WO2020186279A1 - Messsystem zur messung eines massendurchflusses, einer dichte, einer temperatur und/oder einer strömungsgeschwindigkeit - Google Patents

Messsystem zur messung eines massendurchflusses, einer dichte, einer temperatur und/oder einer strömungsgeschwindigkeit Download PDF

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Definitions

  • Measuring system for measuring a mass flow rate, a density, a temperature and / or a flow rate
  • the invention relates to a measuring system for measuring a
  • Mass flow rate a density, a temperature and / or a
  • Supply unit leads to a consumer, a measuring unit consisting of a first Coriolis measuring device, which is arranged in the main line, a second Coriolis measuring device, which is in series with the first
  • Coriolis measuring device is arranged in the main line and is designed for a smaller maximum flow than the first Coriolis measuring device, a bypass line, via which the second Coriolis measuring device can be bypassed, and a valve, which is arranged in the bypass line, and with a computing unit which is connected to the first Coriolis measuring device and the second Coriolis measuring device.
  • Such measuring systems and associated measuring methods are used in a large number of systems in which statements about the flow rates, densities or speeds present in the system are required. With the measuring devices used, both the flow rates of liquids and gases in the corresponding lines can be measured.
  • An example of a flow measurement is the
  • Coriolis measuring devices are used because they have a high level of accuracy in single-phase flows and are also suitable for measuring flow velocities and Measure the flow of gaseous media.
  • These Coriolis measuring devices are measuring devices that have to build up a pressure in order to display correct measurement results. Furthermore, these measuring devices only ever achieve one and one specific
  • measuring devices have become known in which several Coriolis measuring devices of different sizes are combined with one another.
  • Bypass line in which a switching valve is arranged, can be bypassed.
  • two smaller flow meters are connected in parallel in front of a larger flow meter, with the
  • the maximum flow of the small devices in total corresponds to the maximum flow of the large device. There will always be all three
  • Deviation either the measured values are weighted or only one of the measured values is used.
  • a measuring system in which instead of the switching valve in the bypass line, a pressure-dependent opening valve, in particular a check valve, is used, via which the smaller Coriolis sensor is bypassed from a certain pressure. Measurement errors can then only arise from the stored mass in the connecting line between the measuring unit and the consumer, since the measuring unit causes an increased pressure loss across the sensors with increasing flow and occurs in the following line, so that the
  • the measuring unit is to be placed as close as possible to the consumer
  • This task is performed by a measuring system for measuring a
  • Mass flow rate a density, a temperature and / or a
  • the pressure downstream of the outlet pressure regulator can be set to any desired, in particular a constant value.
  • the outlet pressure regulator has a non-constant pressure, which leads to a non-constant mass in this line section with compressible media.
  • its length can also be minimized without any problems, so that very precise measurement results can be achieved.
  • the pressure in the main line between the supplier and the measuring unit should be selected to be greater than the pressure between the pressure regulator and the consumer.
  • the pressure-dependent opening valve in the bypass line it is possible to use the measured values of the Coriolis sensor measuring with higher accuracy in the corresponding measuring range.
  • a valve that opens as a function of the pressure is understood to mean a valve which begins when a threshold pressure is reached
  • this opening cross-section increases with increasing pressure. In this way, compared to a switching valve, pressure surges which lead to a discontinuity in the measured flow rate can be avoided.
  • the outlet pressure regulator is preferably arranged immediately downstream of the measuring unit, so that the line length between the
  • Measuring unit and the outlet pressure regulator is minimized and thus also the measurement error due to the non-constant mass present in the line is minimized.
  • a second outlet pressure regulator is arranged in the main line.
  • Output pressure regulator and / or the second output pressure regulator can be regulated, since in this way it is possible to regulate to a desired pressure or to a changing input pressure at the consumer, whereby, for example, an emptying tank with falling pressure can be simulated.
  • a controllable compressor is arranged upstream of the measuring unit in the main line. This should be controllable in a highly dynamic manner in order to be able to generate a constant, constant pressure at its outlet, which means that the supply pressure no longer has to be constant in this version. Furthermore, the pressure in the line behind the supplier no longer has to be greater than the pressure in front of the consumer, since the pressure can be raised to the desired pressure level by the compressor. In a further version, the compressor is pulsation-free. In this way, pressure fluctuations in the subsequent lines are avoided without having to use buffer storage or pressure reducers to compensate for such pressure fluctuations.
  • the design of the compressor as a Tesla compressor is particularly advantageous here, since it works without pulsation and does not require any additional lubrication.
  • a temperature conditioning unit is arranged in the main line between the measuring unit and the outlet pressure regulator, which allows the temperature of the gas between the outlet of the measuring unit and the inlet to the
  • Has return line which branches off downstream of the heat exchanger and the second compressor from the conditioning line
  • a thermal short circuit can be created between the outlet from the measuring unit and the inlet to the outlet pressure regulator, which means that the temperature is always kept constant regardless of the flow rate
  • Temperature unit can also be arranged at a distance from the outlet pressure regulator and this in close proximity to the consumer, to ensure that the desired outlet pressure is present at the consumer itself.
  • a pressure sensor is arranged in the main line between the measuring unit and the temperature conditioning unit and between the temperature conditioning unit and the output pressure regulator, which are connected to a control unit of the second pulsation-free compressor, and that the second pulsation-free compressor is controlled in such a way that that between the pressure sensors in the main line there is a constant
  • Pressure loss adjusts.
  • the pressure gradient of the temperature conditioning unit is set to a desired constant value in this way, which eliminates measurement errors due to pressure fluctuations caused by the
  • Temperature conditioning unit can be reliably avoided.
  • Figure 1 shows a schematic representation of a first
  • Figure 2 shows a schematic representation of a second
  • Figure 3 shows a schematic representation of a third
  • Figure 4 shows a schematic representation of a fourth
  • the measuring system according to the invention shown in FIG. 1 consists of a first main line 10 through which a gaseous or liquid medium, such as, for example, a gaseous fuel, flows through which the mass flow rate is to be determined.
