DE10035241A1 - Durchflußmesser - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Durchflußmesser für flüssige oder gasförmige Medien mit einer durchströmten Meßkammer, mindestens einem Einlaß- und mindestens einem Auslaßkanal sowie mit mindestens einem Ultraschallwandler zum Aussenden bzw. Empfangen von Ultraschallsignalen, die die Strömung in der Meßkammer durchsetzen, und einer Auswerteeinrichtung für die Meßsignale der Ultraschallwandler, wobei sich durch entsprechende Anordnung zumindest des Einlaßkanals in der Meßkammer ein Strömungswirbel des zu messenden Mediums ausbildet und mindestens ein Reflektor an der Kammerwand vorgesehen ist, der das Ultraschallsignal in Richtung oder gegen die Richtung des Strömungswirbels durch die Meßkammer leitet.
Description
Die Erfindung betrifft einen Durchflußmesser für flüssige oder gasförmige
Medien mit den weiteren Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruchs 1.
Durchflußmeßgeräte mit Sende-/Empfangseinrichtungen für
Ultraschallmessungen haben generell den Nachteil, daß die
Schallausbreitungsgeschwindigkeit im Verhältnis zur Strömungsgeschwindigkeit
des zu messenden Mediums sehr hoch ist. Dies hat zur Folge, daß bei geringen
Volumenströmen entweder sehr lange Meßstrecken benötigt werden oder in sehr
geringen Zeitunterschieden im Picosekundenbereich gemessen werden muß.
Eine weitere Schwierigkeit besteht bei der Messung sehr großer Durchflüsse. Um
den Druckabfall im Durchflußmeßgerät dabei möglichst gering zu halten,
benötigen solche Meßgeräte sehr große Querschnitte. Da aber die Schallkeule
eines Ultraschalldurchflußmessers nur mit hohem technischen Aufwand an den
Durchmesser des Leitungsquerschnittes angepaßt werden kann, wird bei
bisherigen Geräten nur ein Teil der Strömung erfaßt. Dies hat jedoch den
Nachteil, daß Turbulenzen und Störungen des Strömungsprofils nicht voll erfaßt
werden können.
In DE 196 05 164 C2 ist ein Ultraschall-Strömungsmeßgerät für flüssige oder
gasförmige Medien bekannt, dessen Meßkammer einen kreisringförmigen
Meßkanal aufweist, in welchem durch entsprechende Gestaltung der Zu- und
Abläufe eine rotierend umlaufende Bewegung des zu messenden Mediums
stattfindet. Dabei ist die Anordnung so getroffen, daß eine mehrfache
Durchschallung des Meßkanals erfolgt. Dieser bekannte Meßaufbau hat jedoch
den Nachteil, daß die Schallführung des Ultraschallsignals sowohl über die
Ringaußenwand als auch über die Ringinnenwand erfolgt. Der Ultraschallstrahl
wird dabei sehr häufig reflektiert. Es können sich viele Schallmoden ausbilden,
die in Interferenz treten, so daß ab etwa einem Viertel der Ringstrecke keine
gleichmäßige Schallwelle mehr vorhanden ist. Mit der Temperatur verändern sich
diese Interferenzerscheinungen, so daß Nichtlinearitäten auftreten, die nur mit
hohem Aufwand zu linearisieren sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Durchflußmesser den
Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruchs 1 derart auszubilden, daß eine
Meßstrecke für Ultraschallsignale geschaffen wird, bei der der Strömungsvektor
möglichst lange parallel zum Schallvektor verläuft, die Querschnittsfläche des
Strömungskanals möglichst vollständig von der Ultraschallwelle erfaßt wird und
der Druckabfall in der Meßstrecke möglichst kleingehalten wird bei gleichzeitig
einfachem Aufbau des Durchflußmessers.
Diese Aufgabe wird durch die Lehre des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen des Durchflußmessers ergeben sich aus den Unteransprüchen 2-
23.
Bei dem erfindungsgemäßen Durchflußmesser ist zumindest der Einlaßkanal
derart ausgebildet, daß in der Meßkammer ein Strömungswirbel des zu messenden
Mediums ausgebildet wird. An der Kammerwand des Durchflußmessers ist
mindestens ein Reflektor vorgesehen, der das Ultraschallsignal in Richtung oder
gegen die Richtung des Strömungswirbels durch die Meßkammer leitet. Die Zahl
der Reflektoren ist abhängig vom Durchmesser des Ultraschallstrahls und der
Größe der Meßkammer. Die erfindungsgemäße Konstruktion ermöglicht lange
Wegstrecken, bei denen der Strömungsvektor parallel zum Schallvektor verläuft.
