DE102010014693B3

DE102010014693B3 - Fluid-Durchflussmesssystem, Kalibriervorrichtung für ein Fluid-Durchflussmesssystem und Verfahren zum Kalibrieren eines Durchflussmessgerätes

Info

Publication number: DE102010014693B3
Application number: DE102010014693A
Authority: DE
Inventors: Jörg Riedel
Original assignee: Bundesrepublik Deutschland Vertrdd Bundesministerium fur Wirtschaft und Technologie Dvertrdd Praesidenten Der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt; Bundesrepublik Deutschland; Bundesministerium fuer Wirtschaft und Technologie
Current assignee: Riedel Joerg De
Priority date: 2010-04-12
Filing date: 2010-04-12
Publication date: 2011-11-17
Anticipated expiration: 2030-04-13

Abstract

Fluid-Durchflussmesssystem (10) mit einer Leitung (12) für ein Fluid (14), einem Durchflussmessgerät (16), das zum Messen einer Durchflussmenge durch die Leitung (12) angeordnet ist, und einer Fluidmengen-Referenz (18), die in einer stromaufwärts des Durchflussmessgeräts (16) abzweigenden Abzweigstelle (26) mit der Leitung (12) verbunden ist, wobei die Fluidmengen-Referenz (18) in einer stromabwärts des Durchflussmessgeräts (16) abzweigenden Mündungsstelle (24) mit der Leitung (12) verbunden ist und das Fluid-Durchflussmesssystem (10) ein Differenzdruckmessgerät (38) aufweist, das einen ersten Druckfühler (40), der stromaufwärts vor der Abzweigstelle (26) angeordnet ist, und einen zweiten Druckfühler (42), der stromabwärts hinter der Mündungsstelle (24) angeordnet ist, umfasst, wobei die Fluidmengen-Referenz (18) so ausgebildet ist, dass stets die in der Abzweigstelle (26) die Leitung (12) verlassende Referenz-Fluidmenge , ΔV) der in der Mündungsstelle (24) in die Leitung (12) gelangenden Referenz-Fluidmenge , ΔV) entspricht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Fluid-Durchflussmesssystem mit (a) einer Leitung für ein Fluid, (b) ein Durchflussmessgerät, das zum Messen eines Durchflusses durch die Leitung angeordnet ist, und (c) einer Fluidmengen-Referenz, die in einer stromaufwärts des Durchflussmessgeräts abzweigenden Abzweigstelle mit der Leitung verbunden ist. Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Kalibrieren eines Durchflussmessgeräts, das zum Messen eines Durchflusses durch eine Leitung angeordnet ist.
Ein derartiges Fluid-Durchflussmesssystem ist aus der DE 10 2007 019 601 B3 bekannt und dient dazu, ein oder zwei Durchflussmessgeräte unter realistischen Bedingungen zu kalibrieren. Es hat sich herausgestellt, dass die in dieser Druckschrift beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren zwar eine deutliche Verbesserung der erreichbaren Genauigkeit bieten, dass diese aber aufgrund der notwendigen zwei Durchflussmessgeräte unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten nicht optimal ist.
Aus der SU 1 472 768 A1 ist eine Testvorrichtung für Durchflussmessgeräte bekannt, bei der ein Kolben im einem Zylinder bewegt wird, um Flüssigkeit durch ein zu kalibrierendes Durchflussmessgerät strömen zu lassen. Nachteilig an einer derartigen Vorrichtung ist, dass Fluid-Durchflussmesssysteme nicht geprüft werden können, die eingebaut sind und in der eingebauten Stellung verbleiben sollen.
Aus der EP 0 072 916 A2 ist eine Vorrichtung zum Ermitteln der Charakteristika eines Durchflussmessgerätes bekannt, bei der eine gasgefüllte Kammer vorhanden ist. Mittels der gasgefüllten Kammer wird diejenige Kraft kompensiert, die zum Überwinden der Reibung des Kolbens notwendig ist. Es ist dann nicht mehrnotwendig, dass eine Kolbenstange durch den Zylinder nach außen ragt.
Aus der DE 32 39 281 A1 ist eine Prüfeinrichtung für Durchflussmesser bekannt, die bei auch bei hohen Mediendrücken Messfehler vermeidet. Dazu ist vorgesehen, dass ein Messkolben von unter dem Druck stehenden Messfluid in eine Richtung bewegt wird, wohingegen er allein durch das Eigengewicht sich selbsttätig zurück bewegt.
Aus der GB 2 392 506 A sind ein Massendurchflussmesser und eine zugeordnete Steuerung bekannt, wobei das Durchflussmessgerät eine Scheibe mit Öffnungen besitzt. Die Scheibe ist gegenüber einem Gehäuse so abgedichtet, dass sie in einer ersten Drehposition mit Gas gefüllt werden kann. Durch Drehen in eine zweite Winkelstellung wird das Gas dann in eine zweite Leitung abgegeben. Das ermöglicht eine sehr schnelle Zudosierung von Gas.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Durchflussmessgerät vor Ort mit möglichst einfachen Mitteln kalibrieren zu können.
