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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft
die Messung einer Fluidströmung.
Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Strömungsmessung
eines Prozessfluids unter Verwendung eines Sensors von der Art einer
Staudüse
zur Bildung eines Mittelwerts.
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Die Messung der Strömungsgeschwindigkeit
eines Prozessfluids ist notwendig, um Prozesse in der Industrie
zu steuern. In Prozessen in der Industrie werden Sender, welche
die Strömungsrate
(Q) messen, an Fernadressen im Feld eines Prozesssteuerungssystems
angeordnet. Diese Sender übertragen
Informationen über
die Strömungsrate
an eine Steuerwarte. Die Informationen über die Strömungsrate werden zur Steuerung des
Prozessbetriebs verwendet. Die Bezeichnung "Prozessfluid" bezieht sich in dieser Beschreibung
sowohl auf flüssige
als auch auf gasförmige
Stoffe.
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Eine herkömmliche Vorrichtung zur Messung
der Strömungsrate
in der Prozesssteuerungsindustrie ist die Messung des Druckabfalls
an einer festen Begrenzung in dem Rohr, welche oft als Differentialerzeuger oder
Messaufnehmer bezeichnet wird. Die allgemeine Gleichung für die Berechnung
der Strömungsrate über einen
Differentialerzeuger kann folgendermaßen lauten: Q = NCdEY1d2
√ρh Gleichung 1wobei
Q
= Massenströmungsrate
(Masse/Einheitszeit)
N = Einheiten-Umwandlungsfaktor (Einheiten
variieren)
Cd = Entladungskoeffizient
(dimensiosslos)
E = Geschwindigkeit eines Annäherungsfaktors
(dimensionslos)
Y1 = Gasausdehungsfaktor
(dimensionslos)
d = Bohrung des Differentialerzeugers (Länge)
ρ = Fluiddichte
(Masse/Einheitsvolumen)
h = Differenzdruck (Kraft/Einheitsbereich)
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Von den Parametern in dieser Gleichung
ist nur der Einheiten-Umwandlungsfaktor,
der konstant ist, leicht zu berechnen. Die anderen Parameter werden
durch Gleichungen ausgedrückt,
die von relativ einfach bis zu sehr komplex reichen. Einige Gleichungen
enthalten viele Parameter und erfordern Potenzzahlen mit nicht ganzzahligen
Exponenten. Hierbei handelt es sich um einen rechnerisch aufwendigen
Vorgang.
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Es gibt eine Reihe von Messgeräten, die
zur Messung der Strömung
verwendet werden können.
Zuflussmesser sind die gebräuchliste
Art von Messgerät,
das für
die Messung von Fluid-Strömungsraten
verwendet wird. Diese messen die Fluidströmung indirekt, indem sie mit
Hilfe eines Hindernisses für
die Fluidströmung einen
Differenzdruck erzeugen und diesen messen. Durch die Verwendung
altbekannter Umwandlungskoeffizienten, die von der Art des benutzten
Zuflussmessers und von dem Durchmesser des Rohrs abhängen, kann eine
Messung des Differenzdrucks in eine Masse- oder Volumenrate umgewandelt
werden.
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Ein Verfahren zum Messen eines Differenzdrucks
für das
Bestimmen einer Strömung
erfolgt mit Hilfe eines Messaufnehmers von der Art einer Staudüse zur Bildung
eines Mittelwerts. Im Allgemeinen besteht ein Messaufnehmer von
der Art einer Mittelwertbildungs-Staudüse zum Anzeigen einer Strömung aus
zwei hohlen Röhren,
die den Druck an unterschiedlichen Stellen innerhalb des Rohrs messen.
Diese Röhren
können
separat in dem Rohr angebracht sein oder zusammen in einem Gehäuse als
eine einzige Vorrichtung installiert sein. Dieses Design weist ein
nach vorne gerichtetes Rohr auf, das den Gesamtdruck (PTOT)
misst. Ein zweites Rohr misst einen Druck stromabwärts. Der
Differenzdruck zwischen den beiden Rohren ist proportional zum Quadrat
der Strömung
gemäß Gleichung
2. Q = NKD2Y1 √ρh Gleichung 2wobei:
N
= Einheiten-Umwandlungsfaktor
K = Strömungskoeffizient der Staudüse zur Bildung
eines Mittelwerts (dimenstionslos)
D = Rohrdurchmesser in mm
(Zoll)
Y1 = Gasausdehungskoeffizient
(dimensionslos)
ρ =
Gasdichte in kgs/m2 (Pfundm/Fuß3)
h = Differenzdruck in mm (Zoll) H2
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Eine genaue Berechnung der Strömung basierend
auf der Druckmessung erfordert eine genaue Messung der Dichte (ρ) und des
Gasausdehungskoeffizienten (Y1) zur Verwendung in Gleichung 1. Diese
Parameter werden mit exakten Gleichungen, Ablesetabellen, polynomischen
Näherungswerten
und anderen Methoden zur stochastischen Kurvenermittlung berechnet.
