DE102020209596A1

DE102020209596A1 - Druckmesseinrichtung und Verfahren zur nicht-invasiven Messung eines Drucks in einem langgestreckten zylindrischen Behälter

Info

Publication number: DE102020209596A1
Application number: DE102020209596.5A
Authority: DE
Inventors: Thomas Bierweiler; Wolfgang Ens; Gilbert Alexander Erdler; Stefan Von Dosky
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2020-07-30
Filing date: 2020-07-30
Publication date: 2022-02-03

Abstract

Nicht-invasive Druckmesseinrichtung (1) zur Messung eines Drucks im Inneren eines langgestreckten zylindrischen Behälters (2), mit einem scheiben- oder ringförmigen Federkörper (4), der von mindestens drei auf einem Kreis äquidistant angeordneten und fest auf einer Außenwand (3) des Behälters (2) montierbaren Stützelementen (5) getragen ist, mit mindestens drei Dehnungssensoren, die dazu ausgebildet und angeordnet sind, radiale Verformungen des Federkörpers (4) zu erfassen, und mit einer Auswerteeinrichtung (8), an der die Dehnungssensoren angeschlossen ist und die dazu ausgebildet ist, anhand von unterschiedlichen Verformungen des Federkörpers (4) in Längsrichtung (7) und Umfangsrichtung (6) des Behälters (2) zwischen druck- und temperaturbedingten Verformungsanteilen zu unterscheiden und aus den druckbedingten Verformungsanteilen ein Messergebnis (9) für den Druck im Inneren des Behälters (2) zu ermitteln und auszugeben.

Description

Die Erfindung betrifft eine nicht-invasive Druckmesseinrichtung zur Messung eines Drucks im Inneren eines langgestreckten zylindrischen Behälters.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur nicht-invasiven Messung eines Drucks im Inneren eines langgestreckten zylindrischen Behälters
Unter einem langgestreckten zylindrischen Behälter ist hier insbesondere auch ein Rohr zu verstehen, weswegen Begriffe wie „Behälterwand“ und „Rohrwand“, soweit verwendet, austauschbar sind.
In der Prozess- oder Versorgungstechnik erfolgt die Messung oder Überwachung von Drücken in Behältern oder Rohrleitungen in der Regel invasiv durch Prozessöffnungen in den Behältern, Rohren oder in zwischen Rohren eingebauten Flansch-Zwischenstücken. Das Einbringen geeigneter Öffnungen in vorhandene Behälter oder Rohre ist aufwendig und oft auch nicht gewünscht. Der Einbau von Flansch-Zwischenstücken im Zuge von Rohrleitungen ist ebenfalls aufwendig. Da zudem der direkte Kontakt zwischen den in den Behältern oder Rohrleitungen enthaltenen bzw. geführten Medien und den invasiven Druckmessern ein Nachteil sein kann, ist insbesondere in den Fällen, wenn keine hohe Messgenauigkeit erforderlich ist, eine nicht-invasive kontaktlose Druckmessung wünschenswert.
Aus der US 2005/235755 A1 ist eine nicht-invasive Druckmesseinrichtung mit einer Rohrschelle bekannt, die um ein Rohr gelegt wird. Die Rohrschelle besteht aus zwei Hälften, die auf einer Seite über ein Scharnier und auf der anderen Seite über eine Klemmschraube miteinander verbunden sind. An der Klemmschraube sind Dehnungssensoren angebracht. Druckänderungen im Inneren des Rohres bewirken Änderungen des Durchmessers des Rohres und damit Längenänderungen der Klemmschraube, die mittels der Dehnungssensoren erfasst und in einer Auswerteeinrichtung zu einem Messwert für den Druck im Inneren des Rohres ausgewertet werden.
In der WO 2017/097888 A1 wird vorgeschlagen, anstelle einer Rohrschelle eine Gelenkkette um das Rohr zu legen, wobei in einem Gelenk zwischen zwei Kettengliedern ein Kraftmessbolzen angeordnet ist, der zugleich zur schwenkbaren Verbindung der beiden Kettenglieder dient.
