DE10035998A1

DE10035998A1 - Vorrichtung zur Bestimmung des Massendurchflusses von Flüssigkeiten

Info

Publication number: DE10035998A1
Application number: DE2000135998
Authority: DE
Inventors: Stephen A Ifft; Reinhard Grabher
Original assignee: KRAEUTLER & CO GmbH
Current assignee: KRAEUTLER & CO GmbH
Priority date: 2000-07-25
Filing date: 2000-07-25
Publication date: 2002-02-07
Also published as: WO2002008704B1; WO2002008704A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung des Massendurchflusses von Flüssigkeiten, inbesondere von Kraftstoffen oder dergleichen, wobei die Vorrichtung ein Volumeter zur Bestimmung des Volumens der Flüssigkeit und ein Druckdifferenz-Messgerät zur Bestimmung der Druckdifferenz entlang einer bestimmten Strömungsstrecke der Flüssigkeit beinhaltet. Aus der Bernoulli-Gleichung, der Kontinuitäts-Gleichung und der Gleichung Masse gleich Volumen mal Dichte kann dann der Massendurchfluss der zu bestimmenden Flüssigkeit errechnet werden. Die Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegen hierbei darin, eine von der Temperatur unabhängige Größe bereitzustellen, was insbesondere an Zapfsäulen von Tankstellen und bei allgemeinen chemischen Prozessen vorteilhaft ist.

Description

Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Bestimmung des Massendurchflusses von Flüssigkeiten, insbesondere von Kraftstoffen oder dergleichen.

Zur Bestimmung des Massendurchflusses von Flüssigkeiten ist es bekannt, einen sogenannten Coriolis-Zähler zu verwenden. Es handelt sich hierbei um ein oder mehrere Messrohre, die in Schwingungen gebracht werden und deren Auslenkung erfasst wird. Die Auslenkung dieser mit Flüssigkeit gefüllten und schwingenden Rohre ist dann ein Maß für die Masse der in dem Rohr befindlichen Flüssigkeit.

Derartige Coriolis-Zähler sind jedoch relativ teuer und aufwendig und sind insbe sondere auch vibrationsempfindlich.

Es ist selbstverständlich auch eine statische Massenermittlung von Flüssigkeiten möglich, wenn diese einfach durch Wägen erfasst werden. Damit kann jedoch nicht die Masse einer strömenden Flüssigkeit pro Zeiteinheit in Form eines Massendurchflusses ermittelt werden.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde eine Vorrichtung zur Messung des Massendurchflusses einer strömenden Flüssigkeit der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass die Ermittlung des Massendurchflusses wesentlich einfacher, genauer und störungsfreier erfolgt.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ein Volumeter zur Bestimmung des Volumens der Flüssigkeit und ein Druckdifferenz-Messgerät zur Bestimmung der Druckdifferenz entlang einer bestimmten Strömungsstrecke der Flüssigkeit beinhaltet.

Hierbei wird beispielsweise in dem ersten Teil der Vorrichtung zunächst das Volumen der strömenden Flüssigkeit erfasst und in einem weiteren Teil der Vorrichtung die gleiche Flüssigkeit in ein Druckdifferenz-Messgerät eingespeist, mit dem der Druckabfall der strömenden Flüssigkeit an einem Venturi-Rohr erfasst wird.

Durch die Hintereinanderschaltung von zwei Messanordnungen, von denen die eine das Volumen erfasst und die andere einen Druckabfall an einem Venturi-Rohr (Drossel-Blende) ist es nun erstmals möglich über die Bernoulliesche-Gleichung eine Bestimmung des Massendurchflusses einer strömenden Flüssigkeit durchzuführen.

Es wird hierbei bevorzugt, wenn zur Volumenmessung ein Schraubenspindel volumeter verwendet wird. Es können jedoch auch noch andere bekannte Volumenmessgeräte verwendet werden, wie zum Beispiel Zahnradzähler oder Ovalradzähler, Treibschieberzähler, Kolbenzähler, Turbinenradzähler oder auch MID's (Magnet-Induktions-Zähler) oder Vortex-Blenden und ähnliche Volumenmessgeräte mehr. Hierbei wird unter Vortex-Blenden eine, in Querschnittsrichtung gesehen, an der Rohr-Innenwandung sich asymmetrisch erstreckende Blende verstanden, welche z. B. die Form einer Teilkreis-Scheibe besitzt und so lediglich einen Teil des Rohr-Querschnittes abdeckt.