  • a gaseous or liquid medium such as, for example, a gaseous fuel
  • a first Coriolis measuring device 12 is arranged, which has a maximum flow rate that is greater than the
  • Such a Coriolis measuring device 12 does not deliver exact measured values at low flow rates due to a zero point drift, which occurs because a certain minimum flow rate is required for an exact measurement in Coriolis measuring devices.
  • Coriolis measuring device 14 arranged in the main line 10, its
  • the maximum flow rate is less than the maximum flow rate of the first Coriolis measuring device 12, which, however, provides more precise measured values than the first Coriolis measuring device 12 at lower flow rates due to its measuring range. Since this second, downstream Coriolis measuring device 14 would, however, lie in the upper area to be measured above its maximum flow rate and would thus cause an extremely high pressure loss due to the resulting orifice effect, which would falsify the flow rate to be measured on the test object or this would be due to an insufficient minimum outlet pressure would make impossible, a bypass line 16 branches off from the main line 10 between the first Coriolis measuring device 12 and the second Coriolis measuring device 14.
  • This bypass line 16 opens into the downstream of the second Coriolis measuring device in the present embodiment
  • a pressure-dependent switching valve 18 is arranged, which can be designed as a check valve or pressure regulator.
  • the pressure-dependent switching valve 18 opens or closes one
  • the flow cross-section is released and the medium can flow from a branch 28 of the bypass line 16 out of the main channel 10 through the bypass channel 16 and back into the main channel 10 via an opening 30 of the bypass line 16.
  • the two Coriolis measuring devices 12, 14 form a measuring unit 34 with the pressure-dependent switching valve 18 and the bypass line 16 and are connected to a computing unit 32 to which the measured values of the Coriolis measuring devices 12, 14 are transmitted and in which these measured values are processed to generate a usable measurement result. If the medium reaches the main line 10 via a supply unit 36, the first Coriolis measuring device 12 is flowed through and a pressure builds up. The flow also flows through the second Coriolis measuring device 14, in which pressure is also built up. The second, smaller Coriolis measuring device 14 already achieves relatively small ones
  • the computing unit 32 uses the measured values of the second Coriolis measuring device 14 as output values.
  • Measurement range selected in which both the measured values of the first Coriolis measuring device 12 and the measured values of the second Coriolis measuring device 14 are taken into account and processed by the computing unit 32 by weighting and interpolating them, depending on the differential pressure of the second Coriolis measuring device 14.
  • the valve 18 closes the bypass line 16 both in the first and in the second measuring range.
  • This area is divided into two parts, namely a third
  • Measuring range in which the pressure-dependent opening valve 18 opens due to the pressure applied and a fourth measuring range, which lies between the second measuring range and the third measuring range, in which the measured values of the first Coriolis measuring device 12 are used as output values, but the pressure-dependent opening valve 18 is still closed.
  • a switching point of the pressure-dependent opening valve 18 is at a distance from the area in which the measured values of the second, smaller Coriolis measuring device 14 are used, so that a
  • Opening pressure of the pressure-dependent opening valve 18 can be excluded. Incorrect output values due to incorrect measurement results of the second Coriolis measuring device 14 due to premature opening, for example due to an existing hysteresis or a
  • Valve 18 to the output values of the measuring system are thereby
  • valve 18 opens further with increasing pressure and thus gradually an additional
  • an outlet pressure regulator 38 is arranged in the main line 10 in the exemplary embodiment according to FIG. 1 behind the measuring unit 34, i.e. downstream of the measuring unit 34 and in front of a consumer 40 whose fuel consumption is measured, via which the inlet pressure at the consumer 40 is kept constant. This has the consequence that the length of the main line 10 between the outlet pressure regulator 38 and the
  • Consumer 40 can be selected as long as desired. In order to also reduce the influence of the line section between the outlet pressure regulator 38 and the
  • the outlet pressure regulator 38 is arranged in the immediate vicinity of measuring unit 34.
  • Supply unit 36 is made available by the in
  • any pressure can be set by means of an adjustable outlet pressure regulator 38 or a changing pressure can be generated according to stored characteristic curves, which can be used to simulate certain situations, such as a tank being emptied.
  • a second outlet pressure regulator 42 is additionally arranged between the supply unit 36 and the measuring unit 34 in the main line 10, so that the supply unit 36 can also be arranged at a distance from the measuring unit 34 and can deliver a non-constant outlet pressure, since measuring errors occur
  • the output pressure of the output pressure regulator 42 is set so that it is lower than the usual supply pressure of the supply unit 36, which means that the output pressure at the output pressure regulator 42 and thus also in the
  • Measuring unit 34 can be maintained.
  • the second outlet pressure regulator 42 is replaced by a pulsation-free and controllable compressor 44, which is preferably designed as a Tesla compressor.
  • this compressor 44 causes the line section
  • Line section is prevented by the compressor 44 in the event of a pressure change and, in addition, the pressure made available by the supply unit 36 can be lower, since it no longer has to be selected to be significantly greater than the input pressure at the consumer 40, since a constant output pressure from the pulsation-free compressor 44 can be made available.
  • the measuring system which is shown in FIG. 4, offers a further optimized solution.
  • a temperature conditioning unit 46 is arranged in the main line 10 between the measuring unit 34 and the outlet pressure regulator 38.
  • the main line 10 opens accordingly into a conditioning line 48, in which a second
  • pulsation-free compressor 50 which in turn is preferably designed as a Tesla compressor, and a heat exchanger 52 are arranged to generate a desired temperature.
  • the temperature conditioning unit 46 has a return line 54, via which the fuel downstream of the heat exchanger 52 and the second
  • Compressor 50 branches off from the conditioning line 48 and opens up again into the conditioning line 48 upstream of the heat exchanger 52 and the second compressor 50.
  • This temperature conditioning unit 46 can be installed downstream of the measuring unit 34 without any problems, since it reliably reduces the fuel supplied to the consumer 40 even with the smallest flow rates sets the desired constant temperature, because the second pulsation-free compressor 50, the fuel at a
  • Control of the compressor 50 can be achieved by this one
  • Control unit 53 having a first pressure sensor 56, which is located in the main line 10 immediately upstream of the
  • Temperature conditioning unit 46 is arranged and a second pressure sensor 58, which is in the main line 10 downstream of the
  • Temperature conditioning unit 46 is arranged, is electrically connected and via which the second compressor 50 as a function of a
  • the measuring systems described deliver over a wide range of pressure and
  • this measuring system does not need to settle in the event of pressure changes.
