-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur volumetrischen Durchflussmessung von Fluiden in einer Rohrleitung einer Anlage und eine Vorrichtung zur Durchführung des derartigen Verfahrens.
-
Ältere Messmethoden des Förder- bzw. Volumenstromes von Fluiden hatten den Nachteil, dass durch die Messung selbst die Strömungsbedingungen beeinflusst werden und die genaue Kenntnis des Strömungsprofils und der Strömungsverhältnisse am Messort bzw. voll ausgebildete ungestörte Strömungsprofile in der Zuströmung Voraussetzung für hinreichend genaue Messungen sind. Hierzu zählen Vorrichtungen mit Normblenden, Staudruck- und Venturidüsen, sowie Turbinenrad- und Hitzdrahtanemometer.
-
Modernere Messmethoden wie das Ultraschallverfahren nach dem Laufzeit- oder Dopplerprinzip und das weit verbreitete magnetisch-induktive Durchflussmessverfahren (MID) beeinflussen zwar nicht mehr die Strömung, die Messgenauigkeit hängt aber auch hier von den Strömungsverhältnissen ab. Weichen diese am Einbauort der Messeinrichtung von den idealen rotationssymmetrischen sowie wirbel- und drallfreien Geschwindigkeitsverteilungen ab, die auf den Herstellerprüfständen zur Gerätekalibrierung vorgefunden werden, verschlechtert sich die Messgenauigkeit der Geräte oft in starker und unbekannter Weise. Derartig unterschiedliche Strömungsverhältnisse können beispielsweise durch Unterschreitung der in den Herstellervorschriften geforderten minimalen Vor- und Nachlaufstrecken der Geräte nach Anlageneinbauten wie Ventilen und Absperrklappen vor dem Messgerät hervorgerufen werden.
-
Die geforderten Vorlaufstrecken und Strömungsbedingungen sind hierbei in der Praxis insbesondere bei Großanlagen, größeren Rohrdimensionen und nachträglichen Einbauten nicht oder nur mit erheblichem Kostenaufwand zu erfüllen, so dass als wesentlicher Nachteil bisheriger Volumen- bzw. Volumenstrom-Messverfahren ein Nachweis der Messgenauigkeit durch Kalibrierung in der Anlage vor Ort unter Berücksichtigung nicht idealer, asymmetrischer sowie wirbel- und Drall behafteter Strömungen am Messort nicht möglich ist. Darüber hinaus werden zeitliche Veränderungen derartiger Strömungsbedingungen bei bisherigen Messverfahren nicht berücksichtigt. Ein weiterer Nachteil beim bisherigen Stand der Technik ist, dass mittels Volumenstrom-Messgeräten eine Diagnose weiterer Strömungsparameter in der Anlage vor Ort wie Wirbelausbildung, Drall und Strömungsverteilung in axialer und Umfangsrichtung nicht möglich ist.
-
So ist durch die
DE 197 24 116 A1 ein Verfahren bekannt, in dem Korrekturen der Durchflussmessung bei gestörten Strömungsverhältnissen mittels dem Durchfluss-Messgerät vorgeschalteten, über den Innenrohrumfang verteilten und in den Strömungskanal hineinragenden Messfühlern vorgenommen werden. Durch diese Lösung werden somit wie bei den älteren Verfahren die Strömungsverhältnisse durch die Messung selbst beeinflusst, so dass die Vorteile der an sich berührungslosen Messverfahren wie des magnetisch-induktiven Durchflussmessverfahrens (MID) oder des Ultraschallverfahrens zunichte gemacht werden.
-
In der
DE 195 43 331 A1 ist ein Verfahren beschrieben, bei dem ein Ultraschall-Durchfluss-Messgerät mittels Einführung eines Kalibrierfaktors kalibriert wird, der sich aus der für unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeiten, Rohrkonfigurationen und Einbaubedingungen numerisch errechneten Strömungsgeschwindigkeitsverteilung und der für diese Bedingungen ebenfalls mittels Simulation errechneten Laufzeit ergibt. Eine tatsächliche messtechnische Kalibrierung, die für den Nachweis der Messgenauigkeit vor Ort notwendig wäre, erfolgt hier demzufolge nicht. Zudem können von der Vielzahl möglicher Strömungsbedingungen vor Ort nur die Strömungsverhältnisse erfasst werden, die auch vorher simuliert wurden. Die Unsicherheiten der Simulationen in Abhängigkeit vom Strömungszustand sind ferner zu ermitteln und zu beachten. Insbesondere können mit diesem Verfahren keine zeitlich veränderlichen Strömungsbedingungen berücksichtigt werden, eine weitergehende Strömungsdiagnose ist nicht möglich.
