WO2011144398A1 - Verfahren zur ermittlung des durchflusses eines mediums durch ein messrohr - Google Patents

Verfahren zur ermittlung des durchflusses eines mediums durch ein messrohr Download PDF

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WO2011144398A1
WO2011144398A1 PCT/EP2011/055948 EP2011055948W WO2011144398A1 WO 2011144398 A1 WO2011144398 A1 WO 2011144398A1 EP 2011055948 W EP2011055948 W EP 2011055948W WO 2011144398 A1 WO2011144398 A1 WO 2011144398A1
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measuring
flow
medium
measuring tube
flowmeter
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PCT/EP2011/055948
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Wolfgang Drahm
Alfred Rieder
Stefan Heidenblut
Frank Schmalzried
Thomas Sulzer
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Endress+Hauser Flowtec Ag
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Publication date
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
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    • G01F1/56—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 using electric or magnetic effects
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    • G01F1/56—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 using electric or magnetic effects
    • G01F1/58—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 using electric or magnetic effects by electromagnetic flowmeters
    • G01F1/586—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 using electric or magnetic effects by electromagnetic flowmeters constructions of coils, magnetic circuits, accessories therefor

Definitions

  • the present invention relates to a flowmeter and a method for determining the flow of a medium through a measuring tube based on at least one first measuring signal, which depends at least on the flow rate of the medium in the measuring tube.
  • Magnetic-inductive flowmeters for volumetric flow measurement utilize the principle of electrodynamic induction and are known from a large number of publications.
  • Charge carriers of the medium moved perpendicularly to a magnetic field induce a measuring voltage in measuring electrodes which are essentially perpendicular to the direction of flow of the medium and perpendicular to the direction of the magnetic field.
  • Measuring electrodes induced measuring voltage is proportional to that over the
  • Cross section of the measuring tube averaged flow velocity of the medium, ie proportional to the volume flow. If the density of the medium is known, the mass flow in the pipeline or in the measuring tube can be determined.
  • Measuring voltage is usually tapped via a pair of measuring electrodes, which is arranged with respect to the coordinate along the Meßrohrachse in the range of maximum magnetic field strength and where consequently the maximum measuring voltage is expected.
  • Magnetic-inductive flowmeters usually have one
  • magnetic-inductive flowmeters with measuring tubes made of plastic are known. These may have the disadvantage of a larger and possibly also partial plastic deformation when a certain pressure of the medium in the measuring tube or after several pressure cycles is exceeded.
  • Fiber composites Embedded in these layers between the measuring tube inside and measuring tube outside is a strain gauge to the allowable To monitor stress in the respective installation situation. These do not take a direct influence on the measurement of the flow.
  • the object of the invention is to provide a flow meter that is robust to pressure fluctuations.
  • the flow in particular the volume and / or mass flow, of a medium is determined by a measuring tube.
  • the flow is determined on the basis of at least one first measuring signal, which depends at least on the flow velocity of the medium in the measuring tube. This can be, for example, the transit time difference or the
  • Measuring electrodes tapped measuring voltage of a magnetic-inductive
  • the vortex shedding frequency of a vortex flowmeter is a turbine flowmeter, or the heat loss is a heater of a thermal flowmeter. Further examples are known to the person skilled in the art, including how the individual measuring signals depend on the flow velocity of the medium in the measuring tube.
  • Example of a magnetic-inductive flowmeter is here the
  • Medium in the measuring tube thus corresponds to the passage area of the medium in the region of the sensor.
  • the flow velocity v of the medium in the measuring tube is then again equal to the quotient of the said measuring voltage U and the product of magnetic field strength and distance of the electrodes. If the measuring voltage U flows into the determination of the flow rate as the first measuring signal, the first measuring signal thus depends at least proportionally on the, here average, flow velocity.
  • the flow rate is in this
  • Flow cross-section of the medium in the measuring tube in the determination of the flow with a This is usually assumed to be constant.
  • a second measuring signal which depends on the flow cross section of the medium in the measuring tube and is independent of the
  • the first and second measurement signals have only one variable parameter on which they depend. They represent, so to speak, the
  • Flow velocity or the flow cross-section or they represent a change over time of the flow velocity or the
  • Calculated flow meter this takes place according to a predetermined rule, in particular according to a predetermined formula.
  • the formula has at least two parameters, with the values of the first measurement signal as the first parameter and the values of the second measurement signal as the second parameter.
  • the measuring signals would be sampled correspondingly at certain times and the value sampled in each case is included as a parameter in the flow calculation.
  • These could then also include other parameters such as pressure and / or temperature of the medium.
  • other parameters as invariable or variable parameters can be taken into account, such as the density, the viscosity, the chemical composition or the conductivity of the medium.
  • the calibration factor must be corrected if they change over time.
  • Flow cross-section of the medium in the measuring tube and further comprises means for detecting a further, second measuring signal, which from the
  • Flow cross section of the medium in the measuring tube depends and is independent of the flow rate of the medium.
  • the flow is from
  • Flow meter in a predetermined form can be output.
  • Detecting the second measurement signal is e.g. provided a strain gauge.
  • This can be mounted on the outside of the measuring tube.
  • this detects a geometric dimension or its change of the measuring tube on the outside, ie the side facing away from the lumen and thus the medium of the measuring tube wall.
  • the detected dimensional change for example a change in the circumference of the measuring tube, is dependent on a known regulation
  • the flow cross section can thus be easily calculated. It could also be easily concluded on the pressure and / or the density of the medium.