  • this measuring system is also suitable for
  • Interpolation area is interposed.
  • the opening point of the valves then varies accordingly with the point at the valve
  • Pressure difference that arises due to the pressure loss in the Coriolis measuring device connected in parallel can also be used.

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Abstract

Es sind Messsysteme zur Messung eines Massendurchflusses, einer Dichte einer Temperatur und/oder einer Strömungsgeschwindigkeit mit einer Hauptleitung (10), die von einer Versorgungseinheit (36) zu einem Verbraucher (40) führt, einer Messeinheit (34), die aus einem ersten Coriolis-Messgerät (12), welches in der Hauptleitung (10) angeordnet ist, einem zweiten Coriolis-Messgerät (14), welches in Reihe zum ersten Coriolis-Messgeräts (12) in der Hauptleitung (10) angeordnet ist und für einen kleineren Maximaldurchfluss ausgelegt ist als das erste Coriolis-Messgerät (12), einer Bypassleitung (16), über die das zweite Coriolis-Messgerät (12) umgehbar ist, und einem Ventil (18), welches in der Bypassleitung (16) angeordnet ist, besteht, und mit einer Recheneinheit (32), die mit dem ersten Coriolis-Messgerät (12) und dem zweiten Coriolis-Messgerät (14) verbunden ist, bekannt, wobei das Ventil (18) druckabhängig öffnet und stromabwärts der Messeinheit (34) in der Hauptleitung (10) ein Ausgangsdruckregler (38) angeordnet ist.

Description

B E S C H R E I B U N G
Messsystem zur Messung eines Massendurchflusses, einer Dichte, einer Temperatur und/oder einer Strömungsgeschwindigkeit
Die Erfindung betrifft ein Messsystem zur Messung eines
Massendurchflusses, einer Dichte, einer Temperatur und/oder einer
Strömungsgeschwindigkeit mit einer Hauptleitung, die von einer
Versorgungseinheit zu einem Verbraucher führt, einer Messeinheit, die aus einem ersten Coriolis-Messgerät, welches in der Hauptleitung angeordnet ist, einem zweiten Coriolis-Messgerät, welches in Reihe zum ersten
Coriolis-Messgeräts in der Hauptleitung angeordnet ist und für einen kleineren Maximaldurchfluss ausgelegt ist als das erste Coriolis-Messgerät, einer Bypassleitung, über die das zweite Coriolis-Messgerät umgehbar ist, und einem Ventil, welches in der Bypassleitung angeordnet ist, besteht, und mit einer Recheneinheit, die mit dem ersten Coriolis-Messgerät und dem zweiten Coriolis-Messgerät verbunden ist.
Derartige Messsysteme und zugehörige Messverfahren werden in einer Vielzahl von Anlagen genutzt, in denen Aussagen zu den in der Anlage vorhandenen Durchflüssen, Dichten oder Geschwindigkeiten erforderlich sind. Mit den verwendeten Messgeräten können sowohl die Durchflüsse von Flüssigkeiten als auch von Gasen in den entsprechenden Leitungen gemessen werden. Ein Beispiel für eine Durchflussmessung ist die
Verwendung einer derartigen Anordnung zur Verbrauchsmessung von Kraftstoffen in Kraftfahrzeugen, die entweder gasförmig oder flüssig vorliegen können.
Bei den bekannten Verbrauchsmesssystemen werden Coriolis-Messgeräte verwendet, da diese eine hohe Genauigkeit bei einphasigen Strömungen aufweisen und auch geeignet sind, Strömungsgeschwindigkeiten und Durchflüsse gasförmiger Medien zu messen. Bei diesen Coriolis- Messgeräten handelt es sich um Messgeräte, die einen Druck aufbauen müssen, um korrekte Messergebnisse anzuzeigen. Des Weiteren erreichen diese Messgeräte immer nur in einem und einem bestimmten
Durchflussbereich ausreichend genaue Messergebnisse. Aus diesem Grund sind Messgeräte bekannt geworden, bei denen mehrere unterschiedlich große Coriolis-Messgeräte miteinander kombiniert werden.
Ein Beispiel hierfür ist das in der EP 2 660 570 A2 beschriebene System zur Versorgung einer Gasturbine mit gasförmigem Kraftstoff. Zur
Verbrauchmessung wird hier vorgeschlagen, zwei Durchflussmesser parallel zu schalten und einen dritten Durchflussmesser in Reihe zu schalten. Alle drei Durchflussmesser können dabei über eine
Umgehungsleitung, in der ein Schaltventil angeordnet ist, umgangen werden. Hierzu werden zwei kleinere Durchflussmessgeräte parallel vor ein größeres Durchflussmessgerät geschaltet, wobei der
Maximaldurchfluss der kleinen Geräte in Summe dem Maximaldurchfluss des großen Gerätes entspricht. Dabei werden immer alle drei
Durchflussmesser durchströmt, außer wenn einer der Durchflussmesser zur Kalibrierung ausgebaut wird. Das Ergebnis der Summe der beiden kleinen Durchflussmesser wird mit dem Messergebnis des großen
Durchflussmessers verglichen. Als Ergebnis werden bei zu großer
Abweichung entweder die Messwerte gewichtet oder lediglich einer der Messwerte verwendet.
Bei der Verwendung solcher unterschiedlich großer Durchflussmesser, die in Reihe oder parallel geschaltet werden, ergibt sich jedoch das Problem, dass keine ausreichende Genauigkeit für unterschiedliche geforderte Drücke über einen großen Durchflussmessbereich kontinuierlich zur Verfügung gestellt werden kann. Des Weiteren entstehen bei den bekannten Ausführungen beim Umschalten der Schaltventile Druckstöße, die das gesamte System beeinflussen und so nicht nur zu Messfehlern führen, sondern gegebenenfalls auch das angeschlossene zu vermessende Gerät beschädigen.
