DE102004060118A1

DE102004060118A1 - Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung des Volumen- und/oder Massendurchflusses

Info

Publication number: DE102004060118A1
Application number: DE102004060118A
Authority: DE
Inventors: Thomas Dr. Fröhlich; Achim Wiest; Andreas Berger; Torsten Dr. Strunz; Oliver Berberig
Original assignee: Endress and Hauser Flowtec AG; Flowtec AG
Current assignee: Endress and Hauser Flowtec AG
Priority date: 2004-12-13
Filing date: 2004-12-13
Publication date: 2006-06-14
Also published as: WO2006063931A1; RU2007126674A; EP1825228A1; CN101080613A; US20090100940A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Ultraschall-Durchflussmessgerät (9, 10) zur Bestimmung und/oder Überwachung des Volumen- und/oder Massedurchflusses eines Messmediums (3) durch eine Rohrleitung oder ein Messrohr (1). DOLLAR A Erfindungsgemäß weist die Wand der Rohrleitung bzw. des Messrohres (1) im Bereich der definierten Sensorposition des Ultraschallsensors (7) und/oder im Bereich des Schallpfades der Ultraschall-Messsignale des zumindest einen Ultraschallsensors (7) eine Verformung (4) bzw. Verformungen auf, die derart ausgestaltet und/oder angeordnet ist bzw. sind, dass die in dem Schallpfad gemessene Strömungsgeschwindigkeit des Messmediums (3) bzw. - im Falle von mehreren Ultraschallsensoren (7) - die in den Schallpfaden gemessenen und/oder die miteinander verrechneten Strömungsgeschwindigkeiten des Messmediums (3) zumindest näherungsweise der mittleren, über die Fläche der Rohrleitung bzw. des Messrohres (1) gemittelten Strömungsgeschwindigkeit des Messmediums (3) entspricht bzw. entsprechen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung des Volumen- und/oder Massedurchflusses eines Messmediums durch eine Rohrleitung oder ein Messrohr, wobei das Messmedium das Messrohr im wesentlichen in einer Strömungsrichtung parallel zur Längsachse des Messrohres durchströmt, mit zumindest einem Ultraschallsensor, der Ultraschall-Messsignale auf zumindest einem definierten Schallpfad aussendet und/oder empfängt, wobei der zumindest eine Ultraschallsensor in der Wand des Messrohres oder an der Außenwand der Rohrleitung an einer definierten Sensorposition platziert ist, und mit einer Regel-/Auswerteeinheit, die den Volumen- und/oder den Massedurchfluss des Messmediums durch die Rohrleitung bzw. durch das Messrohr anhand der Ultraschall-Messsignale ermittelt. Bei dem Messmedium kann es sich um ein flüssiges, gas- oder dampfförmiges Medium handeln.
Bei Inline-Durchflussmessgeräten sind die Ultraschallsensoren mediumsberührend angebracht. Hierdurch lässt sich im Vergleich zu Clamp-on-Systemen eine wesentlich höhere Schallleistung in das Messmedium einkoppeln. Die Einkopplung einer höheren Schallleistung führt zu einer Verbesserung des Signal-/Rauschverhältnisses. Das Signal-/Rauschverhältnis ist über das Verhältnis von Nutzsignal zu Störsignal definiert. Hierbei definiert das Nutzsignal den Anteil der Ultraschall-Messsignale, die über das Messmedium übertragen werden. Das Störsignal repräsentiert den Anteil der Ultraschall-Messsignale, die über das Messrohr zum Empfänger gelangen.
Üblicherweise sind die Ultraschallsensoren bei einem Inline-Durchflussmessgerät in Bohrungen in der Wand des Messrohres positioniert. Die Ultraschallsensoren sind so in der Wand des Messrohres befestigt, dass auf jeden Fall die Dichtigkeit des Messrohrs unter sämtlichen Betriebsbedingungen gewährleistet ist. Um das Verhältnis von Nutzsignal zu Störsignal zu optimieren, kommt üblicherweise eine Anordnung zum Einsatz, bei der sich die Ultraschallsensoren auf einer direkten Verbindungslinie gegenüber stehen. Selbstverständlich ist auch eine Anordnung möglich, bei der die Ultraschall-Messsignale über Mehrfachreflexion an der Innenwand des Messrohres vom sendenden zum empfangenden Ultraschallsensor gelangen.
