WO2006002913A2

WO2006002913A2 - Verfahren und einrichtung zur bestimmung der dichte und geschwindigkeit in strömenden medien

Info

Publication number: WO2006002913A2
Application number: PCT/EP2005/007046
Authority: WO
Inventors: Dieter Keese; Thomas-Fritz Blume
Original assignee: ABB Patent GmbH
Current assignee: ABB Patent GmbH
Priority date: 2004-06-30
Filing date: 2005-06-30
Publication date: 2006-01-12
Anticipated expiration: 2006-12-30
Also published as: WO2006002913A8; DE102004031641A1; US20070203657A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Einrichtung zur Bestimmung der Dichte und Geschwindigkeit in einem strömendem Medium gemäß Oberbegriff der Patenansprüche 1 und 4. Um hierbei eine höhere Vielzahl von Auswertemöglichkeiten zu erhalten ist erfindungsgemäß vorgeschlagen, das aus den geannten sensorischen Größen die Fließgeschwindigkeit und oder die Dichte p nach der Feldgleichung F= GxB + p x E, abgeleitet werden.

Description

Verfahren und Einrichtung zur Bestimmung der Dichte und Geschwindigkeit in strömenden Medien

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie ein Einrichtung zur Bestimmung der Dichte und der Geschwindigkeit bei den strömenden Medien, gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Verfahren und Einrichtungen dieser Art sind als Durchflussmesseinrichtungen bekannt und hierzu gibt es verschiedene Ansätze zur Messung von Durchflussgeschwindigkeiten.

Bekannt ist dabei die Messung mit Hilfe eines sogenannten

Wirbelstromdurchflussmessers. Dabei wird in der Nähe eines Strömungswiderstandes eine durch die generierten Wirbel innerhalb des strömenden Mediums an einem weiteren Strömungselement, beispielsweise eine Art Paddel eine Art Schwingung erzeugt, die repräsentant ist zur Durchflussmenge bzw. Durchflussgeschwindigkeit. Dabei wird ausgenutzt, das ab einem bestimmten Strömungswert die Strömung durch ein solches Messinstrument mehr oder weniger turbulent ist.

Weitere Möglichkeiten zur Bestimmung des Durchflusses sind sogenannte induktive Durchflussmesser, bei denen mittels eines Magnetfeldes der Einfluss desselben auf ein strömendes Medium gemessen wird. Auch hierbei besteht ein kausaler Zusammenhang zwischen Strömungsgeschwindigkeit bzw. durchfließender Menge pro Zeiteinheit.

Die Erfindung bezieht sich somit auf ein Messprinzip, mit dem die Strömungsgeschwindigkeit V sowie die Dichte p_m eines beliebigen elektrisch leitfähigen Mediums in einem geschlossenen Rohrleitungssystem gemessen werden kann.

Dabei sind in der beschriebenen Weise also Verfahren bekannt, bei denen zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit V wie z. B. beim induktiven Durchflussmesssystem nach dem Induktionsgesetz gearbeitet wird. Zur Bestimmung der Dichte werden im Allgemeinen Biegeschwinger usw. verwendet

Damit bei den vorgeschlagenen Prinzipien die Dichte und die Strömungsgeschwindigkeit ermittelt werden kann, kann dieses Messsystem auch zur Bestimmung des Massenstroms der Medien verwendet werden.

Dabei wird jedoch die Durchflussgeschwindigkeit und die Dichte mit unterschiedlichen Prinzipien gemessen.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, mit ein und derselben Einrichtung sowohl die Fließgeschwindigkeit als auch die Dichte des Mediums zu ermitteln.

Die gestellte Aufgabe ist bei einem Verfahren der gattungsgemäßen Art erfindungsgemäß durch die Kennzeichenmerkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen 2 - 3 angegeben.