Des Weiteren ist aus der bislang unveröffentlichten A51099/2018 ein Messsystem bekannt, bei dem statt des Schaltventils in der Bypassleitung ein druckabhängig öffnendes Ventil, insbesondere ein Rückschlagventil verwendet wird, über welches der kleinere Coriolis-Sensor ab einem bestimmten Druck umgangen wird. Messfehler können dann lediglich durch die gespeicherte Masse in der Verbindungsleitung zwischen der Messeinheit und dem Verbraucher entstehen, da durch die Messeinheit mit steigendem Durchfluss ein erhöhter Druckverlust über die Sensoren entsteht und in der nachfolgenden Leitung entsteht, so dass die
Messeinheit möglichst nah am Verbraucher zu platzieren ist, um
ausreichend genaue Messergebnisse zu erzielen.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Messsystem und ein
Messverfahren zur Messung eines Massendurchflusses, einer Dichte, einer Temperatur und/oder einer Strömungsgeschwindigkeit zur Verfügung zu stellen, mit denen es möglich wird, eine hochgenaue Messung auch für den Fall durchführen zu können, dass die Messeinheit in größerer
Entfernung zum Verbraucher angeordnet ist beziehungsweise werden muss, wie dies beispielsweise bei Klimaschranktests der Fall ist, da die Sensoren für derartige Umgebungsbedingungen bei diesen Tests nicht spezifiziert sind. Des Weiteren soll es möglich sein, reale
Druckbedingungen am Verbraucher zu simulieren.
Diese Aufgabe wird durch ein Messsystem zur Messung eines
Massendurchflusses, einer Dichte, einer Temperatur und/oder einer
Strömungsgeschwindigkeit mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Dadurch, dass das Ventil druckabhängig öffnet und stromabwärts der Messeinheit in der Hauptleitung ein Ausgangsdruckregler angeordnet ist, kann der Druck stromabwärts des Ausgangsdruckreglers auf einen beliebigen, insbesondere einen konstanten Wert eingestellt werden.
Entsprechend kann die folgende Leitung, die zum Verbraucher führt, eine beinahe beliebige Länge aufweisen, ohne dass
Massenverbrauchsmessfehler entstehen. Zum Erhalt einer Druckstabilität ist es jedoch empfehlenswert, auch die Leitung zwischen dem
Ausgangsdruckregler und dem Verbraucher möglichst kurz zu halten. Lediglich die Leitung zwischen der Messeinheit und dem
Ausgangsdruckregler weist einen nicht konstanten Druck auf, der zu einer nicht konstanten Masse in diesem Leitungsabschnitt bei kompressiblen Medien führt. Dieser kann jedoch in seiner Länge ebenfalls problemlos minimiert werden, so dass sehr genaue Messergebnisse erreicht werden. Zusätzlich ergibt sich die Möglichkeit, Bedingungen mit sich ändernden Druckverhältnissen nachzustellen, wie diese beispielsweise am Fahrzeug bei einem sich leerenden Tank mit fallendem Druck auftreten.
Selbstverständlich ist hierzu der Druck in der Hauptleitung zwischen dem Versorger und der Messeinheit größer zu wählen als der Druck zwischen dem Druckregler und dem Verbraucher. Durch die Verwendung des druckabhängig öffnenden Ventils in der Bypassleitung wird es möglich, jeweils die Messwerte des im entsprechenden Messbereich mit höherer Genauigkeit messenden Coriolis-Sensors zu verwenden. Unter einem abhängig vom Druck öffnenden Ventil wird dabei ein Ventil verstanden, welches bei Erreichen eines Schwelldruckes beginnt einen
Öffnungsquerschnitt freizugeben, wobei dieser Öffnungsquerschnitt mit steigendem Druck zunimmt. Auf diese Weise können im Vergleich zu einem Schaltventil Druckstöße, die zu einer Unstetigkeit des gemessenen Durchflusses führen, vermieden werden.
Vorzugsweise ist der Ausgangsdruckregler unmittelbar stromabwärts der Messeinheit angeordnet, so dass die Leitungslänge zwischen der
Messeinheit und dem Ausgangsdruckregler minimiert wird und damit auch der Fehler der Messung durch die in der Leitung vorhandene nicht konstante Masse minimiert wird.
In einer weiterführenden Ausführungsform ist stromaufwärts der
Messeinheit in der Hauptleitung ein zweiter Ausgangsdruckregler angeordnet. Durch eine derartige Anordnung kann darauf verzichtet werden, dass der Versorgungsdruck konstant sein muss, um zuverlässige Messwerte zu erhalten, da solange der Versorgungsdruck nicht unterhalb des Ausgangsdrucks des zweiten Ausgangsdruckreglers sinkt, konstante Druckbedingungen vor den Coriolis-Messgeräten herrschen und so ein Rückfluss durch den Druckregler ausgeschlossen werden kann und entsprechend die Leitung zwischen dem Versorger und dem Druckregler nicht mehr bei der Betrachtung eines nicht konstanten Druckes und damit einer nicht konstanten Masse in der Leitung zu einem Fehler beitragen kann.
Zusätzlich ist es vorteilhaft, wenn der Ausgangsdruck des
Ausgangsdruckreglers und/oder des zweiten Ausgangsdruckreglers regelbar ist, da auf diese Weise auf einen Wunschdruck oder auch auf einen sich ändernden Eingangsdruck am Verbraucher geregelt werden kann, wodurch beispielsweise ein sich leerender Tank mit sinkendem Druck simuliert werden kann.
In einer hierzu alternativen Ausführungsform ist stromaufwärts der Messeinheit in der Hauptleitung ein regelbarer Verdichter angeordnet. Dieser sollte hochdynamisch regelbar sein, um einen stetigen gleichen Druck an seinem Ausgang erzeugen zu können, wodurch auch in dieser Ausführung der versorgungsdruck nicht mehr konstant sein muss. Des Weiteren muss der Druck in der Leitung hinter dem Versorger nicht mehr größer sein als der Druck vor dem Verbraucher, da durch den Verdichter der Druck auf das gewünschte Druckniveau angehoben werden kann. In einer weiterführenden Ausführung ist der Verdichter pulsationsfrei. So werden Druckschwankungen in den nachfolgenden Leitungen vermieden, ohne dass Bufferspeicher oder Druckminderer zum Ausgleich solcher Druckschwankungen verwendet werden müssen.
