CH620301A5 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein mit Ultraschall arbeitendes Gerät zum Ermitteln physikalischer Grössen, insbesondere der Strömungsgeschwindigkeit, eines Mediums, mit einem Ultraschall-Sender und einem Ultraschall-Empfänger, die einen längs der Achse eines Messrohres verlaufenden Übertragungsweg begrenzen.

Bei einem bekannten Gerät dieser Art erstreckt sich das Messrohr zwischen zwei Rohrbögen, wobei Sender und Empfänger je in der Aussenwand eines Bogens angeordnet sind. -Wesentlich häufiger sind jedoch Geräte, bei denen Sender und Empfänger, axial versetzt, auf einander gegenüberliegenden Seiten der Messrohrwand angeordnet sind. Ferner ist ein Gerät bekannt, bei dem das Messrohr aus Kunststoff besteht und Sender und Empfänger derart an der Messrohrwand angebracht sind, dass sich ein zick-zack-förmiger Übertragungsweg ergibt, bei dem die Ultaschallwellen an der Messrohrwand vielfach reflektiert werden.

Im Betrieb wird der Sender mittels eines Impulses erregt, so dass er kurzzeitig ein Ultraschallsignal abgibt. Die Laufzeit dieses Ultraschallsignals bis zum Erreichen des Empfängers wird festgestellt. Wenn bei einem strömenden Medium sowohl die Laufzeit in Strömungsrichtung als auch die Laufzeit gegen die Strömungsrichtung gemessen wird, lässt sich beispielsweise die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums oder dessen Dichte bestimmen. Wesentlich ist hierbei die genaue Feststellung der Laufzeit des Ultraschall-Signals. Dies setzt voraus, dass das Eintreffen der Wellenfront beim Empfänger recht genau feststellbar ist.

Es hat sich gezeigt, dass die Laufzeitmessungen um so ungenauer werden, je geringer die Weite, bei Kreisquerschnitt also der Durchmesser, des Messrohres ist. Es besteht aber ein grosses Bedürfnis nach Messrohren mit kleinem Querschnitt, beispielsweise wenn verhältnismässig kleine Mengen des Mediums mit verhältnismässig grosser Strömungsgeschwindigkeit hindurchgeleitet werden sollen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Gerät der eingangs beschriebenen Art anzugeben, bei dem mit sehr kleinen Rohrquerschnitten gearbeitet wird und trotzdem eine genaue Laufzeitmessung möglich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass das Messrohr eine lichte Weite hat, die kleiner ist als das etwa 15fache der Wellenlänge des Ultraschall-Signals und dass die

Messrohr-Innenwand aus einem Material besteht, das eine kleinere akustische Impedanz als Metall besitzt.

Diese Konstruktion beruht auf der überraschenden Feststellung, dass bei Messrohren mit kleinem Querschnitt eine genaue Laufzeitmessung daran scheitert, dass den Empfänger bereits vor dem Eintreffen der von der Grundwelle gebildeten Wellenfront vorlaufende Wellen nicht unerheblicher Energie treffen. Es wurde festgestellt, dass diese voreilenden Wellen vom Senderkristall abgestrahlte Wellen erster und zweiter Art sind, die sich aufgrund der Wellengleichung mit grösserer Geschwindigkeit als die ebene Grundwelle durch das Medium fortpflanzen. Beim erfindungsgemässen Gerät wird die Tatsache ausgenutzt, dass diese Wellen erster und zweiter Art eine Fortpflanzungsrichtung besitzen, die in einem Winkel zur Fortpflanzungsrichtung der Grundwelle steht. Wird nämlich die Grundwelle in Richtung der Messrohrachse abgestrahlt, so erreicht diese den Empfänger ungedämpft, während die Wellen erster und zweiter Art auf die Rohrwand auftreffen und dort reflektiert werden, dabei aber wegen der geringeren akustischen Impedanz der Innenwand eine Dämpfung erfahren. Damit wird sichergestellt, dass die voreilenden Wellen so schwach sind, dass der Empfänger hiervon noch nicht erregt werden kann.

