive
  • Fig. 2 shows a sectional view in the longitudinal direction of an inventive
  • Fig. 3 shows a detailed view of a HaStelements in section.
  • Fig. 4 shows a detailed view of another holding element in section.
  • FIG. 1 shows a sectional view in the longitudinal direction of a measuring tube 1 according to the invention with holding elements 14 and functional components 28.
  • the holding elements 14 are made of a first material, the functional components 28 of a second material, the functional components 28 are preferably glued to the holding elements 14 or otherwise materially interconnected.
  • the Haiteimplantation 14 are firmly connected to the support tube and protrude into the interior of the measuring tube 1 in.
  • the material from which the holding elements 14, which are connected to the support tube 2, are made, is matched with the material of the support tube 2. Thereby, the radial extent of the support tube 2 is compensated and the holding elements 14, remain in the radial direction over a wide temperature range at the same position.
  • the material of the functional components 28, which compensate for the axial extent of the support tube 2, is also dependent on the material of the support tube 2. In addition, it depends on the material of the holding elements 14 and on the geometries of the components.
  • the functional components 28 have functional surfaces 16, the mutual distance 15 is dependent on the temperature-dependent thicknesses of the functional components 28 and the temperature-induced increase of the Haiteimplantation 14 in the axial direction of the support tube 2.
  • Thejansfiambaen 16 may have a, over a wide temperature range, the same distance 15 to each other, so that, for example when attaching sensors, a parallel signal path of constant length to the main flow direction of the measuring medium 4 is formed. On the other hand, their distance may also depend on the structure of the attached sensors.
  • Haiteimplantation 14 may be designed so that not have the functional surfaces 16 gieambaen distance, but functional surfaces of the sensors.
  • the geometry and the materials of the sheath elements 14 and the functional components 28 are thus additionally dependent on the geometry and the materials of the sensors applied to them.
  • FIG. 2 shows a longitudinal sectional view of an inline ultrasound measuring system according to the invention with an approximately constant distance 15 and an approximately constant angle of the functional surfaces 16 of the ultrasonic sensors to one another.
  • functional surfaces 16 the areas facing the measuring medium 4 and the mutually opposite surfaces of the flow body 24 are considered here.
  • piezo elements or other functional elements would be possible.
  • the flow body 24 are on the one hand part of the sensors and at the same time functional component.
  • Fig. 3 is a detail view of an ultrasonic sensor is shown.
  • the structure of a sensor is at least two parts, ie it consists of at least two joined parts, which consist of different materials.
  • the sensor sleeve 25 is the sensor sleeve 25 and the flow body 24.
  • the sensor sleeve 25 is cut and the flow body 24 shown uncut.
  • the sensor sleeve 25 is firmly connected to the support tube 2. It preferably consists of a material with a similar coefficient of thermal expansion as the support tube 2. It can also be made of the same material.
  • the sensor sleeve encloses the flow body 24 radially completely.
  • the flow body 24 is made of a different material than the sensor sleeve 25, in particular its thermal expansion is significantly higher, and it is preferably stoffschiüssig connected to the Sensorhüise 25, preferably via an adhesive surface 26, which extends circumferentially around the flow body.
  • the opposing between the two adhesive surfaces 26 parts of the flow body 24 of the two sensors can expand freely in the direction of the respective opposite sensor. It is achieved, the structural design of the flow body 24 depending on the materials used by Voriauf stresses 24, sensor sleeve 25 and support tube 2 and depending on the geometries of the sensor sleeve 25 and support tube 2 provided that the distance 15 of the two functional surfaces 16 of the Voriauf stresses 24 via a wide temperature range is approximately constant. Likewise, it can be achieved that the angles between the functional surfaces 16 of the sensors are approximately constant over a wide temperature range.
  • a bore 30 is provided in the measuring tube 1.
  • a first disc 31 is inserted with an opening 31 so that it closes the outside of the measuring tube 1 and a second disc with an opening 32 forms with the inside of the wall of the measuring tube 1 a conclusion.
  • a membrane 34 with a clamped body such as a therein gehaiterter lead body 24, introduced.
  • the membrane 34 is made of a different material than the measuring tube 1, can move between the discs 31 and 32 in the longitudinal direction of the measuring tube 1 and is designed so that the temperature-dependent longitudinal extent of the measuring tube 1 is compensated at the flow body 24.
  • the distance between two Voriauf emotions be kept approximately constant.

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Abstract

Kern der Erfindung ist der Aufbau eines Messsystems aus mindestens zwei Materialen mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten derart, dass verschiedene temperaturbedingte Messabweichungen, welche bei einem konventionellen Aufbau entstehen, korrigiert werden bzw. nicht entstehen.

Description

Messsystem, insbesondere zur Durchflussmessung eines in einer Rohrleitung strömenden Messmediums
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Messsystem, insbesondere zur
Durchflussmessung eines in einer Rohrleitung strömenden Messmediums, insbesondere eines Fluids, welches Messsystem ein Messrohr und mindestens zwei Halteelemente zur Halterung jeweils mindestens eines funktionalen Bauteils, insbesondere zur Halterung von Sensoren, welche funktionalen Bauteile jeweils mindestens eine Funktionsfläche aufweisen, umfasst, welches Messrohr ein Trägerrohr umfasst, welche Halteelemente an jeweils mindestens einer Verbindungsfläche mit dem Trägerrohr in Verbindung stehen und jeweils zwei sich gegenüberstehende Verbindungsflächen der Halteelemente einen Abstand Y aufweisen und jeweils zwei sind gegenüberstehende Funktionsflächen der funktionalen Bauteile, welche in den Halteelementen gehaltert sind, einen Abstand X aufweisen.
Es sind Messsysteme, insbesondere aus der magnetisch induktiven Durchflussmessung oder aus der Durchflussmessung auf Basis von Ultraschall bekannt, wo sich mindestens zwei Sensoren gegenüberstehen, wobei mindestens ein Sensor ein Messsignal abgreift, was unter anderem vom Abstand der Sensoren abhängt. Zwischen den Sensoren besteht ein Signalpfad.
