-
Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit
und/oder des Durchflusses eines Fluids gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
-
In
der Prozessdurchflussmesstechnik werden unter anderem Ultraschallzähler für die Durchflussmessung
eingesetzt. Diese bestehen im wesentlichen aus einem Messaufnehmer,
der ein Rohrstück mit
angeschweißten
Anschlussflanschen umfasst, den Ultraschallwandlern, auch Ultraschallsonden
genannt und die in dem Rohrstück
des Messaufnehmers eingesetzt sind, sowie einer Signalverarbeitungseinheit
zur Ansteuerung der Ultraschallsonden und Verarbeitung der von den
Sonden abgegebenen Signale.
-
Das
Messprinzip besteht in einer Detektion einer Laufzeitdifferenz zweier
Ultraschallsignale, die in eine Richtung abgestrahlt bzw. empfangen
werden, die einmal eine Komponente in Strömungsrichtung und einmal eine
Komponente entgegen der Strömungsrichtung
aufweist. Dazu müssen
die Signale in einem bestimmten Winkel ungleich 90° zur Strömungsachse
abgesendet bzw. empfangen werden.
-
Allen
Ultraschallzählern
ist gemeinsam, dass die in den Messaufnehmer schräg eingesetzten
Sonden von dem eigentlich runden Rohrstück des Messaufnehmers abragen.
Jede Sonde muss eine elektrische Verbindung mit der Signalverarbeitungseinheit haben,
so dass von jeder abragenden Sonde ein oder mehrere Kabel weiter
abragen und zur Signalverarbeitungseinheit im wesentlichen freiliegend
verlegt sind. Aus Explosionsschutzgründen werden die Kabel zum Teil
auch in separaten Röhren,
die am Messaufnehmer zusätzlich
angebracht sind, geführt.
-
Prozessdurchflussmessgeräte, wie
der vorgenannte Ultraschallzähler,
werden in rauhen Industrieumgebungen, z.B. in der chemischen Industrie, auf
Erdgasförderfeldern,
in Übergabestationen
oder in Transmissionsleitungen eingesetzt. In diesen Umgebungen
werden die Geräte,
die je nach Nenndurchmesser ein erhebliches Gewicht haben können, mit
schweren Geräten,
wie Gabelstapler oder dergleichen, gehandhabt.
-
Ein
derart rohe Handhabung birgt aber die Gefahr der Beschädigung oder
Abriss der frei verlegten Kabel bei der Montage, Inspektion oder
Wartung. Deshalb erfolgt der Einbau eines solchen Zählers häufig mit
demontierten Kabeln, wodurch der Messaufnehmer mit seinen Flanschen
besser zugänglich wird
und das Ausfallrisiko durch Beschädigung oder Abriss von Kabeln
vermindert wird. Allerdings erhöht sich
dadurch der Montageaufwand erheblich mit den entsprechenden Kosten.
-
Ausgehend
von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes
Messgerät
bereitzustellen, mit dem die vorgenannten Nachteile vermieden werden
können
und das insbesondere leichter und sicherer handhabbar ist und das
besser gegen äußere Einflüsse geschützt ist.
-
Diese
Aufgabe wird gelöst
durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
-
Erfindungsgemäß sind die
elektrischen Verbindungen zwischen den Messkörpern und der Signalverarbeitungseinheit
zumindest bereichsweise in dem Messaufnehmer verdeckt geführt.
-
Eine
verdeckte Führung
der elektrischen Verbindungsleitungen in dem Messaufnehmer, beispielsweise
indem die Verbindungsleitungen in eine Wandung des Messaufnehmers
integriert werden, hat den besonderen Vorteil, dass die Leitungen
vor einer versehentlichen oder willentlichen Zerstörung komplett
geschützt
sind. Das Ausfallrisiko ist erheblich reduziert. Ein weiterer Vorteil
verdeckter Kabel ist, dass die Handhabbarkeit des Durchflussmessgerätes erheblich
verbessert ist, da keine störenden
Kabel freiliegen. Wenn die Kabel vollständig, also auf ihrer ganzen
Länge,
verdeckt sind, was bevorzugt ist, ist ein maximaler Schutz der Kabel
gegeben. Ein Anbringen der Kabel nach Montage der Messvorrichtung,
z.B. in eine Gasleitung, kann entfallen, da die Vorrichtung mit
vormontierten Kabeln montierbar ist. Des weiteren sind die Kabel
vor Witterungs- und sonstigen
Umwelteinflüssen,
wie z.B. Wildverbiss, optimal geschützt, wodurch die Lebensdauer
der Vorrichtung erhöht
ist. Verdeckte Kabel sind vor diesen Einflüssen weitgehend geschützt.
