DE202019101690U1 - Measuring process variables of compressed air - Google Patents
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Abstract
Sensor (10) zum Messen von Prozessgrößen von Druckluft, die in einer Leitung (12) einer pneumatischen Anlage strömt, mit einer kalorimetrischen Durchflusssonde (16), mit einem Drucksensor (24) sowie mit einer Steuer- und Auswertungseinheit (26) zur Verarbeitung der Signale der Durchflusssonde (16) und des Drucksensors (24), dadurch gekennzeichnet, dass die Durchflusssonde (16), der Drucksensor (24) und die Steuer- und Auswertungseinheit (26) in einem Sensor (10) integriert sind, der somit die Prozessgrößen Druck, Durchfluss und Temperatur der Druckluft bestimmt. Sensor (10) for measuring process variables of compressed air flowing in a line (12) of a pneumatic system, with a calorimetric flow probe (16), with a pressure sensor (24) and with a control and evaluation unit (26) for processing the Signals of the flow probe (16) and the pressure sensor (24), characterized in that the flow probe (16), the pressure sensor (24) and the control and evaluation unit (26) are integrated in a sensor (10), which thus the process variables Pressure, flow rate and temperature of the compressed air are determined.
Description
Die Erfindung betrifft einen Sensor zum Messen von Prozessgrößen von Druckluft nach dem Oberbegriff von AnspruchThe invention relates to a sensor for measuring process variables of compressed air according to the preamble of claim
Pneumatik wird in verschiedenen industriellen Anwendungen als Antriebstechnologie genutzt. Der Wirkungsgrad der eingesetzten Energie ist jedoch bei Druckluftanlagen weitaus geringer, als wenn direkt elektrischer Strom für Antriebe eingesetzt wird. Um die vergleichsweise hohen Kosten im Griff zu behalten, ist es wichtig, die Energieverluste zu überwachen und dazu die Energie der Druckluft beziehungsweise den Druckluftdurchfluss zu messen, um Kostentreiber innerhalb des pneumatischen Systems aufzufinden.Pneumatics is used as a drive technology in various industrial applications. However, the efficiency of the energy used is far lower in compressed air systems than if electrical power is used directly for drives. In order to keep the comparatively high costs under control, it is important to monitor the energy losses and to measure the energy of the compressed air or the compressed air flow rate in order to find cost drivers within the pneumatic system.
Ein herkömmlicher Ansatz besteht darin, den Stromverbrauch des Kompressors zur Erzeugung der Druckluft zu messen. In Kombination mit der Angabe zum Wirkungsgrad des Kompressors lässt sich daraus die in der Druckluft enthaltene Energie für das Gesamtsystem errechnen. Nun hängt aber der Wirkungsgrad eines Kompressors von etlichen variablen Faktoren ab, wie der Umgebungstemperatur, der Effizienz der Wärmerückgewinnung oder der Lebensdauer des Kompressors. Diese Faktoren sind zumindest nicht alle mit ausreichender Genauigkeit bekannt, und entsprechend unscharf ist die Kenntnis über die in der Druckluft enthaltene Energie. Zudem ist bestenfalls eine globale Information zu erhalten, da einzelne Verbrauchstellen nicht getrennt voneinander betrachtet werden können. Die wesentlichen Kostentreiber in Teilsystemen werden so nicht gezielt aufgespürt.A traditional approach is to measure the power used by the compressor to generate the compressed air. In combination with the information on the efficiency of the compressor, the energy contained in the compressed air can be calculated for the entire system. However, the efficiency of a compressor depends on a number of variable factors, such as the ambient temperature, the efficiency of the heat recovery or the service life of the compressor. At least not all of these factors are known with sufficient accuracy, and knowledge of the energy contained in the compressed air is correspondingly fuzzy. In addition, global information can be obtained at best, since individual consumption points cannot be viewed separately from one another. The main cost drivers in subsystems are not specifically tracked down in this way.
Der Stand der Technik befasst sich manchmal noch mit der Messung thermischer Energie von Flüssigkeiten, Erdgas oder Dampf, nicht jedoch Druckluft. Bei Flüssigkeiten muss jedoch der Einfluss des Drucks nicht berücksichtigt werden. Im Vergleich zu Erdgas hängt die thermodynamische Energie oder pneumatisch nutzbare Energie von Druckluft nicht von der Gaszusammensetzung ab. Derartige Erkenntnisse sind also nicht einfach auf eine pneumatische Anlage übertragbar.The prior art is sometimes still concerned with the measurement of thermal energy of liquids, natural gas or steam, but not compressed air. In the case of liquids, however, the influence of pressure does not have to be taken into account. Compared to natural gas, the thermodynamic energy or pneumatically usable energy of compressed air does not depend on the gas composition. Such findings cannot simply be transferred to a pneumatic system.