-
Die
DE 10 2005 018 396 A1 beschreibt die Kalibrierung bei unterschiedlichen Strömungsprofilen durch Ermittlung eines charakteristischen Kalibrierparametersatzes, der zuvor durch Ausbildung unterschiedlicher Strömungsprofile an unterschiedlichen Ultraschall-Messpfaden gewonnen wurde. Weiterhin wird für die Ermittlung des Kalibrierparametersatzes messprinzipbedingt nur die mittlere Geschwindigkeit über den jeweiligen Messpfad gemessen. Somit entsteht ein hoher apparativer und kostenintensiver Aufwand bei der notwendigen Realisierung von mehreren, möglichst unter verschiedenen Winkeln verlaufenden Messpfaden. Zudem erlaubt die Verwendung des gleichen Messverfahrens wie es zur originären Volumenstrom-Messung verwendet wird, keine Gewinnung zusätzlicher oder redundanter Informationen zur Fehlerdiagnose bzw. Überwachung der Messgeräte. Insbesondere können auch mit diesem Verfahren keine zeitlich veränderliche Strömungsbedingungen berücksichtigt werden. Eine weitergehende Strömungsdiagnose ist ebenfalls nicht möglich.
-
In der
WO 2004/008081 A2 sind ein Flüssigkeits-Volumenstrommessgerät und ein Verfahren beschrieben, die auch für extrem turbulente Strömung geeignet sind. Hierzu wird mittels einer transparenten Rohrleitungswand, einer optischen Geschwindigkeitsmessvorrichtung und einem optischen Sensor zur Flüssigkeitsstandbestimmung in der Rohrleitung die Höhe des Flüssigkeitsstandes und der Volumenstrom in der Messkammer abgeschätzt. Die Kalibrierung eines Volumenstrom-Messgerätes wie eines magnetisch-induktiven Durchflussmessgerätes mittels eines optischen Messverfahrens der Strömungsgeschwindigskeitsmessung wie der Laser-Doppler-Velozimetrie bei ungleichmäßigen, d. h. bei von der idealen Rohrströmung abweichenden asymmetrischen, wirbel- und Drall behafteten Strömungsprofilen findet hier nicht statt.
-
Die
GB 2415500 A beschreibt ein Messverfahren zur Bestimmung des Flüssigkeitsstandes in einer Rohrleitung, d. h. des Anteiles der Flüssigkeitsphase und der Gasphase in einer Rohrleitung. Die Messung erfolgt dabei in einer U-förmigen Messkammer. Bei dem hier verwendeten optischen Messverfahren handelt es sich zwar um ein optisches Verfahren zur Messung des Durchflusses und der Durchflussgeschwindigkeit sowie zur Abschätzung des Flüssigkeits- und des Gasanteils in der Rohrleitung zur Korrektur der Volumenstrommessung. Eine Kalibrierung eines Volumenstrom-Messgerätes wie eines magnetisch-induktiven Durchflussmessgerätes mittels eines optischen Messverfahrens der Strömungsgeschwindigkeitsmessung wie der Laser-Doppler-Velozimetrie bei ungleichmäßigen Strömungsprofilen findet auch hier nicht statt. Die hier beschriebene Kalibrierung dient der Korrektur einer Volumenstrommessung bei Mehrphasenströmungen durch Messung des Flüssigkeitsphasenanteils.
