WO2014206923A1 - Verfahren zur vermeidung pulsationsbedingter messfehler bei der massenflussbestimmung - Google Patents

Verfahren zur vermeidung pulsationsbedingter messfehler bei der massenflussbestimmung Download PDF

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    • G01F1/72—Devices for measuring pulsing fluid flows

Definitions

  • the invention relates to a method for mass flow determination of a medium flowing through a conduit, wherein the medium flows through the conduit pulsating, wherein the calculation of the mass flow is performed by a computing unit and wherein sensors measure the differential pressure, the static pressure and the temperature of the medium flowing through the line and provide the measured states each in the form of a signal. Furthermore, the invention relates to a measuring system for carrying out the method.
  • a common method is to calculate the mass flow using differential pressure. For the calculation, the density of the medium and the cross-sectional area of the pipe are required, in addition, the differential pressure dp, the static pressure p sta t and the temperature of the flowing medium must be recorded.
  • Possibilities for detecting the static pressure p sta t and the temperature of a flowing medium are well known and need not be further described here.
  • the measurement of the differential pressure usually takes place via a measuring probe projecting into the conduit.
  • the probe has seen in the flow direction on the front side and on the back via a respective pressure receptacle whose channels are connected to a sensor.
  • the static pressure p sta t is applied to one pressure pickup and the dynamic overpressure or underpressure dp + p sta t to the other pressure pickup.
  • the pressure receptacles are connected to the sensor via impulse lines or channels. The pressure difference prevailing between the two pressure receptacles is measured by the sensor and output as the value for the differential pressure dp.
  • RPM rotating internal combustion engine of a commercial vehicle for example, is to be expected with a pulsation frequency of 200 Hz.
  • pulsation frequencies of 600-800 Hz can be achieved, depending on the number of cylinders.
  • the pressure pulsations continue at high speed in the lines of the system and superimpose the parameter to be measured.
  • the rapid pressure changes affect the measurement, since the pressure receptacles are spatially separated in the flow direction.
  • the pressure pulses do not reach the two pressure recordings simultaneously.
  • the static pressure applied to one pressure receptacle at a certain point in time thus differs from the static pressure present at the other pressure receptacle at the same time. If different static pressures are used to determine the differential pressure, this leads to a measurement error.
  • the frequency of the pressure pulsation is greater than the detection and processing speed of the sensor. If this is the case, the state of the medium can no longer be measured exactly at a certain point in time.
  • the filtered mean values are set in the formula for calculating the mass flow.
  • the result of the calculation gives a mass flow value used to control or control the rated systems.
  • the attenuation of the signals is problematic.
  • the problem is that according to the formula for calculating the mass flow, a root extraction is required. Comparing the result of a root extraction from an oscillating signal with the result of the root extraction from the mean value of the oscillating signal, one obtains a different result curve. Namely, if a damped signal is set as a term in a root, the calculation of the root gives a value that is not proportional to the actual measured value. The use of a damped measured value as a root term thus falsifies the result of the mass flow calculation. This measurement error is known in the art as a root error of the differential pressure measurement.
  • DE 10 2009 022 981 A1 proposes a flow meter in which the pulse line is extended for one of the pressure receptacles and equipped for the other with additional volumes. Since a pressure pulse reaches one of the pressure receptacles first, the occurring transit time difference can be reduced by extending the impulse line of this pressure receptacle. The additional volume in the other impulse line acts as a damping element, with which the pressure differences can be further reduced.
  • the object of the application is to propose a method for determining the mass flow of a medium flowing through a conduit, in which a reduction of pulsation-related measurement errors for any types of probes and can be achieved without much effort.
  • signals provided by a dp sensor are transmitted unfiltered to the arithmetic unit in a first method step.
  • the arithmetic unit uses the unfiltered signal together with the signal of the p s tat ⁇ sensor to calculate the mass flow for the respective unit of time.
  • measured values acquired by the dp sensor are thus transferred to the arithmetic unit without being damped beforehand.
  • the value recorded by the dp sensor is set directly in the root term and then the mass flow is calculated.
  • the erasing of a damped dp signal is eliminated, as a result of which the measurement error described above with respect to the dp value is avoided.
  • the measuring frequency of the sensors exceeds the pulsation frequency in the medium to be measured by a multiple, in particular by more than five times.
  • the pulsation of the medium in the measurement results clearly and can be detected clean.
  • the speed of the arithmetic unit is designed to calculate the mass flow to the measuring frequency of the sensors.
  • the signal of a p sta rSensors unfiltered transmitted to the arithmetic unit. If both pressures are set undamped in the root term, the radication error can be further reduced. For the advantageous measurement frequencies, the statements made above regarding the dp sensors apply accordingly.
  • temporally successive values of the mass flow are subjected to damping. Since the damping takes place only after the mass flow has been calculated, the described rooting error does not even occur.
  • the mass flow rate first calculated and then filtered correlates to the actual state changes in mass flow.
  • the attenuation following the calculation thus makes it possible to provide a value for the mass flow which, in spite of the filtering, is proportional to the actual state change of the mass flow.
  • the averaged value reduces the data flow compared to the individual values and is sufficient to meet most control or control requirements for a highly dynamic system.
  • the damping is preferably carried out electrically or electronically. This type of damping of the temporally successive values of the mass flow can take place in the arithmetic unit. This makes it possible to integrate the damping space-saving in the arithmetic unit.
  • the sensors perform their measurement with a multiple, in particular with a more than five times a pulsation frequency of the flow. Due to the fast sampling, the states actually occurring in the system are recorded with particularly high accuracy.
  • the temperature sensor also displays its measured values with the corresponding values Frequency ready, the values for the mass flow can be at a frequency that reflects the state change in the system.
  • the value of the mass flow calculated according to the invention is provided at an interface of the dp measuring system. The method according to the invention can accordingly proceed completely in a compactly held measuring system.
  • sensors and the arithmetic unit can be integrated into a measuring probe, at the interface of which the values calculated according to the invention for the mass flow can be tapped off.
  • a measuring system we d taken with claim 7. It is particularly advantageous if not only the sensors and the arithmetic unit, but also the pressure receptacles are integrated into the measuring probe.