Bekannt ist auch noch, Sensoren für die Messgröße Durchfluss, Druck und Temperatur einzeln zu installieren, um den Verbrauch von pneumatischen Teilsystemen zu vergleichen. Die Berechnung des Energieverbrauchs des Teilsystems erfolgt in einer nachgelagerten Berechnung. Das ist aber äußerst aufwändig, weil umfangreiche Hardwareinstallationen an jeder Messstelle notwendig werden, um einzelne Verbraucher getrennt voneinander betrachten zu können. Hinzu kommt noch die anschließende Berechnung des Energieverbrauchs.It is also known to install sensors individually for the measured variables flow, pressure and temperature in order to compare the consumption of pneumatic subsystems. The energy consumption of the subsystem is calculated in a subsequent calculation. However, this is extremely time-consuming because extensive hardware installations are necessary at each measuring point in order to be able to view individual consumers separately from one another. In addition, there is the subsequent calculation of the energy consumption.
Eine auch für Druckluft geeignete bekannte Messtechnik zur Bestimmung des Durchflusses ist die kalorimetrische oder thermische Durchflussmessung. Dabei wird durch Temperaturmessung in einem oder mehreren Temperaturfühlern die einem Heizelement von dem strömenden Medium entzogene Wärmemenge bestimmt, um davon auf die Durchflussgeschwindigkeit zurückzuschließen. Derartige Durchflussmesser liefern aber nicht alle notwendigen Informationen, um den Energieverbrauch in einer pneumatischen Anlage bewerten zu können.A known measuring technique for determining the flow rate, which is also suitable for compressed air, is calorimetric or thermal flow rate measurement. The amount of heat extracted from a heating element by the flowing medium is determined by measuring the temperature in one or more temperature sensors in order to draw conclusions about the flow rate. However, such flow meters do not provide all the information necessary to evaluate the energy consumption in a pneumatic system.
Die
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die Überwachung einer pneumatischen Anlage zu vereinfachen.It is therefore the object of the invention to simplify the monitoring of a pneumatic system.
Diese Aufgabe wird durch einen Sensor zum Messen von Prozessgrößen von Druckluft nach Anspruch 1 gelöst. Die Druckluft strömt in einer Leitung einer zu überwachenden pneumatischen Anlage. Der Sensor weist eine kalorimetrische Durchflusssonde und einen Drucksensor auf. Eine Steuer- und Auswertungseinheit steuert die Abläufe im Sensor und wertet die Sensorsignale der Durchflusssonde und des Drucksensors auf, um beispielsweise Messwerte nach außen zur Verfügung zu stellen.This object is achieved by a sensor for measuring process variables of compressed air according to claim 1. The compressed air flows in a line of a pneumatic system to be monitored. The sensor has a calorimetric flow probe and a pressure sensor. A control and evaluation unit controls the processes in the sensor and evaluates the sensor signals of the flow probe and the pressure sensor in order to make measured values available externally, for example.
Die Erfindung geht von dem Grundgedanken aus, die Prozessgrößen Durchfluss, Druck und Temperatur zugleich mit einem einzigen Sensor zu bestimmen. Dabei wird von der kalorimetrischen Durchflusssonde auch deren Temperaturinformation als eigene Messgröße genutzt.The invention is based on the basic idea of determining the process variables flow, pressure and temperature simultaneously with a single sensor. The calorimetric flow probe also uses its temperature information as its own measured variable.