Im Hinblick auf eine Einrichtung der gattungsgemäßen Art ist die gestellte Aufgabe erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patenanspruches 4 angegeben.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Einrichtungen sind in den übrigen Ansprüchen angegeben. Kern der verfahrensgemäßen Erfindung ist hierbei, das sowohl die Fließgeschwindigkeit als auch die Dichte aus den Feldgleichungen ermittelt wird. Dies geschieht in folgender Weise:

Hierbei sind zunächst folgende physikalische Größen festgelegt:

F = Kraft

G= σ x E, elektrische Stromdichte

D= ξ x E, elektrische Verschiebungsdichte B= μ x H, magnetische Induktion

H= magnetische Feldstärke

E= elektrische Feldstärke

V= Geschwindigkeit p = Widerstand p_m = Dichte μ = Permeabilität ξ= Dielektrikum σ = Leitfähigkeit.

In erfindungsgemäßer Weise lassen sich also die Größen aus den Feldgleichungen ermitteln:

F= G x B + p E

Ferner gilt:

B= μ x H und D= ξ x E, sowie G= σ x E.

Der zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit ausgenutzte bekannte physikalische Effekt ist das Induktionsgesetz. Wird also ein elektrisch leitfähiger Messstoff durch ein Magnetfeld B geleitet, so entsteht im Messstoff ein elektrisches Feld E senkrecht zur Strömungsrichtung V und zur Magnetfeldrichtung.

Es gilt damit E = B x V. Dabei ergibt sich nun in erfindungsgemäßer Weise, das weiterhin ein Zusammenhang zwischen der Dichte p_m auf der einen Seite und den Materialgrößen spezifischer elektrischer Widerstand p.der Permeabilität μ, dem Dielektrikum ξ und der Leitfähigkeit σ auf der anderen Seite besteht.

Formal heißt dies, das p_m = f ( p, μ, ξ,σ). Durch vergleichende Messungen der Dichte p_m und bekannter elektrischer Materialgrößen wird nun ein Abhängigkeitsfeld erstellt, mit welchem die Bestimmung der Dichte ermöglicht wird. Nach der Ermittlung des Abhängigkeitsfeldes, der Dichte zu den anderen Materialgrößen kann nicht nur die Dichte, sondern auch der Massenstrom Q_m nach der Gleichung Q_m = v x p

berechnet werden. Diese zusätzlichen Ermittlungen werden innerhalb des IDM^'s, das heißt des Induktiven Durchflussmessers mit Hilfe einer Elektronik und der zugehörigen Sensorik berechnet und gemäß der Ausgestaltungen der Erfindung nach den abhängigen Ansprüchen bezüglich des Verfahrens erfindungsgemäß ausgestaltet. Dabei wird weiterhin vorgeschlagen, das ermittelte Abhängigkeitsfeld als Wertetabelle in eine Auswerteelektronik zu hinterlegen, so dass eine mögliche Nachrüstung einiger bestehender Geräte, die nach dem Induktionsverfahren arbeiten, also auch IDM Geräte sind die Bestimmung der Dichte zu ermöglichen. Hierdurch entsteht generell die Möglichkeit auch der Nachrüstung, weil das erfindungsgemäße Verfahren mit bestehenden Geräten unter Hinzunahme einer entsprechenden Elektronik, und oder der Implementierung einer entsprechenden Software in die Elektronik ermöglich wird.

Aus diesem Grund sind auch einrichtungsgemäße Mittel vorgsehen, die die Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens am besagten IDM ermöglichen.

Ein Ausführungsbeispiel sowie die prinzipiellen Wirkverbindungen der einzelnen Komponenten untereinander ist in der Zeichnung dargestellt und nachfolgend beschrieben.

