DE10120355A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Ultraschall-Durchflußmessung von Fluiden - Google Patents

Abstract

In einem Meßrohr (1) sind zwei in Durchflußrichtung beabstandete, als Sender/Empfänger arbeitende Ultraschall-Wandler (2, 3) angeordnet. Der Ultraschall wird in Form eines divergenten Strahlenbündels (4) abgegeben und von einer ersten paraboloidförmigen Reflexionsfläche (8) in ein paralleles Strahlenbündel (9) umgewandelt. Letzteres trifft auf eine zweite paraboloidförmige Reflexionsfläche (10) und wird von dieser als konvergentes Strahlenbündel (11) auf den Wandler (3) fokussiert. Die Strahlenbündel (4, 9, 11) definieren einen Schallpfad, und zwar derart, daß sämtliche Strahlen (5-7) über der Länge des Schallpfades von gleicher Länge sind. Zeitverzögerungen und Frequenzverschiebungen zwischen den einzelnen Strahlen zeigen eine turbulenzbehaftete Strömung an und ermöglichen die Erfassung des Turbulenzgrades. Durch eine entsprechende Korrektur der Meßwerte erhöht sich die Meßgenauigkeit.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrich­ tung zur Ultraschall-Durchflußmessung von Fluiden in einem Meßrohr, das zwei in Durchflußrichtung beabstandete, jeweils als Sender/Empfänger arbeitende Ultraschall-Wandler auf­ weist, wobei der Ultraschall von den Wandlern als divergen­ tes Strahlenbündel ausgesendet, unter Reflexion und Fokus­ sion entlang eines Schallpfades geführt und von den Wandlern als konvergentes Strahlenbündel empfangen wird.

Die Erfindung ist anwendbar auf die Durchflußmessung sämtlicher Fluide, vorzugsweise allerdings auf die Durch­ flußmessung von technischen Gasen, wie Druckluft, Stick­ stoff, Methan, Sauerstoff u. dgl.. Von wesentlicher Bedeu­ tung ist die Erfindung für die Durchflußmessung von Erdgas, da Erdgas unter den gasförmigen Energieträgern eine Vorrang­ stellung einnimmt.

Bei der Ultraschall-Durchflußmessung werden Signale zwi­ schen den beiden Wandlern ausgetauscht. Die Signale folgen dem Schallpfad, wobei sich je nach Laufrichtung Laufzeitun­ terschiede ergeben. Aus diesen Unterschieden wird die Strö­ mungsgeschwindigkeit des Fluids abgeleitet, aus der sich dann unter Einbeziehung des Meßrohrquerschnitts der Durch­ fluß ergibt.

Verfahren und Vorrichtung der eingangs genannten Art sind aus der DE 195 49 162 A1 bekannt. Der Einsatz von le­ diglich zwei Wandlern, also die Arbeitsweise mit nur einem Meßkanal, ist konstruktiv und folglich wirtschaftlich gün­ stiger als die Arbeitsweise mit mehreren Meßkanälen und ei­ ner entsprechenden Vielzahl von Wandlern, siehe beispiels­ weise die DE 196 32 165 A1. Bei größeren Volumenströmen, d. h., bei größeren Meßrohrquerschnitten, ergibt sich aller­ dings der Nachteil, daß die Strömung turbulenzbehaftet ist und daß die Turbulenzen zu Zeitverzögerungen und Frequenz­ verschiebungen der Meßsignale führen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nach­ teile zu beheben, d. h., die Meßgenauigkeit zu steigern.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist das eingangs genannte Ver­ fahren erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlen des divergenten Strahlenbündels derart reflektiert und fokussiert werden, daß sie über der Länge des Schallpfa­ des von gleicher Länge sind.

Letzteres ist bei dem Verfahren nach der bereits erwähn­ ten DE 195 49 162 A1 nicht der Fall. Das divergente Strah­ lenbündel wird dort auf eine fokussierende Reflexionsfläche gerichtet und von dieser aus unter Bildung des konvergenten Strahlenbündels dem empfangenden Wandler zugeführt.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß unter­ schiedliche Weglängen der einzelnen Strahlen, ebenso wie Turbulenzen der Strömung, zu einem Verwaschen der Wellen­ front führen und daher ebenfalls Zeitverzögerungen und Fre­ quenzverschiebungen hervorrufen. Sind also die Weglängen der einzelnen Strahlen gleich, so ergeben sich, Laminarströmung vorausgesetzt, keine Zeitverzögerungen und Frequenzverschie­ bungen. Treten diese Erscheinungen dennoch auf, so ist dies ein Zeichen dafür, daß die Strömung turbulenzbehaftet ist.