Besonders vorteilhaft ist hierbei die Ausführung des Verdichters als ein Tesla-Verdichter, da dieser pulsationsfrei arbeitet und keine zusätzliche Schmierung benötigt.
In einer Weiterführung der Erfindung ist zwischen der Messeinheit und dem Ausgangsdruckregler eine Temperaturkonditioniereinheit in der Hauptleitung angeordnet, welche es ermöglicht die Temperatur des Gases zwischen dem Auslass der Messeinheit und dem Einlass in den
Verbraucher konstant zu halten oder zur Simulation
Temperaturschwankungen nachzustellen, um den Einfluss auf den
Verbraucher zu untersuchen.
Dabei ist es vor allem vorteilhaft, wenn die Temperaturkonditioniereinheit eine Konditionierleitung, in der ein zweiter pulsationsfrei fördernder Verdichter und ein Wärmetauscher angeordnet sind und eine
Rückführleitung aufweist, die stromabwärts des Wärmetauschers und des zweiten Verdichters von der Konditionierleitung abzweigt und
stromaufwärts des Wärmetauschers und des zweiten Verdichters wieder in die Konditionierleitung mündet. Durch diese Kreisführung des
Messmediums in der Temperaturkonditioniereinheit kann ein thermischer Kurzschluss zwischen dem Auslass aus der Messeinheit und dem Einlass zum Ausgangsdruckregler hergestellt werden, wodurch die Temperatur völlig unabhängig vom Durchfluss immer konstant gehalten
beziehungsweise geregelt werden kann. Die empfindliche
Temperatureinheit kann auch in Entfernung zum Ausgangsdruckregler angeordnet werden und dieser in unmittelbarer Nähe zum Verbraucher, um sicherzustellen, dass am Verbraucher selbst der gewünschte ausgangsdruck herrscht.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist in der Hauptleitung zwischen Messeinheit und der Temperaturkonditioniereinheit sowie zwischen der Temperaturkonditioniereinheit und dem Ausgangsdruckregler jeweils ein Drucksensor angeordnet ist, die mit einer Steuereinheit des zweiten pulsationsfrei fördernden Verdichters verbunden sind, und dass der zweite pulsationsfrei fördernde Verdichter derart angesteuert wird, dass sich zwischen den Drucksensoren in der Hauptleitung ein konstanter
Druckverlust einstellt. Das Druckgefälle der Temperaturkonditioniereinheit wird auf diese Weise auf einen gewünschten konstanten Wert eingestellt, wodurch Messfehler durch Druckschwankungen, die durch die
Temperaturkonditioniereinheit entstehen, zuverlässig vermieden werden.
Entsprechend wird ein Messsystem und ein Messverfahren geschaffen, mit denen über einen weiten Durchflussbereich auftretende Durchflüsse sehr genau auch bei Gasen gemessen werden können, da Fehler durch
Druckschwankungen in den Leitungen und dadurch sich ändernde
Volumina in diesen Leitungen weitestgehend vermieden beziehungsweise minimiert werden. Dies funktioniert in den weiterführenden Ausbildungen auch bei größeren Entfernungen zwischen dem Verbraucher und der Versorgungseinheit, wie dies bei Klimaschranktests häufig der Fall ist. Ein derartiges Messsystem ist zusätzlich auf einfache Weise an
Kundenwünsche bezüglich des Ausgangsdrucks und der Temperatur anzupassen und erreicht deutlich höhere Genauigkeiten als bekannte Messgeräte.
Vier erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele von Messsystemen sind in den Figuren dargestellt und werden im Folgenden anhand der Figuren auch in ihrer Funktionalität beschrieben. Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines ersten
Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Messsystems.
Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung eines zweiten
Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Messsystems.
Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung eines dritten
Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Messsystems. Figur 4 zeigt eine schematische Darstellung eines vierten
Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Messsystems.
Das in Figur 1 dargestellte erfindungsgemäße Messsystem besteht aus einer ersten Flauptleitung 10, die von einem gasförmigen oder flüssigen Medium, wie beispielswiese einem gasförmigem Kraftstoff durchströmt wird, dessen Massendurchfluss bestimmt werden soll.
In dieser Flauptleitung 10 ist ein erstes Coriolis-Messgerät 12 angeordnet, welches auf einen Maximaldurchfluss aufweist, der über dem zu
erwartenden Maximaldurchfluss in das Messsystem liegt. Ein solches Coriolis-Messgerät 12 liefert bei geringen Durchflüssen keine exakten Messwerte aufgrund einer Nullpunktsdrift, die entsteht, weil ein gewisser Mindestdurchfluss für eine exakte Messung bei Coriolis-Messgeräten erforderlich ist.
Stromabwärts dieses ersten Coriolis-Messgerätes 12 ist ein zweites
Coriolis-Messgerät 14 in der Flauptleitung 10 angeordnet, dessen
Maximaldurchfluss geringer ist als der Maximaldurchfluss des ersten Coriolis-Messgerätes 12, welches jedoch bei geringeren Durchflüssen aufgrund seines Messbereichs exaktere Messwerte liefert als das erste Coriolis-Messgerät 12. Da dieses zweite, stromabwärtige Coriolis-Messgerät 14 jedoch im oberen zu messenden Bereich oberhalb seines Maximaldurchflusses liegen würde und so einen extrem hohen Druckverlust aufgrund der entstehenden Blendenwirkung verursachen würde, der den zu messenden Durchfluss am Prüfling verfälschen würde beziehungsweise diesen aufgrund eines nicht mehr ausreichenden Mindestausgangsdrucks unmöglich machen würde, zweigt von der Hauptleitung 10 zwischen dem ersten Coriolis-Messgerät 12 und dem zweiten Coriolis-Messgerät 14 eine Bypassleitung 16 ab.
Diese Bypassleitung 16 mündet stromabwärts des zweiten Coriolis- Messgerätes im vorliegenden Ausführungsbeispiel wieder in die
Hauptleitung 10.