Gleichzeitig ist eine kompakte Bauweise möglich. Das Schallsignal kann jeweils
bis zu den Reflektoren frei laufen, wobei keine unvorteilhafte Schallausbreitung
erfolgt. Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Konstruktion besteht darin, daß die
Gehäuse bisheriger Zähler benutzt werden können, wobei nur ein anderer Einsatz
notwendig ist. Das erfindungsgemäße Konzept kann für alle Nenngrößen von
Durchflußmessern verwendet werden.
Vorteilhafterweise kann die Meßkammer zylinderförmig ausgebildet sein, so daß
Sekundärwirbel und Strömungsturbulenzen im Hauptströmungswirbel möglichst
gering gehalten werden. Durch die Kreis- bzw. Zylinderform kann dies gut
erreicht werden.
Das Ultraschallsignal kann mehrfach durch entsprechende Anordnung der
Reflektoren im Kreis durch den Strömungswirbel geleitet werden, womit beliebig
lange Meßstrecken erzeugt werden können.
Die Schallführung kann zweckmäßigerweise so ausgestaltet sein, daß das
Ultraschallsignal das Zentrum der Meßkammer nicht durchsetzt. Sind Gasblasen
im flüssigen Medium vorhanden, werden diese in das Zentrum der Meßkammer
gezogen, so daß diese Schallführung den Vorteil hat, daß im beschallten Medium
keine oder nur ein geringer Anteil von Gasblasen existieren, die das
Ultraschallsignal dämpfen und damit verfälschen könnten. Die Bereiche der
Meßkammer, in denen die höchsten Wirbelgeschwindigkeiten der Strömung
auftreten, werden demnach bei der Schallführung besonders berücksichtigt.
Da der Kernbereich der Meßkammer für die Messung nicht relevant ist, kann
dieser Bereich für die Ein- und Auskopplung des Ultraschallsignals genutzt
werden. Dementsprechend können die Ultraschallwandler im Zentrum der
Meßkammer angeordnet sein, so daß dieser Bereich gut genutzt ist. Auch der
kompakte Aufbau des Durchflußmesser wird durch diese Anordnung der
Ultraschallwandler unterstützt.
Sind Einlaß- und/oder Auslaßkanal an die Meßkammer tangential angeordnet,
kann sich der Strömungswirbel in der zylindrischen Meßkammer optimal ohne
wesentliche Strömungsverluste oder -störungen ausbilden.
Weist der Einlaßkanal und/oder Auslaßkanal in etwa den gleichen Durchmesser
wie die daran angrenzenden Rohre auf, kann ein Druckabfall in der Meßstrecke
gering gehalten werden oder gar nicht auftreten, so daß die Meßdynamik des
Durchflußmessers nicht eingeschränkt wird.
Zur Leitung der Strömung des Mediums können Leitbleche vorgesehen sein,
durch welche sich der gewünschte Strömungswirbel ausbildet. Die Leitbleche
können im Anschluß an den Einlaßkanal angeordnet sein und sind besonders dann
notwendig, wenn der Einlaßkanal in axialer Richtung zur
Hauptströmungsrichtung oder senkrecht an die Meßkammer angeordnet ist. Ohne
Leitbleche würde sich sonst gegebenenfalls nicht der für die Messung notwendige
Strömungswirbel ausbilden.
Ebenso ist es möglich, daß die Leitbleche vor dem Auslaßkanal angeordnet sind
und die gesamte Ausbildung des Strömungswirbels entsprechend beeinflußt wird.
Die Leitbleche können senkrecht zur Wirbelausrichtung angeordnet sein. Ist der
Einlaßkanal z. B. in zentraler Lage unterhalb der Meßkammer vorgesehen, dann
können die Leitbleche zur Längsachse der Meßkammer geneigt sein, damit sich
der Strömungswirbel ausbildet. Mit der Neigung der Leitbleche kann die Stärke
des sich ausbildenden Strömungswirbels variiert werden, so daß mit dieser
Anordnung sehr große Durchflüsse erreicht werden können.
Im Zentrum des Strömungswirbels kann ein Zylinder vorgesehen sein, der aus
ultraschalldämpfendem Material besteht. Damit können parasitäre Schallanteile
im Kernbereich der Meßkammer, welcher vom Meßschall nicht erfaßt wird,
abgefangen werden. Die Ausfüllung des Kernbereichs bewirkt außerdem eine
Stabilisierung der Wirbelausbildung, was zur Meßstabilität beiträgt.