-
Durch
die zumindest bereichsweise Integration der Kabel in den Messaufnehmer
und dem damit gegebenen Schutz, kann auf sonstige Schutzmaßnahmen,
wie verstärkte
Isolation der Kabel oder separate Schutzröhren, verzichtet werden, wodurch eine
Kostenreduktion sowie eine vereinfachte Montage erreicht wird. Auch
kann durch die verdeckte Führung
der Kabel gegebenenfalls in kostengünstigerer und einfacherer Weise
ein in den meisten Einsatzfällen
notwendiger Explosionsschutz realisierbar sein.
-
Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
-
In
einer bevorzugten Ausführungsform
sind die Kabel in den Messaufnehmer zumindest bereichsweise integriert,
indem ein Bereich der Wandung des Messaufnehmers derart ausreichend
stark ist, dass die Kabel in dieser Wandung geführt werden können.
-
Dabei
kann die Integration in die Wandung auf verschiedenste Weise geschehen,
z.B. indem Vertiefungen in der Wandung vorgesehen werden, in die
die Kabel eingelegt und abgedeckt werden können. In einer bevorzugten
Ausführungsform
der Erfindung sind in dem Mittelstück des Messaufnehmers Bohrungen
vorgesehen, durch die die Verbindungen geführt sind. Dadurch ist eine
einfache und optimal stabile verdeckte Führung gegeben.
-
Die
Kabel werden an die Messkörper,
im weiteren auch Sonden genannt, angeschlossen, so dass sie zumindest
in dem Anschlussreich nicht in den Messaufnehmer integriert sein
können.
Um auch hier einen Schutz zu haben, ist in Weiterbildung der Erfindung
wenigstens eine Kappe vorgesehen, mit der der Messkörper und
der Kabelanschlussbereich abdeckbar sind. Dadurch können insbesondere
einfachere und damit kostengünstigere
Anschlusskontakte eingesetzt werden, denn die Kontakte müssen keine
besondere mechanische Stabilität
oder keinen besonderen Schutz gegen Umwelteinflüsse bieten, da dieser durch
die Kappe erfolgt.
-
Wenn
die Bohrungen sich von dem mit der Kappe abgedeckten Bereich bis
zu einem Anschlussbereich für
die an dem Messaufnehmer befestigbare Signalverarbeitungseinheit
erstrecken, ist ein kompletter optimaler Schutz der Kabel auf der
vollen Länge
gegeben.
-
Um
auf ein Schweißen,
dass bei Präzisionsarbeiten
sehr aufwendig ist, ein aufwendiges Prüfverfahren nach sich zieht
und einen thermischen Verzug bewirken kann, verzichten zu können, sind
das Mittelstück
mit den Anschlussflanschen und den Messkörperaufnahmen einstückig ausgebildet,
vorzugsweise ist der Messaufnehmer in einem Gießverfahren vorgefertigt. Das
Gießverfahren
kann vorteilhaft angewendet werden, wenn auf kompliziert auszuformende
Stutzen komplett verzichtet werden kann. Ein derart monolithisch
ausgebildeter Messaufnehmer muss dann lediglich durch mechanische
Nachbearbeitung in die gewünschte
Form gebracht werden, wobei die Nachbearbeitung an den Stellen des
Messaufnehmers vorgenommen wird, an denen eine hohe Präzision und/oder
eine Oberfläche
mit definierter Rauheit erforderlich ist, wie beispielsweise die
Positionierung von Messkörperaufnahmen.
-
In
Weiterbildung der Erfindung weist der Messaufnehmer an seinem rohrartigen
Mittelstück außenseitig
wenigstens zwei, im wesentlichen ebene Aufnahmeflächen auf,
die diametral gegenüberliegend
ein Aufnahmeflächenpaar
bilden. Durch die in den gegenüberliegenden
Aufnahmeflächen
angeordneten Messkörper
ist ein Messpfad definiert. Die Aufnahmeflächen verlaufen zueinander parallel
und sind in einem Winkel zu einer Längsachse des Mittelstücks angeordnet.
