DE102011087215A1

DE102011087215A1 - Verfahren zur Wärmemengenmessung mit einem Ultraschall-Durchflussmessgerät

Info

Publication number: DE102011087215A1
Application number: DE102011087215A
Authority: DE
Inventors: Achim Wiest; Oliver Brumberg; Andreas Berger
Original assignee: Endress and Hauser Flowtec AG; Flowtec AG
Current assignee: Endress and Hauser Flowtec AG
Priority date: 2011-11-28
Filing date: 2011-11-28
Publication date: 2013-05-29
Also published as: EP2786107A2; WO2013079264A3; US20150043612A1; WO2013079264A2

Abstract

Verfahren und Vorrichtung zur Wärmemengenmessung, wobei mit einem Ultraschall-Durchflussmessgerät, welches nach dem Laufzeitdifferenzprinzip arbeitet, der Durchfluss eines Fluids, dessen chemische Zusammensetzung bekannt ist, durch das Lumen einer Rohrleitung ermittelt wird, und wobei die Temperatur des Fluids vor und nach einem Wärmeübertrager ermittelt wird, wobei zu einer ersten Ermittlung der Temperatur des Fluids die Schallgeschwindigkeit des Fluids mit dem Ultraschall-Durchflussmessgerät und eine Temperatur außerhalb des Lumens der Rohrleitung ermittelt werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Wärmemengenmessung, wobei mit einem Ultraschall-Durchflussmessgerät, welches nach dem Laufzeitdifferenzprinzip arbeitet, der Durchfluss eines Fluids, dessen chemische Zusammensetzung bekannt ist, durch das Lumen einer Rohrleitung ermittelt wird, und wobei die Temperatur des Fluids stromab- und stromaufwärts eines Wärmeübertragers ermittelt wird.
Zur Wärmemengenmessung werden herkömmlicherweise ein Ultraschall-Durchflussmessgerät und je ein Temperaturfühler vor und nach einem Wärmeübertrager verwendet. Mittels des Ultraschall-Durchflussmessgeräts wird der Durchfluss eines Messmediums, meist ein Fluid, durch eine Rohrleitung ermittelt und mittels der Temperaturfühler die Werte der Temperatur des Fluids vor und nach dem Wärmeübertrager. Über den Volumen- oder Massedurchfluss und die Temperaturdifferenz wird die vom Wärmeübertrager übertragene Wärme- oder Energiemenge ermittelt.
Ultraschall-Durchflussmessgeräte werden vielfach in der Prozess- und Automatisierungstechnik eingesetzt. Sie erlauben in einfacher Weise, den Volumendurchfluss und/oder Massendurchfluss in einer Rohrleitung zu bestimmen.
Die bekannten Ultraschall-Durchflussmessgeräte arbeiten häufig nach dem Laufzeitdifferenz-Prinzip. Beim Laufzeitdifferenz-Prinzip werden die unterschiedlichen Laufzeiten von Ultraschallwellen, insbesondere Ultraschallimpulsen, so genannten Bursts, relativ zur Strömungsrichtung der Flüssigkeit ausgewertet. Hierzu werden Ultraschallimpulse in einem bestimmten Winkel zur Rohrachse sowohl mit als auch entgegen der Strömung gesendet. Aus der Laufzeitdifferenz lässt sich die Fließgeschwindigkeit und damit bei bekanntem Durchmesser des Rohrleitungsabschnitts der Volumendurchfluss bestimmen.
Die Ultraschallwellen werden mit Hilfe so genannter Ultraschallwandler erzeugt bzw. empfangen. Hierfür sind Ultraschallwandler in der Rohrwandung des betreffenden Rohrleitungsabschnitts fest angebracht. Es sind auch Clamp-on-Ultraschall-Durchflussmesssysteme erhältlich. Bei diesen Systemen werden die Ultraschallwandler von außerhalb des Messrohrs an dessen Rohrwand gepresst. Ein großer Vorteil von Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmesssystemen ist, dass sie das Messmedium nicht berühren und auf eine bereits bestehende Rohrleitung angebracht werden.
Die Ultraschallwandler bestehen normalerweise aus einem elektromechanischen Wandlerelement, z. B. ein piezoelektrisches Element, und einer Koppelschicht. Im elektromechanischen Wandlerelement werden die Ultraschallwellen als akustische Signale erzeugt und über die Koppelschicht zur Rohrwandung geführt und von dort in die Flüssigkeit geleitet, bei Clamp-On-Systemen, oder sie werden bei Inline-Systemen über die Koppelschicht in das Messmedium eingekoppelt. Dann wird die Koppelschicht auch seltener Membran genannt.
Zwischen dem piezoelektrischen Element und der Koppelschicht kann eine weitere Koppelschicht angeordnet sein, eine so genannte Anpassungsschicht. Die Anpassungsschicht übernimmt dabei die Funktion der Transmission des Ultraschallsignals und gleichzeitig die Reduktion einer durch unterschiedliche akustische Impedanzen verursachte Reflexion an Grenzschichten zwischen zwei Materialen.
Auch die Messung der Temperatur des Messmediums mittels Ultraschall-Durchflussmessgeräten ist dem Fachmann bekannt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Wärmemengenmessung vorzuschlagen, welches einfach und kostengünstig durchzuführen ist.
Die Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1. Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung finden sich in den Merkmalen der abhängigen Ansprüche wieder.
Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Einige davon sind nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert werden. Gleiche Elemente sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Wärmemengenmessung in einer ersten Ausgestaltung,
2 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Wärmemengenmessung in einer zweiten Ausgestaltung,
3 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Wärmemengenmessung in einer dritten Ausgestaltung,
4 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Wärmemengenmessung in einer vierten Ausgestaltung,
5 zeigt den Verlauf der Schallgeschwindigkeit in Wasser aufgetragen über die Temperatur.
In 1 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Wärmemengenmessung in einer ersten Ausgestaltung dargestellt. Die Vorrichtung umfasst ein Ultraschall-Durchflussmessgerät 1, welches insbesondere nach dem Laufzeitdifferenzprinzip arbeitet, zur Ermittlung des Durchflusses eines Fluids durch eine Rohrleitung 2, welches Ultraschall-Durchflussmessgerät 1 in Strömungsrichtung des Fluids an einer ersten Stelle auf einer ersten Seite eines Wärmeübertragers 5 an oder in der Rohrleitung 2 angeordnet ist. Bei einem Fluid handelt es sich beispielsweise um ein Gas oder eine Flüssigkeit.
Bei dem Ultraschall-Durchflussmessgerät 1 handelt es sich weitergebildet um ein Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmessgerät, welches an der Oberfläche der Rohrleitung 2 angeordnet ist.
Weiterhin umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung einen ersten Temperaturfühler 3 zur Ermittlung eines Werts der Temperatur des Fluids in der Rohrleitung, welcher an einer zweiten Stelle auf der anderen, zweiten Seite Wärmeübertragers 5 angeordnet ist. Befindet sich das Ultraschall-Durchflussmessgerät 1 stromaufwärts des Wärmeübertragers 5, so ist der erste Temperaturfühler 3 stromabwärts des Wärmeübertragers 5 an oder in der Rohrleitung 2 angeordnet. Ist umgekehrt das Ultraschall-Durchflussmessgerät 1 stromabwärts des Wärmeübertragers 5 an oder in der Rohrleitung 2 angeordnet, so befindet sich der erste Temperaturfühler 3 stromaufwärts des Wärmeübertragers 5.
Das Ultraschall-Durchflussmessgerät 1 ist dabei erfindungsgemäß geeignet ausgestaltet zur Ermittlung der Schallgeschwindigkeit des Fluids in der Rohrleitung 2. Des Weiteren umfasst die Vorrichtung ein Mittel, insbesondere einen weiteren, zweiten Temperaturfühler 4, welches geeignet ist zur Ermittlung eines Werts der Temperatur außerhalb des Lumens der Rohrleitung 2 an der ersten Stelle auf der ersten Seite des Wärmeübertragers 5.
Ein Wärmeübertrager 5 kann dabei sowohl Wärmesenke als auch Wärmequelle sein. Beispielsweise wird Wärme von einer Heizungsanlage, beispielsweise einem Gas- oder Ölbrenner oder einer elektrischen Heizung auf das Fluid übertragen, oder aber dem Fluid wird über den Wärmeübertrager Wärme entzogen, beispielsweise bei einem Radiator der Heizungsanlage oder in einer Klimaanlage. Weitere Beispiele für Wärmeübertrager sind Wärmetauscher in der Prozessindustrie oder Wärmekraftmaschinen oder Wärmepumpen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung findet zur Ausführung des nachfolgend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens Verwendung. Zur Wärmemengenmessung wird mit dem Ultraschall-Durchflussmessgerät 1 der Durchfluss des Fluids, dessen chemische Zusammensetzung bekannt ist, durch das Lumen der Rohrleitung 2 ermittelt. Außerdem werden Werte der Temperatur des Fluids stromaufwärts und stromabwärts des Wärmeübertragers 5, also vor und nach dem Wärmeübertrager ermittelt. Dies geschieht erfindungsgemäß dadurch, dass zu einer ersten Ermittlung eines ersten Werts der Temperatur des Fluids an der ersten Stelle auf der ersten Seite des Wärmeübertragers die Schallgeschwindigkeit des Fluids mit dem Ultraschall-Durchflussmessgerät und ein zweiter Wert der Temperatur außerhalb des Lumens der Rohrleitung 2 ermittelt werden.
Der erste Wert der Temperatur außerhalb des Lumens der Rohrleitung wird beispielsweise mit einem an der Rohrleitungsoberfläche angeordneten, zweiten Temperaturfühler 4, insbesondere einem Widerstandsthermometer, ermittelt oder beispielsweise in einem Koppelelement eines Ultraschallwandlers des Ultraschall-Durchflussmessgeräts durch Laufzeitmessung ermittelt. Dieses Prinzip ist dem Fachmann u. a. bekannt aus der DE 10 2007 062 913 A1 , auf welche hiermit verwiesen wird. Bekannt sind der Werkstoff des Koppelelements und die Distanz bei einer vorgegebenen Temperatur, welche ein vorgegebenes Ultraschallsignal bis zu einer vorgegebenen Reflexionsfläche und zum Ultraschallwandlerelement zurück zurücklegt, ebenso wie das Verhalten der Schallgeschwindigkeit im Koppelelement über die Temperatur und das Verhalten der Distanz zwischen Ultraschallwandlerelement und Reflexionsfläche. Aus der Laufzeit des Ultraschallsignals vom Ultraschallwandlerelement zur Reflexionsfläche und zurück lässt sich leicht die Temperatur des Koppelelements ermitteln.