Die Zeichnung enthält zunächst mal als Ausgangseinheit das Messrohr 1 eines induktiven Durchflussmessers. Dieses Messrohr 1 ist, hier nicht weiter dargestellt, von einem Magnetsystem umgeben, welches die notwendigen magnetischen Feldstärken erzeugt, die mit dem bewegten Medium in der beschriebenen Weise physikalisch zusammenwirken. Schematisch dargestellt sind eine Mehrzahl von Sensoren 2, die die beschriebenen sensorischen Größen am Messrohr 1 beziehungsweise im magnetischen System des Messrohres abgreifen. Diese sensorischen Größen werden von der IDM Auswerteeinheit erfasst und in der beschriebenen verfahrungsgemäßen Weise berücksichtigt und und verarbeitet. Die aus den sensorischen Größen in der oben beschriebenen Weise gemäß den Formalzusammenhängen ermittelten abgeleiteten Größen werden in einem Zwischenspeicher 4 als sogenannte Wertetabelle abgelegt. Diese Wertetabellen enthalten dann die besagten Messgrößen in Abhängikeit widerum zu anderen erfassten oder ermittelten Größen in einem adressierten Datenfeld. Dieses ist über eine bidirektionale Datenverbindung 5 wieder mit der IDM Auswerteinheit 3 verbunden, so dass das System sich selbst aktualisierend und somit adaptiv arbeiten kann. Gelernte oder kalibrierte Daten können somit widerum aufgerufen und so können nicht nur aktuelle Werte ermittelt, sondern auch die Entwicklung also Historie einer Messwerteentwicklung dargelegt werden.

Anhand der so verfügbaren Werte sind Kurvendarstellungen möglich, anhand denen man entweder durch Bewertung der Kurven, oder aber auch durch implizite elektronische Bewertung nicht nur die dargestellten Größen, sondern auch Alterungseffekte und Selbstdiagnosemöglichkeiten realisiern kann.

Der Zwischenspeicher 4 kann dabei in die Elektronik das heißt in die IDM Auswerteeinheit 3 mit implementiert sein, so wie ebenfalls die bidirektionale Datenverbindung 5. Es ist allerdings auch möglich, diesem Zwischenspeicher sowie die bidirektionale Datenverbindung 5 auch nachträglich anzubauen oder die IDM Auswerteeinheit 3 mit einem solchen Zwischenspeicher zu verbinden. Zur Darstellung der bidirektionalen Datenleitung können Busleitungen verwendet werden.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Bestimmung der Dichte und der Geschwindigkeit in einem strömendem Medium, bei dem sensorische Größen erfasst und verarbeitet werden, dadurch gekennzeichnet, dass aus den genannten sensorischen Größen die Fließgeschwindigkeit und oder die Dichte P_m nach der Feldgleichung F= GxB + p x E, abgeleitet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Dichte als Funktion des spezifischen elektrischen Widerstandes p, der Permeabiltät μ, dem Dielektrikum ξ und der Leitfähigkeit σ bestimmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die sensorisch ermittelten, als auch die abgeleiteten Größen in einem adressierten Datenfeld abgelegt werden, und sowohl die aktuelle Messituation als auch deren Historie erfasst wird.

4. Einrichtung zur Bestimmung der Dichte und der Geschwindigkeit in einem strömendem Medium, bei dem sensorische Größen erfasst und verarbeitet werden, dadurch gekennzeichnet, dass über Sensoren ( 2 ) eine Mehrzahl direkter physikalischer Größen am Messsystem abgegriffen und einer Auswerteeinheit ( 3 ) zuführbar sind, welches mit einem zwischenspeicherndem Datenfeld ( 4 ) über eine bidirektionale Datenleitung ( 5 ) derart korrespondiert, dass nach Wahl sowohl die aktuelle Messituation im Hinblick auf direkt messbare sowie auch abgeleitete Größen als auch deren Messwerthistorie darstellbar ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenspeicher 4 sowie bidirektionale Datenleitung 5 separat zur IDM Auswerteeinheit ( 3 ) angeordnet ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenspeicher 4 sowie die bidirektionale Datenleitung 5 innerhalb der Auswerteeinheit 3 implementiert sind.

7. Einrichtung nach einen der vorhergehenden Ansprüche 4 - 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 3 als Softwareprogrammprodukt ausgelgt ist, welches an einer Datenschnittstelle in die besagte Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens einlesbar ist.