Die Erfindung löst das Problem durch ein gattungsgemäßes Fluid-Durchflussmesssystem, bei dem die Fluidmengen-Referenz in einer stromabwärts des Durchflussmengenmessgeräts abzweigenden Mündungsstelle mit der Leitung verbunden ist, wobei das Fluid-Durchflussmesssystem ein Differenzdruckmessgerät aufweist, das einen ersten Druckfühler, der zum Messen des Drucks in der Leitung stromabwärts vor der Abzweigstelle angeordnet ist, und einen zweiten Druckfühler, der zum Messen des Drucks des Fluids in der Leitung stromabwärts hinter der Mündungsstelle angeordnet ist, aufweist, wobei die Fluidmengen-Referenz so ausgebildet ist, dass stets die in der Abzweigstelle die Leitung verlassende Referenz-Fluidmenge der in der Mündungsstelle in die Leitung gelangende Referenz-Fluidmenge entspricht.
Die Erfindung löst das Problem zudem durch die bestimmungsgemäße Verwendung einer Kalibriervorrichtung für ein Fluid-Durchflussmesssystem, das eine Leitung für ein Fluid und ein Durchflussmessgerät, das zum Messen eines Durchflusses durch die Leitung angeordnet ist, aufweist, wobei die Kalibriervorrichtung eine Fluidmengen-Referenz, die ausgebildet ist, um in einer stromaufwärts des Durchflussmessgeräts abzweigende Abzweigstelle und in einer stromabwärts des Durchflussmessgeräts abzweigenden Mündungsstelle mit der Leitung verbunden zu werden und einem Differenzdruckmessgerät, das einen ersten Druckfühler, der ausgebildet ist, um stromaufwärts vor der Abzweigstelle angeordnet zu werden, und einen zweiten Druckfühler, der ausgebildet ist, um stromabwärts hinter der Mündungsstelle angeordnet zu werden, umfasst, wobei die Fluidmengen-Referenz so ausgebildet ist, dass stets die in der Abzweigstelle die Leitung verlassende Referenz-Fluidmenge der in der Mündungsstelle in die Leitung gelangenden Referenz-Fluidmenge entspricht.
Gemäß einem weiteren Aspekt löst die Erfindung das Problem durch ein Verfahren zum Kalibrieren eines Durchflussmessgeräts, das zum Messen eines Durchflusses durch eine Leitung angeordnet ist, mit den Schritten (i) Messen einer einen Durchfluss durch die Leitung charakterisierenden Größe mit dem Durchflussmessgerät, so dass ein erster Messwert erhalten wird, (ii) simultan dazu Messen eines ersten Differenzdrucks zwischen einem ersten Druck an einer stromaufwärts vor der Abzweigstelle liegenden ersten Messstelle und einem zweiten Druck an einer stromabwärts hinter der Mündungsstelle liegenden zweiten Messstelle, (iii) danach Entnehmen einer vorbestimmten Referenz-Fluidmenge in einer stromaufwärts des Durchflussmessgeräts angeordneten Abzweigstelle aus der Leitung, (iv) simultan dazu Hinzufügen der gleichen Referenz-Fluidmenge in einer stromabwärts des Durchflussmessgeräts angeordneten Mündungsstelle in die Leitung, (v) simultan dazu Messen eines zweiten Differenzdrucks zwischen dem ersten Druck einer ersten Messstelle und dem zweiten Druck einer zweiten Messstelle, (vi) simultan dazu Messen der den Durchfluss durch die Leitung charakterisierenden Größe mit dem Durchfluss-Messgerät, so dass ein zweiter Messwert erhalten wird, und (vii) Berechnen eines Kalibrierfaktors für das Durchflussmessgerät aus dem ersten Messwert, dem Differenzdruck, der vorgestellten Referenz-Fluidmenge, dem zweiten Differenzdruck und dem zweiten Messwert.
Vorteilhaft an der Erfindung ist, dass ein eingebautes Durchflussmessgerät mit einfachen Mitteln kalibriert werden kann. So ist es lediglich notwendig, in Strömungsrichtung des Fluids vor und hinter dem zu kalibrierenden Durchflussmessgerät jeweils eine Abschlussvorrichtung, beispielsweise einen Flansch, zum Anschluss der Fluidmengen-Referenz vorzusehen und in Strömungsrichtung vor und hinter der Anschlussvorrichtung jeweils Anschlussmöglichkeiten für den ersten bzw. den zweiten Druckfühler vorzusehen.
Ein weiterer Vorteil ist, dass das Durchflussmessgerät unter Betriebsbedingungen getestet werden kann, so dass eine besonders hohe Genauigkeit erzielbar ist. Vorteilhaft ist zudem, dass eine hohe Genauigkeit erreichbar ist. Waren bisher 1 bis 2 Prozent Messgenauigkeit realisierbar, so sind unter Verwendung der Erfindung nachweisbare Genauigkeiten von unter 0,5 Prozent erreichbar.
Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung wird unter einem Fluid-Durchflussmesssystem insbesondere ein Flüssigkeits-Durchflussmesssystem verstanden. Ein derartiges Fluid-Durchflusssystem ist dazu ausgebildet, um eine Durchflussmenge in der Leitung zu bestimmen.
Unter einer Durchflussmenge wird insbesondere jede den Durchfluss charakterisierende physikalische Größe verstanden, insbesondere der Durchfluss in Volumen pro Zeiteinheit, Masse pro Zeiteinheit, Gewicht pro Zeiteinheit oder Stoffmenge pro Zeiteinheit. Die Durchflussmenge kann insbesondere der Volumenstrom eines Fluids, der aus dem Fluid-Volumen und der Zeit als differentielle Größe beschrieben werden kann, oder der Massenstrom eines Fluids, der aus der Fluid-Masse und der Zeit als differentielle Größe beschrieben werden kann, sein. Unter der Durchflussmenge wird insbesondere auch das insgesamt während eines gegebenen Zeitinterwalls durch die Leitung geflossene Volumen, das Gewicht, die Masse oder die Stoffmenge verstanden. Es ist aber auch möglich, dass das Fluid-Durchflussmesssystem für ein Gas verwendet wird, eine hohe Genauigkeit lässt sich dann erreichen, wenn die Strömungsgeschwindigkeit und der Druck dergestalt sind, dass in hinreichender Näherung eine Inkompressibilität des Gases angenommen werden kann.
Unter der Fluidmengen-Referenz wird eine Maßverkörperung oder ein Normal verstanden, die kalibriert oder geeicht sind. Unter der Fluidmengen-Referenz wird dabei insbesondere die Einheit aus der Vorrichtung selbst und einem zugehörigen Kalibrierschein verstanden, in dem die Eigenschaften der Fluidmengen-Referenz aufgelistet sind. Vorzugsweise umfasst die Fluidmengen-Referenz einen Antrieb, insbesondere einen elektrischen Antrieb, mittels dem die Abgabe der Referenz-Fluidmenge gesteuert oder geregelt werden kann.
Die Referenz-Fluidmenge ist die von der Fluidmengen-Referenz abgegebene Fluidmenge. Die Referenz-Fluidmenge kann eine integrale Größe sein, beispielsweise ein Volumen, eine Masse, ein Gewicht oder eine Stoffmenge. Andererseits kann die Referenz-Fluidmenge eine differentielle Größe sein, beispielsweise ein Volumen, eine Masse, ein Gewicht oder eine Stoffmenge jeweils pro Zeiteinheit.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Durchflussmessgerät ein zweites Differenzdruckmessgerät. In diesem Fall weist das Fluid-Durchflussmesssystem zwei Differenzdruckmessgeräte auf, die in einem kombinierten Differenzdruckmessgerät zusammengefasst sein können. In einem derartigen kombinierten Differenzdruckmessgerät werden die Messwerte von zumindest vier Druckfühlern verarbeitet. Vorteilhaft hieran ist, dass das Fluid-Durchflussmesssystem besonders einfach aufgebaut und damit kostengünstig herstellbar ist.
Vorzugsweise weist die Fluidmengen-Referenz einen Kolben auf, der in einem Zylinder läuft und diesen in einen ersten Zylinderraum und einen zweiten Zylinderraum gleicher Querschnittsfläche teilt, wobei der erste Zylinderraum in der Abzweigstelle und der zweite Zylinderraum in der Mündungsstelle mit der Leitung verbunden sind. Durch Verschieben des Kolbens im Zylinder wird in der Abzweigstelle eine Fluidmenge entnommen und in der Mündungsstelle eingespeist, wobei die jeweils entnommene und eingespeiste Fluidmenge gleich und mit hoher Genauigkeit bekannt ist. Besonders günstig ist es, wenn die Fluidmengen-Referenz einen Antrieb für den Kolben aufweist, so dass der Kolben automatisch betätigbar ist.
Für das Funktionieren der Erfindung ist es unbeachtlich, ob in der Abzweigstelle Fluid entnommen oder hinzugefügt wird. Die Bezeichnungen „Abzweigstelle” und „Mündungsstelle” sind gewählt worden, da sie anschaulich sind. Wie erwähnt, kann die Fluidmengen-Referenz auch so ausgebildet sein, dass in der Mündungsstelle Fluid entnommen und in der Abzweigstelle eingespeist wird. In der Regel wird die Fluidmengen-Referenz so aufgebaut sein, dass sowohl in der Abzweigstelle als auch in der Mündungsstelle Fluid entnommen und hinzugefügt werden kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Fluidmengen-Referenz ein Normalmessgerät, das mittels einer Nebenleitung in der Abzweigstelle und der Mündungsstelle mit der Leitung verbunden ist. Bei dem Normalmessgerät handelt es sich um ein Messgerät, das kalibriert und geeicht ist. Günstig ist es, wenn die Fluidmengen-Referenz ein Absperrventil umfasst, mittels dem der Strom in der Nebenleitung absperr- und freigebbar ist. Durch Variieren des Durchflusses durch die Nebenleitung durch Variieren des Öffnungsgrads des Ventils können unterschiedliche Durchflüsse durch die Nebenleitung eingestellt werden. Wie in der Beschreibung dargelegt, lässt sich so das Durchflussmessgerät kalibrieren.