Die Reflektoren können vorzugsweise so angeordnet sein, daß sie das
Ultraschallsignal senkrecht zur Längsachse der Meßkammer leiten. Auf diese
Weise kann die Ultraschallwelle den Strömungswirbel möglichst vollständig
erfassen, wobei der Schallvektor parallel zum Strömungsvektor verläuft.
Mit besonderem Vorteil kann die Meßkammer symmetrisch aufgebaut sein, so
daß ein gleichmäßiger Strömungsverlauf des Wirbels sowie der Schallführung
erzeugt wird.
Insbesondere können die Reflektoren und/oder die Einlaßkanäle symmetrisch
angeordnet sein, wobei der Auslaßkanal in zentraler Lage vorgesehen sein kann.
Vorzugsweise kann jedem reflektierten Teilstrahl des Ultraschallsignals
mindestens ein Einlaßkanal für das zu messende Medium zugeordnet sein. Die
Anzahl der Einlaßkanäle ist zweckmäßigerweise gleich oder ein ganzes
Vielfaches der Anzahl der Teilstrahlen der Ultraschallsignals. Die jeweiligen
Einlaßkanäle können dabei in gleichem Abstand und Winkel zu dem jeweiligen
Teilstrahl des Ultraschallsignals bzw. dem jeweiligen Reflektor angeordnet sein.
Damit kann vermieden werden, daß durch ungleichmäßige Aufteilung der
Strömung in den Einlaßkanälen das Schallsignal verschieden stark moduliert wird
und somit Meßfehler verursachen würde.
Der günstigste Ort für die Anordnung der Einlaßkanäle ist in der Nähe des
jeweiligen Reflektors, da an dieser Stelle die hohe Impulsgeschwindigkeit des
Kanals genutzt werden kann und diese möglichst lange im Schallstrahl zum
Meßeffekt beitragen kann. Da bei laminarer Schichtströmung, die im unteren
Bereich der Meßdynamik eines Ultraschallzählers besteht, der Strömungsimpuls
relativ lange aufrecht erhalten bleibt, kann durch diese Anordnung die
Meßdynamik verbessert werden.
Die Erfindung ist anhand von vorteilhaften Aufführungsbeispielen in den
Zeichnungsfiguren näher erläutert. Diese zeigen:
Fig. 1 eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Durchflußmesser;
Fig. 2 eine Draufsicht auf eine Meßkammer eines Durchflußmessers mit
einer anderen Möglichkeit der Schallführung;
Fig. 3 eine Seitenansicht einer alternativen Ausführungsform eines
Durchflußmessers;
Fig. 4 eine Draufsicht auf eine weitere Variante eines Durchflußmessers
sowie
Fig. 5 ein Strömungsprofil in der Meßkammer über den Radius.
Bezugsziffer 1 bezeichnet den Durchflußmesser in seiner Gesamtheit. Der
Durchflußmesser 1 dient der Mengenmessung des hindurchströmenden, flüssigen
oder gasförmigen Mediums. Er besteht aus einer Meßkammer 2, durch welche das
zu messende Medium strömt, sowie einem Einlaßkanal 3 und einem Auslaßkanal
4 für das Medium. Die Ultraschallwandler 5, 6 dienen dem Aussenden bzw.
Empfangen von Ultraschallsignalen 7, die die Strömung 8 in der Meßkammer 2
durchsetzen (vgl. Fig. 1). Eine Auswerteeinrichtung für die Meßsignale der
Ultraschallwandler 5, 6 ist in den Zeichnungsfiguren nicht dargestellt. Der
erfindungsgemäße Durchflußmesser 1 zeichnet sich durch seine spezielle
Anordnung des Einlaßkanals 3 in der Meßkammer 2 aus, durch welche ein
Strömungswirbel 9 des zu messenden Mediums ausgebildet wird. Reflektoren 10,
10', 10" an der Kammerwand 11 dienen der Leitung des Ultraschallsignals 7 in
Richtung oder gegen die Richtung des Strömungswirbels 9 durch die Meßkammer
2. Die Schallweiterleitung erfolgt demnach nur über eine bestimmte Anzahl von
Reflektoren, so daß eine unerwünschte Schallausbreitung ausbleibt. Das
Ultraschallsignal 7 wird dabei so durch die Meßkammer 2 geleitet, daß es die
Stärke des Strömungswirbels 9 mißt. Wie in Fig. 2 dargestellt, kann das
Schallsignal mehrfach (in Fig. 2 zweifach) durch den Strömungswirbel 9 geleitet
werden, womit eine entsprechende lange Meßstrecke erzeugt wird. Der
Durchflußmesser 1 zeichnet sich außerdem durch seinen einfachen und
kompakten Aufbau aus.