Eine genaue Bestimmung der Dichte (ρ) und des Gasausdehungskoeffizienten
(Y1) erfordert einen präzisen
Wert für
den statischen Druck (PSTAT) zur Verwendung in
den vorstehend genannten Methoden. Der Messaufnehmer von der Art
einer Staudüse
zur Bildung eines Mittelwerts misst jedoch keinen statischen Druck.
Weder die stromaufwärts
gerichtete noch die stromabwärts gerichtete
Staudüse
liefert eine präzise
Anzeige des statischen Drucks. In typischen Sendern des Stands der Technik
werden die Dichte (ρ)
und der Gasausdehungskoeffizient (Y1) berechnet, indem eine separate
Messung des statischen Drucks (PSTAT) verwendet
wird. Aus Gründen
der Genauigkeit erfolgt diese Messung in einem gewissen Abstand
zur Mittelwertbildungs-Staudüse.
Dies ist unpraktisch, erfordert einen zusätzlichen Sensor und macht einen
zusätzlichen
Eintritt in das Prozessrohrsystem notwendig.
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Das US-Patent 4,320,665 von Cain
offenbart eine Anordnung wie oben beschrieben, bei der ein Gesamtdruck-Sensor
stromaufwärts
in der Fluidströmung
vorgesehen ist, um zu messen, was als Absolut- oder Gesamtdruck
(PTOT) bezeichnet wird, während ein
zweiter Sensor stromabwärts
angeordnet ist, um aufzuzeichnen, was darin als statischer Druck
(PSTAT) betrachtet wird, wobei die Differenz
zwischen diesen beiden Drücken
als Differenzdruck (h) zwischen diesen bezeichnet wird, d. h. PTOT–PSTAT h; es ist eine Schaltkreisanordnung
vorgesehen, die u. a. die Strömungsrate
(Q) aus den Werten PTOT und h berechnet.
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Der zusätzliche Sensor zum Messen des
statischen Drucks (PSTAT) im Stand der Technik
ist schwerfällig,
unpraktisch sowie teuer und stellt eine zusätzliche Fehlerquelle dar.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung schafft
eine Vorrichtung zum Koppeln an einen Messaufnehmer von der Art einer
Staudüse
zur Bildung eines Mittelwerts, der ein im Allgemeinen nach vorne
gerichtetes Rohr sowie ein zweites Rohr aufweist, wobei die Vorrichtung
zum Berechnen der Strömungsrate
des Prozessfluids Folgendes aufweist: einen Gesamtdruck-Sensor,
der zum Messen des Gesamtdrucks (PTOT) des
Prozessfluids angeordnet ist, indem er das im Allgemeinen nach vorne
gerichtete Rohr verwendet, und zum Liefern eines Ausgangssignals
(PTOT')
des Gesamtdruck-Sensors; einen Differenzdruck-Sensor, der zum Messen
eines Differenzdrucks (h) in dem Prozessfluid zwischen dem im Allgemeinen
nach vorne gerichteten Rohr und dem zweiten Rohr angeordnet ist,
und zum Liefern eines Ausgangssignals (h') des Differenzdruck-Sensors; eine Schaltkreisanordnung,
die zum Berechnen der Strömungsrate
basierend auf dem Ausgangssignal (PTOT') des Gesamtdruck-Sensors
und dem Ausgangssignal (h')
des Differenzdruck-Sensors angeordnet ist; eine Ein-/Ausgabe-Schaltkreisanordnung,
die zum Liefern der berechneten Strömungsrate (Q) angeordnet ist;
und dadurch gekennzeichnet ist, dass die Ein-/Ausgabe-Schaltkreisanordnung,
die Drucksensoren sowie die Schaltkreisanordnung alle in einem Sender
angeordnet sind, und dass der Sender die berechnete Strömungsrate
(Q) an eine Prozessregelschleife überträgt; und dass die Schaltkreisanordnung
angeordnet ist, um die Strömungsrate (Q)
in folgenden Schritten zu berechnen:
- a) das
Berechnen eines statischen Drucks PSTAT entsprechend
der Formel PSTAT = PTOT' – C1h' , wobei C1 eine Konstante ist, die einen durchschnittlichen
Anstieg von Druck und Temperatur über einen Betriebsbereich darstellt;
- b) das Berechnen einer Dichte (ρ) als Funktion des berechneten
statischen Drucks PSTAT;
- c) das Berechnen des Gasausdehnungskoeffizienten (Y1)
als Funktion des berechneten statischen Drucks PSTAT;
und
- d) das Berechnen der Strömungsrate
(Q) als Funktion der berechneten Dichte (ρ), des berechneten Gasausdehnungskoeffizienten
(Y1) und des Ausgangssignals (h')
des Differenzdruck-Sensors.