Da in den genannten Fällen die Änderungen des Rohrdurchmessers mittelbar über bewegliche Übertragungsmittel wie Rohrschelle oder Gelenkkette auf die Kraftsensoren übertragen werden, ist eine einigermaßen verlässliche Druckmessung nur dann möglich, wenn die Rohrwand ausreichend flexibel oder der zu messende Druck hinreichend hoch ist.
Es ist weiterhin, beispielsweise aus der US 4,399,514 A , US 5,585,567 A , US 2007/0251325 A1 oder EP 0 088 362 A1 , bekannt, die Wand eines Behälters zu Vibrationen oder Schwingungen anzuregen und den Druck im Inneren des Behälters durch Auswertung der Frequenzen der erzeugten Vibrationen oder Schwingungen zu ermitteln.
Zhou, H., Lin, W., Ge, X., & Zhou, J. (2016): „A non-intrusive pressure sensor by detecting multiple longitudinal waves“, Sensors 2016, 16(8), 1237, beschreiben ein Verfahren zur Bestimmung des Drucks in einem zylindrischen Behälter anhand der Laufzeiten von Ultraschallwellen in der Behälterwand.
Die auf der Schall- oder Vibrationsauswertung basierende nicht-invasive Druckmessung ist sehr stark von dem Medium in dem Behälter bzw. Rohr und dem Material der Behälter- oder Rohrwand abhängig, so dass eine applikationsunabhängige und auf einem einheitlichen Algorithmus beruhende Auswertung kaum möglich sein dürfte.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Möglichkeit zur nicht-invasiven Druckmessung bereitzustellen.
Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe jeweils durch die in Anspruch 1 angegebene nicht-invasive Druckmesseinrichtung und das in Anspruch 11 definierte Verfahren gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der nicht-invasiven Druckmesseinrichtung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Gegenstand der Erfindung ist somit eine nicht-invasive Druckmesseinrichtung zur Messung eines Drucks im Inneren eines langgestreckten zylindrischen Behälters, mit einem scheiben- oder ringförmigen Federkörper, der von mindestens drei auf einem Kreis äquidistant angeordneten und fest auf einer Außenwand des Behälters montierbaren Stützelementen getragen ist, mit mindestens drei Dehnungssensoren, die dazu ausgebildet und angeordnet sind, radiale Verformungen des Federkörpers zu erfassen, und mit einer Auswerteeinrichtung, an der die Dehnungssensoren angeschlossen sind und die dazu ausgebildet ist, anhand von unterschiedlichen Verformungen des Federkörpers in Längsrichtung und Umfangsrichtung des Behälters zwischen druck- und temperaturbedingten Verformungsanteilen zu unterscheiden und aus den druckbedingten Verformungsanteilen ein Messergebnis für den Druck im Inneren des Behälters zu ermitteln und auszugeben.
Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Verfahren zur nicht-invasiven Messung eines Drucks im Inneren eines langgestreckten zylindrischen Behälters, wobei ein scheiben- oder ringförmiger Federkörper über mindestens drei auf einem Kreis äquidistant angeordnete Stützelementen auf einer Außenwand des Behälters montiert wird, radiale Verformungen des Federkörpers erfasst werden, und anhand von unterschiedlichen erfassten Verformungen des Federkörpers in Längsrichtung und Umfangsrichtung des Behälters zwischen druck- und temperaturbedingten Verformungsanteilen unterschieden und aus den druckbedingten Verformungsanteilen ein Messergebnis für den Druck im Inneren des Behälters ermittelt wird.
Die Erfindung beruht auf der in der sogenannten Kesselformel manifestierten Erkenntnis, dass in durch Innendruck belasteten rotationssymmetrischen Körpern, wie Rohren oder langgestreckten Behältern, die druckbedingte Umfangsspannung (Tangentialspannung) im Idealfall doppelt so groß wie die Spannung in Längsrichtung (Axialspannung) ist. Während sich daher bei Druckänderungen die Tangentialspannung in der Behälterwand doppelt so stark wie die Axialspannung ändert, finden temperaturbedingte Änderungen der Tangentialspannung und Axialspannung in prozentual gleichem Maße statt.
Bei der erfindungsgemäßen Druckmesseinrichtung werden die unterschiedlichen mechanischen Spannungen über die fest auf der Außenwand des Behälters montierten Stützelemente auf den scheiben- oder ringförmigen Federkörper übertragen, dessen radiale Verformungen von den Dehnungssensoren erfasst werden.
