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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Druckmessvorrichtung zur Messung eines Fluiddrucks in einem Rohr sowie ein entsprechendes Verfahren.
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Zur Dimensionierung von Rohren und Rohrleitungen sowie zur Auslegung von technischen Anlagen, die Rohre oder Rohrleitungen aufweisen, spielt der Druck, der im Inneren des Rohres vorherrscht, eine wesentliche Rolle. Dieser Druck wird im Wesentlichen von dem Fluid beeinflusst, das durch das Rohr strömt. Aus der Unkenntnis dieses Fluiddrucks oder aus falschen Annahmen bezüglich des Fluiddrucks können Schädigungen an der Rohrwand des durchströmenden Rohres resultieren. Um derartige Schädigungen zu vermeiden und um Strömungsvorgänge zu optimieren, spielt die Messung des Fluiddrucks im technischen Anlagenbau eine wesentliche Rolle.
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Üblicherweise wird der Fluiddruck in Rohrleitungen mittels Drucksensoren ermittelt, die an unterschiedlichen Positionen eines Rohres angeordnet sind. Dafür werden die Drucksensoren in T-förmig ausgebildete Rohrabschnitte eingesetzt, die wiederum in dem zu messendem Rohr montiert werden. Der zusätzlich eingefügte Rohrabschnitt führt jedoch zu Verwirbelungen in dem das Rohr durchströmende Fluid. Derartige Verwirbelungen können zu einem unerwünschten Einfluss auf die Strömung des Fluids führen. Ferner kann es bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten eines Fluids zusätzlich Einflüsse auf den Fluiddruck geben, so dass der gemessene Druck nicht dem der übrigen Rohrleitung entsprechen kann, was zu gravierenden Messfehlern führen kann.
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Darüber hinaus sind die in den T-förmigen Rohrabschnitten angeordneten Drucksensoren oft einem direkten Kontakt mit dem zu messenden Fluid und können daher einer chemischen Belastung ausgesetzt sein. Dies führt zu einer verkürzten Lebensdauer der Drucksensoren.
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Das zuvor beschriebene System und Verfahren zur Druckmessung eines Fluiddrucks stellt einen allgemeinen Kenntnisstand des Anmelders dar, der sich jedoch nicht notwendigerweise auf einen konkreten Stand der Technik bezieht.
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Aus
DE 10 2019 206 202 A1 ist beispielsweise eine Druckmessvorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 bekannt.
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Ferner beschreibt US 2020 / 0 088 592 A1 ein System und Verfahren zur Messung von Kraft und Druck, die auf eine Kraftmesszelle einwirken.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung eines Fluiddrucks in einem Rohr bereitzustellen, mit dem der Druck eines Fluids, das durch ein Rohr strömt, verbessert und kostengünstig ermittelbar ist.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist durch die Merkmale des Anspruchs 1 definiert, das erfindungsgemäße Verfahren ist durch die Merkmale des Anspruchs 8 definiert.
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Die erfindungsgemäße Druckmessvorrichtung zur Messung eines Fluid weist ein Rohr, das eine Rohrwand aufweist, die einen Rohrraum umgibt, auf, wobei der Rohrraum einen konstanten Strömungsquerschnitt für das Fluid aufweist, wobei in einem Messbereich des Rohres ein erster Rohrwandabschnitt eine erste Rohrwandstärke a aufweist und ein zweiter Rohrwandabschnitt eine zweite Rohrwandstärke b aufweist, wobei a < b gilt. An dem ersten Rohrwandabschnitt ist ein Dehnungsmessstreifen angeordnet, und mit einer an dem zweiten Rohrwandabschnitt angeordneten Messeinrichtung, wobei die Messeinrichtung direkt oder direkt eine Verformung des zweiten Rohrwandabschnitts bestimmt.
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Unter „Rohr“ werden im Rahmen der Erfindung zylinderförmige, länglichen Hohlkörper verstanden, deren Länge in der Regel wesentlich größer als ihr Durchmesser ist.
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Durch die erfindungsgemäße Druckmessvorrichtung kann der Fluiddruck eines in einem Rohr befindlichen Fluids auf besonders einfache Weise bestimmt werden. Unter „Fluiddruck“ ist im Rahmen der Erfindung der Druck innerhalb eines Fluids zu verstehen, wobei es sich bei dem Fluid beispielsweise um eine Flüssigkeit, ein Gas oder ein Plasma handeln kann. Der Fluiddruck übt eine Kraft auf die Rohrwand aus, sodass ein ausreichend großer Fluiddruck zu einer Verformung der Rohrwand führt.