  • the flowmeter is, for example, a magnetic-inductive flowmeter, e.g. with a measuring tube made of a polymer plastic.
  • a magnetic-inductive flowmeter e.g. with a measuring tube made of a polymer plastic.
  • the inductance of the magnetic system of the magnetic-inductive flowmeter changes, which can be measured and used to generate the second measuring signal.
  • Acquisition of the second measurement signal is to use a measurement via surface acoustic wave (SAW) possibly combined with an RFID.
  • SAW surface acoustic wave
  • surface acoustic waves are used, the mechansiche stress or strain in a frequency-analog signal to convert.
  • frequencies are typically in the range 500kHz to 5MHz.
  • the resulting measurement signal could be wireless, such as at Tire pressure sensors in the range of a few MHz.
  • the second measurement signal is generated by means of surface acoustic waves.
  • Further means for detecting the second measuring signal are, for example, one or more Wiegand wires or a capacitive rangefinder, which can each be arranged on the measuring tube.
  • Flow rate of the medium depends in the measuring tube, and the second measurement signal, which depends on the flow cross section of the medium in the measuring tube and is independent of the flow velocity of the medium in the measuring tube, the flow is determined in dependence of the first and second measurement signal, in particular from a suitable evaluation unit , Then the flow can be output.
  • the measurement voltage induced in at least two measuring electrodes arranged in the measuring tube of a magneto-inductive flowmeter serves as the first measuring signal.
  • the flowmeter may have further sensors to measure pressure and / or temperature of the medium, in which case the pressure and / or the temperature are additionally used to determine the flow of the medium through the measuring tube.
  • a flow meter with a known lumen is calibrated in a calibration facility.
  • a calibration factor or several calibration factors or a calibration function are determined and stored in the calibration facility.
  • Flow of the medium is determined by the measuring tube with the corrected calibration factor.
  • Pressure fluctuations of the medium in the measuring tube can be detected, for example, by a geometric dimension of the measuring tube the outside of which is measured to close on the flow cross-section of the medium in the measuring tube.
  • the flow cross-section of the medium in the measuring tube is linked to the measured geometric dimension of the measuring tube on the outside thereof via a predetermined specification.
  • Fig. 1 shows schematically a magnetic-inductive flowmeter
  • Fig. 2 shows an outer wall of a measuring tube with inventive means for
  • FIG. 3 shows an outer wall of a measuring tube with means according to the invention for detecting the flow cross-section of the medium in the measuring tube in a second embodiment
  • Fig. 4 shows an outer wall of a measuring tube with inventive means for
  • FIG 5 shows an outer wall of a measuring tube with means according to the invention for detecting the flow cross section of the medium in the measuring tube in a fourth embodiment.
  • a magnetic-inductive flowmeter 1 is shown schematically in cross-section.
  • the wall of the measuring tube 2 which in this example is made of a non-electrically conductive plastic, e.g. PE, PET, PES, PFA, PTFE, POM, PP, PPS, PB or PA, two measuring electrodes 4 are introduced, which touch the medium 3 in the lumen of the measuring tube. Since a magnetic field, which is outlined by its field lines 6, is applied to the measuring tube 2 via the exciting coils 5, charge carriers of the medium 3 moved perpendicularly to the magnetic field induce a measuring voltage in the substantially perpendicular direction
  • Measuring voltage is proportional to that over the cross section of the measuring tube. 2 averaged flow velocity of the medium 3, that is known
  • Cross section proportional to the volume flow.
  • the direction of flow of the medium 3 in the measuring tube 2 is parallel to the measuring tube longitudinal axis.
  • the cross section of the lumen of the measuring tube 2 corresponds to the flow cross section of the medium 3 in the measuring tube 2.
  • the measuring tube 2 has a lumen substantially circular in cross section, for which reason the cross section of the lumen of the measuring tube 2 or the flow cross section of the medium 3 in the measuring tube 2 is simply to calculate the formula for calculating a circular area.
  • the circumference of the measuring tube 2 must be known or, as indicated here, the inner diameter 7 of the measuring tube 2.
  • the inner diameter 7 of the measuring tube 2 is determined during the measuring operation of the electromagnetic flowmeter 1, for example, as follows.
  • a magnetic return 8 for guiding the magnetic field, in which likewise the exciter coils 5 and the pole plates 9 provided for the magnetic field alignment are arranged.
  • magnetic feedback could also serve a suitably ausgestaltetes housing.
  • the excitation coils 5 and the pole plates 9 are part of the excitation system of a magnetic circuit of soft magnetic material.
  • the measuring tube 2 is arranged. There are now air gaps 10 between the respective excitation coils 5 and pole plates 9 and the measuring tube 2.
  • the pole plates 9 are elastic and can be one, in particular pressure-related, expansion of the
  • the excitation coils 5 are firmly housed in the magnetic return 8, which does not follow the expansions of the measuring tube 2.
  • the length of the air gaps 10 thus changes the inductance of the entire magnet system. From the change in the inductance, the change in the inner diameter 7 of the measuring tube 2 can be calculated.
  • the inductance is determined, for example, via the measurement of the inductive resistance of the
  • Flow cross section of the medium 3 in the measuring tube 2 can be easily calculated.
  • an evaluation unit not shown, which is suitable to be issued.
  • This can be done, for example, via the visual representation of the flow on a display, or discrete flow readings are output in digital form, for example via a bus, or an analog signal representing the flow is provided via a 4-20mA interface.
  • FIG. 2 shows a measuring tube 2 uncut in the side view.
