AT510996A2

AT510996A2 - Verfahren zur Bestimmung des Abstandes zwischen zwei Ultraschallwandlern

Info

Publication number: AT510996A2
Application number: AT501322012A
Authority: AT
Original assignee: Avl List Gmbh
Priority date: 2012-04-13
Filing date: 2012-04-13
Publication date: 2012-08-15
Also published as: AT510996A3; AT13248U1

Abstract

Ein Verfahren zur Bestimmung des Abstandes zwischen zwei Ultraschallwandlern eines auf dem Laufzeitdifferenzverfahren basierenden Ultraschall-Messgerätes für ein strömendes Medium sieht vor, bei Nulldurchfluss des Mediums für jeden Ultraschallwandler die Direktlaufzeit und die Reflexionslaufzeit zu messen. Nach Abziehen der Summe der Direktlaufzeiten von der Summe der Reflexionslaufzeiten wird die Mediumlaufzeit und unter Berücksichtigung der Schallgeschwindigkeit schließlich der wahre Abstand der Ultraschallsensoren bestimmt.

Description

1 Printed: 16-04-2012 E014.1 10 2012/50132

AV-3473 AT

Verfahren zur Bestimmung des Abstandes zwischen zwei Ultraschallwandlern

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Abstandes zwischen zwei Ultraschallwandlern eines auf dem Laufzeitdifferenzverfahren basierenden Ultraschall-Messgerätes für ein strömendes Medium.

Das Funktionsprinzip beispielsweise von Ultraschall-Durchflussmessgeräten nach dem Laufzeitdifferenzverfahren basiert auf der Messung der Schalllaufzeit zwischen dem Sender und Empfänger in und gegen die Strömungsrichtung eines zwischen den beiden Ultraschallwandlem hindurch strömenden Mediums und der anschließenden Bildung einer Laufzeitdifferenz.

Die Strömungsgeschwindigkeit kann dann mit der folgenden Formel berechnet werden: L t^-t, v =---—- 2sina tl ·t2 wobei L der Abstand zwischen den Ultraschalisensoren im strömendem Medium ist, im folgenden auch mit "Sensorabstand" bezeichnet, und σ der Einfallswinkel, ti die Laufzeit gegen Strömungsrichtung und t2 die Laufzeit in Strömungsrichtung sind.

Die entsprechenden Werte für den Volumenstrom und den Massenstrom des strömenden Mediums können aus der wie oben ermittelten Strömungsgeschwindigkeit v, der Rohrquerschnittsfläche A und der Dichte des strömenden Mediums p berechnet werden und sind ganz wesentlich vom Sensorabstand L abhängig.

Der wahre Sensorabstand L unterscheidet sich schon von Beginn an auf Grund von Fertigungstoleranzen vom theoretischen Abstand um eine unbekannte Größe. Bei der Kalibrierung des Messgerätes wird der dadurch verursachte Fehler korrigiert. Solange sich der Sensorabstand L nicht ändert, kann die spezifizierte Genauigkeit des Messgerätes gewährleistet werden. Für den Fall, dass sich der Sensorabstand ändert, z.B. durch mechanische Verzerrungen, thermische Ausdehnung oder ein Sensortausch, muss das Durchflussmessgerät erneut kalibriert werden. Insbesondere ist eine erneute Kalibrierung (Rekalibrierung) nach einem Sensortausch auf Grund der begrenzten Lebensdauer des Sensors bzw. aufgrund eines technischen Defektes nach dem Stand der Technik unbedingt notwendig. Dies bedeutet einen erhöhten Aufwand im Betrieb, zusätzliche Kosten und Wartezeiten für den Gerätebetreiber.

Um den wahren Sensorabstand L bestimmen zu können, müssen ein genauer Temperaturmesswert und eine Schalllaufzeit im Messmedium, korrigiert für die Gruppenlaufzeit der Ultraschallsensoren, bekannt sein. Eine genaue Temperaturmessung ist heutzutage einfach realisierbar. Ein Verfahren zur Bestimmung der Gruppenlaufzeit der Ultraschallsensoren wurde bereits in beispielsweise der AT509641A2 veröffentlicht. Dieses ist allerdings ein aufwendiges Verfahren, m 13-04-2012 2 Printed: 16-04-2012 E014.1 10 2012/50132

AV-3473 AT das nur mit Erfüllung bestimmten Bedingungen wie z.B. Verwendung ausreichend Breitbandiger Ultraschallsensoren, MLS Sequenzen, Umsetzung einer Korrelation, einer FFT und einem Fitverfahren etc. realisierbar ist.

Es war daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine einfache und rasche Bestimmung des wahren Abstandes der Sensoren ohne die oben genannten Nachteile zu ermöglichen.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist das Verfahren erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass bei Nulldurchfluss des Mediums für jeden Ultraschallwandler die Direktlaufzeit und die Re-flexionslaufzert gemessen wird, die Summe der Direktlaufzeiten von der Summe der Reflexionslaufzeiten abgezogen wird, und aus der so ermittelten Mediumlaufzeit und der Schallgeschwindigkeit der Abstand der Ultraschallsensoren besümmt wird. Damit kann der wahre Sensorabstand Ldirekt bestimmt werden, ohne dass spezielle Signalaiten oder spezielle Laufzeifcdetektions-methoden benötigt werden. Es ist auch nicht notwendig die Gruppenlaufzeit des Systems zu kennen. Die hier präsentierte Lösung ermöglicht in vorteilhafter Weise auch einen Sensortausch ohne Notwendigkeit einer aufwendigen Rekalibrierungsprozedur.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Temperatur des Mediums zwischen den Ultraschallsensoren gemessen und daraus die Schallgeschwindigkeit bestimmt wird.