Bevorzugt umfasst das Fluid-Durchflussmesssystem eine elektrische Steuerung, die eingerichtet ist zum automatischen Durchführen eines im Folgenden beschriebenen Verfahrens. Hierunter ist zu verstehen, dass die elektrische Steuerung insbesondere mit der Fluidmengen-Referenz und dem Durchflussmessgerät in Verbindung steht, um die Fluidmengen-Referenz anzusteuern und Messwerte aus dem Durchflussmessgerät einzulesen.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren wird als Durchflussmessgerät vorzugsweise ein Flügelradzähler verwendet und eine Nullpunktabweichung des Durchflussmessgerätes bestimmt. Hierzu wird insbesondere ein Quotient aus dem Differenzdruck und eine Messgröße des Flügelradzählers gebildet und für zumindest zwei Durchflüsse bestimmt. Nachfolgend wird eine Ausgleichsgerade durch die gefundenen Messpunkte gelegt und auf den Durchfluss Null extrapoliert. Überschreitet der Betrag des Quotienten für den Durchfluss Null einen vorgegebenen Schwellenwert, so wird ein Warnsignal ausgegeben. Unter diesem Warnsignal wird insbesondere verstanden, dass die Information kodiert abgegeben wird, dass eine nicht tolerierbare Nullpunktsabweichung vorliegt.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei zeigt
1 ein Fluid-Durchflussmesssystem mit einem Durchflussmessgerät in Form eines Flügelradzählers,
2 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Fluid-Durchflussmesssystems, bei dem das Durchflussmessgerät ein Differenzdruck-Messgerät ist,
3 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Fluid-Durchflussmesssystems und
4 mit den Teilfiguren 4a und 4b zwei Diagramme zur Erläuterung der Ermittlung der Nullpunktabweichung.
1 zeigt ein Fluid-Durchflussmesssystem 10 mit einer Leitung 12 für ein Fluid 14, beispielsweise von Wasser, einem Durchflussmessgerät 16 in Form eines Flügelradzählers und einer Fluidmengen-Referenz 18. Das Durchflussmessgerät 16 ist ein Flügelradzähler mit einem Flügelrad 20 und einer Erfassungsvorrichtung 22, die jedes Mal dann einen Zählimpuls abgibt, wenn ein Flügel des Flügelrads 20 an der Erfassungsvorrichtung 22 vorbeibewegt wird. Es ergibt sich so eine Zählfrequenz f in Form von Impulsen pro Sekunde, die in eindeutiger Weise von einem Durchfluss V . durch die Leitung 12 abhängt.
Die Zählfrequenz ist eine den Durchfluss V . durch die Leitung 12 charakterisierende Größe. Andere solche Größen können ebenso verwendet werden, beispielsweise eine Wartezeit 1/f zwischen zwei Zählimpulsen. Diese Wartezeit kann vorteilhaft verwendet werden, wenn die Messung nur kurze Zeit dauert. Wird nämlich in einer kurzen und konstanten Messzeit die Zählerfrequenz aus der Anzahl der Impulse relativ zur Messzeit ermittelt, so ist es möglich, dass die Zeit, in der die Impulse gezählt werden, die Messzeit nicht vollständig ausfüllt. In diesem Fall charakterisiert die Wartezeit den Durchfluss auf geeignete Weise.
Die Fluidmengen-Referenz 18 ist in einer Mündungsstelle 24 und einer Abzweigstelle 26 mit der Leitung 12 verbunden. Die Fluidmengen-Referenz 18 besitzt einen Kolben 28, der mittels eines Motors 30 in einem Zylinder 32 bewegbar ist. Der Kolben 28 teilt den Zylinder 32 in einen ersten Zylinderraum 34 und einen zweiten Zylinderraum 36.
Das Fluid-Durchflussmesssystem 10 weist ein Differenzdruckmessgerät 38 auf, das einen ersten Druckfühler 40 und einen zweiten Druckfühler 42 besitzt. Der erste Druckfühler 40 ist an einer ersten Stelle S1 stromaufwärts vor der Abzweigstelle 26 angeordnet, der zweite Druckfühler 42 an einer zweiten Stelle S2 stromabwärts hinter der Mündungsstelle 24, wobei die Abstände so groß gewählt sind, dass Druckeffekte, die durch ein Ein- oder Abströmen in der Abzweigstelle 26 bzw. ein Ein- oder Abströmen in der Mündungsstelle 24 bedingt sind, keinen Einfluss auf das Messergebnis der Druckfühler 40, 42 haben.