  • the first strain gauge 1 1 is arranged on the measuring tube 2 so that it can accommodate the expansion of the measuring tube 2 in the radial direction, the second strain gauge 12 measures the axial extent of the measuring tube. 2
  • a second measurement signal is generated, which is dependent on the circumference of the measuring tube 2, and thus also dependent on the flow cross-section of the medium 3 in the measuring tube 2, with fully filled measuring tube 2.
  • the bridge circuits to the strain gauges. 1 1 and 12. are familiar to the person skilled in the art.
  • the relationship between the cross section of the lumen of the measuring tube 2 and the flow cross section of the medium 3 in the measuring tube 2 and the outer diameter, circumference or other geometric dimensions on the measuring tube outside is also not discussed here.
  • the second measurement signal is detected here corresponding to a geometric dimension on an outer side of the measuring tube. However, this is, as just explained, depending on the flow cross-section of the medium 3 in the measuring tube. 2 As a rule, flowmeters are calibrated. It goes into the determination of the flow, in addition to the first measurement signal, which of the
  • Flow rate of the medium 3 in the measuring tube 2 is dependent, whether in the measurement of a mass flow or in the measurement of
  • volumen takelaces including the flow cross-section of the medium 3 in the measuring tube with a.
  • This is usually a calibration factor with a.
  • the calibration factor is stored, for example, in the evaluation unit, e.g. kept in a store. It is also quite common to deposit several calibration factors or even the
  • the flow cross-section of the medium 3 in the measuring tube 2 is determined online, ie during the measuring operation, or a second measuring signal dependent on it, the corresponding calibration factor is thus changed or corrected online.
  • pressure and / or temperature of the medium could be measured and included in the determination of the flow of the medium through the measuring tube.
  • Method is the pressure in the measuring tube indirectly determinable.
  • the extent of the measuring tube 2 may depend directly or indirectly on the pressure of the medium 3 in
  • FIGS. 3 to 5 show further exemplary embodiments of the invention
  • FIG. 3 and FIG. 4 are based on the same measuring principle.
  • a single wire 13 is wound around the measuring tube 2. If the measuring tube 2 expands, the wire 13 will also be stretched in its length and be
  • the resulting second measurement signal is thus directly dependent on the circumference of the measuring tube 2 and thus indirectly from
  • a robust metal foil 14 is placed around the measuring tube 2. It has a higher stability compared to the single wire.
  • the measuring principle is the same.
  • the film could also be a conductive
  • Coating the measuring tube are provided.
  • a plurality of wires 15, 16, 17 and 18 with different yield strengths are arranged on the measuring tube 2 on its outer wall. These have, as indicated, different wire diameters, or consist of
  • Scope increase are taken.
  • this measuring device is not suitable to accurately track elastic changes of the measuring tube 2, since the wires are then irreversibly damaged. If, however, the measuring tube 2 becomes permanent, i. plastic, deformed, e.g. Due to several pressure cycles, this form of consideration of the flow cross section of the medium in the measuring tube 3 in the determination of the flow rate can be quite advantageous. Especially at
  • Plastic measuring tubes can lead to widening of the lumen of the measuring tube 2 by several percent after several pressure cycles. Accordingly large would be the measurement error of the flow without the inventive correction. Now, strain gauges over a longer period of time and over such changes in length can be very prone to failure, which is why a discrete detection of the flow cross-section can be advantageous.

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Abstract

Verfahren und Durchflussmessgerat zum Ermitteln des Durchflusses eines Mediums durch ein Messrohr anhand zumindest eines ersten Messsignals, welches zumindest von der Strömungsgeschwindigkeit des Mediums im Messrohr abhängt, wobei das erste Messsignals erfasst wird, wobei ein weiteres, zweites Messsignals, welches vom Strömungsquerschnitt des Mediums im Messrohr abhängt und unabhängig ist von der Strömungsgeschwindigkeit des Mediums im Messrohr, erfasst wird, wobei der Durchfluss in Abhängigkeit des ersten und des zweiten Messsignals ermittelt wird.

Description

Verfahren zur Ermittlung des Durchflusses eines Mediums durch ein Messrohr
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Durchflussmessgerät und ein Verfahren zum Ermitteln des Durchflusses eines Mediums durch ein Messrohr anhand zumindest eines ersten Messsignals, welches zumindest von der Strömungsgeschwindigkeit des Mediums im Messrohr abhängt.
Durchflussmessgerate sind insbesondere in der Prozessmesstechnik weit verbreitet und bekannt. Beispielhaft nutzen magnetisch-induktive Durchflussmessgerate für die volumetrische Strömungsmessung das Prinzip der elektrodynamischen Induktion aus und sind aus einer Vielzahl von Veröffentlichungen bekannt. Senkrecht zu einem Magnetfeld bewegte Ladungsträger des Mediums induzieren eine Messspannung in im Wesentlichen senkrecht zur Durchflussrichtung des Mediums und senkrecht zur Richtung des Magnetfeldes angeordneten Messelektroden. Die in die
Messelektroden induzierte Messspannung ist proportional zu der über den
Querschnitt des Messrohres gemittelten Strömungsgeschwindigkeit des Mediums, also proportional zum Volumenstrom. Ist die Dichte des Mediums bekannt, lässt sich der Massestrom in der Rohrleitung bzw. in dem Messrohr bestimmen. Die
Messspannung wird üblicherweise über ein Messelektrodenpaar abgegriffen, das bezüglich der Koordinate entlang der Messrohrachse in dem Bereich maximaler Magnetfeldstärke angeordnet ist und wo folglich die maximale Messspannung zu erwarten ist.
Magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte weisen dabei üblicherweise ein
Messrohr aus Metall, ausgekleidet mit einem Liner aus Polymer auf. Daneben sind auch magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte mit Messrohren aus Kunststoff bekannt. Diese können den Nachteil einer größeren und möglicherweise auch teilweise plastischen Verformung beim Überschreiten eines bestimmten Drucks des Mediums im Messrohr oder nach mehreren Druckzyklen aufweisen.
Die Offenlegungsschrift DE 103 47 890 A1 zeigt ein magnetisch-induktives
Durchflussmessgerät mit einem Messrohr aus Schichten von
Faserverbundwerkstoffen. Zwischen der Messrohrinnen- und Messrohraußenseite in diese Schichten eingebettet ist ein Dehnungsmessstreifen, um die zulässige Beanspruchung in der jeweiligen Einbausituation zu überwachen. Einen direkten Einfluss auf die Messung des Durchflusses nehmen diese nicht.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Durchflussmessgerät bereit zu stellen, welches robust gegenüber Druckschwankungen ist.
Die Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 und durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 7. Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung finden sich in den Merkmalen der jeweils abhängigen Ansprüche wider.
Mit einem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Durchfluss, insbesondere der Volumen- und/oder der Massendurchfluss, eines Mediums durch ein Messrohr ermittelt. Der Durchfluss wird anhand zumindest eines ersten Messsignals ermittelt, welches zumindest von der Strömungsgeschwindigkeit des Mediums im Messrohr abhängt. Dies kann beispielsweise die Laufzeitdifferenz oder die
Dopplerverschiebung bei einem Ultraschalldurchflussmessgerät, die an zwei
Messelektroden abgegriffene Messspannung eines magnetisch-induktiven
Durchflussmessgeräts, die Wirbelablösefrequenz eines Vortex- Durchflussmessgeräts, die Rotorendrehzahl eins Turbinen-Durchflussmessgeräts oder der Wärmeverlust eines Heizers eines thermischen Durchflussmessgeräts sein. Weitere Beispiele sind dem Fachmann bekannt, auch wie die einzelnen Messsignale von der Strömungsgeschwindigkeit des Mediums im Messrohr abhängen. Am
Beispiel eines magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräts soll hier die
Abhängigkeit der Messspannung von der Strömungsgeschwindigkeit des Mediums im Messrohr kurz umrissen werden. Der Volumendurchfluss Qv errechnet sich nach der Formel Qv = v * A, mit v der Strömungsgeschwindigkeit und A dem
Strömungsquerschnitt des Mediums im Messrohr. Dies gilt bei Messrohren deren Lumen im Querschnitt dem Strömungsquerschnitt des Mediums im Messrohr entspricht, d.h. bei voll gefüllten Messrohren. Der Strömungsquerschnitt des
Mediums im Messrohr entspricht also der Durchtrittsfläche des Mediums im Bereich des Messaufnehmers. Die Strömungsgeschwindigkeit v des Mediums im Messrohr ist nun wiederum gleich dem Quotienten aus der besagten Messspannung U und dem Produkt aus Magnetfeldstärke und Abstand der Elektroden. Fließt die Messspannung U als erstes Messsignal in die Ermittlung des Durchflusses mit ein, hängt das erste Messsignal also zumindest anteilig von der, hier mittleren, Strömungsgeschwindigkeit ab. Die Strömungsgeschwindigkeit wird in diesem
Beispiel als über den Strömungsquerschnitt gemittelte Geschwindigkeit angesehen.
In der Regel finden also zusätzlich zum ersten Messsignal weitere Faktoren bei der Ermittlung des Durchflusses Berücksichtigung. So fließt auch der
Strömungsquerschnitt des Mediums im Messrohr in die Ermittlung des Durchflusses mit ein. Dieser wird üblicherweise als konstant angenommen. Erfindungsgemäß jedoch, wird ein zweites Messsignal, welches vom Strömungsquerschnitt des Mediums im Messrohr abhängt und unabhängig ist von der
Strömungsgeschwindigkeit des Mediums im Messrohr, erfasst.
Beispielsweise weisen die ersten und zweiten Messsignale nur einen veränderlichen Parameter auf, von dem sie abhängig sind. Sie repräsentieren sozusagen die
Strömungsgeschwindigkeit bzw. den Strömungsquerschnitt bzw. sie repräsentieren eine zeitliche Änderung der Strömungsgeschwindigkeit bzw. des
Strömungsquerschnitts. Die weiteren Parameter, von denen die Messsignale abhängen sind unveränderlich oder werden als unveränderlich angenommen.