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Die durch den Fluiddruck ausgelöste Verformung der Rohrwand wird durch einen an einem ersten Rohrwandabschnitt angeordneten Dehnungsmessstreifen erfasst. Dabei ist der erste Rohrwandabschnitt in einem Messbereich angeordnet und weist eine Rohrwandstärke a auf. Die Rohrwandstärke a entspricht dabei einer Rohrwandstärke, die bereits bei einem vergleichsweise geringen Fluiddruck verformt wird.
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Die Messung der Verformung des ersten Rohrwandabschnitts erfolgt durch den Dehnungsmessstreifen. Wird der Rohrwandabschnitt einem Fluiddruck ausgesetzt, dehnt sich der Rohrwandabschnitt und entsprechend wird der an dem Rohrwandabschnitt angeordnete Dehnungsmessstreifen verformt. Die aus der Verformung resultierende Längen- und Querschnittsänderung des Dehnungsmessstreifens führen zu einer Widerstandsänderung des Dehnungsmessstreifens, sodass auf diese Art und Weise die Verformung des Rohrwandabschnitts erfasst werden kann. Die Verformung des Rohrwandabschnitts wird neben dem Fluiddruck darüber hinaus durch die Umgebungs- und die Fluidtemperatur beeinflusst.
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Um den Temperatureinfluss zu kompensieren, wird die an dem zweiten Rohrwandabschnitt angeordnete Messeinrichtung verwendet. Die Messeinrichtung bestimmt direkt oder indirekt eine Verformung des zweiten Rohrwandabschnitts. Da der zweite Rohrwandabschnitt eine zweite Rohrwandstärke b aufweist, wobei die Rohrwandstärke a des ersten Rohrwandabschnitts kleiner ist als die Rohrwandstärke b des zweiten Rohrwandabschnitts, ist der zweite Rohrwandabschnitt mit der Rohrwandstärke b wesentlich unempfindlicher gegenüber der durch den Fluiddruck ausgelösten Verformung. Dadurch kann die mittels der Messeinrichtung bestimmte Verformung des zweiten Rohrwandabschnitts als ausschließlich oder nahezu ausschließlich durch Temperaturgradienten hervorgerufene Verformung angenommen werden, wodurch eine Kompensation des Temperatureinflusses bei der mittels dem Dehnungsmessstreifen ermittelten Verformung des ersten Rohrwandabschnitts erfolgen kann. Somit ist eine besonders genaue Bestimmung des Fluiddrucks möglich, da der ausschließlich oder nahezu ausschließlich durch den Fluiddruck hervorgerufene Anteil der Verformung des ersten Rohrwandabschnitts ermittelt werden kann.
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Der Dehnungsmessstreifen bestimmt direkt die Verformung an einem ersten Rohrwandabschnitt und die Messeinrichtung bestimmt direkt oder indirekt die Verformung eines zweiten Rohrwandabschnitts. Da der Rohrraum, den die Rohrwand umgibt, einen konstanten Strömungsquerschnitt für das Fluid aufweist, wird der Fluiddruck nicht durch Änderungen eines Strömungsquerschnitts beeinflusst.
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In einer alternativen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Druckmessvorrichtung zur Messung eines Fluid weist ein Rohr, das eine Rohrwand aufweist, die einen Rohrraum umgibt, auf, wobei der Rohrraum einen konstanten Strömungsquerschnitt für das Fluid aufweist, wobei in einem Messbereich des Rohres ein Rohrwandabschnitt vorliegt. An dem ersten Rohrwandabschnitt ist ein Dehnungsmessstreifen angeordnet. Ferner ist in dem Messbereich eine Messeinrichtung zur Bestimmung der Temperatur des Rohrwandabschnitts vorgesehen. Anstelle die durch Temperaturgradienten hervorgerufene Verformung des Rohrwandabschnitts durch eine Vergleichsmessung zu bestimmen, wird bei diesem Ausführungsbeispiel die durch Temperaturgradienten auftretende Verformung rechnerisch kompensiert. Grundsätzlich kann die Temperatur des Rohrwandabschnitts mittels der Messeinrichtung direkt an dem Rohrwandabschnitt bestimmt, beispielsweise gemessen werden, oder indirekt durch ein Temperaturmessung in der unmittelbaren Umgebung des Rohrwandabschnitts, wobei auch ein benachbarter weiterer Rohrwandabschnitt als unmittelbaren Umgebung anzusehen ist.