Bei den meisten Flüssigkeiten liegt die Schallgeschwindigkeit zwischen 1500 und 1800 m/s, für Wasser beträgt sie 1500 m/s. Die Ultraschall-Frequenz sollte möglichst hoch gewählt werden, damit sich ein gutes Auflösungsvermögen ergibt; eine zu hohe Frequenz ergibt jedoch zu grosse Übertragungsverluste. Ein günstiger Wert der Ultraschall-Frequenz liegt bei 1 MHz. Bei dieser Frequenz liegt demnach die obere Weite eines für Wasser bestimmten Messrohres zwischen 20 und 25 mm. Durch Messungen lässt sich nachweisen, dass bei einem Messrohr aus Metall mit einem Durchmesser von 25 mm und mehr keine Probleme mit vorlaufenden Wellen bestehen, während diese Probleme deutlich auftreten, wenn der Durchmesser 20 mm unterschreitet. Für andere Flüssigkeiten und andere Ultra-schall-Frequenzen gilt Entsprechendes.

Die Länge des Übertragungsweges darf bei den hier zu betrachtenden Geräten eine bestimmte Mindestgrösse nicht unterschreiten, weil bei zu kleinen Abständen zwischen den Wandlern die Zeitdifferenz für die Schallmessung zu klein wird und sich kein genaues Messergebnis erzielen lässt. Diese untere Grenze ist ein rein praktischer Wert, der vom Gerät und der messtechnischen Seite her abhängt; er beträgt in der Regel mindestens das 40-50fache der Wellenlänge des Ultraschallsignals. Häufig werden jedoch längere Übertragungswege, z. B. vom 150-200fachen der Wellenlänge verwendet, beispielsweise wenn der Kristall des Ultraschallsenders einen kleineren Querschnitt als den Messrohrquerschnitt hat und dieser Rohrquerschnitt vollständig mit einer Schallwelle gefüllt werden soll, um einen Mittelwert zu erhalten. Aber auch Übertragungswege vom 300-500fachen der Wellenlänge sind nicht unüblich. In allen Fällen ergeben sich die angestrebten Reflexionen mit Dämpfung der Wellen erster und zweiter Art. Vielfache Reflexionen führen zu entsprechend starken Dämpfungen.

Insbesondere kann die Messrohr-Innenwand aus Kunststoff, vorzugsweise Polyamid, bestehen. Kunststoffe haben entweder von Natur aus eine wesentlich geringere akustische Impedanz als irgendein Metall oder können ohne Schwierigkeit mit einer solchen Impedanz gefertigt werden.

Es genügt, wenn lediglich eine innere Wandauskleidung aus Kunststoff besteht. Das Messrohr selbst kann daher aus Metall gefertigt sein. Dies empfiehlt sich häufig dort, wo an die Festigkeit oder Temperaturbeständigkeit des Messrohres höhere Ansprüche gestellt werden.

Es hat sich gezeigt, dass zur Erzielung der erstrebten Ergebnisse verhältnismässig geringe Dicken der Wandauskleidung genügen. Die Dicke braucht lediglich 0,5-1,5 mm, vorzugsweise

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etwa 1 mm zu betragen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert, das schematisch, teilweise im Schnitt ein erfindungsgemässes Gerät veranschaulicht. 5

Ein Messrohr 1 ist mit einer Innenwand-Auskleidung 2 aus Polyamid versehen. Das Messrohr besitzt an seinem einen Ende einen Kopf 3, weicher ein Zulaufrohr 4 und in axialer Verlängerung des Messrohres 1 einen Ultraschallwandler 5 aufnimmt. Am anderen Ende ist ein Kopf 6 vorgesehen, der ein ' o Zulaufrohr 7 und in axialer Verlängerung mit dem Messrohr 1 einen zweiten Ultraschallwandler 8 aufnimmt.