Wir der Durchfluss in einer Auswerteinheit des erfindungsgemäßen
Durchflussmessgeräts errechnet, findet dies nach einer vorgegebenen Vorschrift statt, insbesondere nach einer vorgegebenen Formel. Die Formel weist zumindest zwei Parameter auf, mit den Werten des ersten Messsignals als erstem Parameter und den Werten des zweiten Messsignals als zweitem Parameter. Die Messsignale würden entsprechend zu bestimmten Zeitpunkten abgetastet und der jeweils abgetastete Wert geht als Parameter in die Durchflussberechnung mit ein. In diese könnten dann auch weitere Parameter wie Druck und/oder Temperatur des Mediums einfließen. Auch weitere Messgrößen als unveränderliche oder veränderliche Parameter können berücksichtigt werden, wie z.B. die Dichte, die Viskosität, die chemische Zusammensetzung oder die Leitfähigkeit des Mediums. Sind diese Messgrößen in einem Kalibrierfaktor gespeichert, muss selbstverständlich der Kalibrierfaktor korrigiert werden, wenn sich diese zeitlich verändern. So weist ein erfindungsgemäßes Durchflussmessgerät zum Ermitteln des Durchflusses eines durch ein Messrohr strömendes Mediums einen Messaufnehmer zur Erfassung eines ersten, von der Strömung des Messmediums im Messrohr abhängigen Messsignals und eine Auswerteeinheit zum Ermitteln des Durchflusses zumindest in Abhängigkeit des ersten Messsignals und in Abhängigkeit des
Strömungsquerschnitts des Mediums im Messrohr auf, und weiterhin Mittel zum Erfassen eines weiteren, zweiten Messsignals aufweist, welches vom
Strömungsquerschnitt des Mediums im Messrohr abhängt und unabhängig ist von der Strömungsgeschwindigkeit des Mediums. Der Durchfluss ist vom
Durchflussmessgerät in einer vorgegebenen Form ausgebbar. Als Mittel zum
Erfassen des zweiten Messsignals ist z.B. ein Dehnungsmessstreifen vorgesehen. Dieser kann auf der Außenseite des Messrohrs angebracht sein. So erfasst dieser eine geometrische Abmessung oder deren Änderung des Messrohrs auf dessen Außenseite, also der dem Lumen und damit dem Medium abgewandten Seite der Messrohrwand. Die erfasste Abmessungsänderung, beispielsweise eine Änderung des Umfangs des Messrohrs, ist über eine bekannte Vorschrift abhängig vom
Querschnitt des Lumens des Messrohrs und damit abhängig vom
Strömungsquerschnitt. Der Strömungsquerschnitt lässt sich somit also leicht errechnen. Es könnte sich auch einfach auf den Druck und/oder die Dichte des Mediums schließen lassen.
Alternativ zum außen am Messrohr angebrachten Dehnungsmessstreifen ist das Durchflussmessgerät beispielsweise ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät, z.B. mit einem Messrohr aus einem polymeren Kunststoff. Durch eine Änderung des Strömungsquerschnitts des Mediums durch das Messrohr ändert sich ebenfalls die Induktivität des Magnetsystems des magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräts, welche gemessen und daraus das zweite Messsignal erzeugt werden kann. Ein weiteres Beispiel einer erfindungsgemäßen Ausführungsform der Mittel zur
Erfassung des zweiten Messsignals besteht darin, eine Messung über akustische Oberflächenwellen (SAW) eventuell kombiniert mit einem RFID zu verwenden. Dabei werden akustische Oberflächenwellen eingesetzt, die mechansiche Spannung oder Dehnung in ein frequenzanaloges Signalumwandeln. Derartige Frequenzen liegen typischerweise im Bereich 500kHz bis 5MHz. Die Übertragung des daraus
entstandenen Messsignals könnte drahtlos erfolgen, wie z.B. bei Reifendrucksensoren im Bereich einiger MHz. In diesem Ausführungsbeispiel wird das zweite Messsignal mittels akustischer Oberflächenwellen erzeugt. Weitere Mittel zum Erfassen des zweiten Messsignals stellen z.B. ein oder mehrere Wiegand- Drähte oder ein kapazitiver Entfernungsmesser dar, welche jeweils am Messrohr angeordnet sein können.
Nach der Erfassung des ersten Messsignals, welches zumindest von der
Strömungsgeschwindigkeit des Mediums im Messrohr abhängt, und des zweiten Messsignals, welches vom Strömungsquerschnitt des Mediums im Messrohr abhängt und unabhängig ist von der Strömungsgeschwindigkeit des Mediums im Messrohr, wird der Durchflusses in Abhängigkeit des ersten und des zweiten Messsignals, insbesondere von einer dafür geeigneten Auswerteinheit ermittelt. Anschließend kann der Durchfluss ausgegeben werden. Als erstes Messsignal dient beispielsweise die in zumindest zwei im Messrohr angeordneten Messelektroden eines magnetisch- induktiven Durchflussmessgeräts induzierte Messspannung.
Neben dem ersten und zweiten Messsignal, kann das Durchflussmessgerät weitere Messaufnehmer aufweisen, um Druck und/oder Temperatur des Mediums zu messen, wobei dann zur Ermittlung des Durchflusses des Mediums durch das Messrohr zusätzlich der Druck und/oder die Temperatur herangezogen werden.
Üblicherweise wird ein Durchflussmessgerät mit einem bekannten Lumen in einer Kalibrieranlage kalibriert. Bei der Kalibrierung werden ein Kalibrierfaktor oder mehrere Kalibrierfaktoren oder eine Kalibrierfunktion ermittelt und im
Durchflussmessgerät hinterlegt, z.B. in dessen Auswerteeinheit gespeichert. Ein solcher Kalibrierfaktor ist abhängig vom Strömungsquerschnitt des Mediums im Messrohr. Mittels des zweiten Messsignals wird dieser nun korrigiert und der
Durchfluss des Mediums wird durch das Messrohr mit dem korrigierten Kalibrierfaktor ermittelt.
Dies ist beispielsweise von Vorteil, wenn sich das Lumen des Messrohrs über einen gewissen Zeitraum reversibel oder irreversibel ändert, z.B. aufgrund von
Druckschwankungen des Mediums im Messrohr. Erfasst werden kann eine solche Änderung z.B. dadurch, dass eine geometrische Abmessung des Messrohrs auf dessen Außenseite gemessen wird, um darüber auf den Strömungsquerschnitt des Mediums im Messrohr zu schließen. Der Strömungsquerschnitt des Mediums im Messrohr ist über eine vorgegebene Vorschrift mit der gemessenen geometrischen Abmessung des Messrohrs auf dessen Außenseite verknüpft.
Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Einige davon sollen hier kurz anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert werden. Gleiche Elemente sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Fig. 1 zeigt schematisch ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät im
Querschnitt,
Fig. 2 zeigt eine Außenwand eines Messrohrs mit erfindungsgemäßen Mitteln zur
Erfassung des Strömungsquerschnitts des Mediums im Messrohr in einer ersten Ausgestaltung,
Fig. 3 zeigt eine Außenwand eines Messrohrs mit erfindungsgemäßen Mitteln zur Erfassung des Strömungsquerschnitts des Mediums im Messrohr in einer zweiten Ausgestaltung,
Fig. 4 zeigt eine Außenwand eines Messrohrs mit erfindungsgemäßen Mitteln zur
Erfassung des Strömungsquerschnitts des Mediums im Messrohr in einer dritten Ausgestaltung,
Fig. 5 zeigt eine Außenwand eines Messrohrs mit erfindungsgemäßen Mitteln zur Erfassung des Strömungsquerschnitts des Mediums im Messrohr in einer vierten Ausgestaltung.
In Fig. 1 ist ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät 1 im Querschnitt schematisch dargestellt. In der Wand des Messrohrs 2, welches in diesem Beispiel aus einem nicht elektrisch leitfähigen Kunststoff wie z.B. PE, PET, PES, PFA, PTFE, POM, PP, PPS, PB oder PA hergestellt ist, sind zwei Messelektroden 4 eingebracht, welche das Medium 3 im Lumen des Messrohrs berühren. Da über die Erregerspulen 5 ein Magnetfeld, welches durch seine Feldlinien 6 skizziert ist, am Messrohr 2 angelegt ist, induzieren senkrecht zum Magnetfeld bewegte Ladungsträger des Mediums 3 eine Messspannung in den im Wesentlichen senkrecht zur
Durchflussrichtung des Mediums 3 und senkrecht zur Richtung des Magnetfeldes angeordneten Messelektroden 4. Die in die Messelektroden 4 induzierte
Messspannung ist proportional zu der über den Querschnitt des Messrohres 2 gemittelten Strömungsgeschwindigkeit des Mediums 3, also bei bekanntem
Querschnitt proportional zum Volumenstrom. Die Durchflussrichtung des Mediums 3 im Messrohr 2 ist parallel zur Messrohrlängsachse. Der Querschnitt des Lumens des Messrohrs 2 entspricht bei voll gefülltem Messrohr 2 dem Strömungsquerschnitt des Mediums 3 im Messrohr 2. In diesem Ausführungsbeispiel weist das Messrohr 2 ein im Querschnitt im Wesentlichen kreisförmiges Lumen auf, weshalb der Querschnitt des Lumens des Messrohrs 2 bzw. der Strömungsquerschnitt des Mediums 3 im Messrohr 2 einfach über die Formel zur Berechnung einer Kreisfläche zu berechnen ist. Dazu muss beispielsweise der Umfang des Messrohrs 2 bekannt sein oder, wie hier angedeutet, der Innendurchmesser 7 des Messrohrs 2.
Der Innendurchmesser 7 des Messrohrs 2 wird während des Messbetriebs des magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräts 1 beispielsweise folgendermaßen ermittelt. Um das beschriebene Messrohr 2 ist eine magnetische Rückführung 8 zum Führen des Magnetfelds angeordnet, in welchem ebenfalls die Erregerspulen 5 und die zur Magnetfeldausrichtung vorgesehenen Polbleche 9 angeordnet sind. Als magnetische Rückführung könnte auch ein entsprechend ausgestaltetes Gehäuse dienen. Die Erregerspulen 5 und die Polbleche 9 sind Teil des Erregersystems aus einem magnetischen Kreis aus weichmagnetischem Material. Zwischen den
Erregersystemen unter anderem aus den jeweiligen Erregerspulen 5 und Polblechen 9 ist das Messrohr 2 angeordnet. Zwischen den jeweiligen Erregerspulen 5 und Polblechen 9 und dem Messrohr 2 bestehen nun Luftspalte 10. Die Polbleche 9 sind elastisch und können einer, insbesondere druckbedingten, Ausdehnung des
Messrohrs 2 folgen. Die Erregerspulen 5 sind jedoch fest in der magnetischen Rückführung 8 untergebracht, welche nicht den Ausdehnungen des Messrohrs 2 folgt. Dadurch ändert sich die Länge der Luftspalte 10 somit die Induktivität des gesamten Magnetsystems. Aus der Änderung der Induktivität kann die Änderung des Innendurchmessers 7 des Messrohrs 2 errechnet werden. Die Induktivität wird beispielsweise bestimmt über die Messung des induktiven Widerstands des
Feldsystems oder die Messung der Anstiegszeit beim Umschalten des Magnetfelds. Dieses stellt das zweite Messsignal dar. Es ist abhängig vom Strömungsquerschnitt des Mediums 3 im Messrohr 2 und unabhängig von der Strömungsgeschwindigkeit des Mediums 3 im Messrohr 2. Ist der Innendurchmesser 7 des Messrohrs 2 bekannt, kann der
Strömungsquerschnitt des Mediums 3 im Messrohr 2 leicht errechnet werden.