Die US7044001 B2 beschreibt ein Ultraschaildurchflussmessgerät, wobei sich zwei Ultraschallsensoren unter einem Winkel zu einem Trägerrohr, auf dem die Sensoren befestigt sind, mit einem Abstand gegenüberstehen. Ein Signal, welches von einem ersten Sensor in Richtung eines zweiten Sensors ausgesandt wird, wird von diesem Empfangen und über die Laufzeiten des Signais die Geschwindigkeit der Strömung des in dem Trägerrohr fließenden Messmediums ermittelt.
Uϊtraschall-Durchflussmessgeräte werden vielfach in der Prozess- und Automatisierungstechnik eingesetzt. Sie erlauben in einfacher Weise, den Volumendurchfluss in einer Rohrleitung berührungslos zu bestimmen. Die bekannten Ultraschall-Durchflussmessgeräte arbeiten häufig nach dem Doppleroder nach dem Laufzeitdifferenz-Prinzip.
Beim Laufzeitdifferenz-Prinzip werden die unterschiedlichen Laufzeiten von Ultraschallimpulsen relativ zur Strömungsrichtung der Flüssigkeit ausgewertet. Es wird die Tatsache ausgenutzt, dass die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Ultraschallwellen in einem Medium von dessen Fiießgeschwindigkeit direkt beeinflusst wird.
Hierzu werden Ultraschallimpulse sowohl in wie auch entgegen der Strömung gesendet. Aus der Laufzeitdifferenz lässt sich die Fließgeschwindigkeit und damit bei bekanntem Durchmesser des Rohrleitungsabschnitts der Volumendurchfluss bestimmen.
Die Ultraschallwandler bestehen normalerweise aus einem Piezoelement, auch kurz Piezo genannt, und einem Koppelelement, auch Koppelkeil oder seltener Vorlaufkörper genannt, aus Kunststoff. Im Piezoeiement werden die Ultraschallweilen erzeugt und über das Koppelelement zur Rohrwandung geführt und von dort in die Flüssigkeit geleitet. Da die Schallgeschwindigkeiten in Flüssigkeiten und Kunststoffen unterschiedlich sind, werden die Ultraschallwellen beim Übergang von einem zum anderen Medium gebrochen. Der Brechungswinkei bestimmt sich nach dem Snell'schen Gesetz. Der Brechungswinkel ist somit abhängig von dem Verhältnis der Ausbreitungsgeschwindigkeiten in den beiden Medien.
Üblicherweise wird das Koppelelement am Rohr bzw. in einem am Rohr befestigten Sensorhalter ausgerichtet.
Die WO03/006932A1 zeigt den Aufbau eines Ultraschallsensors. Die Materialen, aus denen die Koppelelemente gefertigt sind, weisen üblicherweise bestimmte Eigenschaften auf, Ultraschallsignale zu leiten, Gleichzeitig haben sie meist eine höhere Wärmeausdehnung als die Sensorhülse. Sie sind fest in die Sensorhülse eingebracht oder in dieser vergossen, um eine temperaturbedingte Ausdehnung der Koppelelemente zu verhindern. Somit bilden Koppelelement und Sensorhülse eine Kontaktfläche. Keine Beachtung fand hingegen der Messfehler durch eine Temperaturausdehnung des Messrohrs oder der Sensoren selbst, also der Temperaturabhängigkeit der Messung von den geometrischen Abmessungen des Messsystems, insbesondere des Abstands der Sensoren zueinander und damit des Signalpfads.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Messsystem zum Messen eines in einer Rohrleitung bzw. in einem Messrohr strömenden Fluids vorzuschlagen, welches eine hohe Messgenauigkeit über einen weiten Temperaturbereich aufweist.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass Messsystem, insbesondere zur Durchflussmessung eines in einer Rohrleitung strömenden Messmediums, insbesondere eines Fluids, vorgeschlagen wird, welches Messsystem ein Messrohr und mindestens zwei Halteelemente zur Halterung jeweils mindestens eines funktionalen Bauteils, insbesondere zur Halterung von Sensoren, welche funktionalen Bauteile jeweils mindestens eine Funktionsfläche aufweisen, umfasst, welches Messrohr ein Trägerrohr umfasst, welche Halteelemente an jeweils mindestens einer Verbindungsfläche mit dem Trägerrohr in Verbändung stehen und jeweils zwei sich gegenüberstehende Verbindungsflächen der Halteelemente einen Abstand Y aufweisen und jeweils zwei sind gegenüberstehende Funktionsflächen der funktionalen Bauteile, welche in den Halteelementen gehaltert sind, einen Abstand X aufweisen, wobei Geometrien und stoffeigene Größen der Halteelemente und/oder Geometrien und stoffeigene Größen der funktionalen Bauteile und Geometrien und stoffeigene Größen des Trägerrohrs so aufeinander abgestimmt sind, dass sich relative Abstände X(T) = ^ der Funktionsflächen der funktionalen Bauteile in
X(T0)
Abhängigkeit einer Temperatur T des durch das Messrohr strömenden Messmediums, von einer Ausgangstemperatur T0 des Messmediums ausgehend, so einsteilen, dass temperaturbedingte Messabweichungen bei einer Temperaturänderung AT=T-T0 des Messmediums, insbesondere aufgrund temperaturbedingter Änderungen der Geometrien des Trägerrohrs und/oder aufgrund temperaturabhängiger Änderungen von Stoff- und/oder Strömungseigenschaften des Messmediums und/oder aufgrund temperaturbedingter Änderungen eines Stgnalpfads, kleiner der temperaturbedingten Messabweichungen bei einer Temperaturänderung ΔT=T-T0 des Messmediums sind, die bei relativen
Abständen Y(T) = — — der Funktionsflächen der funktionalen Bauteile auftreten. Y(T0)
Ein Messsystem weist also n Halteelemente auf, wobei n Element der natürlichen Zahlen ist. Jeweils zwei Verbindungsflächen m und k weisen einen Abstand Ymk auf und jeweils zwei Funktionsflächen q und r weisen einen Abstand Xqr auf, wobei zusammengehörige Halteelemente, Verbindungsflächen, funktionalen Bauteile und Funktäonsflächen jeweils den gleichen index aufweisen, d.h. wobei Haiteelement i mit dem Trägerrohr an den Verbindungsstellen i verbunden ist, das funktionale Bauteil i mit den Funktionsflächen i wiederum vom Halteelement i gehaltert ist und i=1 ,...,n. Geometrien und stoffeigene Größen der Halteelemente und/oder Geometrien und stoffeigene Größen der funktionalen Bauteile und Geometrien und stoffeigene Größen des Trägerrohrs sind so aufeinander abgestimmt, dass sich relative Abstände x Funktionsflächen der funktionalen Bauteile in Abhängigkeit einer Temperatur T des durch das Messrohr strömenden
Messmediums, von einer Ausgangstemperatur T0 des Messmediums ausgehend, so einstellen, dass die Messabweichungen, kleiner als 50%, vorzugsweise kleiner 20%, insbesondere kleiner 10%, insbesondere kleiner 5%, insbesondere kleiner 2%, insbesondere kleiner 1%, als die Messabweichungen sind, die bei relativen
Y (J) Abständen Y (T) = q der Funktionsflächen der funktionalen Bauteile auftreten.