Die Meßkammer 2 ist bei den verschiedenen Ausführungsvarianten (Fig. 1-
4) zylinderförmig ausgebildet, so daß sich der Strömungswirbel optimal bei
möglichst wenigen Sekundärwirbeln oder Strömungsturbulenzen ausbilden kann.
Das Ultraschallsignal 7 durchsetzt nicht das Zentrum 12 der Meßkammer 2.
Dadurch kann das Ultraschallsignal nicht durch Gasblasen, die bei einem
flüssigen Medium in das Zentrum 12 der Meßkammer 2 gezogen werden,
gedämpft bzw. verfälscht werden. Ferner wird durch diejenigen Bereiche der
Meßkammer 2, in denen die höchsten Wirbelgeschwindigkeiten der Strömung 8
auftreten, die Ultraschallsignale geleitet. In Fig. 5 ist ein Strömungsprofil über den
Radius der Meßkammer dargestellt, in welchem die hohen
Strömungsgeschwindigkeiten im Randbereich im Vergleich zum Zentrum 12 zu
erkennen sind.
Dagegen kann das Zentrum 12 der Meßkammer 2 zur Ein- und Auskopplung des
Ultraschallsignals 7 dienen (siehe Fig. 4). Dazu sind die Ultraschallwandler 5, 6
im Zentrum 12 der Meßkammer 2 angeordnet.
Um die gewünschte Ausbildung des Strömungswirbels 9 zu bewirken, sind bei der
Konstruktion gemäß Fig. 1 die Einlaß- und Auslaßkanäle 3, 4 an die Meßkammer
2 tangential angeordnet. Um den Druckabfall im Durchflußmesser 1 möglichst
gering zu halten, sind die Durchmesser der Ein- und Auslaßkanäle 3, 4 in etwa
gleich dem Durchmesser der daran angrenzenden Rohre.
Der Durchflußmesser 1 in Fig. 3 weist im Anschluß an den Einlaßkanal 3
Leitbleche 13 auf, die zur Leitung der Strömung 8 dienen und die Ausbildung des
Strömungswirbels 9 bewirken. Die Leitbleche 13 können auch zusätzlich vor dem
Auslaßkanal 4 angeordnet sein. Die Leitbleche 13 sind senkrecht zur
Wirbelausrichtung angeordnet. Sie sind außerdem zur Längsachse der
Meßkammer 2 geneigt. Mit der Neigung der Leitbleche 13 kann die Stärke des
sich ausbildenden Strömungswirbels 9 verändert werden, so daß mit dieser
Anordnung auch sehr große Durchflüsse des zu messenden Mediums erreicht
werden können.
Da das Zentrum 12 des Strömungswirbels 9 nicht von den Ultraschallsignalen 7
durchsetzt wird, kann an dieser Stelle ein Zylinder (in den Zeichnungsfiguren
nicht dargestellt) vorgesehen sein. Dieser Zylinder hat zusätzlich die Wirkung, die
Wirbelausbildung zu stabilisieren, was zur Meßstabilität beiträgt. Bei leicht
ungleichmäßiger Einströmung des Mediums in die Meßkammer 2 würde sich
nämlich das Wirbelzentrum verschieben. Dieser Zylinder kann aus
ultraschalldämpfendem Material bestehen, so daß parasitäre Schallanteile
abgefangen werden.
Die Reflektoren 10, 10', 10" leiten das Ultraschallsignal 7 senkrecht zur
Längsachse der Meßkammer 2 (siehe Fig. 3), womit die Strömung 8 möglichst
vollständig erfaßt wird.
Die Meßkammern 2 sind vorzugsweise symmetrisch aufgebaut, wobei
insbesondere die Reflektoren 10, 10', 10" und die Einlaßkanäle 3 symmetrisch
angeordnet sind (wie in Fig. 4 dargestellt). Den Teilstrahlen des Ultraschallsignals
7 ist dabei jeweils ein Einlaßkanal 3 zugeordnet. Damit wird eine gleichmäßige
Aufteilung der Strömung 8 des Mediums bewirkt und das durchsetzende
Schallsignal wird gleichmäßig moduliert. Es können auch mehrere Einlaßkanäle 3
vorgesehen sein, die jedoch in ihrer Anzahl einem Vielfachen der Anzahl der
Teilstrahlen des Ultraschallsignals entsprechen, um eine gleichmäßige
Strömungsausbildung und Ultrabeschallung zu gewährleisten. Die Einlaßkanäle 3
sind im gleichen Abstand und Winkel zu den Teilstrahlen des Ultraschallsignals 7
angeordnet und befinden sich vorzugsweise in der Nähe des jeweiligen Reflektors
10, 10', 10", . . . Der Auslaßkanal 4 kann dabei in zentraler Lage vorgesehen sein.