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Die vorliegende Erfindung liefert
zudem ein Verfahren, das eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Strömungsrate
(Q) eines an einem Messaufnehmer von der Art einer Staudüse zur Bildung
eines Mittelwerts vorbeifließenden
Prozessfluids verwendet, wobei der Messaufnehmer im Allgemeinen
ein nach vorne gerichtetes Rohr sowie ein zweites Rohr aufweist,
wobei das Verfahren das Messen eines Gesamtdrucks (PTOT)
des Prozessfluids in dem im Allgemeinen nach vorne gerichteten Rohr
mit Hilfe eines Gesamtdruck-Sensors aufweist, der ein Ausgangssignal
(PTOT')
des Gesamtdruck-Sensors liefert; weiter das Messen eines Differenzdrucks
(h) in dem Prozessfluid zwischen dem im Allgemeinen nach vorne gerichteten
Rohr und dem zweiten Rohr mit Hilfe eines Differenzdruck-Sensors,
der ein Ausgangssignal (h')
des Differenzdruck-Sensors liefert; das Bereitstellen einer Ein/Ausgabe-Schaltkreisanordnung,
die zum Liefern der berechneten Strömungsrate (Q) angeordnet ist;
und das Anordnen der Ein/Ausgabe-Schaltkreisanordnung, der Drucksensoren
und der Schaltkreisanordnung in einem Sender, der die berechnete
Strömungsrate
(Q) über
eine Prozessregelschleife überträgt; und
das Berechnen der Strömungsrate
(Q) in der Schaltkreisanordnung in den folgenden Schritten:
- a) das Berechnen eines statischen Drucks PSTAT entsprechend der Formel PSTAT =
PTOT' – C1h' ,
wobei C1 eine Konstante ist, die einen durchschnittlichen
Anstieg von Druck und Temperatur über einen Betriebsbereich darstellt;
- b) das Berechnen einer Dichte (ρ) als Funktion des berechneten
statischen Drucks PSTAT;
- c) das Berechnen eines Gasausdehnungskoeffizienten (Y1) als Funktion des berechneten statischen Drucks
PSTAT;
- d) das Berechnen der Strömungsrate
(Q) als Funktion der berechneten Dichte (ρ), des berechneten Gasausdehnungskoeffizienten
(Y1) und des Ausgangssignals (h')
des Differenzdruck-Sensors.
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Die vorliegende Erfindung liefert
eine Vorrichtung zum Messen der Massenströmungsrate (Q), indem ein Messaufnehmer
von der Art einer Staudüse
zur Bildung eines Mittelwerts verwendet wird. Die Erfindung benötigt keinerlei
separate Messung des statischen Drucks. Ein Aspekt der Erfindung
schließt
einen Gesamtdruck-Sensor ein, der den Gesamtdruck (PSTAT)
eines Prozessfluids an einer Staudüse misst. Ein zweiter Drucksensor
misst einen Differenzdruck zwischen den Röhren des Messaufnehmers. Die
Schaltkreisanordnung in dem Sender berechnet den statischen Druck
(PSTAT) basierend auf dem Ausgangssignal des Gesamtdruck-Sensors.
Der berechnete statische Druck (PSTAT) wird
zur Berechnung der Fluiddichte (ρ)
und des Gasausdehungskoeffizienten (Y1)
verwendet. Die Strömung
(Q) wird basierend auf den Druckmessungen, der Fluiddichte (ρ) und dem
Gasausdehungskoeffizienten (Y1) berechnet.