Zusammen mit dem Spannungssignal der Messelektroden 4, als erstem Messsignal, wird daraus anschließend der Durchfluss ermittelt. Dessen Werte können
anschließend von einer nicht dargestellten Auswerteeinheit, die dazu geeignet ist, ausgegeben werden. Dies kann beispielsweise über die visuelle Darstellung des Durchflusses auf einem Display geschehen, oder diskrete Durchflussmesswerte werden in digitaler Form, beispielsweise über einen Bus ausgegeben, oder ein analoges Signal, den Durchfluss repräsentierend wird per eine 4-20mA-Schnittstelle zur Verfügung gestellt. Auch kann ein Steuerungsausgang zur Steuerung von
Pumpen oder Ventilen oder ähnlichem vorgesehen sein. Des Weiteren sind weitere Ausgabemöglichkeiten denkbar, wie z.B. ein akustischer oder optischer Alarm bei Über-/Unterschreiten vorgegebener Grenzwerte. Fig. 2 zeigt ein Messrohr 2 ungeschnitten in der Seitenansicht. Auf der Außenseite des Messrohrs 2, also auf dessen Wand, welche das Lumen des Messrohrs 2 bildet, in welchem das Medium 3 strömt, sind zwei Dehnungsmessstreifen 1 1 und 12 angebracht. Der erste Dehnungsmessstreifen 1 1 ist so am Messrohr 2 angeordnet, dass er die Ausdehnung des Messrohrs 2 in radialer Richtung aufnehmen kann, der zweite Dehnungsmessstreifen 12 misst die axiale Ausdehnung des Messrohrs 2.
Mit dem ersten Dehnungsmessstreifen 1 1 wird also ein zweites Messsignal erzeugt, welches abhängig vom Umfang des Messrohrs 2 ist, und damit auch abhängig vom Strömungsquerschnitt des Mediums 3 im Messrohr 2, bei voll gefülltem Messrohr 2. Nicht dargestellt sind die Brückenschaltungen zu den Dehnungsmessstreifen 1 1 und 12. Diese sind dem Fachmann jedoch geläufig. Auch nicht näher eingegangen soll hier auf die Beziehung zwischen Querschnitt des Lumens des Messrohrs 2 bzw. Strömungsquerschnitt des Mediums 3 im Messrohr 2 und Außendurchmesser, Umfang oder weiteren geometrischen Abmessungen auf der Messrohraußenseite. Das zweite Messsignal wird hier entsprechend in Abhängigkeit einer geometrischen Abmessung auf einer Außenseite des Messrohrs erfasst. Diese ist jedoch, wie eben erläutert, abhängig vom Strömungsquerschnitt des Mediums 3 im Messrohr 2. In der Regel werden Durchflussmessgeräte kalibriert. Dabei geht in die Ermittlung des Durchflusses, neben dem ersten Messsignal, welches von der
Strömungsgeschwindigkeit des Mediums 3 im Messrohr 2 abhängig ist, sei es bei der Messung eines Massendurchflusses oder bei der Messung des
Volumendurchflusses, auch der Strömungsquerschnitt des Mediums 3 im Messrohr mit ein. Dieser geht meist über einen Kalibrierfaktor mit ein. Der Kalibrierfaktor wird beispielsweise in der Auswerteeinheit hinterlegt, z.B. in einem Speicher gehalten. Es ist auch durchaus üblich mehrere Kalibrierfaktoren zu hinterlegen oder gar die
Parameter einzeln vorzuhalten, um sie gegebenenfalls leicht ändern zu können.
Wird nun erfindungsgemäß der Strömungsquerschnitt des Mediums 3 im Messrohr 2 online, also während des Messbetriebs ermittelt, bzw. ein von ihm abhängiges zweites Messsignal, wird damit der entsprechende Kalibrierfaktor online geändert bzw. korrigiert.
Zusätzlich könnten zu den ersten und zweiten Messsignalen, noch Druck und/oder Temperatur des Mediums gemessen werden und in die Ermittlung des Durchflusses des Mediums durch das Messrohr mit einfließen. Mit der erfindungsgemäßen
Methode ist jedoch der Druck im Messrohr indirekt bestimmbar. Die Ausdehnung des Messrohrs 2 kann direkt oder indirekt abhängen vom Druck des Mediums 3 im
Messrohr 2.
In den Fig. 3 bis Fig. 5 sind weitere Ausgestaltungsbeispiele der Erfindung
veranschaulicht. Die Mittel in Fig.3 und Fig. 4 basieren auf dem gleichen Messprinzip. In Fig. 3 ist ein einzelner Draht 13 um das Messrohr 2 gewickelt. Dehnt sich das Messrohr 2 aus, wird auch der Draht 13 in seiner Länge gedehnt und sein
Widerstand ändert sich entsprechend. Das daraus zu erzeugende zweite Messsignal ist somit direkt abhängig vom Umfang des Messrohrs 2 und damit indirekt vom
Strömungsquerschnitt des Mediums im Messrohr 2.