-
In der
US 6 874 480 B1 ist ein Volumenstrom-Messgerät für Einspritzanlagen mittels der Laser-Doppler-Velozimetrie offenbart. Hier wird mittels eines optischen Verfahrens – der Laser-Doppler-Anemometrie – auch die Geschwindigkeit und der Volumendurchfluss eines strömenden Fluids gemessen. Die Messung der Strömungsgeschwindigkeit erfolgt hier nur in der Strömungsmitte zur Bestimmung des Volumenstromes.
-
Die
DE 43 20 295 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchflussmessung. Hier werden mittels akustischer Geschwindigkeitssensoren, beispielsweise Ultraschallsensoren, oder optischer Geschwindigkeitssensoren, beispielsweise im Rahmen der Laser-Doppler-Anemometrie, die lokalen Geschwindigkeiten in einem in einer Rohrleitung dahin strömenden Fluid gemessen – wobei das Fluid die Rohrleitung teilweise oder ganz füllen kann – und die Messergebnisse mittels unter Berücksichtigung von Sekundärströmungen simulierter turbulenter Geschwindigkeitsverteilungen in einen Durchfluss umgeformt, wobei Messung und Auswertung in kurzer Zeit häufig wiederholt werden.
-
Der vorliegenden Erfindung liegt demzufolge die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens bereitzustellen, mit deren Hilfe bei der volumetrischen Durchflussmessung von Fluiden in Rohrleitungen eine adaptive Messkalibrierung direkt in der Anlage vor Ort und die Diagnose weiterer Strömungsparameter wie Wirbelausbildung, Drall und Strömungsverteilung in axialer und Umfangsrichtung auch bei nicht idealen, asymmetrischen sowie wirbel- und Drall behafteten Strömungen am Messort, hervorgerufen beispielsweise durch unzureichende Vor- und Nachlaufbedingungen der Messeinrichtung, ermöglicht wird, ohne die Strömungsverhltnisse durch die Messung selbst zu beeinflussen.
-
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch das Verfahren entsprechend der kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 und durch die Vorrichtung entsprechend der kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 2 gelöst.
-
Hauptkennzeichen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dabei, dass im Gegensatz zu den heute bekannten Verfahren eines der bekannten Volumenstrom-Messverfahren wie MID oder Ultraschallverfahren mit einem der bekannten optischen Strömungsmessverfahren wie der Laser-Doppler-Velozimetrie (LDV) oder der Partikel-Image-Velozimetrie (PIV) kombiniert wird. Hierbei kann die Messvorrichtung für das optische Strömungsmessverfahren in einem Durchflussmessgerät wie einem magnetisch induktiven Durchflussmessgerät (MID) direkt integriert oder diesem vor- oder nachgeschaltet sein.
-
Hauptkennzeichen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist, dass die Messvorrichtung für das optische Strömungsmessverfahren in einem Durchflussmessgerät wie einem magnetisch-induktiven Durchflussmessgerät (MID) direkt integriert ist.
-
Ergebnis ist somit, dass mit der vorliegenden Erfindung ein Nachweis der Messgenauigkeit durch Kalibrierung volumetrischer Durchflussmessgeräte wie magnetisch-induktiver Durchflussmessgeräte in der Anlage vor Ort unter Berücksichtigung nicht idealer, asymmetrischer sowie wirbel- und Drall behafteter Strömungen am Messort ermöglicht wird. Die Kalibrierung erfolgt dabei automatisiert regelmäßig während des Anlagenbetriebs, um zeitliche Veränderungen der Strömungsbedingungen zu detektieren. Darüber hinaus wird nun mittels der Erfindung eine Diagnose weiterer Strömungsparameter in der Anlage vor Ort wie Wirbelausbildung, Drall und Strömungsverteilung in axialer und Umfangsrichtung ermöglicht. Das Verfahren ermöglicht auch eine Überwachung und Diagnose von Durchflussmessgeräten.