Bei den Inline-Durchflussmessgeräten wird üblicherweise zur Gewinnung der gewünschten Durchfluss-Information die Laufzeit, die Phasen- oder die Frequenzdifferenz von Ultraschall-Messsignale herangezogen, die das Messmedium in Strömungsrichtung und entgegen der Strömungsrichtung durchlaufen. Damit der Einfluss des strömenden Messmediums auf die Ausbreitung der Ultraschall-Messsignale messbar ist, müssen die Ultraschallsensoren auf einer Verbindungslinie liegen, die außerhalb der Senkrechten zur Längsachse des Messrohres liegt.
Aus dieser Einschränkung resultiert also eine zur Längsachse des Messrohres geneigte Anordnung der Ultraschallsensoren. In Verbindung mit der gewünschten Mediumsberührung sind die Bohrungen quer durch das Messrohr geführt; die Ultraschallsensoren werden nachfolgend von außen in die Bohrungen eingesetzt. Um die Ultraschallsensoren vor Abrieb und/oder Beschädigung zu schützen und um die Strömungsverluste so gering wie möglich zu halten, wird üblicherweise dafür Sorge getragen, dass die Ultraschallsensoren nicht in den Innenraum des Messrohres hineinragen. Aufgrund dieser ‘versenkten’ Anordnung der Ultraschallsensoren in den Bohrungen verbleiben zwischen den dem Innenraum des Messrohres zugewandten Flächen der Ultraschallsensoren und der Innenwand des Messrohres Hohlräume, die mit dem Messmedium ausgefüllt sind. Üblicherweise werden diese Hohlräume als Sensor- oder Fluidtaschen bezeichnet.
Es ist bekannt, dass in diesen Hohlräumen Strömungszustände auftreten, die u.U. das Messergebnis erheblich beeinflussen können. Diese Strömungszustandsänderungen, die zu Messwertabweichungen von 10% oder mehr führen können, treten insbesondere im laminaren Strömungszustand (in Rohrleitungen: Re < 2'300) auf. Die Messgenauigkeit nimmt dann rapide ab, wenn das Verhältnis des Durchmessers einer Bohrung D_SE zur Aufnahme eines Ultraschallsensors zum Innendurchmesser des Messrohres D_M größer ist als ca. 0.2. In diesem Fall zeigt es sich, dass bei Unterschreiten einer vorgegebenen Reynoldszahl (Re < 10'000) die Messcharakteristik eines Inline-Durchflussmessgeräts nicht-linear wird. Eine Korrektur dieser Messcharakteristik ist bislang nur möglich über die Bestimmung der aktuellen Reynoldszahl. Die Bestimmung von Reynoldszahlen ist weithin bekannt. Beispielsweise findet sich in der US-PS 5,987,997 die Möglichkeit, die Reynoldszahl über das Verhältnis bzw. den Vergleich der entlang verschiedener Schallpfade gemessenen gemittelten Geschwindigkeiten zu bestimmen.
Der Grund für das nicht-lineare Verhalten der Messwertabweichungen zu kleinen Reynoldszahlen hin liegt in der Beeinflussung der Strömung im Messrohr durch die zuvor beschriebenen Hohlräume. Es ist ein intrinsisches Merkmal laminarer Strömungen, dass sie sich bei geringer werdender Reynoldszahl immer stärker an die Innenwand des Messrohres anschmiegen, d.h. die Strömung folgt jeder Wandunregelmäßigkeit. Bei einer solchen Unregelmäßigkeit handelt es sich beispielsweise um eine zuvor beschriebene Fluidtasche. Aufgrund der im Bereich der Ultraschallsensoren von der Hauptströmung abweichenden Geschwindigkeitskomponenten werden zusätzliche Geschwindigkeitsanteile entlang des Schallpfades aufintegriert, so dass zu niedrigen Reynoldszahlen hin erhebliche Messwertabweichungen auftreten.
Es ist ein weithin bekanntes Problem, dass insbesondere im Falle des laminar-turbulenten Übergangs der Strömungen im Messrohr im Bereich der Fluid- oder Sensortaschen Verwirbelungen auftreten, die sich ebenfalls negativ auf die Linearität eines Ultraschall-Durchflussmessgeräts auswirken können.