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Weitere Einzelheiten, Vorteile und
Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Kurzbeschreibung
anhand der Zeichnungen.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Es zeigen:
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1A einen
erfindungsgemäßen Sender,
der an ein Prozesrohr gekoppelt ist;
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1B eine
oberste Querschnittsansicht, die einen Messaufnehmer von der Art
einer Staudüse
zur Bildung eines Mittelwerts für
die Verwendung in der vorliegenden Erfindung zeigt;
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1C einen
Messaufnehmer von der Art einer Mittelwertbildungs-Staudüse aus 1B, der in ein Prozessrohr
eingeführt
ist;
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2 eine
Kurve, die einen Vergleich der bei maximalem Durchfluss unter Verwendung
des Gesamtdrucks berechneten Gasdichte und unter Verwendung des
statischen Drucks berechneten Gasdichte im Verhältnis zum Differenzdruck zeigt;
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3 eine
Kurve, die den Unterschied zwischen dem Gesamtdruck und dem statischen
Druck im Verhältnis
zum Differenzdruck für
Kohlendioxidgas in einem Rohr mit einem Durchmesser von 18 cm (8
Zoll) zeigt;
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4 eine
Kurve, die einen Fehler bei einem erfindungsgemäß berechneten korrigierten
statischen Druck im Verhältnis
zum Differenzdruck für
Kohlendioxidgas in einem Rohr mit einem Durchmesser von 18 cm (8
Zoll) zeigt; und
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5 ein
vereinfachtes Blockdiagramm, das einen Sender zum erfindungsgemäßen Bestimmen
der Strömungsrate
(Q) zeigt.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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1A ist
eine Ansicht eines Prozesssteuerungssystems, das einen erfindungsgemäßen Sender 10 aufweist,
der mit dem Prozessrohrsystem 12 gekoppelt ist. Das Prozessrohrsystem 12 führt das
Prozessfluid, das eine Geschwindigkeit (V) und eine Strömungsrate
(Q) aufweist. Das Rohr 12 leitet den Fluidstrom, entweder
ein Gas oder eine Flüssigkeit,
in die durch den Pfeil
16 angezeigte Richtung.
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Die vorliegende Erfindung benötigt keine
separate Messung des statischen Drucks (PSTAT)
und liefert eine genaue Schätzung
von PSTAT basierend auf dem Gesamtdruck
(PTOT), der von dem nach vorne gerichteten Rohr
in dem Messaufnehmer von der Art einer Staudüse zur Bildung eines Mittelwerts
erfasst wird, und basierend auf dem Differenzdruck (h), der zwischen
den beiden Rohren gemessen wird. Der geschätzte statische Druck wird in
Berechnungen zum Bestimmen der Fluiddichte (ρ) und des Gasausdehnungskoeffizienten
(Y1) verwendet. Die Methode zum Schätzen des
statischen Drucks erfordert eine geringere Berechnungszeit und weniger
Energie im Vergleich zu der Verwendung typischer Formeln des Stands
der Technik.
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Der Sender 10 weist ein
Sender-Elektronikmodul 18 sowie ein Sensormodul 22 auf.
Das Sender-Elektronikmodul 18 weist zudem vorzugsweise
eine Anschlussfläche 20 zur
Aufnahme eines Eingangssignals von einer resistiven Temperaturvorrichtung
(RTV) auf, vorzugsweise einer 100 Ohm-RTV, die für gewöhnlich direkt in das Rohr oder
in einen Thermometerschacht eingeführt wird, der in das Rohr zum
Messen der Temperatur des Prozessfluids eingeführt wird. Die Drähte der
RTV sind an einer Seite eines Anschlussblocks in einem Temperatursensorgehäuse 24 angeschlossen.
Die andere Seite des Anschlussblocks ist mit Drähten verbunden, die durch das
Rohr 26 verlaufen und an die Anschlussfläche 20 angeschlossen
sind.
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Das Sensormodul 22 schließt einen
Differenzdrucksensor zum Messen des Differenzdrucks (h) und einen
Drucksensor zum Messen des Gesamtdrucks (PTOT)
ein. Die beiden Sensoren liefern Drucksignale, die digitalisiert
und an einen Mikroprozessor geleitet werden. Das Modul 22 koppelt über die
durch den Sockel 23 gestützte Rohrverzweigung 21 an
den Messaufnehmer 14. Die kompensierten, linearisierten
und digitalisierten Signale werden an das Elektronikmodul 18 geliefert.
