ABB Patent GmbH 26. September 2005
Wallstadter Straße 59 04/591 SM/SP
68526 Ladenburg
Wirbeldurchflussmesser
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wirbeldurchflussmesser mit einem geschlossenen Messrohr, durch welches ein mengenmäßig zu messendes Medium strömt, das einen hierin angeordneten Störkörper anströmt, wobei ein in Strömungsrichtung nachgeordneter Schwingungssensor die durch den Störkörper erzeugte Wirbelfrequenz erfasst, welcher eine dem Schwingungssensor nachgeschaltete elektronische Auswerteeinheit in ein den Mengen- oder Volumendurchfluss entsprechendes elektrisches Signal umwandeln.
Das Einsatzgebiet derartiger Wirbeldurchflussmesser erstreckt sich vornehmlich auf Anwendungen in der chemischen Industrie, der pharmazeutischen Industrie, der
Papierindustrie oder der Nahrungs- und Genussmittelindustrie, um beispielsweise eine kontinuierliche Messung des Mengen- oder Volumendurchflusses in Rohrleitungen des Wasser/Abwasserbereichs von Herstellungsanlagen zu ermöglichen.
Geräte zur Durchfluss- und Mengenmessung in derartigen geschlossenen Rohrleitungen werden unterteilt in Durchflussmesser (z.B. Coriolis- Massedurchflussmessesr) und die hier interessierenden Mengenmesser bzw. Volumenzähler (z.B. Wirbeldurchflussmesser).
Wirbeldurchflussmesser sind seit vielen Jahren allgemein bekannt und dienen vornehmlich der mengenmäßigen Messung von Flüssigkeiten, Gasen und Dämpfen als fließfähige Medien in geschlossenen Rohrleitungen. Wirbeldurchflussmesser arbeiten nach dem physikalischen Prinzip der Kärmanschen Wirbelstraße, bei der die
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Wirbelfrequenz nach einem angeströmten Störkörper gemessen wird. Trifft nämlich ein strömendes Medium auf ein Hindernis, bilden sich Druckschwankungen im Medium, die zu Wirbelablösungen an dem Hindernis führen. Dieses Phänomen machen sich Wirbeldurchflussmesser zunutze. Über den geometrisch definierten Störkörper werden Wirbelablösungen im Durchflussmesser erzeugt, deren Frequenz mit dem nachgeschalteten Schwingungssensor erfasst werden. Dabei sind die Schwingungssensoren üblicherweise entweder in einem festen Abstand hinter dem Störkörper positioniert oder direkt am Störkörper
Ein Problern bei dieser Durchflussmesstechnik resultiert daraus, dass die optimale Positionierung des Schwingungssensors hinter dem Störkörper von den fluidmechanischen Gegebenheiten, d.h. insbesondere der Viskosität und der Reynoldszahl des Mediums, abhängt. Somit ist die Positionierung des Schwingungssensors nur für eine einzige fluidmechanische Konfiguration - beispielsweise Wasser als fließfähiges Medium - optimal. Die Positionierung des
Schwingungssensors kann bei Veränderung der fluidmechanischen Konfiguration nicht in das neue Optimum nachgestellt werden.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Wirbeldurchflussmesser der vorstehend angegebenen Art dahingehend weiter zu verbessern, dass eine flexible Anpassung an unterschiedliche fludimechanische Konfigurationen auf einfache Weise möglich wird.
Die Aufgabe wird ausgehend von einem Wirbeldurchflussmesser gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Die nachfolgenden abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.
Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass bei einem Wirbeldurchflussmesser Mittel zur signaloptimierenden Veränderung der relativen Position zwischen Messrohr und Störkörper und/oder Messrohr und Schwingungssensor vorgesehen sind.
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Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt insbesondere darin, dass hierdurch eine adaptive Sensorpositionierung ermöglicht wird, um beispielsweise einen einzigen Wirbeldurchflussmesser für verschiedene fließfähige Medien zu nutzen. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein optimales Messsignal entweder durch eine Veränderung der relativen Position zwischen Messrohr und Störkörper oder auch durch eine Änderung der relativen Position zwischen Messrohr und Schwingungssensor oder beidem erzielbar ist. Diese Erkenntnis bietet verschiedene technische Ansatzpunkte, um für verschiedene fluid mechanische Konfigurationen eine optimales Messsignal - insbesondere eine maximale Amplitude - einzustellen. Denn entweder kann der Störkörper relativ zum Schwingungssensor und dem Messrohr lageverändert werden oder der Schwingungssensor kann relativ zum Messrohr und dem Störkörper lageverändert werden. Es ist auch denkbar sowohl Schwingungssensor als auch Störkörper bewegbar auszuführen.