-
In
dieser Ausbildung können
gerade abstrahlende Ultraschallsonden eingesetzt werden, wobei in einfachster
Weise durch die in einem Winkel zur Messaufnehmerachse angeordneten
ebenen Aufnahmeflächen
die exakte Abstrahl- bzw.
Empfangsrichtung der Ultraschallsignale gewährleistet ist. Der Winkel ist
dabei so gewählt,
dass eine Präzisionsbearbeitung
der Aufnahmeflächen
noch problemlos an den Anschlussflanschen vorbei erfolgen kann und die
in die Aufnahmeflächen
eingesetzten Messkörper problemlos
mit der Kappe abgedeckt werden können.
-
Des
weiteren ist in dieser Anordnung der Aufnahmeflächen an einer aufnahmeflächenfreien Seite
des Mittelstücks
ausreichend Platz gehalten für die
Anordnung der Signalverarbeitungseinheit. Es ist dann keine separate
Halterung notwendig. Die Signalverarbeitungseinheit kann direkt
an das Mittelstück
des Messaufnehmers befestigt, beispielsweise geschraubt, werden.
Die Kabel können
dann direkt aus dem Messaufnehmer durch einen Fuß eines Gehäuses der Signalverarbeitungseinheit
dieser zugeführt
werden.
-
Bevorzugt
wird diese Vorrichtung als Gaszähler
eingesetzt.
-
Im
Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme
auf die Zeichnung im Einzelnen erläutert. In der Zeichnung zeigen:
-
1.0 eine Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
-
1.1 eine Seitenansicht eines Messaufnehmers der
erfindungsgemäßen Vorrichtung
mit einer Signalverarbeitungseinheit;
-
2 eine
Draufsicht des Messaufnehmers aus 1.1;
-
3 einen
Querschnitt entlang der Linien III-III aus 1.1 mit
einem Messkörper;
-
4 bis 6 Querschnitte
entlang der Linien IV-IV, V-V und VI-VI aus 1.1;
-
7 eine
Ansicht einer Kappe;
-
8 einen
Querschnitt der Kappe aus 7;
-
Eine
erfindungsgemäße und in 1.0 dargestellte Vorrichtung 10 zum Messen
der Strömungsgeschwindigkeit
und/oder des Durchflusses eines Fluids weist einen Messaufnehmer 11 und
eine Signalverarbeitungseinheit 56 auf. Wie weiter unten
beschrieben wird, sind in dem Messaufnehmer 11 Messkörper, beispielsweise
Ultraschallwandler, die im weiteren kurz Sonden genannt werden,
eingesetzt, die über
Verbindungskabel mit der Signalverarbeitungseinheit verbunden sind.
Die Sonden und die Verbindungskabel sind in der Ansicht der 1.0 nicht zu erkennen, was auch Gegenstand der
Erfindung ist, wie im Folgenden erläutert wird.
-
Der
Messaufnehmer 11 weist ein rohrartiges Mittelstück 12 auf,
das zwischen Anschlussflanschen 14 und 16 angeordnet
ist. Das Mittelstück 12 ist
in seinem Inneren vorzugsweise kreisrund mit einer Nennweite D ausgebildet
entsprechend einer an die Anschlussflansche 14 und 16 anzuschließenden, nicht
näher dargestellten
Rohrleitung für
ein Fluid.
-
Außenseitig
weist das Mittelstück 12 wenigstens
zwei und bevorzugt vier im wesentlichen ebene Aufnahmeflächen 18, 20, 22 und 24 auf,
die sich paarweise parallel gegenüberliegen und so jeweils ein
Aufnahmeflächenpaar 18–20 und 22–24 bilden. Die
Aufnahmeflächen 18, 20, 22, 24 sind
in einem Winkel zur Längsachse 26 des
Mittelstücks 12,
die auch die Messaufnehmerachse bildet, angeordnet. Die Aufnahmeflächenpaare 18–20 und 22–24 sind
lediglich um eine Achse 28, die parallel zu den Aufnahmeflächen und
senkrecht zur Längsachse 26 des Messaufnehmers 11 verläuft, verdreht
angeordnet. Dadurch können
die vier Aufnahmeflächen
in bauraum- und materialsparender Anordnung vorgesehen sein.