Der zweite Wert der Temperatur an der zweiten Stelle auf der zweiten Seite des Wärmeübertragers wird beispielsweise mit einem Ultraschallwandler als Ultraschall-Temperaturfühler ermittelt, welcher die die Schallgeschwindigkeit des Fluids ermittelt und gegebenenfalls einen dritten Wert der Temperatur außerhalb der Rohrleitung nach beispielsweise den oben genannten Weisen ermittelt oder zur Ermittlung des zweiten Werts der Temperatur an der zweiten Stelle auf der zweiten Seite des Wärmeübertragers dient ein das Fluid berührender Temperaturfühler, insbesondere ein Widerstandsthermometer, wie in 2 veranschaulicht. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist jeweils entsprechend ausgestaltet, also weist die entsprechenden Temperaturfühler auf. 2 unterscheidet sich von 1 lediglich in der Art der Ermittlung des Werts der Temperatur an der zweiten Stelle.
Zur Ermittlung eines Werts der Temperatur mittels der Schallgeschwindigkeit in einem Werkstoff, hier insbesondere im Fluid, wird beispielsweise eine bekannte Abhängigkeit der Schallgeschwindigkeit von der Temperatur des Werkstoffs, hier des Fluids, herangezogen. Ist die Schallgeschwindigkeit des Fluids zusätzlich vom Druck im Fluid abhängig, wird gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zusätzlich der Druck im Fluid ermittelt und zur Ermittlung der Temperatur des Fluids herangezogen. 5 zeigt die Abhängigkeit der Schallgeschwindigkeit in Wasser von der Temperatur des Wassers bei verschiedenen Drücken.
Die Erfindung benötigt einen empfindlichen und damit vergleichsweise teuren Temperaturfühler weniger als der Stand der Technik, da der zweite Temperaturfühler kostengünstig ausgestaltet sein kann. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass der Wert des Durchflusses mittels des Werts der Temperatur des zweiten Temperaturfühlers korrigiert werden kann und damit seine Genauigkeit gesteigert wird. Ein weiterer Vorteil der Bestimmung der Temperatur des Fluids mittels Ultraschall ist die integrale Bestimmung der Temperatur über den gesamten Schallweg und nicht nur am Punkt eines Temperaturfühlers. Somit können inhomogene Temperaturverteilungen im Medium besser berücksichtigt werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist beispielsweise einen Messumformer 6 auf, in welchem für das bekannte Fluid Kurven der Schallgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Temperatur und gegebenenfalls vom Druck und/oder weiteren physikalischen, insbesondere thermodynamischen, Größen, wie beispielsweise dem Aggregatszustand, hinterlegt sind und welcher Messumformer 6 geeignet ist, daraus den Wert der Temperatur des Fluids an der entsprechenden Stelle, hier insbesondere der ersten Stelle, in Strömungsrichtung des Fluids durch die Rohrleitung vor und/oder nach dem Wärmeübertrager zu ermitteln.
In 3 ist eine weitere Ausgestaltung der Erfindung gezeichnet. Gemäß der dargestellten Weiterbildung der Erfindung weist die erfindungsgemäße Vorrichtung zumindest einen Druckwandler 7 auf, um den Druck, insbesondere den Absolutdruck, im Fluid zu messen.
In der skizzierten Variante der Erfindung umfasst die die erfindungsgemäße Vorrichtung zwei Druckwandler 7 oder einen Differenzdruckaufnehmer zur Ermittlung des Differenzdrucks des Fluids vor und nach dem Wärmeübertrager 5, also an der ersten und an der zweiten Stelle.
Wie bereits beschrieben, werden die, die Werte der Laufzeiten bzw. der Laufzeitdifferenz der vom Ultraschalldurchflussgerät ausgesendeten und empfangenen Ultraschallsignale, der Temperaturen an erster und zweiter Stelle und gegebenenfalls des Drucks oder gar des Differenzdrucks, repräsentierenden Signale dem Messumformer zugeführt, welcher daraus den Wert der Temperatur an der ersten und an der zweiten Stelle und den Volumen- oder Massedurchfluss des Fluids durch die Rohrleitung errechnet und einem Wärmemengenrechner 8 weitergibt, welcher anschließend die vom Wärmeübertrager verbrauchte Wärme- oder Energiemenge errechnet. Der Wärmemengenrechner kann dabei selbst Bestandteil des Messumformers sein.
Diese Ausgestaltung der Erfindung ist insbesondere zur Wärmemengenmessung von Gasen vorteilhaft, durch eine einfache Messung der Energie des Gases vor und nach dem Wärmeübertrager mittels der Druckaufnehmer.
Vorteilhaft ist weiterhin ein weiteres, zweites Durchflussmessgerät auf der zweiten Seite des Wärmeübertragers, wie es 4, um eine höhere Genauigkeit der Messungen zu erzielen, z. B. bei Fernwärme mit Dampf oder insbesondere bei Aggregatszustandsänderungen des Fluids stromabwärts des ersten Durchflussmessgeräts. Daher handelt es sich gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung beim Temperaturfühler, um ein Durchflussmessgerät, welches geeignet ist, die Temperatur des Fluids zu bestimmen, beispielsweise ein Ultraschall-Durchflussmessgerät, ein thermisches Durchflussmessgerät oder ein Coriolis-Durchflussmessgerät.
Bezugszeichenliste