Yqr(τ0)
Eine Geometrie kennzeichnet die konstruktive Gestaltung, insbesondere Größe und Form, eines Körpers. Neben den äußerlichen Abmessungen sind z.B. auch Dichte oder Porosität bei offen- oder geschlossenporigen Strukturen durch die Geometrie bestimmt. Diese Parameter sind erfindungsgemäß in gewissen Grenzen vorgebbar. Stoffeigene Größen können sich, im Unterschied zu Materialkonstanten, über die Zeit und/oder über weitere Parameter, hier insbesondere über die Temperatur ändern. Sie berechnen sich meist über Funktionen, unter anderem mit Materialkonstanten als Koeffizienten. So ist die Wärmeausdehnung, oder auch Temperaturausdehnung genannt, meist durch α beschrieben, wie die meisten physikalischen Größen nicht linear. Allgemein gilt: x ^ χ o * (l + Ji1AT + k2(ΔT)2 +... + k,χAT)") , mit der Temperaturdifferenz AT=(T-T0), wobei X0 die physikalische Größe bei einer Temperatur T0 ist, und mit den Temperaturkoeffizienten n-ter Ordnung kn, wobei n Element der natürlichen Zahlen ist. Für den interessierenden Bereich wird die Wärmeausdehnung als linear angenommen.
Grundgedanke der Erfindung ist der Aufbau der Halteelemente und/oder der funktionalen Bauteile aus mindestens zwei Materiaien, deren Wärmeausdehnungen voneinander verschieden sind. Neben der Durchflussmessung kann die Erfindung auch in der FüNstandsmessung eingesetzt werden. Die Form des Messrohrs ist dabei nicht auf einen kreisrunden Querschnitt beschränkt. Quaderförmige Rohre oder aus der Füllstandsmesstechnik bekannte Behälter anderer Form können erfindungsgemäß ausgestaltet werden. Durch die temperaturbedingte Einstellung des Abstands der Funktionsflächen sind temperaturbedingte Messfehler verringerbar, welche bei einem Messsystem auftreten würden, wo bei der Gestaltung des Messsystems die stoffeigenen Größen in Bezug zur Geometrie des Messsystems in erfindungsgemäßer Art und Weise nicht ausreichend berücksichtigt werden.
Dabei können, je nach zu kompensierendem bzw. zu verringerndem Messfehler bzw. je nach zu kompensierenden bzw. zu verringernden Messfehlern, die Einstellungen der Abstände von jeweils zwei Funktionsflächen zur Verringerung eines Messfehlers führen bzw. die Einsteilung mehrerer sich gegenüberstehender Funktionsflächenpaare trägt zur angesprochenen Kompensation bei, wobei diese durchaus unterschiedliche Abstandsäπderungen erfahren können, also das Zusammenwirken unterschiedlicher Abstandsänderungen zur Messfehlerreduktion führt.
Funktionsflächen können z.B. die Schallaustritts- bzw. die Schallauskoppelfläche der Koppelelemente bei Ultraschallsensoren sein, die Schalfeintritts- bzw. die Schalleinkoppelflächen der Koppeleiemente oder die piezoelektrischen Elemente oder bei magnetisch induktiven Durchflussmessgeräten, die sich gegenüberstehenden Elektrodenflächen. Der weite Temperaturbereich ist der Bereich in dem die Wärmeausdehnungen bestimmt bzw. vorhergesagt werden können, insbesondere der Bereich, in dem die linearen Gesetze zur Temperaturausdehnung und Steifigkeit gelten und angenommen werden können. Die Grenzen sind Stoffabhängig.
Die wesentliche Idee der Erfindung besteht darin, die geometrischen Verhältnisse von Sensor und Trägerrohr und deren Eigenschaften bezüglich ihrer Ausdehnung über die Temperatur so aufeinander abzustimmen, dass der Einfluss der Temperatur des Messrohrs auf die Messung verringert wird. Die Effekte der unterschiedlichen Ausdehnung über Temperatur von Trägerrohr und Halteelement und/oder funktionalem Bauteil kompensieren sich im Idealfall gegenseitig. So besteht z.B. das Trägerrohr und das Halteelement aus einem ersten Material und das funktionale Bauteii besteht aus einem zweiten Material, wobei sich beide Materiaien unterscheiden und die Temperaturausdehnungskoeffizienten beider Materiaien und die geometrischen Abmessungen von Trägerrohr und Halteelement und funktionalem Bauteil entsprechend aufeinander abgestimmt sind. Dies können je nach Anwendung Änderungen sowohl in radialer Richtung des Messrohrs als auch in axialer Richtung sein. Dadurch ist die Messgenauigkeit weniger abhängig von der Temperatur des Messmediums.