Das Elektro nikmodul 18 in dem Sender 10 liefert
ein Ausgangssignal, das Prozesszustände, wie z. B. die Strömungsrate
(Q) des durch das Rohr 12 an eine Fernadresse fließenden Prozessfluids
anzeigt, über
eine 4–20
mA-Zweidrahtschleife, die vorzugsweise gebildet wird, indem sie
verdrillte Doppelleiter verwendet, durch ein flexibles Leitungsrohr 28.
Weiter liefert der Sender 10 erfindungsgemäß auch ein
Ausgangssignal, das die Strömungsrate
anzeigt. Der Sender 10 ist an einen Messaufnehmer 14 gekoppelt.
Der Messaufnehmer 14 kann beispielsweise eine Staudüse aufweisen,
wie sie in dem am 15. Mai 1979 erteilten US-Patent 4,154,100 von
Harbaugh et al. mit dem Titel "Verfahren
und Vorrichtung zum Stabilisieren des Strömungskoeffizienten für Flussmesser
von der Art einer Staudüse
mit einer stromabwärts
gerichteten Öffnung" gezeigt ist.
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Bei andersartigen Messaufnehmern 14,
wie z. B. Messblenden, Düsen
oder Venturi-Durchflusser, ist der von dem Sender 10 gemessene
Druck der statische Druck (PSTAT) des Prozessfluids,
mit dessen Hilfe die Gasdichte (ρ)
und der Gasausdehnungskoeffizient (Y1) berechnet werden. Diese Werte
werden für
die Berechnung der Strömungsrate
verwendet. In der Erfindung wird der Sender 10 zusammen
mit einem Messaufnehmer von der Art einer Staudüse zur Bildung eines Mittelwerts
verwendet, wie sie in dem US-Patent 4,154,100 gezeigt ist, und der
gemessene Druck auf der Stromaufwärtsseite der Staudüse ist ein
Durchschnittswert des Gesamtdrucks PTOT,
der manchmal auch als Staudruck bezeichnet wird. Ein zweites Rohr weist
einen derartigen Winkel zur Strömungsrichtung
auf, dass sich ein Differenzdruck (h) zwischen den Rohren entwickelt.
Der Gesamtdruck (PTOT) ist höher als
der statische Druck (PSTAT), so dass die
Verwendung des Gesamtdrucks (PTOT) zur Berechung
der Gasdichte und des Gasausdehungskoeffizienten zu Fehlern bei
der Strömungsrate
führt.
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Die 1B und 1C zeigen detailliertere
Ansichten eines Messaufnehmers 14 von der Art einer Mittelwertbildungs-Stau düse, der
in ein Rohr 12 hineinragt. Der Messaufnehmer 14 weist
einen länglichen
Körper 30A auf,
der eine nach vorne gerichtete Staudüse 30B und eine zweite,
stromabwärts
gerichtet Staudüse 30C aufweist.
Die Rohre 30B und 30C weisen eine Vielzahl von Öffnungen 32 bzw.
34 auf, die entlang der Länge der
Rohre verteilt sind. Die Vielzahl von Öffnungen stellt sicher, dass
ein Durchschnittsdruck entlang dem gesamten Strom 16 gemessen
wird. Die Rohre 30B und 30C sind mit dem Sensorkörper 22 des
Senders 10 über die
Rohrleitung 21A und 21B sowie die Rohrverzweigung 21 verbunden.
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Zur Darstellung des Fehlers in den
Strömungsberechnungen,
wenn der Gesamtdruck PTOT als ein Schätzwert des
statischen Drucks PSTAT herangezogen wird,
ist es aufschlussreich, einige Beispiele auszuwerten. Dabei wird
folgendermaßen
vorgegangen:
- 1. Es wird von einer Rohrgröße, einem
Fluid, einem Druck und einem Temperaturbereich ausgegangen. Der
Druck, von dem in diesem Schritt ausgegangen wird, ist der statische
Druck PSTAT
- 2. Basierend auf den Betriebsbereichen werden PMIN,
PMID, PMAX sowie
TMIN, TMID, TMAX berechnet, um die Leistung über den
gesamten Druck- und Temperaturbereich zu bewerten.