In der Bypassleitung 16 ist ein druckabhängig schaltendes Ventil 18 angeordnet, welches als Rückschlagventil oder Druckregler ausgebildet werden kann.
Das druckabhängig schaltende Ventil 18 öffnet oder schließt einen
Durchströmungsquerschnitt der Bypassleitung 16 in Abhängigkeit der auf das Ventil 18 wirkenden Druckdifferenz. Liegt eine Druckdifferenz an, die eine Schwellendruckdifferenz überschreitet, wird entsprechend der
Durchströmungsquerschnitt freigegeben und das Medium kann von einer Abzweigung 28 der Bypassleitung 16 aus dem Hauptkanal 10 durch den Bypasskanal 16 und über eine Mündung 30 der Bypassleitung 16 zurück in den Hauptkanal 10 strömen.
Die beiden Coriolis-Messgeräte 12, 14 bilden mit dem druckabhängig schaltenden Ventil 18 und der Bypassleitung 16 eine Messeinheit 34 und sind mit einer Recheneinheit 32 verbunden, an die die Messwerte der Coriolis-Messgeräte 12, 14 übertragen werden und in der diese Messwerte verarbeitet werden, um ein nutzbares Messergebnis zu erzeugen. Gelangt das Medium über eine Versorgungseinheit 36 in die Hauptleitung 10, wird zunächst das erste Coriolis-Messgerät 12 durchströmt und es baut sich ein Druck auf. Ebenso wird das zweite Coriolis-Messgerät 14 durchströmt, in dem ebenfalls ein Druck aufgebaut wird. Das zweite, kleinere Coriolis-Messgerät 14 erreicht bereits bei relativ kleinen
Durchflüssen seinen Messbereich, in dem es exakte Messwerte liefert. Ein ausreichender Durchfluss für exakte Messwerte ist zu diesem Zeitpunkt bei dem Coriolis-Messgerät 12 mit dem höheren Maximaldurchfluss noch nicht erreicht. Entsprechend werden in diesem ersten Messbereich von der Recheneinheit 32 die Messwerte des zweiten Coriolis-Messgerätes 14 als Ausgabewert verwendet.
Bei steigendem Durchfluss im Messsystem erhöht sich die Genauigkeit des ersten Coriolis-Messgerätes 12 und der Druckabfall über das zweite
Coriolis-Messgerät 14 steigt an. Entsprechend wird ein zweiter
Messbereich ausgewählt, in dem sowohl die Messwerte des ersten Coriolis- Messgerätes 12 als auch die Messwerte des zweiten Coriolis-Messgerätes 14 von der Recheneinheit 32 berücksichtigt und verarbeitet werden, indem diese gewichtet und interpoliert werden und zwar in Abhängigkeit vom Differenzdruck des zweiten Coriolis-Messgerätes 14. Sowohl im ersten als auch im zweiten Messbereich verschließt das Ventil 18 die Bypassleitung 16.
Im sich daran anschließenden Bereich, in dem der Durchfluss so hoch ist, dass präzise Messwerte durch das erste Coriolis-Messgerät 12 ausgegeben werden, werden diese Messwerte auch von der Recheneinheit 32 als Ausgabewert verwendet.
Dieser Bereich teilt sich in zwei Teile und zwar in einen dritten
Messbereich, in dem das druckabhängig öffnende Ventil 18 aufgrund des anliegenden Druckes öffnet und einem vierten Messbereich, der zwischen dem zweiten Messbereich und dem dritten Messbereich liegt, in dem zwar die Messwerte des ersten Coriolis-Messgerätes 12 als Ausgabewert genutzt werden, jedoch das druckabhängig öffnende Ventil 18 noch geschlossen ist.
Dies bedeutet, dass ein Schaltpunkt des druckabhängig öffnenden Ventils 18 beabstandet zu dem Bereich ist, in dem die Messwerte des zweiten, kleineren Coriolis-Messgerätes 14 verwendet werden, so dass eine
Verfälschung der Ausgabewerte durch eine Verschiebung des
Öffnungsdrucks des druckabhängig öffnenden Ventils 18 ausgeschlossen werden kann. Falsche Ausgabewerte durch falsche Messergebnisse des zweiten Coriolis-Messgerätes 14 aufgrund eines vorzeitigen Öffnens beispielsweise aufgrund einer vorhandenen Hysterese oder einer
alterungsbedingten Verschiebung des druckabhängig öffnenden Ventils 18 werden so zuverlässig ausgeschlossen.
Eine Rückwirkung durch das Schalten des druckabhängig öffnenden
Ventils 18 auf die Ausgangswerte des Messsystems sind dadurch
weitestgehend ausgeschlossen, dass das Ventil 18 mit steigendem Druck weiter öffnet und somit allmählich einen zusätzlichen
Durchströmungsquerschnitt freigibt, während der Widerstand am zweiten Coriolis-Messgerät 14 wächst. Ein Drucksprung wird auf diese Weise zuverlässig verhindert.
Erfindungsgemäß ist in der Hauptleitung 10 im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 hinter der Messeinheit 34, also stromabwärts der Messeinheit 34 und vor einem Verbraucher 40, dessen Kraftstoffverbrauch gemessen wird ein Ausgangdruckregler 38 angeordnet, über den der Einlassdruck am Verbraucher 40 konstant gehalten wird. Dies hat zur Folge, dass die Länge der Hauptleitung 10 zwischen dem Ausgangdruckregler 38 und dem
Verbraucher 40 keinen Einfluss mehr auf die Messgenauigkeit des
Messsystems hat, da Volumenänderungen des Kraftstoffs durch sich ändernden Druck in diesem Bereich ausgeschlossen werden. Somit kann die Hauptleitung 10 zwischen dem Ausgangsdruckregler 38 und dem
Verbraucher 40 beliebig lang gewählt werden. Um auch den Einfluss des Leitungsabschnitts zwischen dem Ausgangsdruckregler 38 und der
Messeinheit 34 zu minimieren, wird der Ausgangsdruckregler 38 in unmittelbarer Nähe zur Messeinheit 34 angeordnet. Somit treten unter der Voraussetzung, dass ein konstanter Versorgungsdruck von der
Versorgungseinheit 36 zur Verfügung gestellt wird durch die in der
Hauptleitung vorhandenen Kraftstoffmassen keine Beeinträchtigungen der Messergebnisse mehr auf. Des Weiteren kann durch einen verstellbaren Ausgangsdruckregler 38 auch ein beliebiger Druck eingestellt oder entsprechend hinterlegten Kennlinien ein sich ändernder Druck erzeugt werden, was genutzt werden kann, um gewisse Situationen, wie einen sich entleerenden Tank zu simulieren.