Das Material des funktionalen Bauteils, beispielsweise eines Ultraschallkoppeielements wird nun nicht mehr rein nach fertigungstechnischen Gesichtspunkten oder nach der Qualität der schallbeeinflussenden Eigenschaften ausgesucht, sondern die geometrischen Maße des funktionalen Bauteils und/oder des Halteelements sind abhängig vom Verhältnis der geometrischen Maße des Trägerrohrs und/oder des Halteeiements, den stoffeigenen Größen des Werkstoffs des Trägerrohrs und/oder des Halteelements und von dem Einsatzzweck des Messsystems. Zur Materialauswahl sind nun unter anderem die Temperaturausdehnungskoeffizienten mit einbezogen. Der
Temperaturausdehnungskoeffizient des funktionalen Bauteils Trägerrohrs und/oder des Halteeiements ist eine Funktion des Temperaturausdehnungskoeffizienten des Trägerrohrs und/oder des Halteelements. Die Schallgeschwindigkeiten in Koppelelementen, Trägerrohr und/oder Messmedium sind für die Messung mit einem Ultraschalldurchflussmessgerät, die elektrischen Leitfähigkeiten für ein magnetisch induktives Messgerät relevant. Teilweise sind diese jedoch bekannt oder eine Vorraussetzung für das verwendete Material oder sie können während oder kurz vor der eigentlichen Messung bestimmt werden. Somit sind sie bei der Produktion des erfindungsgemäßen Messsystems nicht maßgeblich für die geometrisch konstruktive Ausgestaltung des Messsystems.
Das Trägerrohr dehnt sich bei Erwärmung oder Abkühlung in einer bestimmten Abhängigkeit zur Temperaturdifferenz, um die es erwärmt oder abgekühlt wird, und zu stoffeigenen Größen des Materials, aus welchem das Trägerrohr besteht, und zu den geometrischen Verhältnissen des Trägerrohrs aus. Einer fachlich qualifizierten Person ist in diesem Zusammenhang üblicherweise der Begriff Ausdehnung bekannt, obwohl es sich bei Abkühlung genau genommen um eine Schrumpfung handelt.
Gleichermaßen dehnen sich Halteelemente, welche am Trägerrohr fest angebracht sind und/oder funktionale Bauteile aus. Wenn der Werkstoff des funktionalen Bauteils eine höhere Wärmeausdehnung im Vergleich zum Trägerrohr und/oder zum Halteelement bei gleicher Temperaturdifferenz aufweist, dehnt sich das funktionale Bauteil mehr, also in größerem Umfang aus. Da die Ausdehnung des funktionalen Bauteils mindestens in eine Richtung vom Halteelement oder von der Befestigung im Halteelement begrenzt wird, dehnt sich das funktionale Bauteil in eine gewünschte Richtung aus.
Die stoffeigenen Größen sind zu den vorhandenen Geometrien abzustimmen. Die Messabweichung aufgrund der temperaturbedingten Ausdehnung des Trägerrohrs wird, wie bereits beschrieben, durch die vom Trägerrohr abweichende Ausdehnung über Temperatur des funktionalen Bauteils und/oder des Halteeiements verringert.
Dies ist besonders vorteilhaft für Durchflussmessungen, wobei der Fehler durch die Wärmeausdehnung des Rohrleitungssystems nicht gesondert berücksichtigt werden muss. Da bei Niedrigpreislösungen einer Durchflussmessung eine solche Korrektur bzw. eine separate Temperaturmessung nicht vorgenommen werden, ermöglicht die Erfindung kostengünstig eine hohe Messgenauigkeit im Vergleich zum Stand der Technik zu erreichen. Aber auch in der Füllstandsmesstechnik kann das erfindungsgemäße Messsystem vorteilhaft eingesetzt werden.
Dabei können je nach Anwendung isotrope Materialen eingesetzt werden oder anisotrope Materialen werden zur Herstellung des funktionalen Bauteils und/oder zur Herstellung des Halteelements und/oder zur Herstellung des Trägerrohrs verwendet, insbesondere mit unterschiedlichen stoffeigenen Größen, wie z.B. axial und radial unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten.
Ein Beispiele einer temperaturbedingten Messabweichungen, neben den geometrischen Änderungen des Messsystems, ist die Temperaturabhängigkeit der Schallgeschwindigkeit im Messmedium, was zu einer Messabweichung, insbesondere bei Durchfiussmessgeräten auf Basis von Ultraschall, führt.
Ungleiche Temperaturen auf der Außenseite des Messrohrs und des Sensors und dem Messmedium führen zu einem Temperaturgradienten im Sensor. Dieses Problem kann unter Umständen verstärkt werden, wenn das funktionale Bauteil ein guter Wärmeisolator ist. Durch diesen Temperaturgradienten kommt es unter Umständen zu unbestimmten Wärmeausdehnungen. Unbestimmt sind die Ausdehnungen, wenn der Temperaturgradient unbekannt ist. Ist die Temperatur im Sensor und die in der Umgebung immer näherungsweise konstant, kann der Temperaturgradient bestimmt und bei der Auslegung bzw. Dimensionierung des Sensors berücksichtigt werden. Eine günstige Verbesserung, also eine Verminderung des Temperaturgradienten, schafft eine gute Isolation, d.h. eine gute Wärmedämmung, auf der Außenseite des Sensors.
Eine weitere vorteilhafte Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist darin zu sehen, dass die Halteelemente über eine Temperiervorrichtung verfügen, wodurch eine vorgegebene Temperatur der Halteelemente und/oder der an den Halteelementen befestigten funktionalen Bauteile einstellbar ist.