- 3. Aus den neun möglichen
Kombinationen von P und T aus Schritt 2 werden die Strömungsraten
mit Hilfe eines Referenz-Blendenströmungsmessers bei einem Differenzdruck
gemessen, der von 5,6 cm bis 560 cm (2,5 bis 250 Zoll) H2O reicht.
- 4. Berechnung des exakten Gesamtdrucks PTOT aus
PSTAT indem die folgende Gleichung verwendet
wird:
wobei : PTOT =
Gesamtdruck in kg/m2 (psia)
PSTAT = Statischer Druck in kg/m2 (psia)
Q
= Massenströmungsrate
in kg/sek (lbm/sek)
A = Rohrfläche in cm2 (Zoll2)
Rg = spezifische Gaskonstante (Ru/Mo1
Wt)
Ru = allgemeine Gaskonstante
T
= Absolute Temperatur in (K)
gc = Gravitations-Proportionalitätskonstante
γ = Verhältnis der
spezifischen Wärme
(isentropischer Exponent)
Die Gleichung 3 setzt PTOT und
PSTAT in eine Beziehung zueinander. Darüber hinaus
handelt es sich bei der in der Gleichung verwendeten Temperatur
um die Gesamttemperatur. Zum Zwecke dieser Analyse geht man davon
aus, dass die von der RTV gemessene Temperatur die Gesamttemperatur
darstellt. Einzelheiten siehe "Generalized
Flow Across and Abrupt Enlargement" (Benedict, Wyler, Dudek und Gleed,
Transactions of ASME, Journal of Power Engineering, Juli 1976, 327–334). Der
unter Verwendung dieser Beziehung berechnete Gesamtdruck (PTOT) repräsentiert
den Stromaufwärts-Druck, der ansonsten
von dem Sender 10 unter Verwendung des Rohrs 30B gemessen
würde.
Die Vorgehensweise geht folgendermaßen weiter:
- 5. Die Dichte-Berechnungen werden verglichen, indem die Werte
des statischen Drucks PSTAT und die berechneten
Werte des Gesamtdrucks PTOT herangezogen
werden.
- 6. Berechnung des Abfalls des Differenzdrucks (h) an einem Mittelwertbildungs-Sensor
unter Verwendung von Gleichung 2.
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Die Auswirkung auf den Strömungs-Messfehler
bei der Verwendung des Gesamtdrucks (PTOT)
anstelle des statischen Drucks (PSTAT) ist
dargestellt, indem die Unterschiede bewertet werden, die auftreten,
wenn die beiden Drücke
zum Berechnen der Dichte von Gasen verwendet werden. Dies ist in 2 dargestellt. Die unter
Verwendung des Gesamtdrucks (PTOT) berechnete
Dichte ist höher
als die Dichte, die unter Verwendung des statischen Drucks (PSTAT) berechnet wird. Wie in 3 gezeigt nimmt die Differenz mit Zunahme
der Strömungsrate
und mit Abnahme des statischen Drucks zu. 2 zeigt einen Vergleich des maximalen
Fehlers bei der Gasdichte als Funktion des statischen Drucks für die drei
in dieser Analyse verwendeten Gase. Die Daten wurden für die Strömung in
einem Rohr mit einem Durchmesser von 18 cm (8 Zoll) berechnet.
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Eine Überprüfung der Gleichungen 1 und
2 legt nicht so einfach die Beziehung zwischen dem Gesamtdruck (PTOT) dem statischen Druck (PSTAT)
und dem Differenzdruck (h) offen. Falls die Differenz zwischen dem Gesamtdruck
und dem statischen Druck jedoch als Kurve im Verhältnis zum
Differenzdruck dargestellt wird, dann ist diese nahezu linear (siehe 3). Die Differenz ist zudem
ziemlich unempfindlich gegenüber
statischem Druck und Temperatur.
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Der Gesamtdruck (PTOT)
kann korrigiert werden, damit sich dieser dem statischen Druck (PSTAT) annähert,
indem diese nahezu lineare Beziehung ausgenutzt wird. Da der Gesamtdruck
und der statische Druck bei null Strömungsrate gegen den selben
Wert konvergieren, kann die Beziehung zwischen dem Gesamtdruck und
dem statischen Druck folgendermaßen ausgedrückt werden: PTOT – PSTAT = C1h Gleichung 4oder PSTAT =
PTOT – C1h Gleichung
5wobei es sich bei C1 um
das Durchschnittsgefälle über den Betriebsbereich
von Druck und Temperatur handelt. 4 zeigt,
dass die Bewertungsmethode aus Gleichung 5 sehr genau bei der Bewertung
des statischen Drucks (PSTAT) ist, sogar
bei großen
Differenzdrücken
(h). In einer Ausführungsform
könnte
die Genauigkeit der Berechnung des statischen Drucks PSTAT erhöht werden,
indem ein Polynom höheren
Grades bei h verwendet würde.