Das Differenzdruckmessgerät 38 umfasst zudem eine Auswerteeinheit 44, die mit den Druckfühlern 40, 42 verbunden und eingerichtet ist zum Bestimmen eines Differenzdrucks Δp₁₂ zwischen einem ersten Druck p₁, der vom ersten Druckfühler 40 erfasst wird, und einem zweiten Druck p₂, der vom zweiten Druckfühler 42 erfasst wird.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren wird mit dem Fluid-Durchflussmesssystem 10 dadurch durchgeführt, dass zunächst mit dem Durchflussmessgerät 16 eine den Durchfluss V . charakterisierende Größe in Form der Zählfrequenz f ermittelt wird, so dass ein erster Messwert f_t1 der Zählerfrequenz f ermittelt wird. Die Ermittlung des Messwerts f_t1 kann natürlich über ein Zeitintervall erfolgen. Simultan dazu wird ein erster Messwert Δp_{12 t1} des Differenzdrucks Δp₁₂ gemessen. Die Messwerte werden an eine elektrische Steuerung 46 übermittelt.
Nachfolgend steuert die elektrische Steuerung 46 den Motor 30 so an, dass er den Kolben 28 im Zylinder 32 verschiebt. Dadurch wird eine vorbestimmte Referenz-Fluidmenge in Form eines Referenz-Durchflusses ΔV . in der Abzweigstelle 26 aus der Leitung 12 entnommen. Die gleiche Referenz-Fluidmenge in Form des Referenz-Durchflusses ΔV . wird in der Mündungsstelle 24 in die Leitung 12 zurückgegeben.
Simultan dazu wird ab einem nachfolgenden zweiten Zeitpunkt t₂ ein zweiter Differenzdruck Δp_{12 t2} des Differenzdrucks Δp₁₂ gemessen und an die elektrische Steuerung 46 übermittelt. Ebenfalls simultan dazu wird ein zweiter Messwert f_t2 der Zählerfrequenz f von dem Durchflussmessgerät 16 gemessen und in die elektrische Steuerung 46 übermittelt. Aus den oben geschilderten Messwerten errechnet die elektrische Steuerung 46 einen Kalibrierfaktor K₃₄ für das Durchflussmessgerät 16, wie weiter unten für die zweite Ausführungsform beschrieben. Die dort angegebene Rechnung lässt sich einfach auf den Flügelradzähler gemäß der vorliegenden Figur übertragen.
2 zeigt eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Fluid-Durchflussmesssystems 10, bei der das Durchflussmessgerät 16 ein zweites Differenzdruckmessgerät ist, das einen dritten Druckfühler 50 und einen vierten Druckfühler 48 umfasst. Der vierte Messfühler 48 ist in einer Verjüngung 52 der Leitung 12 angebracht, der dritte Druckfühler 50 außerhalb der Verjüngung 52. Das Durchflussmessgerät 16 ist in dieser Ausführungsform ausgebildet zum Messen einer Druckdifferenz Δp₃₄ zwischen einem Druck p₃ an einer Stelle S3 am dritten Messfühler 50 und einem Druck p₄ an einer Stelle S4 am vierten Druckfühler 48. Der Wert wird als Druckdifferenz bezeichnet, um ihn von dem Differenzdruck Δp₁₂ zu unterscheiden, es handelt sich aber in beiden Fällen um Differenzen von Drücken.
Wenn der Motor 30 unbetätigt ist, so lassen sich die Größen wie folgt berechnen.
Die Verjüngung 52 in der Leitung 12 bewirkt einen Strömungswiderstand, wie auch beispielsweise ein Flügelradzähler als Durchflussmessgerät 16 ihn bewirkt, sodass der Zusammenhang zwischen dem Differenzdruck Δp₁₂ und dem Durchfluss V . wie folgt beschrieben werden kann: p₁ – p₂ = Δp₁₂ = K₁₂V .² Formel 1
Hierbei stellt die Größe K₁₂ den Kalibrierfaktor des Differenzdruckmessgerätes 38 dar.
Für die Druckdifferenz Δp₃₄ zwischen der dritten und vierten Messstelle ergibt sich aus den Bernoulli-Gleichungen gemäß der Formeln 2 und 3 die Formel 5 und in Kombination mit der Kontinuitätsgleichung für inkompressible Fluide gemäß der Formel 6 die Formel 8: v₃ ²/2 + p₃/ρ = const, Formel 2 v₄ ²/2 + p₄/ρ = const Formel 3 ⇔ v₃ ²/2 + p₃/ρ = v₄ ²/2 + p₄/ρ Formel 4 ⇔ –Δp₃₄ = ρ/2(v₃ ² – v₄ ²), Formel 5 A₃v₃ = A₄v₄ Formel 6 ⇔ v₃ = A₄/A₃v₄, Formel 7 ⇔ –Δp₃₄ = ρ/2((A₄/A₃)² – 1)v₄ ². Formel 8
Hierbei stellt

– die Größe v₃ die Fluid-Geschwindigkeit beim dritten Druckfühler 50 bezüglich des Querschnittes A₃ der Leitung 12 stromaufwärts vor der Verjüngung,
– die Größe v₄ die Fluid-Geschwindigkeit beim vierten Druckfühler 48 bezüglich des Querschnittes A₄ der Verjüngung und
– die Größe ρ die Fluid-Dichte

Zudem gilt folgender Zusammenhang zwischen dem Querschnitt A₄ und der Fluid-Geschwindigkeit v₄: V . = A₄v₄ Formel 9 ⇔ v4 = V ./A4 Formel 10
Nach Kombination der Formeln 8 und 10 ergibt sich ebenfalls ein quadratischer Zusammenhang zwischen der Druckdifferenz Δp₃₄ und dem Durchfluss V .: –Δp₃₄ = [((A₄/A₃)² – 1)ρ/(A₄ ²2)]V .² Formel 11
Die Formel 11 lässt sich weiter vereinfachen: p₃ – p₄ = Δp₃₄ = K₃₄V .² Formel 12
In Formel 12 stellt die Größe K₃₄ den Kalibrierfaktor des Durchflussmessgerätes 16 dar und ersetzt die eckige Klammer in Formel 11. Zudem werden mit der Größe K₃₄ weitere und ähnliche Effekte, die beispielsweise mit der Dissipation der kinetischen Energie aus der Strömung des Fluids begründet sind und die Messung der Druckdifferenz Δp₃₄ beeinflussen, mit berücksichtigt. Denn die Formel 11 wurde ausgehend von den Bernoulli-Gleichungen gemäß der Formeln 2 und 3, die die Dissipation der Energie nicht berücksichtigen, hergeleitet.