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Abstract

Verfahren zur Massenflüssbestimmung eines durch eine Leitung strömenden Mediums, wobei das Medium die Leitung pulsierend durchströmt, wobei die Berechnung des Massenflusses durch eine Recheneinheit erfolgt und wobei Sensoren den Differenzdruck dp, den statischen Druck pstat und die Temperatur des die Leitung durchströmenden Mediums messen und die gemessenen Zustände jeweils in Form eines Signals bereitstellen, wobei, dass in einem ersten Verfahrensschritt von einem dp-Sensor bereitgestellte Signale ungefiltert an die Recheneinheit übermittelt werden und dass die Recheneinheit aus den vom dp-Sensor übermittelten Signalen der Sensoren einen Wert des Massenflusses für eine Zeiteinheit berechnet.

Description

Verfahren zur Vermeidung pulsationsbedingter Messfehler bei der
Massenflussbestimmung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Massenflussbestimmung eines durch eine Leitung strömenden Mediums, wobei das Medium die Leitung pulsierend durchströmt, wobei die Berechnung des Massenflusses durch eine Recheneinheit erfolgt und wobei Sensoren den Differenzdruck, den statischen Druck und die Temperatur des die Leitung durchströmenden Mediums messen und die gemessenen Zustände jeweils in Form eines Signals bereitstellen. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Messsystem zur Durchführung des Verfahrens.
Zur Berechnung des Massenflusses eines durch eine Leitung strömenden Mediums können verschiedene Verfahren eingesetzt werden. Ein gängiges Verfahren ist es, den Massenfluss mit Hilfe des Differenzdrucks zu berechnen. Zur Berechnung werden die Dichte des Mediums und die Querschnittsfläche der Leitung benötigt, zudem muss der Differenzdruck dp, der statische Druck pstat und die Temperatur des strömenden Mediums erfasst werden.
Möglichkeiten zur Erfassung des statischen Drucks pstat und der Temperatur eines strömenden Mediums sind hinreichend bekannt und brauchen hier nicht weiter beschrieben zu werden. Die Messung des Differenzdruckes erfolgt üblicherweise über eine in die Leitung hineinragende Messsonde. Die Messsonde verfügt in Strömungsrichtung gesehen auf der Stirnseite und auf der Rückseite über jeweils eine Druckaufnahme, deren Kanäle mit einem Sensor verbunden sind. An der einen Druckaufnahmen liegt der statische Druck pstat und an der anderen Druckaufnahme der dynamische Über- beziehungsweise Unterdruck dp + pstat an. Die Druckaufnahmen sind über Impulsleitungen bzw. Kanäle mit dem Sensor verbunden. Die zwischen den beiden Druckaufnahmen herrschende Druckdifferenz wird vom Sensor gemessen und als Wert für den Differenzdruck dp ausgegeben.
Derartige Messungen sind unproblematisch, solange es sich um Messungen stationärer Zustände handelt. Ist die Strömung in einen bestimmten Zeitabschnitt quasi unverändert, bilden die ausgegebenen Messwerte für den statischen Druck und den zwischen den beiden Druckaufnahmen herrschenden Druckunterschied die tatsächlichen Zuständen ab.
Beim Betrieb von hochdynamischen Systeme treten jedoch im Medium schnelle Druckänderungen des statischen Drucks auf. Solche Zustände treten beispielsweise in Verbrennungsmotoren, Verdichter oder Kompressoren auf. Bei einem mit 2.500
U/min drehenden Verbrennungsmotor eines Nutzfahrzeugs ist beispielsweise mit einer Pulsationsfrequenz von 200 Hz zu rechnen. In höherdrehenden Motoren können je nach Zylinderanzahl Pulsationsfrequenzen von 600-800 Hz erreicht werden.