Zu diesem Zwecke können die Mittel zur signaloptimierenden Veränderung der relativen Position in Radialrichtung wirken. Bei einer möglichen Ausführungsform kann der Störkörper oder der Schwingungssensor einen Stößel umfassen, welcher abgedichtet durch eine korrespondierende Wandöffnung im Messrohr hindurchgeführt ist, um von außen her eine Radialverstellung des Störkörpers bzw. Schwingungssensors vorzunehmen. Abhängig von der relativen Position des
Störkörpers oder Schwingungssensors im Messrohr ändert sich das den Mengen- oder Volumendurchfluss entsprechende elektrische Signal. Daher kann über die Änderung der relativen Position in Radialrichtung das elektrische Signal optimal eingestellt werden.
Daneben ist es auch mög lich, dass die Mittel zur signaloptimierten Veränderung der relativen Position in Axialrichtung zum Messrohr wirken. Bei einer möglichen Ausführungsform kann hierfür ein mit dem Störkörper oder dem Schwingungssensor verbundene Mitnehmer vorgesehen werden, der über eine Schieberankopplung durch das Messrohr hindurchgeführt ist, um von außen her die Axialverstellung des
Störkörpers bzw. Schwingungssensors vorzunehmen. Vorzugsweise ist der Mitnehmer zweiteilig aufgebaut. Ein irn Messrohr angeordnetes und mit dem Störkörper bzw. Schwingungssensor verbundenes Mitnehmerteil ist hierbei über eine magnetische
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Kopplung mit einem außen liegenden Mitnehmerteil verbunden. Wird nun das außen liegende Mitnehmerteil in Axialrichtung zum Messrohr bewegt, so ändert sich entsprechend die axiale Positionierung des hiermit gekoppelten Störkörpers bzw. Schwingungssensors. Es ist jedoch auch denkbar, die Schieberankopplung durch das Messrohr hindurch über einen abgedichteten Längsschlitz durchzuführen. In diesem Fall sind jedoch geeignete Maßnahmen zur Schlitzabdichtung, wie diese aus dem Bereich der Hydraulik bekannt sind, einzusetzen.
Im Rahmen der Erfindung ist es auch möglich, die relative Position des Störkörpers oder Schwingungssensors im Messrohr in Radialrichtung und in Axialrichtung gleichermaßen zu verstellen, um ein optimales Messsignal zu erhalten oder die Messtechnik an unterschiedliche fluidrnechanische Konfigurationen anzupassen.
Nach einer möglichen Ausführungsvariante kann die signaloptimierende Veränderung der relativen Position in Axialrichtung und/oder Radialrichtung über manuelle
Betätigungselemente erfolgen. Solche manuellen Betätigungselemente können beispielsweise nach Art von Stellschrauben und dergleichen ausgebildet sein, welche eine Veränderung der relativen Position von Hand ermöglichen.
Nach einer weiteren Ausführungsvariante kann die signaloptimierende Veränderung der relativen Position in Axialrichtung und/oder Radialrichtung über mit einer Hilfsenergie bewegbare Stellglieder erfolgen. Hierfür eignen sich beispielsweise elektrische Linearantriebe, wie Proportionalmagnete und dergleichen.
Werden derartige Stellglieder zur Positionsänderung verwendet, so lassen diese sich in einen Regelkreis integrieren, welcher insbesondere zur Maximierung der Signalamplitude dient und über den Schwingungssensor den Istwert erfasst, die vom Schwingungssensor erfassbare Signalamplitude maximiert. Der Vorteil eines derartigen Regelkreises besteht darin, dass eine automatische Signaloptimierung vorgenommen werden kann. Durch einen solchen Regelkreis können auch
Informationen über verschiedene physikalische Eigenschaften des strömenden Mediums gewonnen werden, beispielsweise wenn die Signalamplitude von der Reynoldszahl abhängt.