Mit drei auf einem Kreis äquidistant, also in einem Winkelabstand von 120°, angeordneten Dehnungssensoren werden Polarkoordinaten der radialen Verformungen gemessen, die sich leicht in die kartesische Koordinaten der interessierenden Tangentialspannung und der dazu senkrechten Axialspannung umrechnen lassen. Diese Umrechnung kann entfallen, wenn vier äquidistante Stützelemente vorgesehen werden. Im Idealfall sind die vier äquidistanten Stützelemente in Bezug auf die Längsrichtung und Umfangsrichtung des Behälters achssymmetrisch auf der Außenwand des Behälters montiert. Dies kann bedeuten, dass zwei in dem Kreis einander gegenüberliegende Stützelemente entlang einer Geraden in Längsrichtung des Behälters und zwei weitere, ebenfalls einander gegenüberliegende Stützelemente im rechten Winkel dazu in Umfangsrichtung des Behälters auf seiner Außenwand montiert sind. Alternativ können vier Stützelemente derart auf der Behälterwand montiert sein, dass jedes der Stützelemente ein in Längsrichtung und ein in Umfangsrichtung des Behälters benachbartes Stützelement hat. In diesen Fällen findet die Verformung des scheiben- oder ringförmigen Federkörpers bei Druck- und/oder Temperaturänderungen des Behälters achssymmetrisch zur Längsrichtung und Umfangsrichtung des Behälters statt, so dass bei der Erfassung der Verformung des Federkörpers mittels der Dehnungssensoren zwischen Verformungen in Längsrichtung und in Umfangsrichtung und damit auf Basis der Kesselformel zwischen Verformungen aufgrund von Druckänderungen in dem Behälter und temperaturbedingten Verformungen unterschieden werden kann.
Der Federköper kann als Membran ausgebildet sein, auf der die Dehnungssensoren aufgebracht sind und die von den sie tragenden Stützelementen aufgespannt wird. Die Membran mit den Dehnungssensoren kann auch über einen elastischen Ringkörper aufgespannt werden, der von den Stützelementen getragen wird. In diesem Fall führt die Verformung des Ringkörpers zu einer Verformung der Membran. Es ist auch möglich, die Dehnungssensoren direkt an dem Ringkörper, beispielsweise an seiner Innenwand, anzubringen.
Da es in der Praxis schwierig sein kann, die Stützelemente in der oben beschriebenen Weise achssymmetrisch zur Längsrichtung und Umfangsrichtung des Behälters auf diesem zu montieren, können die beiden Richtungen in vorteilhafter Weise auch automatisch ermittelt werden, indem mindestens acht Dehnungssensoren die Verformungen des Federkörpers in unterschiedlichen radialen Richtungen erfassen. Die Auswerteeinrichtung kann dann diejenige Richtung, in der bei einer Druckerhöhung in dem Behälter die größte Verformung erfasst wird, als die Umfangsrichtung und/oder diejenige Richtung, in der bei der Druckerhöhung in dem Behälter die geringste Verformung erfasst wird, als die Längsrichtung identifizieren.
Die Stützelemente der Druckmesseinrichtung können in vorteilhafter Weise stoffschlüssig mit der Außenwand der Behälters verbunden werden. Stoffschlüssige Verbindungen dienen dazu, Teile durch Verschmelzen sowie durch intermolekulare oder chemische Bindungskräfte, gegebenenfalls über Zusatzstoffe, miteinander zu verbinden. Zu diesen Verbindungen gehören insbesondere Schweiß-, Löt- und Klebverbindungen. Die Stützelemente selbst können aus dem Verbindungsstoff, beispielsweise einem Zweikomponenten-Klebstoff bestehen, der vor Ort durchgeknetet, in Form gebracht und auf dem Federkörper oder der Außenwand des Behälters appliziert wird, bevor die Druckmesseinrichtung mit dem Federkörper auf der Außenwand aufgesetzt wird. Es sind spaltfüllende Zweikomponenten-Epoxidharze bekannt und im Handel erhältlich, die innerhalb von wenigen Minuten extrem fest und spröde aushärten. Es ist aber grundsätzlich auch möglich, bei geeigneter Ausbildung der Stützelemente diese kraftschlüssig, z. B. über Spanngurte an dem Behälter zu befestigen.
Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung erläutert; im Einzelnen zeigen:

1 ein Beispiel für eine auf einem Behälter montierte nicht-invasive Druckmesseinrichtung,
2 ein Beispiel eines Federkörper als Bestandteil der nicht-invasiven Druckmesseinrichtung in Draufsicht,
3 den Federkörper gemäß 2 in einem Längsschnitt,
4 den Federkörper in perspektivischer Ansicht,
5 einen Rohrabschnitt mit aufmontiertem Federkörper in perspektivischer Ansicht,
6 zeigt eine Variante der Anordnung des Federkörpers auf dem Rohrabschnitt und
7 eine Befestigungsvariante für den Federkörper mittels des Spanngurten.

Gleiche Bezugszeichen haben in den verschiedenen Figuren die gleiche Bedeutung. Die Darstellungen sind rein schematisch und repräsentieren keine Größenverhältnisse.
1 zeigt eine Druckmesseinrichtung 1, die zur nicht-invasiven Messung eines Drucks im Inneren eines langgestreckten zylindrischen Behälters 2 auf einer Außenwand 3 des Behälters 2 moniert ist. Der Behälter 2 kann ein Medium enthalten oder im Falle des hier gezeigten Rohres von dem Medium durchströmt werden.
Die Druckmesseinrichtung 1 weist einen scheiben- oder ringförmigen Federkörper 4 auf, der von fest auf der Außenwand 3 des Behälters 2 montierbaren Stützelementen 5 getragen ist. Dazu sind bei dem gezeigten Beispiel die Stützelemente 5 der Druckmesseinrichtung 1 durch Kleben stoffschlüssig mit der Außenwand 3 des Behälters 2 verbunden. Die Stützelemente 5 selbst können aus dem Verbindungsstoff, beispielsweise einem Zweikomponenten-Klebstoff, bestehen, der vor Ort durchgeknetet, in Form gebracht und auf dem Federkörper 4 oder der Außenwand 3 der Behälters 2 appliziert wird, bevor die Druckmesseinrichtung 1 mit dem Federkörper 4 auf der Außenwand 3 aufgesetzt wird.
Die sogenannte Kesselformel gibt die mechanischen Spannungen in durch Innendruck belasteten rotationssymmetrischen Körpern an, wie sie beispielsweise in Rohren oder Druckbehältern anzutreffen sind. Besonders einfach stellt sich die Kesselformel bei einem durch Innendruck belasteten dünnwandigen Rohr 2 dar: $σ_{t} = (p \cdot D) / 2 s$
$σ_{a} = (p \cdot D) / 4 s,$
wobei σ_t die Tangentialspannung in Umfangsrichtung 6 des Rohres 2, σ_a die Axialspannung in Längsrichtung 7 des Rohres 2, p den Innendruck, D den mittleren Innendurchmesser und s die Wanddicke des Rohres 2 bezeichnen.
Während sich also bei Druckänderungen Δρ die Tangentialspannung σ_t in der Behälterwand doppelt so stark wie die Axialspannung σ_a ändert, ändern sich bei Temperaturänderungen ΔT die Tangentialspannung σ_t und Axialspannung σ_a gleichprozentig: $Δ σ_{t} = 2 k 1 \cdot Δ p + k2 \cdot Δ T$
$Δ σ_{a} = k 1 \cdot Δ p + k2 \cdot Δ T,$
wobei k1 und k2 Proportionalitätskonstanten für die druck- bzw. temperaturbedingten Spannungsanteile sind. Daraus ergibt sich für die Druckänderungen Δp: $Δ p = (Δ σ_{t} - Δ σ_{a}) / k 1.$
Die Druckmesseinrichtung 1 enthält eine Auswerteeinrichtung 8, an der hier nicht gezeigte Dehnungssensoren angeschlossen sind, welche Verformungen des Federkörpers 4 erfassen. Die Auswerteeinrichtung 8 ist dazu ausgebildet, anhand von unterschiedlichen Verformungen des Federkörpers 4 in Längsrichtung 7 und Umfangsrichtung 6 des Behälters 2 zwischen druck- und temperaturbedingten Verformungsanteilen zu unterscheiden und aus den druckbedingten Verformungsanteilen ein Messergebnis 9 für den Druck im Inneren des Behälters 2 zu ermitteln und auszugeben.