1: Ultraschall-Durchflussmessgerät
2: Rohrleitung
3: Erster Temperaturfühler
4: Zweiter Temperaturfühler
5: Wärmeübertrager
6: Messumformer
7: Druckaufnehmer
8: Wärmemengenrechner

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007062913 A1 [0023]

Claims

Verfahren zur Wärmemengenmessung, wobei mit einem Ultraschall-Durchflussmessgerät, welches nach dem Laufzeitdifferenzprinzip arbeitet, der Durchfluss eines Fluids, dessen chemische Zusammensetzung bekannt ist, durch das Lumen einer Rohrleitung ermittelt wird, und wobei die Temperatur des Fluids vor und nach einem Wärmeübertrager ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zu einer ersten Ermittlung der Temperatur des Fluids die Schallgeschwindigkeit des Fluids mit dem Ultraschall-Durchflussmessgerät und eine Temperatur außerhalb des Lumens der Rohrleitung ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Ultraschall-Durchflussmessgerät um ein Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmessgerät handelt, welches an der Oberfläche der Rohrleitung angeordnet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur außerhalb des Lumens der Rohrleitung mittels eines an der Messrohroberfläche angeordneten Temperaturfühlers, insbesondere eines Widerstandsthermometers, ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur außerhalb des Lumens der Rohrleitung mittels einer Laufzeitmessung in einem Koppelelement eines Ultraschallwandlers des Ultraschall-Durchflussmessgeräts ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zu einer zweiten Ermittlung der Temperatur des Fluids die Schallgeschwindigkeit des Fluids mit einem Ultraschall-Temperaturfühler ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zu einer zweiten Ermittlung der Temperatur des Fluids die Temperatur des Fluids mit einem das Fluid berührenden Temperaturfühler, insbesondere Widerstandsthermometer, ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck im Fluid gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenz zwischen einem ersten Druck im Fluid vor und einem zweiten Druck im Fluid nach dem Wärmeübertrager ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung der Temperatur des bekannten Fluids eine bekannte Abhängigkeit der Schallgeschwindigkeit von der Temperatur herangezogen wird.
Vorrichtung zur Wärmemengenmessung mit einem Ultraschall-Durchflussmessgerät (1) zur Ermittlung des Durchflusses eines Fluids durch eine Rohrleitung (2), welches Ultraschall-Durchflussmessgerät (1) in Strömungsrichtung des Fluids auf einer ersten Seite eines Wärmeübertragers (5) angeordnet ist, und mit einem Temperaturfühler (3) auf einer anderen, zweiten Seite des Wärmeübertragers (5), dadurch gekennzeichnet, dass das Ultraschall-Durchflussmessgerät (1) zur Ermittlung der Schallgeschwindigkeit des Fluids geeignet ausgestaltet ist, wobei die Vorrichtung ein Mittel umfasst, geeignet zur Ermittlung einer Temperatur außerhalb des Lumens der Rohrleitung auf der ersten Seite des Wärmeübertragers (5).