Von besonderem Vorteil ist, wenn die beiden Messgeräte in einem einzigen Gehäuse vereinigt werden und lediglich über entsprechende Flanschdichtungen aneinander anstossen, so dass die Flüssigkeit, welche das Volumenmessgerät verlässt, unmittelbar und relativ strömungsverlustfrei in das Druckdifferenz- Messgerät eingeleitet werden kann. Es dient zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit in Rohrleitungen.

Die Bernoulli-Gleichung zwischen einer Stelle 1 und 2 lautet:

ρv₁ ²/2 + p₁ = ρv₂ ²/2 + p₂

und die Kontinuitätsgleichung:

V₁ A₁ = V₂ A₂.

Hieraus ergibt sich:

Δp = p₂ - p₁ = (ρv₁ ²/2)[(A₁/A₂)² - 1]

bzw. mit Δp = (ρ_M - ρ) gh

Über die Formel Masse = Volumen x Dichte kann somit ohne weiteres die Masse der strömenden Flüssigkeit pro Zeiteinheit ermittelt werden, denn durch das erfindungsgemässe Volumeter wird das Volumen der Flüssigkeit ermittelt und durch das erfindungsgemässe, nachgeschaltete Druckdifferenz-Messgerät wird über den Differenzdruck die Dichte der strömenden Flüssigkeit ermittelt.

Es ist selbstverständlich nicht lösungsnotwendig, dass die Flüssigkeit zunächst das Volumenmessgerät durchströmt und danach das Druckdifferenz-Messgerät. Es kann auch die Richtung der Flüssigkeit umgekehrt werden, wobei dann zunächst das Druckdifferenz-Messgerät und danach das Volumeter durchströmt wird. Bei einer Umkehrung der Strömungsrichtung kann es vorgesehen sein, dass ein weiterer Sensor dem ersten Sensor für die Erfassung der Umdrehung der Spindel z. B. um ca. 90° vor oder nachgeschaltet ist und dadurch die Drehrichtung erkannt werden kann.

Bei einer Umkehrung der Strömungsrichtung kann dann auch mittels der Auswerte- Software und/oder Auswerte-Hardware eine Korrektur der Gleichungen bzw. der Messwerte erfolgen, welche die geänderten Strömungsverhältnisse kompensiert.

In einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung mit Möglichkeit der Umkehrung der Strömungsrichtung kann es vorgesehen sein, dass vor dem Druckdifferenz- Messgerät ein Strömungsberuhiger vorgeschaltet ist, welcher also auf der gegenüberliegenden Seite des Volumenmessgerätes am Druckdifferenz-Messgerät dann liegt.

Dieser Strömungsberuhiger kann in Form von z. B. einem Drahtgitter oder aber einer Vielzahl von Röhren mit kleinem Durchmesser vorgesehen sein, welche sich über den Strömungsdurchmesser erstrecken. Auch kann der Strömungsberuhiger in Form eines weiteren Volumenmessgerätes vorgesehen sein, so dass also das Druckdifferenz-Messgerät zu beiden Seiten (Einlass- und Auslassseite) mit einem Volumenmessgerät bestückt ist. Diese Strömungsberuhigung bietet den Vorteil einer genaueren Messung, da gerade die Druckdifferenz-Messung von einer laminaren Strömung ausgeht, die durch den Strömungsberuhiger nahezu ideal erzeugt wird, jedoch mit dem Nachteil eines erhöhten Geräteaufwandes und erhöhtem Energiebedarf.

Für den Fall der Strömungsrichtungsumkehr der Flüssigkeit kann es vorgesehen werden, dass im Volumeter ein weiterer Sensor für die Erfassung der Drehrichtung vorgesehen ist, was der Richtung der Flüssigkeitsdurchströmung durch das Volumeter entspricht.

Die Erfindung wird nun anhand von zwei Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Hierbei gehen aus den Zeichnungen und ihrer Beschreibung weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung hervor.