Die gleiche Weglänge der einzelnen Strahlen bietet also die Möglichkeit, den Turbulenzgrad der Strömung zu erfassen und die Messung entsprechend zu korrigieren, also die Meßge­ nauigkeit zu erhöhen.

Die Gestaltung des Schallpfades unterliegt keinen Be­ grenzungen, sofern die Merkmale der Divergenz, der Konver­ genz und der gleichen Weglängen erfüllt werden. Besonders vorteilhaft ist es, die Strahlen des divergenten Strahlen­ bündels in ein paralleles Strahlenbündel und sodann in das konvergente Strahlenbündel umzuwandeln. Dabei kann das pa­ rallele Strahlenbündel durchaus Umlenkungen erfahren. Vorzu­ ziehen ist allerdings ein Schallpfad, der zwischen den bei­ den Wandlern N-förmig verläuft.

Ferner ist es aus Gründen der Meßgenauigkeit vorteil­ haft, eine Direktstrahlung zwischen den Wandlern zu verhin­ dern.

Die Erfindung schafft ferner ein Ultraschall-Durchfluß­ meßgerät mit einem Meßrohr und mit zwei jeweils als Sen­ der/Empfänger arbeitenden Ultraschall-Wandlern, die in Durchflußrichtung beabstandet im Meßrohr angeordnet sind und gemeinsam mit mindestens einer Reflexionsfläche einen Schallpfad für die Strahlen des Ultraschalls definieren, wo­ bei diese Vorrichtung zur Lösung der gestellten Aufgabe er­ findungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß die Wandler gemeinsam mit mindestens zwei funktionalen Reflexionsflächen den Schallpfad derart definieren, daß die Strahlen des Ul­ traschalls über der Länge des Schallpfades von gleicher Länge sind.

Vorzugsweise sind die Reflexionsflächen Paraboloidflä­ chen, in deren Brennpunkten die Wandler liegen. Die Strahlen des Ultraschalls bilden also, gesehen in Laufrichtung, ein divergentes Strahlenbündel, ein daran anschließendes paral­ leles Strahlenbündel und schließlich ein auf den empfangen­ den Wandler gerichtetes konvergentes Strahlenbündel. Die Fo­ kussierung auf den empfangenen Wandler führt zu einer Ver­ stärkung des empfangenden Signals, wodurch dessen Störemp­ findlichkeit vermindert wird.

Die Führung des parallelen Strahlenbündels kann mehrere Umlenkungen erfahren. Vorteilhafter allerdings ist es, den Schallpfad N-förmig auszubilden.

In wesentlicher Weiterbildung der Erfindung wird vorge­ schlagen, die Hälften des Schallpfades spiegelbildlich zu­ einander auszubilden, und zwar bezogen auf zwei zueinander senkrechte Ebenen, von denen die eine die Achse des Meßroh­ res enthält. Der Schallpfad liegt dabei in einer einzigen diametralen Ebene des Meßrohres.

Vorzugsweise sind Mittel zum Verhindern einer Direkt­ strahlung zwischen den Wandlern vorgesehen. Die Wandler kön­ nen hierzu ganz oder teilweise in Vertiefungen der Wandung des Meßrohres versenkt sein. Alternativ oder zusätzlich kann jedem Wandler eine aus der Wandung des Meßrohres vorsprin­ gende Nase zugeordnet sein, wobei deren Kontur vorteilhaf­ terweise auf minimale Störung der Strömung ausgelegt ist.

In der Regel wird man den Querschnitt des Meßrohres kreisförmig wählen. Die Erfindung ist jedoch mit Vorteil auch auf einen rechteckigen Querschnitt anwendbar, dessen Höhe größer als die Breite ist, wobei die Wandler und die Reflexionsflächen in den schmalen Querwänden des Meßrohres angeordnet sind.

Dabei ist es besonders vorteilhaft, den breiten Seiten­ wänden des Meßrohres eine Anti-Reflexionsstruktur zu verlei­ hen. Dies bietet die Möglichkeit, die Breite des Meßkanals so zu vergrößern, daß das Prinzip der Wellenleitung verlas­ sen werden kann. Die dabei auftretenden Reflexionen an den Seitenwänden des Meßrohres werden unterdrückt. Hierzu kommen streuende und/oder absorbierende Oberflächen in Frage, bei­ spielsweise eine angepaßte Oberflächenrauhigkeit oder auch eine λ/4-Schicht.