-
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist einem magnetisch-induktiven Durchflussmessgerät (MID) mindestens ein Laser-Doppler-Velozimeter (LDV) dergestalt vor- oder nachgeschaltet, dass durch Verschieben der LDV-Sonde beispielsweise mittels einer Traversiervorrichtung der Strömungsquerschnitt in der Rohrleitung nacheinander abgetastet und somit das Strömungsprofil in axialer und/oder Umfangsrichtung ermittelt wird. Voraussetzung ist die optische Zugänglichkeit der Rohrleitung im Bereich der LDV-Sonde, die durch entsprechende Fenster in der Rohrleitung realisiert wird. Die Daten dieser Kalibriermessung können danach beispielsweise automatisiert im MID zur Strömungsprofilkorrektur abgespeichert werden.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung können darüber hinaus weitere Strömungsparameter in der Anlage vor Ort wie Wirbelausbildung, Drall und Strömungsverteilung in axialer und Umfangsrichtung mittels weiterer LDV-Messungen detektiert werden.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann die Kalibriermessung und Strömungsdetektierung mittels Einsatz miniaturisierter LDV-Sonden (LDV-Sensoren) durch Verwendung von Halbleitertechnik und Mikrooptik erfolgen.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgen die Messungen des Strömungsprofils zur MID-Kalibrierung und zur Detektierung der Strömungsverhältnisse in Axial- und Umfangsrichtung jeweils mit einer eigenen LDV-Sonde und Traversiereinrichtung.
-
Nachfolgend werden zwei bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung weiter unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
-
1 eine Volumenstrom-Messvorrichtung für das erfindungsgemäße Verfahren in der Seitenansicht und
-
2 eine erfindungsgemäße Volumenstrom-Messvorrichtung in der Schnittansicht.
-
In 1 ist eine in die Rohrleitung 1 einer hydraulischen Anlage eingebaute Messvorrichtung mit einem magnetisch-induktiven Durchflussmessgerät (MID) 3 und einem diesem nachgeschalteten Laser-Doppler-Velozimeter (LDV) 4 dargestellt. Die Anlage wird durch ein Fluid 9 durchströmt. Rohrleitung 1, LDV 4 und MID 3 sind dabei mittels Rohrleitungsflanschen 2 miteinander mittels Schraubverbindung montiert. Für die optische Zugänglichkeit ist der Rohrleitung 1 im Bereich der LDV-Sonde 5 ein Fenster 7 zugeordnet. Durch Verschieben der LDV-Sonde 5 mittels einer Traversiervorrichtung 6 wird der Strömungsquerschnitt in der Rohrleitung durch das Fenster 7 mit dem LDV-Verfahren nacheinander abgetastet und somit das Strömungsprofil in axialer und/oder Umfangsrichtung ermittelt.
-
In 2 ist das Laser-Doppler-Velozimeter (LDV) 4 einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung dargestellt. In der Rohrleitung 1 fließt ein Fluid 9, dessen lokale Strömungsgeschwindigkeiten im durch Schnitt der beiden LDV-Laserstrahlen entstehenden LDV-Messvolumen 8 durch das Fenster 7 hindurch gemessen werden. Um das Strömungsprofil des gesamten Strömungsquerschnitts zu ermitteln, wird durch sukzessives Verschieben der LDV-Sonde 5 mittels einer Traversiervorrichtung 6 der gesamte Strömungsquerschnitt in der Rohrleitung 1 mit dem LDV-Verfahren nacheinander abgetastet. Um das Strömungsprofil sowohl in axialer als auch in Umfangsrichtung (Drall) zu detektieren ist jeweils eine LDV-Sonde 10 zur Messung der axialen Fluidgeschwindigkeitskomponente und eine LDV-Sonde 11 zur Messung der Fluidgeschwindigkeit in der Umfangskomponente vorgesehen, denen jeweils eine eigene Traversiervorrichtung 6 zugeordnet ist.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Rohrleitung
- 2
- Rohrleitungsflansch
- 3
- magnetisch-induktives Messgerät (MID)
- 4
- Laser-Doppler-Velozimeter (LDV)
- 5
- LDV-Lasersonde
- 6
- Traversiereinrichtung
- 7
- Rohrleitungsfenster
- 8
- LDV-Messvolumen
- 9
- Fluid
- 10
- LDV-Sonde zur Messung der axialen Fluidgeschwindigkeitskomponente
- 11
- LDV-Sonde zur Messung der Fluidgeschwindigkeit in der Umfangskomponente
- 12
- Ultraschallwandler eines Untraschall-Durchflussmessgeräts