-
In
dem dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt der Winkel
zwischen einer Flächennormalen und
der Längsachse 26 ca.
60°. Andere
Winkel sind möglich.
Der Winkel richtet sich danach, wie gut die Aufnahmefläche noch
mit einem Bearbeitungswerkzeug erreicht werden kann und wie groß die Schräglage der
weiter unten beschriebenen Messpfade sein soll.
-
In
dieser Anordnung sind die in Längsrichtung
benachbarten Aufnahmeflächen 18 und 22 bzw. 20 und 24 spiegelsymmetrisch
zu einer senkrecht zur Längsachse 26 verlaufenden
Mittelebene 30 angeordnet.
-
Bevorzugt
beträgt
die Länge
L des Messaufnehmers 11 etwa das Dreifache der Nennweite
D.
-
Die
Aufnahmeflächen 18 und 20 weisen
je eine Aufnahme 32 bzw. 34 auf, in die eine oben
bereits erwähnte
Sonde einsetzbar ist. In 3 ist eine solche Sonde schematisch
bei dem Bezugszeichen 35 dargestellt. Die Aufnahmen 32 und 34 fluchten
exakt miteinander, so dass die in die Aufnahmen 32 und 34 eingesetzten
Sonden 35 zueinander ausgerichtet sind und einen Messpfad 36 definieren.
Dabei senden und empfangen die Sonden den Ultraschall geradlinig
in ihrer Längsrichtung
entlang des Messpfads 36. Der Messpfad 36 schneidet
in diesem Ausführungsbeispiel
die Messaufnehmerachse 26.
-
Um
auch in außermittigen
Strömungsbereichen
messen zu können,
sind in den Aufnahmeflächen 22 und 24 entsprechende
Aufnahmen 38 und 40 (4) bzw. 42 und 44 vorgesehen,
in die in gleicher Weise Sonden einsetzbar sind und so Messpfade 46 und 48 definieren,
die nun außerhalb
der Mitte des Rohrquerschnitts des Messaufnehmers 11 mit Abstand
zur Messaufnehmerachse 26 verlaufen.
-
In
dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind
insgesamt drei Messpfade 36, 46 und 48 geschaffen.
Prinzipiell wäre
es denkbar, dass weitere Messpfade in gleicher Weise vorgesehen
sein können.
Allerdings weisen die Sonden einen Befestigungsflansch 37 auf
(3), mit dem sie auf den Aufnahmeflächen 18, 20, 22 bzw. 24 festlegbar
sind, wozu in den Aufnahmeflächen
entsprechende Befestigungsmöglichkeiten,
wie Gewindebohrungen 50 vorgesehen sind (1.1). Entsprechend der Größe der Befestigungsflansche 37 können nur
eine begrenzte Anzahl von Sonden auf einer Aufnahmefläche vorgesehen
werden. Alternativ können
die Sonden mit Überwurfmuttern
in Gewindelöcher
druckfest befestigt werden. In diesem Fall würde die Anzahl der Messpfade
durch den Außendurchmesser
der Überwurfmutter
beschränkt.
-
An
seiner Oberseite 52 ist der Messaufnehmer 11 abgeflacht
ausgebildet und weist einen Befestigungsbereich 54 für die Signalverarbeitungseinheit 56 (5 und 6).
Die Aufnahmeflächen 18, 20, 22, 24 erstrecken
sich bis an die Oberseite 52. Im Bereich der Oberseite 52 ist
die Wandstärke
des Mittelstücks 12 so
dick ausgebildet ist, dass etwa parallel zur Oberfläche 52 und
in der Wandung verlaufende Bohrungen 58, 60, 62 und 64 vorgesehen
sind, die sich von den Aufnahmeflächen 18, 20, 22, 24 bis
zu einer Vertiefung 65 in dem Befestigungsbereich 54 erstrecken
(5 und 6).
-
Durch
diese Bohrungen 58, 60, 62, 64 und die
Vertiefung 65 werden elektrische Verbindungskabel von der
Signalverarbeitungseinheit 56 durch einen Befestigungsfuß 57 der
Signalverarbeitungseinheit 56 zu den einzelnen Sonden geführt. Von
diesen Verbindungskabeln sind in 1.1 beispielhaft
drei dargestellt und mit den Bezugszeichen 70, 72 und 74 gekennzeichnet. Über die
Verbindungskabel 70, 72, 74 werden einerseits
die Sonden 35 elektrisch versogt und Signale mit der Signalverarbeitungseinheit 56 ausgetauscht.