Die Erfindung hat den Vorteil, dass alle wesentlichen Parameter für eine Überwachung bestimmt werden. Die thermische Durchflussmessung ermöglicht die Messung des Massestroms und stellt ohne besonderen Mehraufwand die zusätzliche Messinformation zur Temperatur der Druckluft zur Verfügung. Da der ergänzende Drucksensor Teil desselben Gesamtsensors ist, bleibt der Montageaufwand gering. Das Messprinzip verursacht einen nur geringen Druckverlust, besonders verglichen mit einem Wirkdruck-Messgerät. Der Energieverbrauch des Pneumatiksystems wird durch die erfindungsgemäßen Messungen nicht wesentlich erhöht. Somit wird die Messung des Energieverbrauchs von Teilsystemen eines pneumatischen Gesamtsystems durch angepasste Energiemessung mit Multiparameterbestimmung in einem Gerät ermöglicht. Das erlaubt das einfache, gezielte Auffinden der wesentlichen Verbraucher und Kostentreiber. Die Energiebilanzierung erfolgt anhand von massenbezogener spezifischer Energie.The invention has the advantage that all essential parameters for monitoring are determined. The thermal flow measurement enables the mass flow to be measured and provides additional measurement information on the temperature of the compressed air without any additional effort. Since the additional pressure sensor is part of the same overall sensor, the installation effort remains low. The measuring principle causes only a small pressure loss, especially compared to a differential pressure measuring device. The energy consumption of the pneumatic system is not significantly increased by the measurements according to the invention. Thus, the measurement of the energy consumption of sub-systems of an overall pneumatic system is carried out through adapted energy measurement Allows multi-parameter determination in one device. This allows the essential consumers and cost drivers to be found easily and specifically. The energy balance is based on mass-related specific energy.
Die kalorimetrische Durchflusssonde weist bevorzugt einen Temperaturfühler und ein Heizelement auf. Es sind Ausführungsformen mit einem oder mehreren Temperaturfühlern in verschiedener örtlicher Beziehung zueinander und zu dem Heizelement möglich.The calorimetric flow probe preferably has a temperature sensor and a heating element. Embodiments with one or more temperature sensors in different spatial relationships to one another and to the heating element are possible.
Das Druckmesselement weist bevorzugt eine Druckmesszelle mit einem SMD-bestückbaren Sensorelement auf. Damit lässt sich der Drucksensor besonders einfach und kompakt in den Sensor integrieren.The pressure measuring element preferably has a pressure measuring cell with a sensor element that can be fitted with an SMD. The pressure sensor can thus be integrated into the sensor in a particularly simple and compact manner.
Bevorzugt ist ein Druckkanal von der Leitung zu der Druckmesszelle vorgesehen, der senkrecht zur Strömungsrichtung der Druckluft in der Leitung ausgerichtet ist. Durch diese Anordnung wird sichergestellt, dass die Strömung möglichst geringe Störeinflüsse auf die Bestimmung des Drucks hat.A pressure channel is preferably provided from the line to the pressure measuring cell, which is oriented perpendicular to the direction of flow of the compressed air in the line. This arrangement ensures that the flow has the least possible interference with the determination of the pressure.
Der Drucksensor ist bevorzugt bezogen auf die Strömungsrichtung vor der Durchflusssonde angeordnet. An dieser Stelle ist die Strömung noch weitgehend unbeeinflusst durch die Durchflusssonde, und daher ist eine besonders ungestörte Druckmessung möglich.The pressure sensor is preferably arranged upstream of the flow probe in relation to the direction of flow. At this point the flow is still largely unaffected by the flow probe, and therefore a particularly undisturbed pressure measurement is possible.
Der Drucksensor ist alternativ auf Höhe der Durchflusssonde angeordnet. Damit erhält man direkt vergleichbare Messungen von Druck und Durchfluss. Das ist beispielsweise in einigen noch vorzustellenden Ausführungsformen von Vorteil, in denen die Druckmessung für Verbesserungen der Durchflussmessung genutzt wird.The pressure sensor is alternatively arranged at the level of the flow probe. This provides directly comparable measurements of pressure and flow. This is advantageous, for example, in some embodiments yet to be presented in which the pressure measurement is used to improve the flow measurement.
Die Steuer- und Auswertungseinheit ist bevorzugt dafür ausgebildet, mittels der Druckmessung eine Veränderung des Durchflusses zu erfassen und damit die kalorimetrische Durchflussmessung zu modifizieren. Dabei wird die schnelle, mit kurzen Zyklen verfügbare Druckmessung genutzt, um Veränderungen des Durchflusses zu erfassen. Das geht dann in die langsamere kalorimetrische Durchflussmessung ein, insbesondere während des Zeitintervalls, bis dort ein neuer Messwert bereitgestellt wird. Für dieses Vorgehen eignet sich insbesondere die Anordnung des Drucksensors vor der Durchflusssonde.The control and evaluation unit is preferably designed to detect a change in the flow by means of the pressure measurement and thus to modify the calorimetric flow measurement. The rapid pressure measurement available with short cycles is used to record changes in the flow. This is then included in the slower calorimetric flow measurement, in particular during the time interval until a new measured value is provided there. The arrangement of the pressure sensor in front of the flow probe is particularly suitable for this procedure.