Wie 1 zeigt, kann das Messergebnis 9 beispielsweise über eine Leitung 10 an ein benachbartes Gerät 11 ausgegeben werden, bei dem es sich hier z. B. um einen auf dem Rohr 2 montierten Messaufnehmer (Multisensor) mit unterschiedlichen hier nicht gezeigten Sensoren zur Messung von beispielsweise Vibrationen (Beschleunigungen), Temperatur, Feuchte, Luftdruck usw. handeln kann. Ein solcher Messaufnehmer ist z. B. aus der WO 2020/058497 A1 bekannt. Die nicht-invasive Druckmesseinrichtung 1 bildet hier einen weiteren, externen Sensor des Messaufnehmers 11, der eine eigene Auswerteeinrichtung 12 und eine Energiequelle 13, z. B. Batterie, enthält. Die Auswerteeinrichtung 12 des Messaufnehmers 11 kann Teilfunktionen der Auswerteeinrichtung 8 der Druckmesseinrichtung 1 übernehmen und das Messergebnis 9 ggf. zusammen mit Messergebnissen der anderen Sensoren des Messaufnehmers 11 über eine Funkschnittstelle 14 drahtlos an eine entfernte Stelle 15, z. B. an ein mobiles Kommunikationsendgerät oder mittels eines Gateways in eine Cloud, übertragen werden. Die Druckmesseinrichtung 1 kann über die Leitung 10 aus der Energiequelle 13 des Mesaufnehmers 11 stromversorgt werden und benötigt in diesem Fall keine eigene Energiequelle. Die Druckmesseinrichtung 1 kann auch selbst mit einer Funkschnittstelle 16 zur drahtlosen Übermittlung des Messergebnisses an die entfernte Stelle 15 ausgerüstet sein. Schließlich kann die Druckmesseinrichtung 1 als autarker Messaufnehmer ausgebildet und mit einer eigenen Energiequelle (Solarzelle, Batterie, usw.) 17 versehen sein. Die Auswerteeinrichtung 8 ggf. mit der Funkschnittstelle 16 und ggf. die Energiequelle 17 sind in einem Gehäuseteil 18 untergebracht, das über ein elastisches, die Verformbarkeit des Federkörpers 4 nicht beeinträchtigendes Zwischenteil 20 auf dem Federkörper 4 montiert ist. Die Druckmesseinrichtung 1 kann auch als weiterer Sensor integraler Teil des Multisensors 11 sein, wobei der Federkörper 4 mit den Stützelementen 5 und dem Zwischenteil 20 zur Befestigung des Multisensors 11 auf dem Rohr 2 dienen. Die Auswerteeinrichtung 18 der Druckmesseinrichtung 1 ist dann Teil der Auswerteeinrichtung 12 des Multisensors 11.
2 zeigt ein Beispiel für den Federkörper 4 mit den Stützelementen 5 in Draufsicht, 3 denselben Federkörper 4 in einem Längsschnitt und 4 in perspektivischer Ansicht. Bei dem gezeigten Beispiel besteht der Federköper 4 aus einer Membran 21, die von einem elastischen Ringkörper 22 aus z. B. Stahl aufgespannt wird. Der Ringkörper 22 wird von segmentförmigen Stützelementen 5 getragen, die auf einem Kreis äquidistant angeordnet sind. Anstelle der hier vier Stützelemente 5 können auch mehr, z. B. acht, äquidistante Stützelemente vorgesehen werden. Bei dem gezeigten Beispiel sind der elastische Ringkörper 22, die Membran 21 und die Stützelemente 5 aus einem Stück ausgebildet, so dass der elastische Ringkörper 22 mit seinen Stützelementen 5 auf der Außenwand 3 der Behälters 2 montiert, z. B. aufgeklebt werden kann. Wie oben bereits erwähnt können die Stützelemente 5 selbst aus einem Zweikomponenten-Klebstoff geknetet und in Form gebracht werden und auf dem Ringkörper 22 oder der Außenwand 3 der Behälters 2 aufgebracht werden, bevor der Ringkörper 22 auf der Außenwand 3 aufgesetzt wird. Da die Membran 21 vergleichsweise dünn ist, sollte sich die überwiegende Fläche der Stützelemente 5 unter der Ringfläche des Ringkörpers 22 befinden, so dass sich die Membran 21 durch das Anpressen bei der Montage am Rohr 2 nicht plastisch verformt.