Unabhängig von der Querschnittsform des Meßrohres ist die Erfindung vorgesehen für kleinere Nennweiten im Bereich DN 25-DN 50 mit einem Durchflußmessbereich von ca. 1-200 m³/h und einem Druckbereich von etwa 1-100 bar.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in:

Fig. 1 einen schematisch dargestellten Axialschnitt durch eine Vorrichtung nach der Erfindung;

Fig. 2 eine ebenfalls schematisch dargestellte zugehö­ rige Stirnansicht.

Nach Fig. 1 weist die Vorrichtung ein Meßrohr 1 auf, in dessen Wandung ein erster Ultraschall-Wandler 2 und ein zweiter Ultraschall-Wandler 3 angeordnet sind. Die Wandler 2 und 3 arbeiten als Sender/Empfänger und beschicken sich ge­ genseitig mit Ultraschallsignalen. Für die weitere Beschreibung sei der Einfachheit halber vorausgesetzt, daß der Wand­ ler 2 den Sender und der Wandler 3 den Empfänger bildet.

Der Ultraschall verläßt den Wandler 2 in Form eines di­ vergenten Strahlenbündels 4, wiedergegeben durch einen er­ sten äußeren Strahl 5, einen zweiten äußeren Strahl 6 und einen mittleren Strahl 7.

Das divergente Strahlenbündel 4 trifft auf eine erste funktionale Reflexionsfläche 8, die als Paraboloidfläche ausgebildet und derart angeordnet ist, daß der Wandler 2 in ihrem Brennpunkt liegt. An der Reflexionsfläche 8 wird das divergente Strahlenbündel umgelenkt und in ein paralleles Strahlenbündel 9 umgewandelt.

Letzteres trifft auf eine zweite funktionale Refefle­ xionsfläche 10, die das parallele Strahlenbündel 9 in ein konvergentes Strahlenbündel 11 umwandelt und auf den zweiten Wandler 3 fokussiert. Auch die zweite Reflexionsfläche 10 ist als Paraboloidfläche ausgebildet und so angeordnet, daß der zweite Wandler 3 in ihrem Brennpunkt liegt.

Die Strahlenbündel 4, 9 und 11 definieren einen Schall­ pfad. Dabei ist es von wesentlicher Bedeutung, daß über der Länge dieses Schallpfades die Längen sämtlicher Strahlen, hier exemplarisch wiedergegeben durch die Strahlen 5, 6 und 7, von gleicher Länge sind. Dies besagt, laminare Strömung vorausgesetzt, daß zwischen den Signalen der einzelnen Strahlen keine Zeitverzögerungen und keine Frequenzverschie­ bungen auftreten. Werden also Zeitverzögerungen und Fre­ quenzverschiebungen während der Messung erfaßt, so bedeutet dies, daß die Strömung turbulenzbehaftet ist. Der Turbulenz­ grad läßt sich ermitteln, und die Meßwerte lassen sich ent­ sprechend korrigieren. Im Ergebnis erhöht sich die Meßge­ nauigkeit.

Die schematische Stirnansicht nach Fig. 2 zeigt eben­ falls den Schallpfad, hier definiert durch zwei äußere Strahlen 13 und den mit der vertikalen Mittelachse zusammen­ fallenden Strahl 7.

Der Schaltpfad ist, wie aus Fig. 1 ersichtlich, N-för­ mig ausgebildet, wobei der mittlere Strahl 7, wie aus Fig. 2 ersichtlich, in einer diametralen Ebene liegt.

Die Anordnung der Wandler 2 und 3 sowie der Reflexions­ flächen 8 und 10 ist so getroffen, daß die beiden Hälften des Schallpfades spiegelsymmetrisch zueinander liegen, und zwar zum einen bezogen auf eine die Achse des Meßrohres 1 enthaltende, senkrecht zur Zeichenebene liegende Ebene und zum anderen bezogen auf eine senkrecht zu letzterer sowie ebenfalls senkrecht zur Zeichenebene liegende Ebene.

Aus Fig. 1 geht ferner hervor, daß Mittel vorgesehen sind, die eine Direktstrahlung zwischen den Wandlern 2 und 3 verhindern. Es handelt sich um Nasen 14, die etwas in die Strömung hineinragen, allerdings derart, daß die Strömung nur minimal gestört wird. Eine alternative Möglichkeit be­ steht darin, die Wandler nicht, wie gezeigt, teilweise, son­ dern völlig in der Wand des Meßrohres zu versenken.

Im Rahmen der Erfindung sind durchaus Abwandlungsmög­ lichkeiten gegeben. So ist die Erfindung nicht auf den Ein­ satz eines kreisförmigen Meßrohrquerschnitts beschränkt. Vielmehr sind auch rechteckige Querschnitte denkbar, bei de­ nen die Wandler und Reflexionsflächen in den schmalen Quer­ wänden angeordnet sind. Die höheren Seitenwände können eine Anti-Reflexionsstruktur aufweisen, so daß die Vermessung größerer Volumenströme möglich ist.