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Gemäß einer weiteren die Erfindung verbessernden Maßnahme kann die Auswerteeinheit auch über definierte axiale Verschiebungen von Störkörper oder Schwingungssensor Unsymmetrien um Strömungsprofil des strömenden Mediums ermitteln, um hierüber falsche Einbaubedingungen des Wirbeldurchflussmessers zu diagnostizieren.
Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand der einzigen Figur näher dargestellt. Die Figur zeigt einen Wirbeldurchflussmesser mit Mitteln zur signaloptimierenden Veränderung von Bauteilen.
Gemäß Fig. ist ein geschlossenes Messrohr 1 von einem fließfähigen Medium 2 durchströmt. Innerhalb des Messrohrs 1 ist ein Störkörper 3 angeordnet, welcher vom fließfähigen Medium 2 angeströmt wird, so dass sich nachfolgend im fließfähigen Medium 2 Wirbel bilden. Die Frequenz der so gebildeten Wirbel wird von einem in Strömungsrichtung nachgeordneten Schwingungssensor 4 erfasst. Die Wirbelfrequenz ist insbesondere abhängig von der Viskosität und Reynoldszahl des fließfähigen Mediums 2 sowie von der Strömungsgeschwindigkeit. Die vom Schwingungssensor erfasste Wirbelfrequenz geht einer nachgeschalteten elektronischen Auswerteeinheit 5 eingangsseitig zu, welche hieraus über an sich bekannte mathematische Zusammenhänge ein den Mengen- oder Volumenfluss entsprechendes elektrisches Signal 6 erzeugt.
Die relative Position zwischen Messrohr 1 und Störkörper 3 sowie auch die relative Position zwischen Messrohr 1 und Schwingungssensor 4 lässt sich bei diesem Ausführungsbeispiel in Axialrichtung, d.h. in Strömungsrichtung des fließfähigen Mediums 2, verändern, um das elektrische Signal zu optimieren, also eine maximale Amplitude sicherzustellen. Die maximale Amplitude ist — wie vorstehend erläutert - abhängig von den fluidmechanischen Gegebenheiten des fließfähigen Mediums.
Der Störkörper 3 und der Schwingungssensor 4 sind mit jeweils zugeordneten Stößeln 7a bzw. 7b an ein Stellglied 8 angekoppelt. Beim Stellglied 8 handelt es sich hier um
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zwei zu einer Baueinheit zusammengefasste elektrische Linearantriebe, welche je einem Stößel 7a bzw. 7b zugeordnet sind, um die Position von Störkörper 3 und Schwingungssensor 4 in Axialrichtung zu verändern. Zu diesem Zwecke sind beider Stößel 7a und 7b durch eine schlitzartige Wandöffnung 9 im Messrohr 1 durchgeführt, welche mit an sich bekannten Abdichtmaßnahmen ein Austreten des fließfähigen Mediums 2 aus dem Messrohr 1 an die Atmosphäre verhindert.
Das Stellglied 8 ist Teil eines Regelkreises zur Maximierung der Signalamplitude, dessen Regeleinheit 10 eingangsseitig mit dem Schwingungssensor 4 zur I stwert- Erfassung in Verbindung steht. Die Regeleinheit 10 ist integraler Bestandteil der elektronischen Auswerteeinheit 5, welche beispielsweise als speicherprogrammierbare Steuerung ausgebildet sein kann. Die Maximierung der Signalamplitude im Sinne einer signaloptimierenden Veränderung der relativen Position zwischen Messrohr 1 und Störkörper 3 bzw. Messrohr 1 und Schwingungssensor 4 erfolgt automatisch.
Die Erfindung beschränkt sich nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Es sind vielmehr auch Abwandlungen hiervon denkba r, welche vom Schutzbereich der nachfolgenden Ansprüche Gebrauch machen. So ist es beispielsweise auch möglich, eine signaloptimierende Veränderung der relativen Position zwischen Messrohr 1 und Störkörper 3 oder Messrohr 1 und
Schwingungssensor 4 in Radialrichtung durchzuführen. Dieses kann durch eine entsprechende Auf- und Abbewegung der Stößel 7a bzw. 7b erfolgen.
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Bezugszeichenliste
Messrohr fließfähiges Medium Störkörper Schwingungssensor elektronische Auswerteeinheit elektrisches Signal Stößel Stellglied Wandöffnung Regeleinheit