Auf der Membran 21 sind vier Dehnungssensoren 23, beispielsweise in Form von piezoresistiven Messelementen, den Stützelementen 5 gegenüberliegend angeordnet und mit einem integrierten Schaltkreis auf einem Chip 24 kontaktiert, der seinerseits mit der Auswerteeinrichtung 8 in dem Gehäuseteil 18 (1) verbunden ist oder diese enthalten kann, so dass das Gehäuseteil 18 entfallen kann. Der Temperatureinfluss auf die Dehnungssensoren 23 kann durch eine Werkskalibrierung minimiert werden, wozu das Signal eines zusätzlichen Temperatursensors 25 auf dem Chip 24 genutzt werden kann.
5 zeigt einen Abschnitt des Rohres 2 mit dem aufmontiertem Federkörper 4 in perspektivischer Ansicht. Der Federkörper 4 ist dabei derart ausgerichtet, dass jeweils zwei Dehnungssensoren 23 die Axialspannung σ_a in Längsrichtung 7 des Rohres 2 und die beiden anderen Dehnungssensoren 23 die Tangentialspannung σ_t in Umfangsrichtung 7 messen. Dazu liegen bei dem gezeigten Beispiel jeweils Stützelemente 5 in Längsrichtung 7 des Rohres 2 und die beiden anderen Stützelemente 5 im rechten Winkel dazu in Umfangsrichtung 7 des Rohres 2 einander gegenüber.
Vor Ort kann es schwierig sein, die für die beschriebene Temperaturkompensation erforderliche optimale Ausrichtung der Druckmesseinrichtung 1 mit dem Federkörper 4 auf dem Rohr 2 vorzunehmen. Nach einer Grobausrichtung kann daher eine rechnerische Feinjustierung mittels Signalverarbeitung entsprechend den folgenden Schritten vorgenommen werden.

1. Zunächst wird in den Rohr 2 ein definierter Referenzdruckruck, z. B. Umgebungsdruck, hergestellt, um eine Nullpunktkalibrierung durchzuführen.
2. Danach werden die Dehnungssensoren 23 einzeln gemessen.
3. Die von den Dehnungssensoren 23 erhaltenen Einzelwerte werden in der Auswerteeinrichtung 8 durch Multiplikation mit individuellen ersten Faktoren automatisch so korrigiert, dass ihre Beträge gleich dem Mittelwert der Einzelwerte sind (Koordinatendrehung).
4. Danach wird der Druck im Inneren des Rohres 2 erhöht. Die jetzt gemessenen Einzelwerte werden wiederum durch Multiplikation mit individuellen zweiten Faktoren so korrigiert, dass die jeweils gegenüberliegenden Dehnungssensoren 23 den gleichen Wert liefern, wobei die Werte der in Umfangsrichtung 6 einander gegenüberliegenden Dehnungssensoren 23 doppelt so groß sind wie die Werte der in Längsrichtung 7 einander gegenüberliegenden Dehnungssensoren 23 (Koordinatendrehung).

Diese rechnerische Temperaturkorrektur geht jedoch mit einem Empfindlichkeitsverlust der Messwerte einher. Dies kann umgangen werden, indem mehr als vier, z. B. acht, Dehnungssensoren 23 vorgesehen werden, die auf der Membran 21 kreisförmig äquidistant angeordnet sind. Damit einhergehend können, wie bereits erwähnt, auch mehr als vier äquidistante Stützelemente 5 vorgesehen werden. Dadurch ist es möglich, die mechanischen Spannungen in der Außenwand 3 des Rohres 2 in unterschiedlichen radialen Richtungen zu messen bzw. zwischen den Messwerten zu interpolieren. Die beiden Richtungen, in denen sich die so erfassten Spannungen bei einer Druckerhöhung in dem Rohr 2 am meisten oder am wenigsten verändern, entsprechen den Richtungen der Tangentialspannung bzw. der Axialspannung, d. h. der Umfangsrichtung 6 bzw. der Längsrichtung 7 des Behälters 2. Nach einmaliger Ermittlung der Richtungen der Tangentialspannung und der Axialspannung kann die weitere Druckmessung mit nur noch vier Dehnungssensoren 23 erfolgen, deren Messwerte durch Transformation auf die Richtungen der Tangentialspannung und der Axialspannung korrigiert werden können.