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Der Dehnungsmessstreifen kann beispielsweise ein Folien-Dehnungsmessstreifen, ein Halbleiter-Dehnungsmessstreifen, ein Draht-Dehnungsmessstreifen oder ein Mehrfach-Dehnungsmessstreifen sein. Der Dehnungsmessstreifen kann beispielsweise durch Kleben an dem ersten Rohrwandabschnitt angebracht werden. Die Messeinrichtung kann beispielsweise ebenfalls durch Kleben an dem zweiten Rohrwandabschnitt angebracht werden.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der zweite Rohrwandabschnitt den ersten Rohrwandabschnitt umgibt. Bei derartiger Ausgestaltung der Erfindung kann der Messbereich somit die Form eines Doppelrohrs aufweisen. Die an dem zweiten Rohrwandabschnitt angeordnete Messeinrichtung kann dabei flexibel innen oder außen an dem zweiten Rohrwandabschnitt angeordnet sein. Umgibt der zweite Rohrwandabschnitt den ersten Rohrwandabschnitt, so schützt der zweite Rohrwandabschnitt den ersten Rohrwandabschnitt in besonders vorteilhafter Weise gegen Einflüsse von außen. Im Fall, dass der Fluiddruck einen für das Rohr im Bereich des ersten Rohrwandabschnitts tolerierbaren Höchstwert überschreitet, kann das Rohr im Bereich des ersten Rohrwandabschnitts reißen und das Fluid kann durch den gerissenen ersten Rohrwandabschnitt hinausströmen. Durch den zweiten Rohrwandabschnitt, der den ersten Rohrwandabschnitt umgibt, wird das Ausströmen des Fluids aus dem Rohr, z.B. in die Umwelt, jedoch verhindert. Da die Rohrwandstärke b des zweiten Rohrwandabschnitts größer ist als die Rohrwandstärke a des ersten Rohrwandabschnitts bietet der zweite Rohrwandabschnitt einen größeren Stabilität als der erste Rohrwandabschnitts.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht das Rohr aus einem metallischen Material. Das metallische Material kann beispielsweise Aluminium, Kupfer, Stahl oder Edelstahl sein. Metallische Rohre sind besonders vorteilhaft für die Verwendung mit hohen Fluiddrücken.
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Vorzugsweise ist an einem Anfangsbereich des Rohres und/oder an einem Endbereich des Rohres ein Flansch angeordnet. Durch die Anordnung mindestens eines Flansches lässt sich die erfindungsgemäße Druckmessvorrichtung auf besonders einfache Art und Weise in ein bestehendes Rohrsystem integrieren. Ferner kann das Rohr der Druckmessvorrichtung auf besonders vorteilhafte Weise ausgetauscht oder gewartet werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist an dem Dehnungsmessstreifen und/oder an der Messeinrichtung ein Messverstärker angeordnet. Durch den Messverstärker kann die von dem Dehnungsmessstreifen und/oder der Messeinrichtung detektierten Signale besonders vorteilhaft verstärkt werden. Dadurch kann die Genauigkeit des Messergebnisses gesteigert und der Fluiddruck mit besonders hoher Genauigkeit bestimmt werden. Ferner kann durch einen Messwertverstärker eine Grenzwertüberwachung und ein Monitoring der Verformung des ersten und des zweiten Rohrwandabschnittes und somit des Fluiddrucks erfolgen. Dadurch können kritische Zustände des Rohres durch ungewünschte Drucksituationen vorteilhaft vermieden werden.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Dehnungsmessstreifen außen an dem ersten Rohrwandabschnitt angeordnet ist. Dadurch kann der Dehnungsmessstreifen auf besonders einfache Art und Weise an dem Rohrwandabschnitt angeordnet werden, beispielsweise durch Kleben. Ferner beeinflusst der außen angeordnete Dehnungsmessstreifen den Strömungsverlauf des Fluids innerhalb des Rohres nicht und der Dehnungsmessstreifen kommt nicht mit dem Fluid in Berührung, so dass dieser keiner chemischen Belastung durch das Fluid ausgesetzt ist. Darüber hinaus kann der Dehnungsmessstreifen durch eine derartige Anordnung auf besonders vorteilhafte Weise mit weiteren Komponenten wie beispielsweise einem Messverstärker verbunden werden.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Messeinrichtung außen an dem zweiten Rohrwandabschnitt angeordnet ist. Die außen an dem zweiten Rohrwandabschnitt angeordnete Messeinrichtung kann auf besonders vorteilhafte Weise an dem zweiten Rohrwandabschnitt angeordnet werden, beispielsweise durch Kleben. Ferner beeinflusst die außen an dem zweiten Rohrwandabschnitt angeordnete Messeinrichtung nicht das Strömungsverhalten des durch das Rohr strömenden Fluides und die Messeinrichtung kommt nicht mit dem Fluid in Berührung, so dass dieser keiner chemischen Belastung durch das Fluid ausgesetzt ist. Darüber hinaus kann die Messeinrichtung durch eine derartige Anordnung auf besonders vorteilhafte Weise mit weiteren Komponenten wie beispielsweise einem Messverstärker verbunden werden.