Es zeigen:

Fig. 1: schematisiert eine Ausführungsform des Messaufbaus mit Venturi-Rohr als Differenzdruck-Messgerät;

Fig. 2: schematisiert eine weitere Ausführungsform des Messaufbaus mit Drossel- Blende als Differenzdruck-Messgerät;

Fig. 3: schematisiert die mathematischen Verhältnisse an einem Druckdifferenz- Messgerät.

In Fig. 1 ist schematisch eine Ausführungsform des Messaufbaus mit Venturi-Rohr als Differenzdruck-Messgerät gezeigt, wobei zur Massendurchflussermittlung einer strömenden Flüssigkeit zunächst die Flüssigkeit in Durchflussrichtung (6) einen Einlass (5) eines Volumeters (1) durchströmt, welches im genannten Ausführungsbeispiel als Schraubenspindel-Volumeter mit zwei miteinander kämmenden Schraubenspindeln (7, 8) ausgebildet ist.

Hierauf ist die Erfindung nicht beschränkt. Es können auch mehr als zwei Schraubenspindeln in dem Schraubenspindel-Volumeter verwendet werden oder es können anstatt des gezeigten Volumeters (1) auch andere volumeterische Messgeräte oder Strömungsmessgeräte, wie zum Beispiel Turbinenradzähler, etc verwendet werden.

Dem hier gezeigten Volumeter (1) ist ein Druckdifferenz-Messgerät (2) nachgeschaltet.

Insgesamt besteht das Volumeter (1) aus einem etwa zylindrischen Gehäuse (3), an dem der Einlassflansch (4) angeordnet ist, der den vorher erwähnten Einlass (5) für die Flüssigkeit bildet.

Die Flüssigkeit treibt die beiden miteinander kämmenden Schraubenspindeln (7, 8) drehend an, wobei diese Schraubenspindeln beiderseits in Lagern (9) möglichst reibungsarm gelagert sind.

Die Drehung der einen Schraubenspindel (7) wird über ein Polrad (10) von einem Sensor (11) in Form z. B. eines Näherungsschalters erfasst, der in Form von Rechteckimpulsen die Drehzahl der Schraubenspindel (7) erfasst und einer elektronischen Auswerteeinrichtung zuleitet.

Die Flüssigkeit verlässt in Durchflussrichtung (12) den Auslass des Volumeters (1) und strömt hierbei gleichzeitig in den Einlass des Druckdifferenz-Messgerätes (2) ein.

Dieses Messgerät besteht gemäss Fig. 1 im wesentlichen aus einem Venturi-Rohr, welches einen ersten, erweiteten Durchflussraum (14) aufweist, welcher strömungsleitend mit einem ersten Drucksensor (19) verbunden ist.

Dieser Durchflussraum (14) geht in einen zweiten Durchflussraum (16) über, der als stetig sich verengernder und wieder stetig aufweitender Querschnitt in Strömungsrichtung (12) bzw. (17) ausgebildet ist.

Der verengte Durchflussraum (16), der als Raum mit verringertem Querschnitt ausgebildet ist, ist flüssigkeitsleitend mit einem zweiten Drucksensor (20) verbunden, welcher den Druckabfall im Bereich des Durchflussraumes (16) erfasst.

Es kann dann vorgesehen sein, dass der Durchflussraum (16) in einem weiteren Durchflussraum (15) mündet, welcher Durchflussraum (15) über kontinuierlich sich öffnende Wandungen (22) harmonisch in den Raum des Auslasses (21) des Auslassflansches (18) übergeht.

In Fig. 2 ist prinzipiell der gleiche Messaufbau wir in Fig. 1 gezeigt, jedoch ist das Differenzdruck-Messgerät 2 mit einer einfachen Drossel-Blende (23), statt einem aufwendigeren Venturi-Rohr ausgestattet. In Figur den Fig. 1 und 2 sind gleiche Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Zwischen dem ersten Durchflussraum (14) und dem zweiten Durchflussraum (16') ist also eine Drossel-Blende (23) in einfacher Form vorgesehen, welche Drossel-Blende (23) im wesentlichen symmetrisch im Durchflusskanal liegt und mittig einen Durchlass (25) für die Flüssigkeit frei lässt.