Die Membran 21 stellt nur einen möglichen Ort dar, an dem die Dehnungssensoren 23 angeordnet werden können, um radiale Verformungen des Federkörpers 4 zu erfassen. So können die Dehnungssensoren 23 z. B. auch an der Innenwand 26 des elastischen Ringkörpers 22 angebracht werden. Ferner kann die Membran 21 im Wesentlichen von den sie tragenden Stützelementen 5 aufgespannt werden, wobei dann der Ringköper 22 mehr eine Teilfunktion des Gehäuseteils 18 (1) erfüllt, indem er einen Raum zur Aufnahme der Dehnungssensoren 23 bildet. Grundsätzlich kann der Federkörper 4 von unterschiedlicher Form sein, wobei lediglich entscheidend ist, dass er von mindestens vier auf einem Kreis äquidistant angeordneten und fest auf der Außenwand 3 des Behälters 2 montierbaren Stützelementen 5 getragen und mit mindestens vier Dehnungssensoren 23 versehen ist.
6 zeigt eine Variante des Federkörpers 4, bei der die vier Stützelemente 5 derart auf der Behälterwand montiert sind, dass jedes der Stützelement 5 ein in Längsrichtung 7 und ein in Umfangsrichtung 6 des Behälters 2 benachbartes Stützelement hat. Auch hier findet die Verformung des Federkörpers 4 bei Druck- und/oder Temperaturänderungen des Behälters 2 achssymmetrisch zur Längsrichtung 7 und Umfangsrichtung 6 des Behälters 2 statt, so dass bei der Erfassung der Verformung des Federkörpers 4 mittels der Dehnungssensoren 23 zwischen Verformungen in Längsrichtung 7 und in Umfangsrichtung 6 und damit auf Basis der Kesselformel zwischen druckbedingten und temperaturbedingten Verformungen unterschieden werden kann. Die Dehnungssensoren 23 sind hier jeweils mittig zwischen zwei benachbarten Stützelementen 5 auf der Membran 21 aufgebracht. Bei dieser Variante kann der Federkörpers 4 auf einfache Weise unter Zuhilfenahme eines Gurts 27 ausgerichtet werden, der zwischen den Stützelementen 5 hindurch um das Rohr gelegt wird und nach der Montage der Druckmesseinrichtung wieder entfernt werden kann.
7 zeigt schließlich in sehr schematischer Darstellung ein Beispiel, bei dem die Stützelemente 5 als Stelzen ausgebildet sind, um den Federkörper 4 in einem ausreichenden Abstand zur Außenwand 3 des Behälters 2 zu halten und ihn so von dem Behälter 2 thermisch zu entkoppeln. Wie dieses Beispiel ferner zeigt, können die Stützelemente 5 fußförmige Ansätze 28 aufweisen, um die Druckmesseinrichtung über Spanngurte 29 an dem Behälter 2 zu befestigen.