Der Zusammenhang zwischen dem Differenzdruck Δp₁₂ und dem Durchfluss V . gemäß der Formel 1 wurde aufgrund des Strömungswiderstandes, der zwischen den Druckfühlern 40 und 42 vorliegt, hergestellt. Dieser Zusammenhang lässt sich analog zur Herleitung der Formeln 11 und 12 mit Hilfe der Bernoulli-Gleichung ebenfalls bilden, wenn die Verjüngung 52 so lang ist, dass die Leitung 12 stromabwärts der Verjüngung den gleichen Querschnitt der Verjungung aufweißt und der Druckfühler 42 von dieser Verjungung mit erfasst wird.
Fließt kein Fluid durch die Fluidmengen-Referenz 18, so erfasst das Differenzdruckmessgerät 38 gemäß der Formel 1 und das Durchflussmessgerät 16 gemäß der Formel 12 beginnend mit dem Zeitpunkt t₁ den gleichen Durchfluss. Somit gilt Formel 13, die sich aus der Kombination der Formeln 1 und 12 für die Messwerte Δp_{12 t1} und Δp_{34 t1} ergibt, und äquivalent dazu gilt auch Formel 14: Δp_{12 t1}/K₁₂ = Δp_{34 t1}/K₃₄ Formel 13 ⇔ K₃₄ = (Δp_{34 t1}/Δp_{12 t1})K₁₂ Formel 14
Beginnend mit dem Zeitpunkt t₂ wird an der Abzweigstelle 26 eine Referenz-Fluidmenge ΔV . entnommen und an der Mündungsstelle 24 wieder eingespeist, indem der Motor 30 von der elektrischen Steuerung 46 betätigt wird. Es gilt entsprechend der Formel 1 die Formel 15 und äquivalent dazu die Formel 16: Δp_{12 t2} = K₁₂V . 2 / t2 Formel 15 ⇔ V ._t2 = √(Δp_{12 t2}/K₁₂). Formel 16
Hierbei symbolisiert die Größe Δp_{12 t2} den Messwert des Differenzdrucks Δp₁₂ und die Größe V ._t2 den Durchfluss ab dem Zeitpunkt t₂.
Da eine Referenz-Fluidmenge ΔV . am Durchflussmessgerät wie beschrieben vorbeigeleitet wird, erfasst das Durchflussmessgerät 16 einen um die Referenz-Fluidmenge ΔV . verminderten Durchfluss als ihn das Differenzdruckmessgerät 38 erfasst. Daher gilt für die Druckdifferenz entsprechend der Formel 12 der Ausdruck gemäß der Formel 17 und äquivalent dazu gelten Formel 18 und Formel 19: Δp_{34 t2} = K₃₄(V ._t2 – ΔV .)² Formel 17 ⇔ (V ._t2 – ΔV .)² = Δp_{34 t2}/K₃₄ Formel 18 ⇔ V ._t2 = √(Δp_{34 t2}/K₃₄) + ΔV . Formel 19
Hierbei symbolisiert die Größe Δp_{34 t2} den Messwert der Druckdifferenz Δp₃₄ ab dem Zeitpunkt t₂.