Die Druckpulsationen setzen sich mit hoher Geschwindigkeit in den Leitungen des Systems fort und überlagern den zu messenden Parameter. Die schnellen Druckänderungen beeinträchtigen die Messung, da die Druckaufnahmen in Strömungsrichtung räumlich voneinander getrennt sind. Die Druckpulse erreichen die beiden Druckaufnahmen nicht gleichzeitig. Der an der einen Druckaufnahme zu einem bestimmten Zeitpunkt anliegende statische Druck unterscheidet sich somit von dem zum selben Zeitpunkt an der anderen Druckaufnahme anliegenden statischen Druck. Werden unterschiedliche statische Drücke zur Bestimmung des Differenzdrucks herangezogen, führt dies zu einem Messfehler.
Ein Abstand der Druckaufnahmen für die Messung des statischen und des Differenzdrucks führen zu dem selben Effekt. Wandernden Druckpulse stören damit das Messergebnis und verrauschen die gemessenen Werte.
Zudem ist es bei hochfrequent pulsierenden Strömungen möglich, dass die Frequenz der Druckpulsation größer ist als die Erfassungs- und Verarbeitungsgeschwindigkeit des Sensors. Ist dies der Fall, kann der Zustand des Mediums zu einem bestimmten Zeitpunkt nicht mehr exakt gemessen werden.
Diese Defizite sind seit langem bekannt. Um den Messfehler zu kompensieren, wird versucht, die in hochdynamischen Systemen vorkommenden Störgrößen und Messungenauigkeiten zu eliminieren. Hierzu werden bei bekannten Durchflussmessern die vom Sensor abgegebenen Signale vor der Berechnung des Massenflusses bedämpft, also linear auf einen Mittelwert gefiltert. Gleiches gilt für die Werte der die Temperatur und den statischen Druck messenden Sensoren. Die jeweilige Filterung kann elektrisch oder elektronisch durchgeführt werden. Alternativ kann die Filterung auch mechanisch erfolgen, beispielsweise durch den Einsatz ölhinterfüllter dp- oder p-Sensoren.
Die gefilterten Mittelwerte werden in die Formel zur Berechnung des Massenflusses eingestellt. Das Ergebnis der Berechnung ergibt einen Wert für den Massenfluss, der zur Steuerung oder Kontrolle der bemessenen Systeme eingesetzt wird.
Die Bedämpfung der Signale ist jedoch problematisch. Die Problematik besteht darin, dass gemäß der Formel für die Berechnung des Massenflusses eine Wurzelziehung erforderlich ist. Vergleicht man das Ergebnis einer Wurzelziehung aus einem oszillierenden Signal mit dem Ergebnis der Wurzelziehung aus dem Mittelwert des oszillierenden Signals, erhält man einen anderen Ergebnisverlauf. Wird nämlich ein gedämpftes Signal als Term in eine Wurzel eingestellt, ergibt die Berechnung der Wurzel einen Wert, der sich nicht proportional zum tatsächlichen gemessenen Wert verhält. Die Verwendung eines gedämpften Messwert als Wurzelterm verfälscht somit das Ergebnis der Massenflussberechnung. Dieser Messfehler ist in der Fachwelt als Wurzelfehler der Differenzdruckmessung bekannt.
Zur Verringerung oder Eliminierung dieses Messfehlers wurden bereits viele Maßnahmen in Betracht gezogen. Beispielsweise schlägt die DE 10 2009 022 981 A1 einen Durchflussmesser vor, bei dem die Impulsleitung für eine der Druckaufnahmen verlängert und für die andere mit Zusatzvolumina ausgerüstet ist. Da ein Druckpuls die eine der Druckaufnahmen zuerst erreicht, kann durch eine Verlängerung der Impulsleitung dieser Druckaufnahme die auftretende Laufzeitdifferenz verringert werden. Das Zusatzvolumina in der anderen Impulsleitung wirkt als Dämpfungselement, mit dem die Druckunterschiede noch weiter herabgesetzt werden können.