Da die Tangentialspannung und Axialspannung senkrecht zueinander verlaufen, werden, wie in den vorangegangenen Beispielen erläutert, vorzugsweise vier (oder z. B. acht) Stützelemente und Dehnungssensoren verwendet, so dass die Tangentialspannung und Axialspannung in einem kartesischen Koordinatensystem erfasst werden können. Alternativ können die Tangentialspannung und Axialspannung unter Verwendung von drei (oder z. B. sechs) äquidistanten Stützelementen und Dehnungssensoren in einem Polarkoordinatensystem erfasst und danach in kartesische Koordinaten umgerechnet werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2005235755 A1 [0005]
WO 2017/097888 A1 [0006]
US 4399514 A [0008]
US 5585567 A [0008]
US 2007/0251325 A1 [0008]
EP 0088362 A1 [0008]
WO 2020/058497 A1 [0029]

Claims

Nicht-invasive Druckmesseinrichtung (1) zur Messung eines Drucks im Inneren eines langgestreckten zylindrischen Behälters (2), mit einem scheiben- oder ringförmigen Federkörper (4), der von mindestens drei auf einem Kreis äquidistant angeordneten und fest auf einer Außenwand (3) des Behälters (2) montierbaren Stützelementen (5) getragen ist, mit mindestens drei Dehnungssensoren (23), die dazu ausgebildet und angeordnet sind, radiale Verformungen des Federkörpers (4) zu erfassen, und mit einer Auswerteeinrichtung (8), an der die Dehnungssensoren (23) angeschlossen sind und die dazu ausgebildet ist, anhand von unterschiedlichen Verformungen des Federkörpers (4) in Längsrichtung (7) und Umfangsrichtung (6) des Behälters (2) zwischen druck- und temperaturbedingten Verformungsanteilen zu unterscheiden und aus den druckbedingten Verformungsanteilen ein Messergebnis (9) für den Druck im Inneren des Behälters (2) zu ermitteln und auszugeben.
Druckmesseinrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Federköper (4) eine Membran (21) aufweist, auf der die Dehnungssensoren (23) aufgebracht sind und die von den sie tragenden Stützelementen (5) aufgespannt wird.
Druckmesseinrichtung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Federköper (4) ferner einen elastischen Ringkörper (22) aufweist, der von dem Stützelementen (5) getragen wird und über den die Membran (21) aufgespannt wird.
Druckmesseinrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Federköper (4) einen elastischen Ringkörper (22) aufweist, der von dem Stützelementen (5) getragen wird und an dessen Innenwand 26 die Dehnungssensoren (23) angebracht sind.
Druckmesseinrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützelemente (5) stoffschlüssig mit der Außenwand (3) des Behälters (2) verbunden sind.
Druckmesseinrichtung (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützelemente (5) aus einer spröde aushärtbaren Klebemasse, insbesondere einer Zweikomponenten-Epoxidharz-Knetmasse, geformt sind.
Druckmesseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützelemente (5) fußförmige Ansätze (28) aufweisen, um die Druckmesseinrichtung (1) über Spanngurte (29) an dem Behälter (2) zu befestigen.
Druckmesseinrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens acht Dehnungssensoren (23) vorgesehen sind, die die Verformungen des Federkörpers (4) in unterschiedlichen radialen Richtungen erfassen, und dass die Auswerteeinrichtung (8) ferner dazu ausgebildet ist, diejenige Richtung, in der bei einer Druckerhöhung in dem Behälter (2) die größte Verformung erfasst wird, als die Umfangsrichtung (6) und/oder diejenige Richtung, in der bei der Druckerhöhung in dem Behälter (2) die geringste Verformung erfasst wird, als die Längsrichtung (7) zu identifizieren.
Druckmesseinrichtung (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass entsprechend der Anzahl der Dehnungssensoren (23) mindestens acht auf dem Kreis äquidistant angeordnete Stützelementen (5) vorgesehen sind.
Druckmesseinrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche als Bestandteil eines auf dem Rohr (2) montierten Messaufnehmers (11) mit unterschiedlichen Sensoren zur Messung mindestens eines der Parameter Vibrationen, Temperatur, Luftfeuchte, Luftdruck.
Verfahren zur nicht-invasiven Messung eines Drucks im Inneren eines langgestreckten zylindrischen Behälters (2), wobei ein scheiben- oder ringförmiger Federkörper (4) über mindestens drei auf einem Kreis äquidistant angeordnete Stützelementen (5) auf einer Außenwand (3) des Behälters (2) montiert wird, radiale Verformungen des Federkörpers (4) erfasst werden, und anhand von unterschiedlichen erfassten Verformungen des Federkörpers (4) in Längsrichtung (7) und Umfangsrichtung (6) des Behälters (2) zwischen druck- und temperaturbedingten Verformungsanteilen unterschieden und aus den druckbedingten Verformungsanteilen ein Messergebnis (9) für den Druck im Inneren des Behälters (2) ermittelt wird.