Um zusätzlich eine Unabhängigkeit von einem konstanten
Versorgungsdruck der Versorgungseinheit 36 zu erzielen, ist in der
Ausführung gemäß der Figur 2 zusätzlich ein zweiter Ausgangsdruckregler 42 zwischen der Versorgungseinheit 36 und der Messeinheit 34 in der Hauptleitung 10 angeordnet, so dass auch die Versorgungseinheit 36 in Entfernung zur Messeinheit 34 angeordnet werden kann und einen nicht konstanten Ausgangsdruck liefern kann, da Messfehler durch
Volumenänderungen des Kraftstoffs in der Hauptleitung 10 zwischen dem zweiten Ausgangsdruckregler 42 und der Messeinheit 34 ausgeschlossen werden und der Leitungsabschnitt der Hauptleitung 10 zwischen dem Ausgangsdruckregler 42 und der Versorgungseinheit 36 nicht mehr zu einem Messfehler beiträgt, da Rückströmungen durch den
Ausgangsdruckregler 42 ausgeschlossen sind. Hierzu wird der
Ausgangsdruck des Ausgangsdruckreglers 42 so eingestellt, dass er geringer ist als der übliche Versorgungsdruck der Versorgungseinheit 36, wodurch auch bei fallendem Druckniveau der Versorgungseinheit 36 der Ausgangsdruck am Ausgangsdruckregler 42 und damit auch in der
Messeinheit 34 aufrecht erhalten werden kann. In der in Figur 3 dargestellten alternativen Ausführungsform ist der zweite Ausgangsdruckregler 42 durch einen pulsationsfrei arbeitenden und regelbaren Verdichter 44 ersetzt, der bevorzugt als Tesla-Verdichter ausgeführt wird. Dieser Verdichter 44 bewirkt einerseits wie der zweite Ausgangsdruckregler 42 in Figur 2, dass der Leitungsabschnitt
stromaufwärts des Verdichters 44 nicht mehr zu einem Messfehler beitragen kann, da auch hier eine Rückströmung in diesen
Leitungsabschnitt bei Druckänderung durch den Verdichter 44 verhindert wird und zusätzlich kann der von der Versorgungseinheit 36 zur Verfügung gestellte Druck geringer sein, da er nicht mehr deutlich größer gewählt werden muss als der Eingangsdruck am Verbraucher 40, da ein konstanter Ausgangsdruck von dem pulsationsfrei arbeitenden Verdichter 44 zur Verfügung gestellt werden kann.
Eine weiter optimierte Lösung bietet das Messsystem, welches in Figur 4 dargestellt ist. Im Vergleich zu Figur 3 ist hier zwischen der Messeinheit 34 und dem Ausgangsdruckregler 38 eine Temperaturkonditioniereinheit 46 in der Hauptleitung 10 angeordnet. Die Hauptleitung 10 mündet entsprechend in eine Konditionierleitung 48, in der ein zweiter
pulsationsfrei arbeitender Verdichter 50, der wiederum bevorzugt als Tesla-Verdichter ausgeführt ist, und ein Wärmetauscher 52 zur Erzeugung einer gewünschten Temperatur angeordnet sind. Des Weiteren weist die Temperaturkonditioniereinheit 46 eine Rückführleitung 54, über die der Kraftstoff stromabwärts des Wärmetauschers 52 und des zweiten
Verdichters 50 von der Konditionierleitung 48 abzweigt und stromaufwärts des Wärmetauschers 52 und des zweiten Verdichters 50 wieder in die Konditionierleitung 48 mündet.
Diese Temperaturkonditioniereinheit 46 kann problemlos stromabwärts der Messeinheit 34 verbaut werden, da sie auch bei kleinsten Durchflüssen zuverlässig den dem Verbraucher 40 zugeführten Kraftstoff auf eine gewünschte konstante Temperatur einstellt, da durch den zweiten pulsationsfrei arbeitenden Verdichter 50 der Kraftstoff bei einem
konstanten Druckabfall im Konditionierkreis und mit einer konstanten Temperatur im Kreis geführt wird, so dass auch bei sehr kleinen
Durchflüssen zum Verbraucher 40 keine Temperaturänderung auftritt.
Dass der Druckabfall konstant ist, kann durch eine entsprechende
Steuerung des Verdichters 50 erreicht werden, indem dieser eine
Steuereinheit 53 aufweist, die mit einem ersten Drucksensor 56, der in der Hauptleitung 10 unmittelbar stromaufwärts der
Temperaturkonditioniereinheit 46 angeordnet ist und einem zweiten Drucksensor 58, der in der Hauptleitung 10 stromabwärts der
Temperaturkonditioniereinheit 46 angeordnet ist, elektrisch verbunden ist und über welche der zweite Verdichter 50 in Abhängigkeit einer
gemessenen Druckdifferenz zwischen dem ersten Drucksensor 56 und dem zweiten Drucksensor 58 angesteuert wird.
Die beschriebenen Messsysteme liefern über ein breites Druck- und
Durchflussspektrum sehr genaue Messwerte, die kontinuierlich zur
Verfügung stehen. Ein Einschwingen des Systems ist bei Druckänderungen nicht erforderlich. Insbesondere ist dieses Messsystem auch für die
Messung von Durchflüssen von Gasen geeignet und erreicht hohe
Messgenauigkeiten auch bei sehr kleinen Durchflüssen, da mögliche Volumenänderungen des Kraftstoffs auf sehr kleine Leitungsabschnitte begrenzt werden und im Übrigen konstante Drücke in den Leitungen erzeugt werden, wodurch einerseits ein sich änderndes Volumen durch einen sich ändernden Druck ausgeschlossen wird und andererseits
Rückströmungen in andere Leitungsabschnitte vermieden werden.