Nachteilig an dieser Lösung ist, dass sie die Ausformung der Impulsleitungen für jede Bauform des Durchflussmessers neu ausgelegt werden muss, um die Laufzeitdifferenz hinreichend genau kompensieren zu können. Hinzu kommt der erhöhte Platzbedarf für die Impulsleitungen und der gestiegene Aufwand bei der Fertigung eines derartigen Durchflussmessers.
Aufgabe der Anmeldung ist es, ein Verfahren zur Massenflussbestimmung eines durch eine Leitung strömenden Mediums vorzuschlagen, bei dem eine Reduzierung pulsationsbedingter Messfehler für beliebige Bauformen von Messsonden und ohne großen Aufwand erreicht werden kann.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Einige bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen genannt. Mit Anspruch 8 wird ein Messsystem zur Durchführung des Verfahrens gefasst.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden in einem ersten Verfahrensschritt von einem dp-Sensor bereitgestellte Signale ungefiltert an die Recheneinheit übermittelt. Die Recheneinheit nutzt das ungefilterte Signal zusammen mit dem Signal des pstat~Sensors zur Berechnung des Massenflusses für die jeweilige Zeiteinheit.
Erfindungsgemäß werden somit von dem dp-Sensor erfasste Messwerte an die Recheneinheit übergeben, ohne vorher bedämpft worden zu sein. Der vom dp- Sensor erfasste Wert wird direkt in den Wurzelterm eingestellt und sodann der Massenfluss berechnet. Das Radizieren eines gedämpften dp-Signals entfällt, in Folge wird der eingangs beschriebene Messfehler in Bezug auf den dp-Wert vermieden.
Von besonderem Vorteil ist es, wenn die Messfrequenz der Sensoren die Pulsationsfrequenz im zu bemessenden Medium um ein Mehrfaches, insbesondere um ein mehr als Fünffaches übertrifft. Bei derart schnell messenden Sensoren tritt die Pulsation des Mediums im Messergebnis deutlich hervor und kann sauber detektiert werden. Für die eingangs genannte Pulsationsfrequenz von bis zu 800 Hz sollten somit vorzugsweise Sensoren mit einer Messfrequenz von 4-5 kHz eingesetzt werden. Von Vorteil ist es dabei, wenn die Geschwindigkeit der Recheneinheit zur Berechnung des Massenflusses auf die Messfrequenz der Sensoren ausgelegt ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden neben des Signals des dp-Sensors auch das Signal eines pstarSensors ungefiltert an die Recheneinheit übermittelt. Werden beide Druckwerte ungedämpft in den Wurzelterm eingestellt, kann der Radizierfehler weiter reduziert werden. Für die vorteilhaften Messfrequenzen gilt das oben zu den dp-Sensoren gesagte entsprechend.
Vorzugsweise werden in einem auf die Berechnung des Massenflusses folgenden Verfahrenschritt zeitlich aufeinanderfolgende Werte des Massenflusses einer Dämpfung unterzogen. Da die Dämpfung erst nach der Berechnung des Massenflusses erfolgt, tritt der beschriebene Wurzelfehler erst gar nicht auf. Der zuerst berechnete und dann gefilterte Wert für den Massenfluss korreliert mit den tatsächlichen Zustandsänderungen des Massenflusses. Die der Berechnung nachfolgende Dämpfung ermöglicht somit die Bereitstellung eines Werts für den Massenfluss, der sich trotz der Filterung proportional zur tatsächlichen Zustandsänderung des Massenflusses verhält. Der gemittelte Wert reduziert im Vergleich mit den Einzelwerten den Daten ström und reicht aus, um die meisten Steuerungs- oder Kontrollanforderungen an einem hochdynamischen Systems erfüllen zu können.