Vor allen Dingen besteht eine hohes Maß an Freiheit, was die Gestaltung und Führung des Schallpfades anbelangt. Kei­ nesfalls ist es erforderlich, daß sich der Schallpfad an ei­ ner einzigen diametralen Ebene ausrichtet. Vielmehr ist eine beliebige Führung durch das Meßrohr möglich. Dies gilt auch für Abweichungen von der N-Form sowie für Abweichungen von der Erzeugung eines parallelen Strahlenbündels. Daraus wird ersichtlich, daß auch in der dargestellten paraboloidförmi­ gen Ausbildung der Reflexionsflächen und der zugeordneten Lage der Wandler keine Beschränkung zu sehen ist, sondern lediglich eine bevorzugte Ausbildung. Von wesentlicher Bedeutung ist, daß die sendenden Wandler divergente Strahlen­ bündel abgeben und die empfangenden Wandler konvergente Strahlenbündel aufnehmen und daß die Längen der Strahlen über der Länge des Schallpfades gleich sind.

Claims (14)

1. Verfahren zur Ultraschall-Durchflußmessung von Flui­ den in einem Meßrohr, das zwei in Durchflußrichtung beab­ standete, jeweils als Sender/Empfänger arbeitende Ultra­ schall-Wandler aufweist, wobei der Ultraschall von den Wand­ lern als divergentes Strahlenbündel ausgesendet, unter Re­ flexion und Fokussion entlang eines Schallpfades geführt und von den Wandlern als konvergentes Strahlenbündel empfangen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlen des Ultraschalls derart reflektiert und fokussiert werden, daß sie über der Länge des Schallpfades von gleicher Länge sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlen des divergenten Strahlenbündels in ein paralleles Strahlenbündel und dessen Strahlen sodann in das konvergente Strahlenbündel umgewandelt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Schallpfad zwischen den beiden Wandlern N- förmig verläuft.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Direktstrahlung zwischen den Wand­ lern verhindert wird.

5. Ultraschall-Durchflußmessgerät mit einem Meßrohr (1) und mit zwei jeweils als Sender/Empfänger arbeitenden Ultra­ schall-Wandlern (2, 3), die in Durchflußrichtung beabstandet im Meßrohr (1) angeordnet sind und gemeinsam mit mindestens einer Reflexionsfläche (8, 10) einen Schallpfad für die Strahlen (5-7, 13) des Ultraschalls definieren, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandler (2, 3) gemeinsam mit mindestens zwei funktionalen Reflexionsflächen (8, 10) den Schallpfad derart definieren, daß die Strahlen (5-7) des Ultraschalls über der Länge des Schallpfades von gleicher Länge sind.

6. Ultraschall-Durchflußmessgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflexionsflächen (8, 10) Paraboloidflächen sind, in deren Brennpunkten die Wandler (2, 3) liegen.

7. Ultraschall-Durchflußmessgerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Schallpfad N-förmig ausge­ bildet ist.

8. Ultraschall-Durchflußmessgerät nach einem der Ansprü­ che 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Hälften des Schallpfades spiegelbildlich zueinander ausgebildet sind, und zwar bezogen auf zwei zueinander senkrechte Ebenen, von denen die eine die Achse des Meßrohres (1) enthält.

9. Ultraschall-Durchflußmessgerät nach einem der Ansprü­ che 5 bis 8, gekennzeichnet durch Mittel zum Verhindern einer Direktstrahlung zwischen den Wandlern (2, 3)

10. Ultraschall-Durchflußmessgerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandler (2, 3) ganz oder teilweise in Vertiefungen der Wandung des Meßrohres (1) ver­ senkt sind.

11. Ultraschall-Durchflußmessgerät nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Wandler (2, 3) eine aus der Wandung des Meßrohres (1) Vorspringende Nase (14) zuge­ ordnet ist.

12. Ultraschall-Durchflußmessgerät nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Nasen (14) eine Kontur auf­ weisen, die auf minimale Störung der Strömung angelegt ist.

13. Ultraschall-Durchflußmessgerät nach einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßrohr einen rechteckigen Querschnitt aufweist, dessen Höhe größer als die Breite ist, wobei die Wandler und die Reflexionsflä­ chen in den schmalen Querwänden des Meßrohres angeordnet sind.

14. Ultraschall-Durchflußmessgerät nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die breiten Seitenwände des Meß­ rohres eine Anti-Reflexionsstruktur aufweisen.