Im weiteren Ausgestaltungsbeispiel der Fig. 4 ist eine robuste Metallfolie 14 um das Messrohr 2 gelegt. Sie weist gegenüber dem einzelnen Draht eine höhere Stabilität auf. Das Messprinzip ist gleich. Alternativ zur Folie könnte auch eine leitfähige
Beschichtung des Messrohrs vorgesehen werden. In Fig. 5 hingegen sind mehrere Drähte 15, 16, 17 und 18 mit unterschiedlichen Streckgrenzen am Messrohr 2 auf dessen Außenwand angeordnet. Diese weisen, wie angedeutet, verschiedene Drahtdurchmesser auf, oder bestehen aus
unterschiedlichen Materialien. Eine Aufweitung des Messrohrs 2 führt dann schrittweise zum Abreißen der Drähte. Ihre Dimensionierung könnte z.B. so ausgestaltet sein, dass mit jedem Prozent Umfangszuwachs ein bestimmter Draht reißt. Durch Prüfung der intakten Drähte kann damit eine Aussage zum
Umfangszuwachs getroffen werden. Diese Messeinrichtung ist jedoch nicht geeignet, um elastische Veränderungen des Messrohrs 2 exakt zu verfolgen, da die Drähte dann irreversibel beschädigt sind. Wird das Messrohr 2 hingegen dauerhaft, d.h. plastisch, verformt, z.B. aufgrund mehrerer Druckzyklen, kann diese Form der Berücksichtigung des Strömungsquerschnitts des Mediums im Messrohr 3 bei der Ermittlung des Durchflusses durchaus vorteilhaft sein. Insbesondere bei
Kunststoffmessrohren kann es nach mehreren Druckzyklen zu Aufweitungen des Lumens des Messrohrs 2 von mehreren Prozent kommen. Dementsprechend groß wäre der Messfehler des Durchflusses ohne die erfindungsgemäße Korrektur. Nun können Dehnungsmessstreifen über einen längeren Zeitraum und über solche Längenänderungen sehr störanfällig sein, weshalb eine diskrete Erfassung des Strömungsquerschnitts vorteilhaft sein kann.
Bezugszeichenliste
1 Durchflussmessgerät
2 Messrohr
3 Medium
4 Messelektroden eines magnetisch-induktiven Durchflussmessgerats
5 Erregerspulen eines magnetisch-induktiven Durchflussmessgerats
6 Feldlinien eines magnetisch-induktiven Durchflussmessgerats
7 Innendurchmesser des Messrohrs
8 Magnetische Rückführung des Durchflussmessgerats
9 Polbleche eines magnetisch-induktiven Durchflussmessgerats
10 Luftspalt
1 1 Dehnungsmessstreifen
12 Dehnungsmessstreifen
13 Einzelner Draht
14 Folie
15 Draht
16 Draht
17 Draht
18 Draht

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zum Ermitteln des Durchflusses eines Mediums durch ein Messrohr anhand zumindest eines ersten Messsignals, welches zumindest von der Strömungsgeschwindigkeit des Mediums im Messrohr abhängt,
gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
- Erfassen des ersten Messsignals,
- Erfassen eines weiteren, zweiten Messsignals, welches vom
Strömungsquerschnitt des Mediums im Messrohr abhängt und unabhängig ist von der Strömungsgeschwindigkeit des Mediums im Messrohr,
- Ermitteln des Durchflusses in Abhängigkeit des ersten und des zweiten Messsignals.
2. Verfahren zur Messung des Durchflusses eines Mediums durch ein Messrohr nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass der ermittelte Durchfluss vom Durchflussmessgerät ausgegeben wird.
3. Verfahren zur Messung des Durchflusses eines Mediums durch ein Messrohr nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein Kalibrierfaktor, abhängig vom Strömungsquerschnitt des Mediums im Messrohr, mittels des zweiten Messsignals korrigiert wird und der Durchfluss des Mediums durch das Messrohr mit dem korrigierten Kalibrierfaktor ermittelt wird.
4. Verfahren zur Messung des Durchflusses eines Mediums durch ein Messrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass als erstes Messsignal eine, in zumindest zwei im Messrohr angeordneten Messelektroden eines magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräts induzierte Messspannung abgegriffen wird.
5. Verfahren zur Messung des Durchflusses eines Mediums durch ein Messrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass das zweite Messsignal in Abhängigkeit einer geometrischen Abmessung auf einer Außenseite des Messrohrs erfasst wird.
6. Verfahren zur Messung des Durchflusses eines Mediums durch ein Messrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass zusätzlich zu den ersten und zweiten Messsignalen, Druck und/oder Temperatur des Mediums gemessen werden und der Durchfluss des Mediums durch das Messrohr zusätzlich in Abhängigkeit des Drucks und/oder der Temperatur ermittelt wird.
7. Durchflussmessgerät zum Ermitteln des Durchflusses eines durch ein
Messrohr strömendes Medium, welches Durchflussmessgerät einen
Messaufnehmer zur Erfassung eines ersten, von der Strömung des
Messmediums im Messrohr abhängigen Messsignals umfasst, und eine Auswerteeinheit zum Ermitteln des Durchflusses zumindest in Abhängigkeit des ersten Messsignals und in Abhängigkeit des Strömungsquerschnitts des Mediums im Messrohr,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Durchflussmessgerät Mittel zum Erfassen eines weiteren, zweiten Messsignals aufweist, welches vom Strömungsquerschnitt des Mediums im Messrohr abhängt.
8. Durchflussmessgerät nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Mittel zum Erfassen des zweiten Messsignals zumindest ein
Dehnungsmessstreifen ist.
9. Durchflussmessgerät nach Anspruch 7 oder 8,
dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit des Durchflussmessgeräts geeignet ist, den errechneten Durchfluss auszugeben.
10. Durchflussmessgerat nach einem der Ansprüche 7 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Messrohr zumindest anteilig aus einem Polymer hergestellt ist.
1 1 . Durchflussmessgerat nach einem der Ansprüche 7 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass es ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerat ist.
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