Die Temperiervorrichtung kann dabei in dem Halteelement und/oder an dem Halteelement, insbesondere um das Halteelement herum, lokalisiert sein. Insbesondere für den Fall, dass Sensoren an den Halteeiementen befestigt sind und funktionale Bauteile der Sensoren bzw. deren Abstand zueinander auszurichten sind, sind die Sensoren zu temperieren, bevorzugt, indem Temperiervorrichtungen in und/oder am und/oder um das Sensorgehäuse angebracht sind.
Bevorzugt wird die Temperatur der Temperiervorrichtung mit der Temperatur des Messmediums als Regelgröße geregelt bzw. sie ist abhängig vom zeitlichen Verlauf der Temperatur des Messmediums und/oder von den Temperaturen im Trägerrohr und/oder von der Temperatur der Umgebung des Messsystems.
Dabei sind viele Ausgestaltungsbeispiele für Temperiervorrichtungen denkbar. So werden bevorzugt Heizdrähte oder in dafür vorgesehenen Einrichtungen fließende
Kühl- bzw. Wärmeflüssigkeiten, insbesondere in Verbindung mit mindestens einem
Temperatursensor, welcher die Temperatur des Messmediums bestimmt, eingesetzt.
Eine Beschränkung auf die genannten Ausführungsbeispiele ist hiermit nicht gegeben.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass eine relative Änderung AX(T) = X^ ' X^ des Abstands der Funktionsflächen der
X(T0) funktionalen Bauteile bei einer Temperaturänderung AT-T-T0 des Messmediums, von einer Ausgangstemperatur T0 des Messmediums ausgehend, kleiner ist ais eine relativen Änderung AY(T) - γ(T)-γ(τo) des Abstands der Verbindungsflächen des
Y(T0)
Trägerrohrs.
Eine sehr vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass eine relative Änderung ΔZ(r) = X(^T') " X('To^ des Abstands der Funktionsflächen
X(T0) der funktionalen Bauteile bei einer Temperaturänderung AT=T-T0 des Messmediums, von einer Ausgangstemperatur TQ des Messmediums ausgehend, näherungsweise Null ist.
Der Abstand gegenüberliegender Funktionsflächen der funktionalen Bauteile ist über einen weiten Temperaturbereich näherungsweise konstant oder ein Abstand von, dem Messmedium zugewandten Seiten von, auf den Funktionsflächen der funktionalen Bauteile befestigten Körpern ist über einen weiten Temperaturbereich näherungsweise konstant ist oder ein Abstand von, dem Messmedium zugewandten Seiten bzw. Flächen von, auf den Funktionsflächen der funktionalen Bauteile befestigten Körpern, insbesondere Sensoren, ist über einen weiten Temperaturbereich näherungsweise konstant ist.
Bei einem erfindungsgemäßen Messsystem mit n Halteelementen, wobei n Element der natürlichen Zahlen ist und jeweils zwei Verbindungsflächen q und r, welche einen Abstand Yqr aufweisen und jeweils zwei Funktionsflächen q und r, welche einen Abstand Xqr aufweisen, wobei zusammengehörige Halteelemente,
Verbindungsflächen, funktionalen Bauteile und Funktionsflächen jeweils den gleichen Index aufweisen, d.h. wobei Haiteeiement i mit dem Trägerrohr an den Verbindungsstellen i verbunden ist, das funktionale Bauteil i mit den Funktionsflächen i wiederum vom Halteelement i gehaltert ist und i— 1 ,...,n, sind Geometrien und stoffeigene Größen der Haiteelemente und/oder Geometrien und stoffeigene Größen der funktionalen Bauteile und Geometrien und stoffeigene Größen des Trägerrohrs sind so aufeinander abgestimmt, dass eine relative
X (T) -X (T ) Änderung AX q m = q Y /T q1I des Abstands der Funktionsflächen der
ÄqrUθ) funktionalen Bauteile bei einer Temperaturänderung ΔT=T-To des Messmediums, von einer Ausgangstemperatur T0 des Messmedäums ausgehend, kleiner 50%, vorzugsweise kleiner 20%, insbesondere kleiner 10%, insbesondere kleiner 5%, insbesondere kleiner 2%, insbesondere kleiner 1 %, ist, als eine relative Änderung
Y (T) - Y (T ) &Ϋψ(T) = q — des Abstands der Verbindungsflächen des Trägerrohrs. )
Werden Sensoren, wie z.B. Ultraschalwandier, auf den Halteelementen befestigt, so ist der Abstand der funktionalen Bauteile bzw. der funktionalen Flächen der Sensoren, z.B. piezoelektrische Schichten oder die Fläche des Schallaustritts aus dem Sensor in das Messmedium, welche das Uftraschallsignal aussenden und empfangen, über einen weiten Temperaturbereich näherungsweise konstant. So haben gegenüberliegende Sensoren, welche sich insbesondere axial einander gegenüberstehen, insbesondere in einem Messrohr zur Durchflussmessung, einen in einem weiten Temperaturbereich näherungsweise gleichen Abstand und somit einen näherungsweise gleichen Signalpfad. Eine temperaturbedingte Messabweichung, wie sie im Stand der Technik durch die Änderung des Signalpfads unter Temperatureinfluss auftritt, ist signifikant verringert.
In Kombination mit einer Rohrleitung mit näherungsweise konstantem
Innendurchmesser, beispielsweise ein, mit einem Liner ausgekleidetem Trägerrohr, ist dies unter anderem besonders vorteilhaft für Ultraschall-Durchflussmessgeräte, welche die Laufzeit parallel zur Strömungsrichtung des Messmediums messen.
Wird beispielsweise ein erfindungsgemäßes Messsystem, welches einen Durchfluss mit einem Verfahren bestimmt, welches mindestens einen Messwert und einen freien Querschnitt A des Messrohrs benötigt, so kann der Abstand der Sensoren über einen weiten Temperaturbereich konstant gehalten werden, aber durch die Ausdehnung des Trägerrohrs, wird ein Messfehier in die Berechnung des Durchflusses eingebracht. Wird der freie Querschnitt des Messrohrs bzw. dessen lichte Weite konstant gehalten, wird der Messfehler wesentlich verringert. Aber auch in der Füllstandsmesstechnik kann das erfindungsgemäße Messrohr vorteilhaft eingesetzt werden. So lässt sich der Abstand von Sensoren bzw. die Länge eines Signalpfads näherungsweise konstant halten, wie z.B. auch bei magnetisch induktiven Durchflussmessern oder optischen Messgeräten.