Die beiden Wandler 5 und 8 sind mit einem Steuer- und Messkreis 9 verbunden. Dieser gibt in einem ersten Takt einen Erregerimpuls an den Wandler 5 ab, worauf dieser als Sender i s ein Ultraschallsignal erzeugt. Das vom Wandler 8 als Empfänger aufgenommene Ultraschallsignal wird an den Kreis 9 gemeldet, so dass dieser die Laufzeit des Ultraschallsignals feststellen kann. Da das Medium in Richtung des Pfeiles P zugeführt wird, erfolgt diese Laufzeitmessung in Strömungsrich- 20 tung. Im zweiten Takt gibt der Steuer- und Messkreis 9 einen Erregerimpuls an den Wandler 8 ab, so dass dieser als Sender für das nächste Ultraschallsignal dient. Das von dem nunmehr als Empfänger wirkenden Wandler 5 aufgenommene Ultraschallsignal wird dem Kreis 9 gemeldet, so dass diesmal die 25 Laufzeit entgegen der Strömungsrichtung gemessen wird. Aus diesen Messergebnissen vermag ein mit dem Kreis 9 verbundener Auswertekreis 10 die Strömungsgeschwindigkeit und, da der Rohrquerschnitt vorgegeben ist, auch die hindurchflies-sende Menge festzustellen und anzuzeigen. Aus den ermittelten Werten lässt sich auch die Schallgeschwindigkeit im Medium und damit dessen Dichte ermitteln.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das Medium Wasser, bei dem die Schallgeschwindigkeit etwa 1500 m/s beträgt. Die Ultraschallwandler arbeiten mit einer Grundfrequenz von 1 MHz. Die Wellenlänge einer Ultraschall-Schwingung beträgt daher 1,5 mm. Das Messrohr hat einen Aussendurchmesser Da von 20 mm, eine Wandstärke von 1 mm, so dass sich ein Zwischendurchmesser Dz von 18 mm ergibt.

Die Kunststoff-Auskleidung 2 hat ebenfalls eine Wandstärke von 1 mm, so dass sich ein Innendurchmesser D, von 16 mm ergibt. Dies entspricht etwa dem 1 lfachen der Wellenlänge. Die Länge des Übertragungsweges L ist 50 cm. Dies entspricht dem 333fachen der Wellenlänge. Bei dieser Konstruktion sind die der eigentlichen Wellenfront voreilenden Wellen vernachlässigbar klein. Verwendet man dagegen ein Messrohr gleichen Innendurchmessers, das aus Stahl besteht, ergeben sich sehr ausgeprägte voreilende Wellen.

Ähnliche gute Ergebnisse wurden auch mit Kunststoff-Auskleidungen von 0,5 und 2,0 mm erzielt. Dasselbe gilt auch für kleinere Innendurchmesser, beispielsweise 10 oder 14 mm, sowie etwas grössere Innendurchmesser, wie beispielsweise 20 mm, und für unterschiedliche Längen L, beispielsweise 20 cm oder 75 cm.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

620301 PATENTANSPRÜCHE

1. Mit Ultraschall arbeitendes Gerät zum Ermitteln physikalischer Grössen, insbesondere der Strömungsgeschwindigkeit, eines Mediums, mit einem Ultraschall-Sender und einem Ultraschall-Empfänger, die einen längs der Achse eines Messrohrs verlaufenden Ubertragungsweg begrenzen, dadurch gekennzeichnet, dass das Messrohr (1) eine lichte Weite (Di) hat, die kleiner ist als etwa das 15fache der Wellenlänge des Ultraschallsignals und dass die Messrohr-Innenwand (2) aus einem Material besteht, das eine kleinere akustische Impedanz als Metall besitzt.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messrohr-Innenwand (2) aus Kunststoff besteht.

3. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Metall-Messrohr (1) eine innere Wandauskleidung (2) aus Kunststoff besitzt.

4. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Wandauskleidung (2) 0,5-1,5 mm, vorzugsweise etwa 1 mm beträgt.

5. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff ein Polyamid ist.