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In der Ausführungsform, in der der zweite Rohrwandabschnitt den ersten Rohrwandabschnitt umgibt, kann die Messeinrichtung auch innen an dem zweiten Rohrwandabschnitt angeordnet sein. In diesem Fall ist die Messeinrichtung in besonders vorteilhafterweise vor Umwelteinflüssen, wie beispielsweise Witterungseinflüssen, geschützt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Messeinrichtung ein weiterer Dehnungsmessstreifen. Der weitere Dehnungsmessstreifen misst die Verformung des zweiten Rohrwandabschnitts, wobei der weitere Dehnungsmessstreifen vorzugsweise mit dem Dehnungsmessstreifen gegensätzlich verschaltet ist. Der Dehnungsmessstreifen ist an dem ersten Rohrwandabschnitt angeordnet, und der weitere Dehnungsmessstreifen ist an dem zweiten Rohrwandabschnitt angeordnet. Aufgrund der unterschiedlichen Rohrwandstärke a des ersten Rohrwandabschnitts und Rohrwandstärke b des zweiten Rohrwandabschnitts verformen sich der erste Rohrwandabschnitt und der zweite Rohrwandabschnitt unterschiedlich, so dass die von den Dehnungsmessstreifen gemessenen Werte unterschiedlich sind.
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Durch den Dehnungsmessstreifen und die Messeinrichtung soll die durch Temperaturgradienten bedingte Dehnung des ersten Rohrwandabschnitt ermittelt werden. Daher ist es von Vorteil, wenn der Dehnungsstreifen und die Messeinrichtung möglichst mit einem geringen Abstand zueinander anzuordnen sind, so dass der erste und der zweite Rohrwandabschnitt der gleichen oder einer ähnlichen Temperatur ausgesetzt sind.
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Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Messung eines Fluiddrucks mit einer Druckmessvorrichtung und weist folgende Schritte auf:
- a) Bestimmen einer Verformung eines ersten Rohrwandabschnitts mit einer Rohrwandstärke a mittels eines Dehnungsmessstreifens,
- b) Direktes oder indirektes Bestimmen einer Verformung eines zweiten Rohrwandabschnitts mit einer Rohrwandstärke b mittels einer Messeinrichtung, wobei a < b gilt,
- c) Auswerten der durch den Dehnungsmessstreifen und durch die Messeinrichtung bestimmten Verformungen, wobei die Verformung des ersten Rohrwandabschnittes und die Verformung des zweiten Rohrwandabschnittes zur Bestimmung des Fluiddrucks ausgewertet werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird insbesondere mit der zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Druckmessvorrichtung durchgeführt. Grundsätzlich bestehen die bei der erfindungsgemäßen Druckmessvorrichtung beschriebenen Vorteile auch bei dem erfindungsgemäßen Verfahren.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht auf vorteilhafte Weise und mit geringem konstruktiven Aufwand die Bestimmung eines Fluiddrucks in einem Rohr. Aufgrund der einfachen Konstruktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann auf eine weitere Präparation eines Rohres bzw. eines Rohrsystems verzichtet werden, sodass die Dauer und Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber herkömmlichen Verfahren deutlich verkürzt ist.
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Durch das verfahrensgemäße Bestimmen einer Verformung eines ersten Rohrwandabschnitts mit einer Rohrwandstärke a mittels eines Dehnungsmessstreifens kann die Verformung auf besonders einfache Art und Weise und ohne großen Konstruktiven Aufwand bestimmt werden. Dabei bestimmt der Dehnungsmessstreifen die Verformung des ersten Rohrwandabschnitts über eine Änderung des Widerstands. Wird der Dehnungsmessstreifen gedehnt, so nimmt sein Widerstand zu. Somit lässt sich aus der Änderung des Widerstands des Dehnungsmessstreifens die Verformung des ersten Rohrwandabschnitts mit hoher Präzision in vorteilhafter Weise bestimmen.