Eine weitere Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Durchflussmesssystem auf Basis von Ultraschall arbeitet und mindestens zwei, einen Abstand zueinander aufweisende Ultraschallsensoren parallel zur Hauptströmungsrichtung des Messmediums in einem Messrohr umfasst, wobei der Innendurchmesser des
Messrohrs über einen weiten Temperaturbereich näherungsweise konstant ist und wobei der Abstand der funktionalen Flächen der Sensoren über einen weiten Temperaturbereich näherungsweise konstant ist. Als funktionale Flächen der UltraschaiSsensoren dienen hier die Enden der Vorlaufkörper der Ultraschallsensoren, sie erfüllen die Funktion der Schailübertragung von Sensor auf Messmedium und zurück. Bevorzugt werden die Voriaufkörper in einer Metailhülse fixiert, welche ihrerseits als Halteelement dient, wobei die Fixierung der Vorlaufkörper in der Metallhülse so ausgeführt ist, dass die Vorlaufkörper sich frei in Richtung des gegenüberliegenden Sensor ausdehnen können, also die Sensoren jeweils an dem, dem gegenüberliegenden Sensor abgewandten Ende des Vorlaufkörpers an dem Haltelement, also in der Metallhülse, fixiert sind. Der Vorlaufkörper selbst stellt somit ein funktionales Bauteil mit der Schallauskoppelfläche als Funktionsfläche dar. Eine Alternative stellt die Fixierung des Ultraschallsensors an einem Halteelement dar, wobei das dem gegenüberliegenden Sensor abgewandte Ende eines Sensors an dem Haltelement fixiert ist. In beiden Fällen ist der Vorlaufkörper das abstandsausgleichende funktionale Bauteil, einer Auskleidung eines Trägerrohrs vergleichbar bzw. deren Funktionalität übernehmend, welche die axiale Ausdehnung des Messrohrs und gegebenenfalls des ersten Teils des Halteelements ausgleicht. Eine solche Ultraschail-Messzeiie kann sehr geringe Abmessungen aufweisen und ist daher variabel einsetzbar.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird ein Durchflussmesssystem vorgeschlagen, wobei die Abstände der funktionalen Flächen der Sensoren über einen weiten Temperaturbereich näherungsweise konstant sind, die Winkel der funktionalen Flächen zueinander sich über die Temperatur jedoch verändern.
Eine sehr vorteilhafte Variante der erfändungsgemäßen Lösung ist darin zu sehen, dass die Länge des Messrohrs über einen weiten Temperatur- und/oder
Druckbereich näherungsweise konstant ist. Als Länge des Messrohrs wird dabei insbesondere die Länge der Mittelachse von Messrohreingang bis zum Messrohrausgang bezeichnet.
Die Haiteeiemente können, neben Sensoren, z.B. auch die Rohrenden verschließende Platten haltern, wodurch ein Hohlzylinder mit einem, über einen weiten Temperaturbereich konstanten Volumen entsteht. Die funktionale Fläche bzw. die Seite des funktionalen Bauteils, welche dem Messmedium zugewandt ist, ist die Seite der Platte, welche in das Rohr zum Messmedium zeigt. Die Haltelemente können hierbei selbst als Platte ausgestaltet sein. Ein solcher Behälter mit einem, über einen weiten Temperaturbereich konstanten Volumen, ist in vielen Bereichen einsetzbar. Mit ihm lässt sich besonders vorteilhaft ein Volumen eines Fluids messen. Eine weitere zweckmäßige Ausgestaltung der Lösung der Erfindung ist, dass der Abstand der funktionalen Flächen der Sensoren in Abhängigkeit zu der Querschnittsveränderung des Messrohrs, also zu der Änderung des Innendurchmessers steht. So ist eine Kompensation bzw. Verringerung von temperaturbedingten Messabweichungen, insbesondere aufgrund temperaturbedingter Änderungen der Geometrien des Messrohrs und/oder aufgrund temperaturabhängiger Änderungen von Stoff- und/oder Strömungseigenschaften des Messmediums und/oder aufgrund temperaturbedingter Änderungen eines Signalpfads, auch bei einem Messrohr ohne Auskäeidung, durch die Einstellung des Sensorabstands möglich.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert,
Fig. 1 zeigt eine Schnittdarsteilung in Längsrichtung eines erfindungsgemäßen
Messrohrs 1 mit Halteelementen und funktionalen Bauteilen. Fig. 2 zeigt eine Schnittdarstellung in Längsrichtung eines erfindungsgemäßen
Inline-Ultraschali-Messsystems.
Fig. 3 zeigt eine Detaildarstellung eines HaStelements im Schnitt. Fig. 4 zeigt eine Detaildarstellung eines weiteren Halteelements im Schnitt.