Wird in Formel 19 der Ausdruck für die Größe K₃₄ gemäß der Formel 14 eingesetzt, so ergibt sich für die Größe V ._t2 die Formel 20: V ._t2 = √(Δp_{34 t2}Δp_{12 t1}/(K₁₂Δp_{34 t1})) + ΔV . Formel 20
Gleichsetzen der beiden Ausdrücke für die Größe V ._t2 gemäß der Formeln 16 und 20 ergibt die Formel 21 und äquivalent dazu die Formeln 22 und 23: √(Δp_{12 t2}/K₁₂) = √(Δp_{34 t2}Δp_{12 t1}/(K₁₂Δp_{34 t1})) + ΔV . Formel 21 ⇔ √Δp_{12 t2} = √(Δp_{34 t2}Δp_{12 t1}/Δp_{34 t1}) + ΔV .√K₁₂ Formel 22 ⇔ K₁₂ = 1/ΔV .²[√Δp_{12 t2} – √(Δp_{34 t2}Δp_{12 t1}/Δp_{34 t1})]² Formel 23
In Kombination mit der Formel 14 ergibt sich für den Kalibrierfaktor K₃₄ gemäß der Formel 23 die Formel 24: K₃₄ = (Δp_{34 t1}/Δp_{12 t1})[√Δp_{12 t2} – √(Δp_{34 t2}Δp_{12 t1}/Δp_{34 t1})]²/ΔV .² Formel 24
Der Ausdruck ΔV . ist mit hoher Genauigkeit bekannt, da es sich um eine Fluidmengen-Referenz handelt. Die übrigen Größen sind Messgrößen. Mit dem Berechnen des Kalibrierfaktors K₃₄ ist die Aufgabe gelöst, das Durchflussmessgerät 16 zu kalibrieren.
3 zeigt eine alternative Ausführungsform eines Fluid-Durchflussmesssystems 10, bei dem die Fluidmengen-Referenz 18 als Normalmessgerät ausgebildet ist, das eine hohe Messgenauigkeit aufweist und über eine Nebenleitung 56 mit der Leitung 12 verbunden ist. Über ein Ventil 54 ist der Durchfluss V . durch die Fluidmengen-Referenz einstellbar.
4a zeigt die Abhängigkeit des Differenzdrucks Δp₁₂ und der Zählfrequenz f für das Fluid-Durchflussmesssystem 10 gemäß 1. Es ist zu erkennen, dass im Idealfall, in dem das Durchflussmessgerät 16 in Form des Flügelzählers keine Nullpunktabweichung δf aufweist, beide Kurven durch den Koordinatenursprung verlaufen.
Eingezeichnet ist zudem der Fall, dass das Durchflussmessgerät eine Nullpunktabweichung δf aufweist, die in dem in 4a gezeigten Fall negativ ist. In diesem Fall ergibt sich keine Ursprungsgerade.
4b zeigt den Quotienten Δp₁₂/f in dem Idealfall, dass keine Nullpunktabweichung vorliegt. Da die Nullpunktabweichung δf konstant ist gilt nach f(t) = K₃₄V .(t) + δf Formel 25
Zum Messen der Nullpunktabweichung δf wird daher für eine Vielzahl an Messungen mit verschiedenen Durchflössen V . der Kalibrierfaktor K₃₄ berechnet. Nachfolgend wird, beispielsweise durch ein Iterationsverfahren δf solange variiert, bis sich für den Quotienten
über dem Durchfluss V . eine Ursprungsgerade ergibt.
Es ist möglich, das erfindungsgemäße Verfahren für eine Vielzahl an Referenz-Fluidmengen ΔV . durchzuführen und eine Ausgleichsrechnung durchzuführen. Auf diese Weise wird eine besonders hohe Messgenauigkeit erhalten.
Bezugszeichenliste

10: Fluid-Durchflussmesssystem
12: Leitung
14: Fluid
16: Durchflussmessgerät
18: Fluidmengen-Referenz
20: Flügelrad
22: Erfassungsvorrichtung
24: Mündungsstelle
26: Abzweigstelle
28: Kolben
30: Motor
32: Zylinder
34: erster Zylinderraum
36: zweiter Zylinderraum
38: Differenzdruckmessgerät
40: erster Druckfühler
42: zweiter Druckfühler
44: Auswerteeinheit
46: elektrische Steuerung
48: dritter Druckfühler
50: vierter Druckfühler
52: Verjüngung
54: Ventil
56: Nebenleitung
f: Zählfrequenz
v: Fluidgeschwindigkeit
V, V .: Durchflussmenge
V: Volumen
V .: Durchfluss Differenzdruck
Δp₃₄: Druckdifferenz
p: Druck
ΔV .: Referenz-Fluidmenge, Referenz-Durchfluss
ΔV: Referenz-Fluidmenge, Referenz-Volumen
δf: Nullpunktabweichung
t: Zeit
S1: erste Stelle
S2: zweite Stelle
S3: dritte Stelle
S4: vierte Stelle

Claims

Fluid-Durchflussmesssystem (10) mit (a) einer Leitung (12) für ein Fluid (14), (b) einem Durchflussmessgerät (16), das zum Messen einer Durchflussmenge durch die Leitung (12) angeordnet ist, und (c) einer Fluidmengen-Referenz (18), die in einer stromaufwärts des Durchflussmessgeräts (16) abzweigenden Abzweigstelle (26) mit der Leitung (12) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass (d) die Fluidmengen-Referenz (18) in einer stromabwärts des Durchflussmessgeräts (16) abzweigenden Mündungsstelle (24) mit der Leitung (12) verbunden ist und (e) das Fluid-Durchflussmesssystem (10) ein Differenzdruckmessgerät (38) aufweist, das – einen ersten Druckfühler (40), der stromaufwärts vor der Abzweigstelle (26) angeordnet ist, und – einen zweiten Druckfühler (42), der stromabwärts hinter der Mündungsstelle (24) angeordnet ist, umfasst, (f) wobei die Fluidmengen-Referenz (18) so ausgebildet ist, dass stets die in der Abzweigstelle (26) die Leitung (12) verlassende Referenz-Fluidmenge der in der Mündungsstelle (24) in die Leitung (12) gelangenden Referenz-Fluidmenge entspricht.