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Durch das direkte oder indirekte Bestimmen einer Verformung eines zweiten Rohrwandabschnitts mit einer Rohrwandstärke b mittels einer Messeinrichtung, wobei a < b gilt, werden weitere Informationen bezüglich der Verformung des Rohres gewonnen. Da die Rohrwandstärke a des ersten Rohrwandabschnitts kleiner ist als die Rohrwandstärke b des zweiten Rohrwandabschnitts, unterscheiden sich die Informationen bezüglich der Verformung, die mittels der Messeinrichtung gewonnen werden, von den Informationen, die mittels des Dehnungsmessstreifens gewonnen werden. Aufgrund der größeren Rohrwandstärke b des zweiten Rohrwandabschnitts wird die Verformung des zweiten Rohrwandabschnitts nicht und deutlich geringer durch den Fluiddruck hervorgerufen, sondern im Wesentlichen durch Temperaturgedienten. Die so gewonnen Informationen bzgl. der durch Temperaturgedienten hervorgerufene Verformung des zweiten Rohrwandabschnitts können zu einer Kompensation des Anteils der Verformung des ersten Rohrwandabschnitts, der durch Temperaturgedienten hervorgerufen wird, verwendet werden, so dass der Fluiddruck genauer bestimmbar ist.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Verfahren eine erfindungsgemäße Druckmessvorrichtung verwendet. Ein derartiges Verfahren bietet den besonderen Vorteil, dass der Fluiddruck in einem Rohr auf besonders einfache Art und Weise bestimmt werden kann.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das direkte Bestimmen der Verformung des zweiten Rohrwandabschnitts mittels der Messeinrichtung mittels eines weiteren Dehnungsmessstreifens erfolgt. Dabei können der Dehnungsmessstreifen und der weitere Dehnungsmessstreifen gegensätzlich verschaltet sein.
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Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die einzige Figure die erfindungsgemäße Druckmessvorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren im Detail erläutert.
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Mittels der erfindungsgemäßen Druckmessvorrichtung 1 und mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens kann der Fluiddruck in einem Rohr 2 gemessen werden. Die erfindungsgemäße Druckmessvorrichtung 1 weist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel ein Rohr 2, das eine Rohrwand 3 aufweist, die einen Rohrraum umgibt, auf, wobei der Rohrraum einen konstanten Strömungsquerschnitt für das Fluid aufweist. Das Rohr 2 weist ferner einen ersten Rohrwandabschnitt 4 mit einer Rohrwandstärke a sowie einen zweiten Rohrwandabschnitt 5 mit einer Rohrwandstärke b auf. Die Rohrwandstärke a des ersten Rohrwandabschnitts 4 ist kleiner als die Rohrwandstärke b des zweiten Rohrwandabschnitts 5. In der dargestellten Figur ist ein Dehnungsmessstreifen 6 außen an dem ersten Rohwandabschnitt 4 und eine Messeinrichtung 7 innen an dem zweiten Rohrwandabschnitt 5 angeordnet. Die Messeinrichtung 7 kann beispielsweise ein weiterer Dehnungsmessstreifen oder ein Temperatursensor sein. Mittels der Informationen, die durch den Dehnungsmessstreifen 6 und die Messeinrichtung 7 gewonnen werden, kann der durch Temperaturgradienten hervorgerufene Anteil der Verformung des ersten Rohwandabschnitts 4 bestimmt werden und bei der Bestimmung des Fluiddrucks aus der Verformung des ersten Rohrwandabschnitts 4 kompensiert werden.
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Ferner geht aus dargestellten Ausführungsbeispiel hervor, dass der zweite Rohrwandabschnitt 5 den ersten Rohrwandabschnitt 4 umgibt. Für den Fall, dass die Rohrwand des ersten Rohrwandabschnitts 4 aufgrund eines zu hohen Fluiddrucks reißt, kann das Fluid zunächst nicht nach außen strömen. Bei der dargestellten Druckmessvorrichtung 1 sind an einem Anfangsbereich des Rohres 2 und an einem Endbereich des Rohres 2 jeweils ein Flansch 8 angeordnet, wobei die Druckmessvorrichtung 1 mittels der Flansche 8 in vorteilhafter Weise mit Rohrleitungen verbunden werden kann.
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Die erfindungsgemäße Druckmessvorrichtung 1 kann auf besonders vorteilhafte Weise und mit geringem vorrichtungstechnischen Aufwand sowie sehr schnell den Fluiddruck in einem Rohr 2 messen. Ferner kann die Druckmessvorrichtung 1 in besonders vorteilhafter Weise in bestehende Rohrsysteme integriert werden.
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Bezuaszeichenliste
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- 1
- Druckmessvorrichtung
- 2
- Rohr
- 3
- Rohrwand
- 4
- erster Rohwandabschnitt
- 5
- zweiter Rohrwandabschnitt
- 6
- Dehnungsmessstreifen
- 7
- Messeinrichtung
- 8
- Flansch