Fig, 1 zeigt eine Schnittdarsteüung in Längsrichtung eines erfindungsgemäßen Messrohrs 1 mit Halteelementen 14 und funktionalen Bauteilen 28. Die Halteelemente 14 sind aus einem ersten Material gefertigt, die funktionalen Bauteile 28 aus einem zweiten Material, Die funktionalen Bauteile 28 sind bevorzugt mit den Halteelementen 14 verklebt oder anderweitig stoffschlüssig miteinander verbunden. Die Haiteelemente 14 sind mit dem Trägerrohr fest verbunden und ragen in das innere des Messrohrs 1 hinein. Der Werkstoff, aus dem die Halteelemente 14, welche mit dem Trägerrohr 2 verbunden sind, hergestellt sind, ist mit dem Werkstoff des Trägerrohrs 2 abgestimmt. Dadurch wird die radiale Ausdehnung des Trägerrohrs 2 kompensiert und die Halteelemente 14, bleiben in radialer Richtung über einen weiten Temperaturbereich an gleicher Position. Der Werkstoff der funktionalen Bauteile 28, welche die axiale Ausdehnung des Trägerrohrs 2 kompensieren, ist ebenfalls von dem Werkstoff des Trägerrohrs 2 abhängig. Zusätzlich ist er von dem Werkstoff der Halteelemente 14 und von den Geometrien der Bauteile abhängig. Die funktionalen Bauteile 28 weisen Funktionsflächen 16 auf, deren gegenseitiger Abstand 15 von den temperaturabhängigen Dicken der funktionalen Bauteile 28 und der temperaturbedingten Zunahme der Haiteelemente 14 in axialer Richtung des Trägerrohrs 2 abhängig ist. Die Funktionsfiächen 16 können einen, über einen weiten Temperaturbereich, gleichen Abstand 15 zueinander aufweisen, so dass, z.B. beim Anbringen von Sensoren, ein paralleler Signalpfad konstanter Länge zur Hauptströmungsrichtung des Messmediums 4 entsteht. Andererseits kann ihr Abstand auch von dem Aufbau der angebrachten Sensoren abhängen. Diese unterliegen ihrerseits einer geometrischen Temperaturabhängigkeit. Da diese Temperaturabhängigkeit der Sensoren aber bekannt ist, kann der konstruktive Aufbau der Haiteelemente 14 so gestaltet sein, dass nicht die funktionalen Flächen 16 gieächen Abstand aufweisen, sondern Funktionsflächen der Sensoren. Die Geometrie und die Werkstoffe der Haitelemente 14 und der funktionalen Bauteile 28, sind also zusätzlich von der Geometrie und den Werkstoffen der auf ihnen applizierten Sensoren abhängig.
Fig. 2 und Fig. 3 werden im Folgenden der Einfachheit halber zusammen näher erläutert. Fig. 2 zeigt eine Schnittdarstellung in Längsrichtung eines erfindungsgemäßen Inline-Ultraschall-Messsystems mit näherungsweise konstantem Abstand 15 und einem näherungsweise konstanten Winkel der funktionalen Flächen 16 der Uitraschallsensoren zueinander. Als Funktionsflächen 16 werden hier die dem Messmedium 4 zugewandten und die sich gegenseitig gegenüberstehenden Flächen der Vorlaufkörper 24 angesehen. Gleichermaßen wären auch Piezoelemente oder andere funktionale Elemente möglich. Die Vorlaufkörper 24 sind einerseits Teil der Sensoren und gleichzeitig funktionales Bauteil. In Fig. 3 ist eine Detailansicht eines Ultraschallsensors dargestellt. Der Aufbau eines Sensors ist mindestens zweiteilig, d.h. er besteht aus mindestens zwei zusammengefügten Teilen, welche aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen. Hier sind es Sensorhülse 25 und Vorlaufkörper 24. Wegen der besseren Übersichtlichkeit ist die Sensorhülse 25 geschnitten und der Vorlaufkörper 24 ungeschnitten dargestellt. Die Sensorhülse 25 ist fest mit dem Trägerrohr 2 verbunden. Sie besteht bevorzugt aus einem Material mit einem ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten, wie das Trägerrohr 2. Sie kann auch aus dem gleichen Material gefertigt sein. Die Sensorhülse umschließt den Vorlaufkörper 24 radial vollständig. Der Vorlaufkörper 24 ist aus einem anderen Werkstoff ais die Sensorhülse 25 hergestellt, insbesondere dessen Wärmeausdehnung ist deutlich höher, und er ist bevorzugt stoffschiüssig mit der Sensorhüise 25 verbunden, bevorzugt über eine Klebefläche 26, welche umfängiich um den Vorlaufkörper verläuft. Die sich zwischen den beiden Klebefiächen 26 gegenüberstehenden Teile der Vorlaufkörper 24 der beiden Sensoren können sich frei in Richtung des jeweils gegenüberliegenden Sensors ausdehnen. So wird erreicht, die konstruktive Gestaltung der Vorlaufkörper 24 in Abhängigkeit der verwendeten Materialen von Voriaufkörper 24, Sensorhülse 25 und Trägerrohr 2 und in Abhängigkeit der Geometrien von Sensorhülse 25 und Trägerrohr 2 vorausgesetzt, dass der Abstand 15 der beiden Funktionsflächen 16 der Voriaufkörper 24 über einen weiten Temperaturbereich näherungsweise konstant ist. Gleichermaßen ist zu erreichen, dass die Winkel zwischen den Funktionsflächen 16 der Sensoren über einen weiten Temperaturbereich näherungsweise konstant sind.