Der Durchflussraum (16') ist im vergleich zum Durchflussraum (16) des Venturi- Rohres in Fig. 1 nicht verengt ausgebildet, sondern besitzt im wesentlichen den gleichen Durchmesser, kann aber unterschiedliche Länge in Durchflussrichtung besitzen.

Die Drossel-Blende (23) kann hierbei mit einer Rundung (24) versehen sein, welche auch zu beiden Seiten der Drossel-Blende (23) im Bereich des Durchlasses (25) vorgesehen sein kann.

Die Auswahl zwischen Drossel-Blende (23) oder Venturi-Rohr im Differenzdruck- Messgerät (2) wird je nach den Strömungsverhältnissen im Bezug auf Verwirbelungen etc. getroffen.

Insgesamt ergibt sich somit aufgrund der Bernoullieschen-Gleichung, die vorher angegeben wurde, dass mit dem Volumeter (1) das Volumen der Flüssigkeit erfasst wird und mit dem Druckdifferenz-Messgerät (2) die Dichte ρ der strömenden Flüssig keit erfasst wird, dass dann über die Gleichung Masse = Volumen x Dichte die Masse der strömenden Flüssigkeit pro Zeiteinheit erfasst werden kann.

Eine Massendurchflussermittlung von strömenden Flüssigkeiten ist wichtig für folgende Anwendungsgebiete:

Bei chemischen Prozessen soll der Massendurchfluss des strömenden Stoffes ermittelt werden, wobei für den chemischen Prozess der Massendurchfluss ausschlaggebend sein könnte, was zum Beispiel für die Bestimmung des Heizwertes einer Flüssigkeit eine Rolle spielt.

Ebenso ist es wichtig, der Massendurchfluss von Treibstoff in Zapfsäulen zu ermitteln, weil im Augenblick noch ein temperaturabhängiges Volumen erfasst wird, was zu Fehlern bei der Verbrauchsmessung führt. Die Ermittlung des Massendurchflusses des abgegebenen Treibstoffes an Zapfsäulen hat den Vorteil, dass dieser Massendurchfluss temperaturunabhängig ist und daher eine verbesserte Messung der Abgabemenge möglich ist.

In Fig. 3 ist allgemein schematisiert ein Druckdifferenz-Messgerät dargestellt, wo erkennbar ist, an welchen Stellen die Drucksensoren (19, 20) angeordnet sind.

Es sind ferner die konstanten Werte eingezeichnet, die auch in der genannten Formel nach Bernoulli angegeben sind, das heisst die Flächen A₁ und A₂. Ferner sind die Geschwindigkeiten der strömenden Flüssigkeit im Durchflussraum (14) und im Bereich des verengten Durchflussraumes (16) mit v₁ und v₂ angegeben.

Zeichnungslegende

1

Volumeter

2

Druckdifferenz-Messgerät

3

Gehäuse

4

Einlassflansch

5

Einlass

6

Durchflussrichtung

7

Schraubenspindel

8

Schraubenspindel

9

Lager

10

Polrad

11

Sensor

11

'

12

Durchflussrichtung

13

Gehäuse

14

Durchflussraum

15

Durchflussraum

16

Durchflussraum

16

'

17

Durchflussrichtung

18

Auslassflansch

19

Drucksensor

20

Drucksensor

21

Auslass

22

Wandung

23

Drossel-Blende

24

Rundung

25

Durchlass

Claims

1. Vorrichtung zur Bestimmung des Massendurchflusses von Flüssigkeiten, insbesondere von Kraftstoffen oder dergleichen, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ein Volumeter (1) zur Bestimmung des Volumens der Flüssigkeit und ein Druckdifferenz-Messgerät (2) zur Bestimmung der Druckdifferenz entlang einer bestimmten Strömungsstrecke der Flüssigkeit beinhaltet.

2. Vorrichtung zur Bestimmung des Massendurchflusses von Flüssigkeiten, insbesondere von Kraftstoffen oder dergleichen, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckdifferenz-Messgerät (2) mindestens zwei Räume (14, 16) beinhaltet.

3. Vorrichtung zur Bestimmung des Massendurchflusses von Flüssigkeiten, insbesondere von Kraftstoffen oder dergleichen, nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Räume (14, 16) unterschiedliches Volumen und unterschiedliche Querschnittsfläche für den Flüssigkeitsdurchtritt aufweisen.