Die Dämpfung erfolgt dabei vorzugsweise elektrisch oder elektronisch. Diese Art der Dämpfung der zeitlich aufeinanderfolgenden Werte des Massenflusses kann in der Recheneinheit erfolgen. Hierdurch wird es möglich, die Dämpfung platzsparend in die Recheneinheit zu integrieren.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform führen die Sensoren ihre Messung mit einem Mehrfachen, insbesondere mit einem mehr als Fünffachen einer Pulsationsfrequenz der Strömung durch. Durch das schnelle Sampling werden die tatsächlich im System auftretenden Zustände mit besonders hoher Genauigkeit erfasst. Stellt neben den Sensoren zur Messung des Differenzdrucks und des statischen Drucks auch der Temperatursensor seine Messwerte mit entsprechender Frequenz bereit, können die Werte für den Massenfluss mit einer Frequenz werden, die der die Zustandsänderung im System . in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird der erfindungsgemäß berechnete Wert des Massenflusses an einer Schnittstelle des dp-Messsystems bereitgestellt. Das erfindungsgemäße Verfahren kann demgemäss vollständig in einem kompakt gehaltenen Messsystem ablaufen. Dabei können Sensoren und die Recheneinheit in eine Messsonde integriert werden, an deren Schnittstelle die erfindungsgemäß berechneten Werte für den Massenfluss abgreifbar sind. Ein derartiges Messsystem wir d mit Anspruch 7 gefasst. Von besonderem Vorteil ist es, wenn nicht nur die Sensoren und die Recheneinheit, sondern auch die Druckaufnahmen in die Messsonde integriert sind.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Massenflussbestimmung eines durch eine Leitung strömenden Mediums, wobei das Medium die Leitung pulsierend durchströmt, wobei die Berechnung des Massenflusses durch eine Recheneinheit erfolgt und wobei Sensoren den Differenzdruck dp, den statischen Druck pstat und die Temperatur des die Leitung durchströmenden Mediums messen und die gemessenen Zustände jeweils in Form eines Signals bereitstellen,
dadurch gekennzeichnet,
dass in einem ersten Verfahrensschritt von einem dp-Sensor bereitgestellte Signale ungefiltert an die Recheneinheit übermittelt werden und dass die Recheneinheit aus den vom dp-Sensor übermittelten Signalen der Sensoren einen Wert des Massenflusses für eine Zeiteinheit berechnet.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die von einem pstat-Sensor bereitgestellte Signale ungefiltert an die Recheneinheit übermittelt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Messfrequenz des dp-Sensors und/oder eines pstat-Sensors eine Pulsationsfrequenz im Medium um ein Mehrfaches, insbesondere um ein mehr als Fünffaches, übertrifft.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurc gekennzeichnet,
dass in einem auf die Berechnung des Massenflusses folgenden Verfahrenschritt zeitlich aufeinanderfolgende Werte des Massenflusses einer Dämpfung unterzogen werden. Verfahren nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Dämpfung der zeitlich aufeinanderfolgende Werte des Massenflusses in der Recheneinheit erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Sensoren ihre Messung mit einem Mehrfachen, insbesondere mit einem mehr als Fünffachen einer Pulsationsfrequenz der Strömung durchführen.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der gedämpfte Wert des Massenflusses an einer Schnittstelle des dp-Messsystems bereitgestellt wird.
Messsystem zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorangegangenen Ansprüche, aufweisend Sensoren zur Erfassung des Differenzdrucks, des statischen Drucks und der Temperatur und eine Recheneinheit zur Berechnung des Massenflusses.
PCT/EP2014/063126 2013-06-26 2014-06-23 Verfahren zur vermeidung pulsationsbedingter messfehler bei der massenflussbestimmung WO2014206923A1 (de)

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