Fluid-Durchflussmesssystem (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Durchflussmessgerät (16) ein zweites Differenzdruckmessgerät umfasst.
Fluid-Durchflussmesssystem (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – die Fluidmengen-Referenz (18) einen Kolben (28) aufweist, der in einem Zylinder (32) läuft und diesen in einen ersten Zylinderraum (34) und einen zweiten Zylinderraum (36) teilt, – wobei der erste Zylinderraum (34) in der Abzweigstelle (26) und der zweite Zylinderraum (36) in der Mündungsstelle (24) mit der Leitung (12) verbunden ist.
Fluid-Durchflussmesssystem (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidmengen-Referenz (18) ein Normalmessgerät in Form eines Messgeräts, das kalibriert und geeicht ist, umfasst, das mittels einer Nebenleitung (56) in der Abzweigstelle (26) und der Mündungsstelle (24) mit der Leitung (12) verbunden ist.
Fluid-Durchflussmesssystem (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine elektrische Steuerung (46), die eingerichtet ist zum automatischen Durchführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 7 bis 9.
Verwendung einer Kalibriervorrichtung für ein Fluid-Durchflussmesssystem (10), das eine Leitung (12) für ein Fluid (14) und ein Durchflussmessgerät (16), das zum Messen eines Durchflusses durch die Leitung (12) angeordnet ist, aufweist, mit (a) einer Fluidmengen-Referenz (18), die ausgebildet ist, um – in einer stromaufwärts des Durchflussmessgeräts (16) abzweigenden Abzweigstelle (26) und – in einer stromabwärts des Durchflussmessgeräts (16) abzweigenden Mündungsstelle (24) mit der Leitung (12) verbunden zu werden und (b) einem Differenzdruckmessgerät (38), das – einen ersten Druckfühler (40), der ausgebildet ist, um stromaufwärts vor der Abzweigstelle (26) angeordnet zu werden, und – einen zweiten Druckfühler (42), der ausgebildet ist, um stromabwärts hinter der Mündungsstelle (24) angeordnet zu werden, umfasst, (c) wobei die Fluidmengen-Referenz (18) so ausgebildet ist, dass stets die in der Abzweigstelle (26) die Leitung (12) verlassende Referenz-Fluidmenge der in der Mündungsstelle (24) in die Leitung (12) gelangenden Referenz-Fluidmenge entspricht.
Verfahren zum Kalibrieren eines Durchflussmessgeräts (16), das zum Messen eines Durchflusses durch eine Leitung (12) angeordnet ist, mit den Schritten (i) Messen einer einen Durchfluss durch die Leitung (12) charakterisierenden Größe mit dem Durchflussmessgerät (16), so dass ein erster Messwert erhalten wird, (ii) simultan zu Schritt (i) Messen eines ersten Differenzdrucks zwischen – einem ersten Druck an einer stromaufwärts vor der Abzweigstelle (26) liegenden ersten Messstelle und – einem zweiten Druck an einer stromabwärts hinter der Mündungsstelle (24) liegenden zweiten Messstelle, (iii) Entnehmen einer vorbestimmten Referenz-Fluidmenge in einer stromaufwärts des Durchflussmessgeräts (16) angeordneten Abzweigstelle (26) aus der Leitung (12), (iv) simultan zu Schritt (iii) Hinzufügen der gleichen Referenz-Fluidmenge in einer stromabwärts des Durchflussmessgeräts (16) angeordneten Mündungsstelle (24) in die Leitung (12), (v) simultan zu Schritt (iii) Messen eines zweiten Differenzdrucks zwischen – dem ersten Druck an der ersten Messstelle und – dem zweiten Druck an der zweiten Messstelle, (vi) simultan zu Schritt (iii) Messen der den Durchfluss durch die Leitung (12) charakterisierenden Größe mit dem Durchflussmessgerät (16), so dass ein zweiter Messwert erhalten wird, und (vii) Berechnen eines Kalibrierfaktors für das Durchflussmessgerät (16) aus dem ersten Messwert, dem ersten Differenzdruck, der vorbestimmten Referenz-Fluidmenge, dem zweiten Differenzdruck und dem zweiten Messwert.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Durchflussmessgerät (16) ein Differenzdruckmessgerät verwendet wird und die den Durchfluss charakterisierende Größe eine Druckdifferenz ist.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Durchflussmessgerät (16) ein Flügelradzähler verwendet wird und eine Nullpunktabweichung des Durchflussmessgeräts (16) bestimmt wird.