Die Signalverarbeitungseinheit 56 wird auch als Messumformer
bezeichnet. In 3 ist eine der Sonden 35 dargestellt,
an die das Verbindungskabel 70 über einen geeigneten Steckkontakt 76 angeschlossen
ist.
-
Durch
die Führung
der Verbindungskabel 70, 72, 74 von der
Signalverarbeitungseinheit 56 bis zu dem Austritt aus den
Aufnahmeflächen 18, 20, 22, 24 durch
die Wandung des Mittelstücks 12 und
innerhalb des Befestigungsfußes 57 ist
ein optimaler Schutz gegeben.
-
Um
auch das noch freie Stück
der Verbindungskabel 70, 72, 74 von dem
Austritt aus den Aufnahmeflächen 18, 20, 22, 24 bis
zu den Steckkontakten 76 zu schützen, sowie auch die Sonden 35 selbst zu
schützen,
ist für
jede Aufnahmefläche 18, 20, 22, 24 eine
Kappe 66 vorgesehen, mit der die Sonden und die freien
Stücke
der Verbindungskabel abdeckbar sind. Eine solche Kappe ist in den 7 und 8 im
Einzelnen und in 1.0 im auf den Messaufnehmer 11 aufgesetzten
Zustand dargestellt.
-
Die
Kappen 66 können
in geeigneter Weise, beispielsweise durch jeweils vier Schrauben,
an das Mittelstück 12 festlegbar
sein. Die Kappen 66 sind vorzugsweise derart dimensioniert,
dass ihre Außenränder 68 entlang
der Ränder
der jeweiligen Aufnahmeflächen
verlaufen und somit die Kappen 66 jeweils die gesamte Aufnahmefläche abdecken.
-
Der
Messaufnehmer 11 ist einstückig ausgebildet, d.h. das
Mittelstück 12 mit
den Anschlussflanschen 14 und 16 und den Messkörperaufnahmen 32, 34, 38, 40, 42, 44 sind
aus einem Stück
Material gebildet und nicht durch Schweißen oder dergleichen Verbindung
aus Einzelteilen zusammengesetzt. Bevorzugt wird der Messaufnehmer 11 in
einem Gießverfahren
vorgefertigt und anschließend
werden die Bereiche, die präzise
gefertigt sein müssen,
wie z.B. die Aufnahmeflächen 18, 20, 22, 24 mit
den Sondenaufnahmen 32, 34, 38, 40, 42 44 durch
mechanische Bearbeitung präzise
geformt.
-
Die
komplette Vorrichtung ist in 1.0 dargestellt,
in der besonders gut zu erkennen ist, dass keinerlei Kabel freiliegen.
In der Ansicht nach 1.0 sind der Messaufnehmer 11 mit
seinem Flanschen 14 und 16, die aufgesetzten Kappen 66 und
die an dem Messaufnehmer 11 befestigte Signalverarbeitungseinheit 56 zu
erkennen.
-
Der
durch das Innere des Messaufnehmers 11 strömende Fluiddurchfluss
wird bestimmt, indem die Laufzeitdifferenz der Ultraschallsignale
in und entgegen der Strömungsrichtung
gemessen wird und aus dieser Differenz die Strömungsgeschwindigkeit und damit
der Durchfluss ausgerechnet wird. Die Ultraschallsonden 35 dienen
dabei sowohl als Sender wie auch als Empfänger, so dass jeder Messpfad
von den Ultraschallsignalen in beiden Richtungen genutzt wird.
-
Damit
Inhomogenitäten
im Strömungsprofil über den
Querschnitt nicht das Ergebnis verfälschen, sind mehrere Messpfade 36, 46, 48 vorgesehen,
die das Strömungsprofil
an unterschiedlichen Stellen, also mit unterschiedlichem Abstand
zur Messaufnehmerachse 26 durchwandern. Aus den Einzelergebnissen
für die
einzelnen Messpfade ergibt sich durch geeignete Integrationsverfahren
der Durchfluss.