Eine weitere Variante sieht zusätzlich vor, dass das Lambdawert des Mediums zwischen den Ultraschallsensoren gemessen und daraus die Schallgeschwindigkeit bestimmt wird.

Vorteilhafterweise können aus den Direktlaufzeiten und der Mediumlaufzeit die Gruppenlaufzeiten der Sensoren bestimmt werden. Diese wird quasi als Nebenprodukt des Nullabgleichs bestimmt.

In der nachfolgenden Beschreibung soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert werden.

Dabei zeigt die Fig. 1 eine schematische Darstellung der gemessenen Laufzeiten tl und t2, im Folgenden auch "Direktlaufzeit" genannt, und deren Zusammensetzung und Fig. 2 ist eine schematische Darstellung der gemessenen Laufzeiten und deren Komponenten im Direktbetrieb und im Reflexionsbetrieb.

Die gesamt gemessenen Direktlaufzeiten gegen Strömungsrichtung ti und in Strömungsrichtung ti, setzen sich - wie in Fig. dargestellt ist - aus den folgenden Beiträgen zusammen: t\ — tj +tgr+At tr. - t, t 2 L gr 13-04-2012 3 Printed: 16-04-2012 E014.1 10 2012/50132

AV-3473 AT wobei tL die Laufzeit in dem gemessenen Medium auf dem Weg L ist, im Folgenden auch "Mediumlaufzeit" genannt, und wobei die Gruppenlaufzeit der Sensoren ist mit fer bezeichnet ist. Die restliche Abweichung Atgr in der Gruppenlaufzeit zwischen den Laufzeiten in und gegen Strömungsrichtung ist durch die nicht Reziprozität der Ultraschallsensoren verursacht d.h. tgr>i Φ tgr,2 weil t$i + te2 * tS2 + fei, mit tSi der Gruppenlaufzeit des Sensor 1 im Sendebetrieb, fei der Gruppenlaufzeit des Sensor 1 im Empfangsbetrieb, tfe der Gruppenlaufzeit des Sensor 2 im Sendebetrieb, und te der Gruppenlaufzeit des Sensor 2 im Empfangsbetrieb.

In Fig. 2 sind die Direktlaufzeiten fe und t2 inklusive der einzelnen Beiträge der Sensoren dangestellt. tSi bezeichnet dabei die Gruppenlaufzeit des Sensor 1 im Sendebetrieb, fei die Grup-penlaufzeit des Sensor 1 im Empfangsbetrieb, ts2 die Gruppenlaufzeit des Sensor 2 im Sendebetrieb und tE2 die Gruppenlaufzeit des Sensor 2 im Empfangsbetrieb.

In einer Direktlaufzeit (ti oder t2) sind immer Beiträge von beiden Ultraschallsensoren enthalten. Im Fall einer Reflexionsmessung fei und fei enthalten die gemessenen Laufzeiten nur die Beiträge von einem Sensor (tsi + fei für fei und fe2 + fe2 für fe2), der als Sender und Empfänger betrieben wird. Das Ergebnis der Summenbildung der Direktlaufzeiten, fe +t2, enthält alle möglichen Sensorbeiträge, fei + fei + fe2 + fe*. Der gleiche Term entsteht bei Summenbildung der beiden Reflexionslaufzeiten, fei + fe*

Der Sensorbeitrag kann durch das Abziehen der beiden Summenergebnisse von einander eliminiert werden. Aus dem verbliebenen Ergebnis kann dann die Mediumlaufzeit fe berechnet werden.

2

Aus einer Temperaturmessung kann über die nachstehende Formel die Schallgeschwindigkeit berechnet werden:

kRT 4

AV-3473 AT wobei κ der Adiabatenkoeffizient ist (Abhängig von Zusammensetzung des Medium und Temperatur), R die universelle Gaskonstante, T die Temperatur des Messmediums und M die molare Masse des Messmediums.

Daraus kann dann weiter der gesuchte Sensorabstand L bestimmt werden:

L = C'tL

Die zusammensetzungsabhängigen Größen κ und M können für bestimmte Medien als Materialkonstanten eingesetzt werden oder im Fall eines Abgases aus einer Lambdamessung bestimmt werden. Damit ist dieses Verfahren auf verschiedene Medien, nicht nur Luft, anwendbar.

Vorteilhafterweise können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch die Sensorbeiträge (Gruppenlaufzeiten) bestimmt werden: t + Δ/ — /, — t j

Sr Sr 1 /.

Die hier dargestellte Nullabgleichsprozedur ist allerdings nur bei Nulldurchfluss realisierbar.

Claims

5 Printed: 16-04-2012 E014.1 10 2012/50132 AV-3473 AT Patentansprüche: 1. Verfahren zur Bestimmung des Abstandes zwischen zwei Ultraschallwandlern eines auf dem Laufzeitdifferenzverfahren basierenden Ultraschall-Messgerätes für ein strömendes Medium, dadurch gekennzeichnet, dass a) bei Nulldurchfluss des Mediums für jeden Ultraschailwandler die Direktlaufzeit und die Reflexionslaufzeit gemessen wird, b) die Summe der Direktlaufzeiten von der Summe der Reflexionslaufzeiten abgezogen wird, und c) aus der so ermittelten Mediumlaufzeit und der Schallgeschwindigkeit der Abstand der Ultraschallsensoren bestimmt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Mediums zwischen den Ultraschallsensoren gemessen und daraus die Schallgeschwindigkeit bestimmt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Lambdawert des Mediums zwischen den Ultraschallsensoren gemessen und daraus die Schallgeschwindigkeit bestimmt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Direktlaufzeiten und der Mediumlaufzeit die Gruppenlaufzeiten der Sensoren bestimmt werden. 13-04^2012