Selbstverständlich sind auch zusätzliche Erweiterungen denkbar. So können auch mehr als zwei unterschiedliche Coriolis-Messgeräte mit sich mindernden Maximaldurchflüssen in Serie hintereinander geschaltet werden, wobei außer am größten Coriolis-Messgerät jeweils ein Bypass vorzusehen ist. In diesem Fall werden im untersten Messbereich die Messwerte des Coriolis-Messgerätes mit dem kleinsten Maximaldurchfluss. Vor dem Öffnen des jeweiligen Ventils in der Bypassleitung werden dann jeweils die Messwerte des jeweils größeren Coriolis-Messgerätes zur Bestimmung des Ausgangswertes verwendet, wobei jeweils ein
Interpolationsbereich zwischengeschaltet wird. Der Öffnungspunkt der Ventile variiert dann entsprechend mit der am Ventil entstehenden
Druckdifferenz, die durch den Druckverlust im jeweils parallel geschalteten Coriolis-Messgerät entsteht. Auch können unterschiedliche druckabhängig schaltende Ventile und verschiedene Druckregler verwendet werden. Diese können beispielsweise elektromotorisch oder elektromagnetisch
angetrieben sein und in Abhängigkeit von Werten der Drucksensoren geregelt werden. Weitere Änderungen ergeben sich ebenfalls für den Fachmann innerhalb des Schutzbereiches des Flauptanspruchs.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
1. Messsystem zur Messung eines Massendurchflusses, einer Dichte, einer Temperatur und/oder einer Strömungsgeschwindigkeit mit einer Hauptleitung (10), die von einer Versorgungseinheit (36) zu einem Verbraucher (40) führt,
einer Messeinheit (34), die aus
einem ersten Coriolis-Messgerät (12), welches in der Hauptleitung (10) angeordnet ist,
einem zweiten Coriolis-Messgerät (14), welches in Reihe zum ersten Coriolis-Messgeräts (12) in der Hauptleitung (10) angeordnet ist und für einen kleineren Maximaldurchfluss ausgelegt ist als das erste Coriolis-Messgerät (12),
einer Bypassleitung (16), über die das zweite Coriolis-Messgerät (12) umgehbar ist, und
einem Ventil (18), welches in der Bypassleitung (16) angeordnet ist, besteht,
und mit einer Recheneinheit (32), die mit dem ersten Coriolis- Messgerät (12) und dem zweiten Coriolis-Messgerät (14) verbunden ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Ventil (18) druckabhängig öffnet und stromabwärts der
Messeinheit (34) in der Hauptleitung (10) ein Ausgangsdruckregler (38) angeordnet ist.
2. Messsystem zur Messung eines Massendurchflusses, einer Dichte, einer Temperatur und/oder einer Strömungsgeschwindigkeit nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Ausgangsdruckregler (38) unmittelbar stromabwärts der
Messeinheit (34) angeordnet ist.
3. Messsystem zur Messung eines Massendurchflusses, einer Dichte, einer Temperatur und/oder einer Strömungsgeschwindigkeit nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
stromaufwärts der Messeinheit (34) in der Hauptleitung (10) ein zweiter Ausgangsdruckregler (42) angeordnet ist.
4. Messsystem zur Messung eines Massendurchflusses, einer Dichte, einer Temperatur und/oder einer Strömungsgeschwindigkeit nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Ausgangsdruck des Ausgangsdruckreglers (38) und/oder des zweiten Ausgangsdruckreglers (42) regelbar ist.
5. Messsystem zur Messung eines Massendurchflusses, einer Dichte, einer Temperatur und/oder einer Strömungsgeschwindigkeit nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
stromaufwärts der Messeinheit (34) in der Hauptleitung (10) ein regelbarer Verdichter (44) angeordnet ist.
6. Messsystem zur Messung eines Massendurchflusses, einer Dichte, einer Temperatur und/oder einer Strömungsgeschwindigkeit nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Verdichter (44) pulsationsfrei ist oder pulsationsfrei betreibbar ist.
7. Messsystem zur Messung eines Massendurchflusses, einer Dichte, einer Temperatur und/oder einer Strömungsgeschwindigkeit nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass
der Verdichter (44) ein Tesla-Verdichter ist.
8. Messsystem zur Messung eines Massendurchflusses, einer Dichte, einer Temperatur und/oder einer Strömungsgeschwindigkeit nach einem der Ansprüche 5 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
zwischen der Messeinheit (34) und dem Ausgangsdruckregler (38) eine Temperaturkonditioniereinheit (46) in der Hauptleitung (10) angeordnet ist.
9. Messsystem zur Messung eines Massendurchflusses, einer Dichte, einer Temperatur und/oder einer Strömungsgeschwindigkeit nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Temperaturkonditioniereinheit (46) eine Konditionierleitung (48), in der ein zweiter pulsationsfrei fördernder Verdichter (50) und ein Wärmetauscher (52) angeordnet sind und eine Rückführleitung (54) aufweist, die stromabwärts des Wärmetauschers (52) und des zweiten Verdichters (50) von der Konditionierleitung (48) abzweigt und stromaufwärts des Wärmetauschers (52) und des zweiten Verdichters (50) wieder in die Konditionierleitung (48) mündet.
10. Messsystem zur Messung eines Massendurchflusses, einer Dichte, einer Temperatur und/oder einer Strömungsgeschwindigkeit nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
in der Hauptleitung (10) zwischen Messeinheit (34) und der
Temperaturkonditioniereinheit (46) sowie zwischen der
Temperaturkonditioniereinheit (46) und dem Ausgangsdruckregler (38) jeweils ein Drucksensor (56, 58) angeordnet ist, die mit einer Steuereinheit (53) des zweiten pulsationsfrei fördernden Verdichters (50) verbunden sind, und dass der zweite pulsationsfrei fördernde Verdichter (50) derart angesteuert wird, dass sich zwischen den Drucksensoren (56, 58) in der Hauptleitung (10) ein konstanter Druckverlust einstellt.
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