In Fig. 4 ist ein weiteres Halteelement mit funktionalem Bauteil im Schnitt dargestellt. in dem Messrohr 1 ist eine Bohrung 30 vorgesehen. In die Bohrung 30 ist eine erste Scheibe 31 mit einer Öffnung 31 so eingesetzt, dass sie die Außenseite des Messrohrs 1 abschließt und eine zweite Scheibe mit einer Öffnung 32 bildet mit der Innenseite der Wand des Messrohrs 1 einen Abschluss. Zwischen diese Scheiben 31 und 32 ist, abgedichtet mit O-Ringen 33, eine Membran 34 mit einem eingespannten Körper, z.B. ein darin gehaiterter Vorlaufkörper 24, eingebracht. Die Membran 34 besteht aus einem anderen Material als das Messrohr 1 , kann sich zwischen den Scheiben 31 und 32 in Längsrichtung des Messrohrs 1 bewegen und ist so ausgestaltet, dass die temperaturabhängige Längsausdehnung des Messrohrs 1 am Vorlaufkörper 24 kompensiert wird. So kann beispielsweise der Abstand zweier Voriaufkörper näherungsweise konstant gehalten werden. Bezugszeichenliste
1 Messrohr
2 Trägerrohr
3 Auskleidung
4 Messmedium
5 Innendurchmesser des Messrohrs
6 Länge des Messrohrs
7 Temperiervorrichtung
8 Kanäle
9 Trägerrohrwand
10 Signalpfad, z.B. akustischer Pfad
11 Kanäle in der Auskleidung
12 Eingang des Messrohrs
13 Ausgang des Messrohrs
14 Halteeiemente
15 Abstand der Funktionsflächen der Halteetemente
16 Funktionsflächen
17 Schultern
18 Innere Auskleidungswand
19 Äußere Auskleidungswand
20 Stirnseitige Auskleidungswände
21 Leitung
22 Steg
23 Abstandshalter
24 Vorlaufkörper
25 Sensorhüfse
26 Klebefläche
27 Messkanal
28 Funktionales Bauteil
29 Verbindungsfläche
30 Bohrung
31 Erste Scheibe mit Öffnung Zweite Scheibe mit Öffnung Dichtung Membran

Claims

Patentansprüche
1. Messsystem, insbesondere zur Durchflussmessung eines in einer Rohrleitung strömenden Messmediums (4), insbesondere eines Fluids, welches
Messsystem ein Messrohr (1 ) und mindestens zwei Halteelemente (14, 14') zur Halterung jeweils mindestens eines funktionalen Bauteils (28, 28'), insbesondere zur Halterung von Sensoren, welche funktionalen Bauteile (28, 28') jeweils mindestens eine Funktionsfläche (16, 16') aufweisen, umfasst, welches Messrohr (1 ) ein Trägerrohr (2) umfasst, weiche Halteelemente (14,
14') an jeweils mindestens einer Verbindungsfläche (29, 29') mit dem Trägerrohr (2) in Verbindung stehen und jeweils zwei sich gegenüberstehende Verbindungsflächen (29, 29') der Halteelemente (14, 14') einen Abstand Y2^- aufweisen und jeweils zwei sind gegenüberstehende Funktionsflächen (16, 16') der funktionalen Bauteile (28, 28'), welche in den Halteetementen (14, 14') gehaitert sind, einen Abstand Xi6,iβp aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass Geometrien und stoffeigene Größen der Halteelemente (14, 14') und/oder Geometrien und stoffeigene Größen der funktionalen Bauteile (28, 28') und Geometrien und stoffeigene Größen des Trägerrohrs (2) so aufeinander abgestimmt sind, dass sich relative Abstände
X„ ΛT) = X'6'i6 der Funktionsfiächen (16, 16') der funktionalen Bauteile
(28, 28r) in Abhängigkeit einer Temperatur T des durch das Messrohr (1 ) strömenden Messmediums (4), von einer Ausgangstemperatur T0 des Messmediums (4) ausgehend, so einstellen, dass temperaturbedingte
Messabweichungen bei einer Temperaturänderung AT=T-T0 des Messmediums (4), insbesondere aufgrund temperaturbedingter Änderungen der Geometrien des Trägerrohrs (2) und/oder aufgrund temperaturabhängiger Änderungen von Stoff- und/oder Strömungseigenschaften des Messmediums (4) und/oder aufgrund temperaturbedingter Änderungen eines Signalpfads
(10), kleiner der temperaturbedingten Messabweichungen bei einer Temperaturänderung AT-T-T0 des Messmediums (4) sind, die bei relativen Abständen I ■*> 29,29 ,( V7) > = v Y2%iA /πTn) N der Funktionsflächen (16, 16') der funktionalen 1 29,29A -1 O -'
Bauteiie (28, 28') auftreten.
2. Messsystem nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass Geometrien und stoffeigene Größen der Halteelemente (14, 14') und/oder Geometrien und stoffeigene Größen der funktionalen Bauteile (28, 28') und Geometrien und stoffeigene Größen des Trägerrohrs (2) so aufeinander abgestimmt sind, dass sich relative Abstände X , 1,6,,16J VT) ' - 2 ~y-BK. f5f-r1 \ der Funktionsflächen ( λ16, 16!) ' der funktionalen Bauteile λlö,l6'( lθ i
(28, 28') in Abhängigkeit einer Temperatur T des durch das Messrohr (1 ) strömenden Messmediums (4), von einer Ausgangstemperatur T0 des Messmediums (4) ausgehend, so einstellen, dass temperaturbedingte Messabweichungen bei einer Temperaturänderung AT=T-T0 des Messmediums (4), insbesondere aufgrund temperaturbedingter Änderungen der Geometrien des Trägerrohrs (2) und/oder aufgrund temperaturabhängiger Änderungen von Stoff- und/oder Strömungseigenschaften des Messmediums (4) und/oder aufgrund temperaturbedingter Änderungen eines Signalpfads (10), näherungsweise Null sind.
3. Messsystem nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine relative Änderung des Abstands der
Funktionsflächen (16) der funktionalen Bauteile (28) bei einer Temperaturänderung AT=T-To des Messmediums (4), von einer
Ausgangstemperatur T0 des Messmediums (4) ausgehend, kleiner ist als eine relativen Änderung ΔF29I29,(7> Y^'(T) " Y^'(T°) des Abstands der
Verbindungsflächen (29) des Trägerrohrs (2).
4. Messsystem nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
~ X (T) X (T ) dass eine relative Änderung AZ16 i6,(T) = 16' — l6'16 ϋ ) des Abstands der
Funktionsflächen (16) der funktionalen Bauteile (28) bei einer Temperaturänderung AT=T-T0 des Messmediums (4), von einer Ausgangstemperatur To des Messmediums (4) ausgehend, näherungsweise
Null ist.
5. Messsystem nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Halteelemente (14) über eine Temperiervorrichtung verfügen, wodurch eine vorgegebene Temperatur der Haiteelemente (14) und/oder der an den Halteelementen (14) befestigten funktionalen Bauteile (28) einsteilbar ist.
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