Die Steuer- und Auswertungseinheit ist bevorzugt dafür ausgebildet, den Durchfluss durch Kombination einer kalorimetrischen Durchflussmessung mit der Durchflusssonde und eine Wirkdruckmessung mit dem Drucksensor zu bestimmen. Die kalorimetrische Durchflussmessung ist besonders sensitiv bei geringem Durchfluss, das Wirkdruckprinzip komplementär bei hohem Durchfluss. Deshalb ist eine Messbereichserweiterung der kalorimetrischen Durchflussmessung durch Ausnutzung des Wirkdruckmessprinzips unter Annahme konstanten Drucks möglich. Für dieses Vorgehen eignet sich insbesondere die Anordnung des Drucksensors auf Höhe der Durchflusssonde.The control and evaluation unit is preferably designed to determine the flow rate by combining a calorimetric flow rate measurement with the flow sensor and an effective pressure measurement with the pressure sensor. The calorimetric flow measurement is particularly sensitive at low flow rates, the differential pressure principle is complementary at high flow rates. It is therefore possible to extend the measuring range of the calorimetric flow measurement by utilizing the differential pressure measuring principle assuming constant pressure. The arrangement of the pressure sensor at the level of the flow probe is particularly suitable for this procedure.
Die Steuer- und Auswertungseinheit ist bevorzugt dafür ausgebildet, eine Gewichtung von Messungen des Durchflusses auf Basis der Durchflusssonde und auf Basis des Drucksensors in Abhängigkeit von dem Durchfluss und/oder dessen Änderung vorzunehmen. Wie in den vorigen Absätzen diskutiert, gibt der Druck bei geringem Durchfluss beziehungsweise bei geringer Änderung des Durchflusses keine gute Auskunft über den Durchfluss. Dementsprechend wird das Gesamtergebnis der Durchflussmessung verbessert, wenn die kalorimetrische Messung in ihrem Regime übergewichtet oder allein genutzt wird und Zusatzmessinformationen aus dem Druck nur bei höherem Durchfluss beziehungsweise größeren Änderungen des Durchflusses eingehen.The control and evaluation unit is preferably designed to weight measurements of the flow on the basis of the flow probe and on the basis of the pressure sensor as a function of the flow and / or its change. As discussed in the previous paragraphs, the pressure does not provide good information about the flow at a low flow rate or if the flow rate changes slightly. Accordingly, the overall result of the flow measurement is improved if the calorimetric measurement is overweighted in its regime or used alone and additional measurement information from the pressure is only received with a higher flow or larger changes in the flow.
Die Steuer- und Auswertungseinheit erhält vorzugsweise eine Messinformation über den Druck an anderer Stelle der Leitung als dem Montageort des Sensors. Die Quelle dieser Druckinformation ist beispielsweise ein baugleicher oder ähnlicher weiterer Sensor oder ein zusätzlicher Drucksensor. Mit der zusätzlichen Druckinformation ist eine Messung nach dem Wirkdruckprinzip nicht mehr an die Bedingung gebunden, dass der Druck in der pneumatischen Anlage konstant ist.The control and evaluation unit preferably receives measurement information about the pressure at a point on the line other than the installation location of the sensor. The source of this pressure information is, for example, a structurally identical or similar further sensor or an additional pressure sensor. With the additional pressure information, a measurement based on the differential pressure principle is no longer tied to the condition that the pressure in the pneumatic system is constant.
Der Sensor weist bevorzugt eine Schnittstelle für einen Datenaustausch auf, insbesondere gemäß IO-Link, MQTT oder OPC UA. Das sind in der Prozessmesstechnik gut nutzbare Standards. Eine derartige Schnittstelle lässt sich insbesondere nutzen, um mehrere Sensoren in einer pneumatischen Anlage miteinander oder mit einer übergeordneten Steuerung zu vernetzen. Insbesondere lässt sich auf diesem Weg eine Druckinformation über den Druck an einer anderen Stelle als derjenigen des Sensors selbst übertragen.The sensor preferably has an interface for data exchange, in particular in accordance with IO-Link, MQTT or OPC UA. These are standards that can be used well in process measurement technology. Such an interface can be used in particular to network several sensors in a pneumatic system with one another or with a higher-level controller. In particular, pressure information about the pressure can be transmitted in this way at a point other than that of the sensor itself.
Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile beispielhaft anhand von Ausführungsformen und unter Bezug auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Die Abbildungen der Zeichnung zeigen in:
-
1 eine dreidimensionale Ansicht eines Sensors zur kalorimetrischen Durchflussmessung mit integrierter Druckmessung; -
2 eine Schnittdarstellung zu1 mit qualitativer Darstellung des Verlaufs einiger strömungsmechanischer Größen; -
3 eine qualitative Darstellung der Genauigkeit einer kalorimetrischen Durchflussmessung in Abhängigkeit vom Durchfluss; -
4 eine qualitative Darstellung der Genauigkeit einer Durchflussmessung nach dem Wirkdruckprinzip in Abhängigkeit vom Durchfluss; und -
5 ein beispielhafter Signalflussplan zur Anpassung einer Durchflussmessung durch eine Schätzung aus dem gemessenen Druck.
-
1 a three-dimensional view of a sensor for calorimetric flow measurement with integrated pressure measurement; -
2 a sectional view too1 with qualitative representation of the course of some fluid mechanical quantities; -
3 a qualitative representation of the accuracy of a calorimetric flow measurement as a function of the flow; -
4th a qualitative representation of the accuracy of a flow measurement based on the differential pressure principle as a function of the flow; and -
5 an exemplary signal flow diagram for adapting a flow measurement by means of an estimate from the measured pressure.
Die Ausgestaltung der kalorimetrischen Durchflusssonde
Die Druckmesszelle
Insgesamt ist damit der Sensor
Somit sollte die Druckentnahmeposition, also der Ort des Druckkanals
Beide Varianten ermöglichen vorteilhafte Kombinationen der Druck- und Durchflussmessung, um die Durchflussmessung zusätzlich zu verbessen. In der ersten Variante, wo sich also anders als in den
Dazu zeigen die
Wirkdruckmessverfahren andererseits messen den Durchfluss in Abhängigkeit der Druckdifferenz von einer strömungsmechanischen Verengung zum Nennquerschnitt. Der Durchfluss hat einen zur Kalorimetrie komplementären Verlauf, wie in
Somit kann anhand der Information des Druckwerts zum Zeitpunkt hoher Durchflüsse und des Druckwerts zum Zeitpunkt geringerer und keiner Durchflüsse sowie der Annahme, dass der Druck im Pneumatiksystem konstant ist, der Messbereich durch Ausnutzung des Wirkdruckmessprinzips erweitert werden.Thus, based on the information of the pressure value at the time of high flow rates and the pressure value at the time of low and no flow rates as well as the assumption that the pressure in the pneumatic system is constant, the measuring range can be expanded by utilizing the differential pressure measuring principle.
In einer weiteren Ausführungsform kann der Sensor
Während sich für die beschriebene Kombination von Durchflussmessung nach dem kalorimetrischen Prinzip und dem Wirkdruckprinzip besonders die Positionierung des Druckkanals
Diese Anordnung eignet sich besonders, um den Druckwert dafür zu verwenden, die Ansprechzeit der Durchflussmessung zu verkürzen. Es ist nämlich so, dass die Druckmessung typischerweise wesentlich schneller ist als die rein thermische Durchflussmessung. Beispielsweise liegt ein aktueller Druckmesswert alle 2 ms vor, während die Ansprechzeit für die Messung des thermischen Durchflussmesswerts 500 ms beträgt. Sofern sich in dieser längeren Ansprechzeit die Durchflussgeschwindigkeit ändert, so muss das mit einer inhärent abhängigen direkten Änderung des Drucks einhergehen. Andernfalls besteht auch kein Handlungsbedarf, da der zuletzt thermische Durchflussmesswert noch gültig ist.This arrangement is particularly suitable for using the pressure value to shorten the response time of the flow measurement. The fact is that the pressure measurement is typically much faster than the purely thermal flow measurement. For example, a current pressure measurement is available every 2 ms, while the response time for measuring the thermal flow measurement is 500 ms. If the flow rate changes in this longer response time, this must be accompanied by an inherently dependent direct change in pressure. Otherwise there is no need for action, as the last thermal flow rate measured value is still valid.
Der Sensor
Die Enthalpieänderung bei isentroper Zustandsänderung entspricht
Die Lageenergie muss bei der Berechnung vernachlässigt werden, da die Potentialunterschiede nicht vom Sensor
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
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EP4001762A1 (en) * | 2020-11-13 | 2022-05-25 | Haas + Sohn Ofentechnik GmbH | Device for flow measurement in an oven |
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2019
- 2019-03-26 DE DE202019101690.6U patent/DE202019101690U1/en active Active
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R150 | Utility model maintained after payment of first maintenance fee after three years |