4. Vorrichtung zur Bestimmung des Massendurchflusses von Flüssigkeiten, insbesondere von Kraftstoffen oder dergleichen, nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Räume (14, 16') unterschiedliches oder gleiches Volumen aufweisen, jedoch etwa die gleiche Querschnittsfläche für den Flüssigkeitsdurchtritt.

5. Vorrichtung zur Bestimmung des Massendurchflusses von Flüssigkeiten, insbesondere von Kraftstoffen oder dergleichen, nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Räume (14, 16) harmonisch ineinander übergehen.

6. Vorrichtung zur Bestimmung des Massendurchflusses von Flüssigkeiten, insbesondere von Kraftstoffen oder dergleichen, nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckdifferenz-Messgerät (2) zwei Drucksensoren (19, 20) beinhaltet, welche je in einem der Räume (14, 16) angeordet sind und mit der Flüssigkeit bei Durchfluss kontaktieren.

7. Vorrichtung zur Bestimmung des Massendurchflusses von Flüssigkeiten, insbesondere von Kraftstoffen oder dergleichen, nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumeter (1) ein Schraubenspindelvolumeter, Zahnradzähler, Ovalradzähler, Treibschieberzähler, Kolbenzähler, Turbinenradzähler, Magnet-Induktions-Zähler (MID) oder Vortex ist.

8. Vorrichtung zur Bestimmung des Massendurchflusses von Flüssigkeiten, insbesondere von Kraftstoffen oder dergleichen, nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sensor für die Erfassung der Drehzahl einer Welle des Volumeters (1) vorgesehen ist.

9. Vorrichtung zur Bestimmung des Massendurchflusses von Flüssigkeiten, insbesondere von Kraftstoffen oder dergleichen, nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchflussrichtung (6, 12, 17) der Flüssigkeit umkehrbar ist.

10. Vorrichtung zur Bestimmung des Massendurchflusses von Flüssigkeiten, insbesondere von Kraftstoffen oder dergleichen, nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer Sensor (11') für die Erfassung der Strömungsrichtung vorgesehen ist.

11. Vorrichtung zur Bestimmung des Massendurchflusses von Flüssigkeiten, insbesondere von Kraftstoffen oder dergleichen, nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Sensor (11') für die Erfassung der Strömungsrichtung im Volumeter (1) vorgesehen ist.

12. Vorrichtung zur Bestimmung des Massendurchflusses von Flüssigkeiten, insbesondere von Kraftstoffen oder dergleichen, nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Sensor (11') für die Erfassung der Strömungsrichtung die Drehrichtung eines rotierenden Elementes des Volumeters (1) erfasst.

13. Vorrichtung zur Bestimmung des Massendurchflusses von Flüssigkeiten, insbesondere von Kraftstoffen oder dergleichen, nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass für die Erfassung der Strömungsrichtung das Polrad (10) mit dem ersten Sensor (11) für die Volumenmessung und dem weiteren Sensor (11') für die Erfassung der Strömungsrichtung zusammenwirkt.

14. Vorrichtung zur Bestimmung des Massendurchflusses von Flüssigkeiten, insbesondere von Kraftstoffen oder dergleichen, nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (11, 11') für die Volumenmessung und für die Erfassung der Strömungsrichtung, durch eine Abtastung mindestens einer der Schraubenspindeln (7, 8) selbst erfolgt.

15. Vorrichtung zur Bestimmung des Massendurchflusses von Flüssigkeiten, insbesondere von Kraftstoffen oder dergleichen, nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumeter (1) dem Druckdifferenz- Messgerät (2) bezüglich der Strömungsrichtung der Flüssigkeit vorgeschaltet ist.

16. Vorrichtung zur Bestimmung des Massendurchflusses von Flüssigkeiten, insbesondere von Kraftstoffen oder dergleichen, nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumeter (1) dem Druckdifferenz- Messgerät (2) bezüglich der Strömungsrichtung der Flüssigkeit nachgeschaltet ist.

17. Vorrichtung zur Bestimmung des Massendurchflusses von Flüssigkeiten, insbesondere von Kraftstoffen oder dergleichen, nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Messgeräte (1, 2) in einem einzigen Gehäuse (3) vereinigt sind.