1
Durchflußmesser
2
Meßkammer
3
Einlaßkanal
4
Auslaßkanal
5
Ultraschallwandler
6
Ultraschallwandler
7
Ultraschallsignal
8
Strömung
9
Strömungswirbel
10
,
10
',
10
", . . . Reflektoren
11
Kammerwand
12
Zentrum
13
Leitbleche
Claims (23)
1. Durchflußmesser (1) für flüssige oder gasförmige Medien mit einer
durchströmten Meßkammer (2), mindestens einem Einlaß- (3) und
mindestens einem Auslaßkanal (4) sowie mit mindestens einem
Ultraschallwandler (5, 6) zum Aussenden bzw. Empfangen von
Ultraschallsignalen (7), die die Strömung (8) in der Meßkammer (2)
durchsetzen, und einer Auswerteeinrichtung für die Meßsignale der
Ultraschallwandler (5, 6),
dadurch gekennzeichnet, daß
sich durch entsprechende Anordnung zumindest des Einlaßkanals (3) in der
Meßkammer (2) ein Strömungswirbel (9) des zu messenden Mediums
ausbildet und mindestens ein Reflektor (10, 10', 10", . . .) an der
Kammerwand (11) vorgesehen ist, der das Ultraschallsignal (7) in Richtung
oder gegen die Richtung des Strömungswirbels (9) durch die Meßkammer
(2) leitet.
2. Durchflußmesser nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Meßkammer (2) zylinderförmig ausgebildet ist.
3. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Ultraschallsignal (7) mehrfach im Kreis den Strömungswirbel (9)
durchsetzt.
4. Durchflußmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Ultraschallsignal (7) das Zentrum (12) der Meßkammer (2) nicht
durchsetzt.
5. Durchflußmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Zentrum (12) der Meßkammer (2) zur Ein- und/oder Auskopplung des
Ultraschallsignals (7) dient.
6. Durchflußmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Ultraschallwandler (5, 6) im Zentrum (12) der Meßkammer (2)
angeordnet sind.
7. Durchflußmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Einlaß- (3) und/oder Auslaßkanal (4) an die Meßkammer (2) tangential
angeordnet sind/ist.
8. Durchflußmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Einlaßkanal (3) und/oder der Auslaßkanal (4) in etwa den gleichen
Durchmesser wie die daran angrenzenden Rohre aufweisen.
9. Durchflußmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
zur Leitung der Strömung (8) des Mediums Leitbleche (13) vorgesehen
sind.
10. Durchflußmesser nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Leitbleche (13) im Anschluß an den Einlaßkanal (3) angeordnet sind.
11. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 9 oder 10,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Leitbleche (13) vor dem Auslaßkanal (4) angeordnet sind.
12. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 9-11,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Leitbleche (13) senkrecht zur Wirbelausrichtung angeordnet sind.
13. Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 9-12,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Leitbleche (13) zur Längsachse der Meßkammer (2) geneigt sind.
14. Durchflußmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
im Zentrum des Strömungswirbels (9) ein Zylinder vorgesehen ist.
15. Durchflußmesser nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Zylinder aus ultraschalldämpfendem Material besteht.
16. Durchflußmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Reflektoren (10, 10', 10", . . .) das Ultraschallsignal (7) senkrecht zur
Längsachse der Meßkammer (2) leiten.
17. Durchflußmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Meßkammer (2) symmetrisch aufgebaut ist.
18. Durchflußmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Reflektoren (10, 10', 10", . . .) und/oder die Einlaßkanäle (3)
symmetrisch angeordnet sind.
19. Durchflußmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Auslaßkanal (4) in zentraler Lage vorgesehen ist.
20. Durchflußmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
den Teilstrahlen des Ultraschallsignals (7) mindestens ein Einlaßkanal (3)
zugeordnet ist.
21. Durchflußmesser nach Anspruch 20,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Anzahl der Einlaßkanäle (3) gleich oder ein ganzes Vielfaches der
Anzahl der Teilstrahlen des Ultraschallsignals (7) ist.
22. Durchflußmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Einlaßkanäle (3) in gleichem Abstand und Winkel zu den Teilstrahlen
des Ultraschallsignals (7) angeordnet sind.
23. Durchflußmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
der oder die jeweiligen Einlaßkanäle (3) in der Nähe des Reflektors (10, 10',
10", . . .) angeordnet sind.
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