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5 ist
ein vereinfachtes Blockdiagramm, das den Sender 10 für die Implementierung
der vorliegenden Erfindung zeigt. Der Sender 10 schließt den Mikroprozessor 40 ein,
der an den Analog-Digital-Wandler 42 angeschlossen ist.
Der Analog-Digital-Wandler 42 koppelt
zum Messen eines Drucks (PTOT) am Rohr 30B bzw, zum
Messen eines Differezdrucks (h) am Rohr 30C an die Drucksensoren 44 und 46.
Die Sensoren 44 und 46 liefern ein Gesamtdruck-Sensor-Ausgangssignal
PTOT und ein Differenzdruck-Sensor-Ausgangssignal
h' an den Wandler 42 und
sind mit dem in 1A gezeigten
Messaufnehmer 14 gekoppelt. Der Analog-Digital-Wandler 42 empfängt zudem
ein Temperatur-Eingangssignal vom Temperatursensor 24.
Der Mikroprozessor 40 arbeitet gemäß im Speicher 50 gespeicherten
Befehlen bei einer durch die Taktuhr 52 bestimmten Taktrate.
Der Speicher 50 speichert zudem Informationen für den Mikroprozessor 40.
Die Eingabe-/Ausgabe-Schaltkreisanordnung 54 ist über Anschlussverbindungen 56 mit
einer Prozessregelschleife 28A verbunden. Die Schleife 28A führt Strom
I von einer entfernten Energiequelle, die von der Eingabe-/Ausgabe-Schaltkreisanordnung
54 zur Erzeugung von Energie für
den Sender 10 verwendet wird. In einer Ausführungform wird
der Sender 10 vollständig
(oder ausschließlich)
durch den Schleifenstrom I betrieben. Es werden Informationen über die
Schleife 28A durch die Eingabe-/Ausgabe-Schaltkreisanordnung
54 übertragen,
indem der Wert des Stroms I der Regelschleife 28A gesteuert
wird. Darüber
hinaus kann die Eingabe-/Ausgabe-Schaltkreisanordnung 54 Informationen
auf die Schleife 28A digital aufmodulieren. Der Sender 10 ist
auch in der Lage, Befehle über
die Schleife 28A zu empfangen. Der Mikroprozessor 40 verwendet
die vorstehend erläuterten Gleichungen
und berechnet die Strömungsrate
(Q) genau, indem er den Gesamtdruck (PTOT)
zum Bestimmen der Fluiddichte (ρ)
verwendet.
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Die vorliegende Erfindung liefert
einen geschätzten
Wert für
den statischen Druck (PSTAT) basierend auf dem
Druck (PTOT) und dem Differenzdruck (h)
von einem Messaufnehmer von der Art einer Staudüse zur Bildung eines Mittelwerts.
Somit kann auf den zusätzlichen
Sensor, der beim Stand der Technik zum Messen des statischen Drucks
verwendet wird, verzichtet werden, und das zusätzliche Hindernis im Strömungsrohr
wird beseitigt.
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Obwohl die vorliegende Erfindung
mit Bezug auf die bevorzugten Ausführungsformen beschrieben worden
ist, ist es für
Fachleute in der Technik offensichtlich, dass Veränderungen
hinsichtlich Form und Detail vorgenommen werden können, ohne
vom Schutzumfang der vorliegenden Erfindung gemäß den Ansprüchen abzuweichen. Beispielsweise
können
zusätzliche
Analog-Digital-Wandler oder Mikroprozessoren ebenfalls zur Optimierung
des Systems eingesetzt werden. Darüber hinaus kann jede Art von
Messaufnehmer von der Art einer Staudüse zur Bildung eines Mittelwerts
verwendet werden. Des Weiteren versteht sich, dass der Schritt der
Berechnung des statischen Drucks (PSTAT)
direkt in anderen Gleichungen angewendet werden kann, beispielsweise
in solchen, die für
die Berechnung der Dichte (ρ),
des Gasausdehnungskoeffizienten (Y1) oder
der Strömungsrate
(Q) verwendet werden.