Zur Dämpfung der Verwirbelungen in den Hohlräumen der Messrohre von Inline-Durchflussmessgeräten wird in der US-PS 3,906,791 ein Gitter so vor dem Hohlraum angeordnet, dass es bündig mit der Innenwand des Messrohres abschließt. Dieser Einsatz ist aufgrund angepasster Abmessungen für die Ultraschall-Messsignale akustisch durchlässig. Nachteilig an dieser Lösung sind die zu erwartende akustische Dämpfung bzw. die Streuung der Ultraschall-Messsignale, der zusätzliche fertigungstechnisch Aufwand und die Gefahr des Zusetzens des Gitters bei unreinen Fluiden.
Weiterhin wird in diesem US Patent eine Kunststoff – Abdeckplatte/Membran für die Hohlräume beschrieben. Mit dieser Abdeckplatte/Membran geht jedoch nicht nur eine Schwächung des Nutzsignals einher, sondern es kommt darüber hinaus auch zu einer Schallbrechung, die stark temperaturabhängig ist. Auch das vorgeschlagene blasenfreie Befüllen des Hohlraums zwischen dem Ultraschallsensor und der Abdeckplatte/Membran – eine Ausgestaltung, die übrigens bei Anwendungen mit unterschiedlichem statischem Druck erforderlich ist – gestaltet sich sehr aufwendig.
In der Japanischen Patentanmeldung JP 2003202254 A findet sich ein Vorschlag, bei dem die oben beschriebenen Hohlräume durch eine Art Lochblende verschlossen werden. Der Hohlraum zwischen dem Ultraschallsensor und der Lochblende ist so gestaltet, dass seitlich gerichtete Ultraschall-Messsignale sich schnell totlaufen.
Nachteilig bei dieser Lösung ist, dass es aufgrund der reduzierten Schallöffnung zu einer Abschwächung des Nutzsignals kommt. Zudem können auch hier im Falle von unreinen Fluiden Ablagerungen zu Verstopfungen führen. Auch kann es im Falle einer strömenden Flüssigkeit zu Lufteinschlüssen im Bereich der Hohlräume kommen, was sich gleichfalls negativ auf die Stärke des Nutzsignals auswirkt.
Anstelle einer strömungsmechanischen Lösung wird in der US-PS 5,987,997 ein Verfahren beschrieben, das auf eine nachträgliche Korrektur der Messwertabweichung abzielt. Es wird insbesondere vorgeschlagen, anhand der Verhältnisse von Geschwindigkeiten bzw. der Differenzen von Geschwindigkeiten entlang von mindestens zwei voneinander verschiedenen Messpfaden/Schallpfaden die Reynoldszahl des strömenden Fluids durchgängig zu bestimmen.
Diese Lösung ist jedoch nur eingeschränkt einsetzbar, da spätestens für Re < 1'000 sowohl die außermittigen als auch die mittigen Messwertabweichungen parallel verlaufen, wodurch eine eindeutige Bestimmung der Reynoldszahl unmöglich wird. Auch für größere Reynoldszahlen, z.B. Re > 3'000, ist die Bestimmung nicht immer eindeutig. Weiterhin kann es bei diesem bekannten Verfahren zur Korrektur von auftretenden Nichtlinearitäten bei gestörter Anströmung aufgrund fälschlicher Zuordnung der Reynoldszahl zu erheblichen Messwertabweichungen kommen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Linearisierung der Messcharakteristik über einen erweiterten Reynoldszahlen-Bereich zu erhalten.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Wand der Rohrleitung bzw. des Messrohres im Bereich der definierten Sensorposition des Ultraschallsensors und/oder im Bereich des Schallpfades der Ultraschall-Messsignale des zumindest einen Ultraschallsensors eine Verformung bzw. Verformungen aufweist, die derart ausgestaltet und/oder angeordnet ist bzw. sind, dass die in dem Schallpfad gemessene Strömungsgeschwindigkeit des Messmediums bzw. – im Falle von mehreren Ultraschallsensoren – die in den Schallpfaden gemessenen und/oder die miteinander verrechneten Strömungsgeschwindigkeiten des Messmediums unabhängig von der Reynoldszahl zumindest näherungsweise der mittleren über die Fläche der Rohrleitung bzw. des Messrohres gemittelten Strömungsgeschwindigkeit des Messmediums entspricht.
Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist darin zu sehen, dass selbst bei Inline-Durchflussmessgeräten mit kleinen Nennweiten (DN15 ~ DN50) und kleinen Reynoldszahlen (Re < 10'000) strömungsmechanisch bedingte Messwertabweichungen, die durch Anliegen der Strömung an das im Bereich der Ultraschallsensoren verformte Messrohr oder durch Verwirbelungen des Messmediums in den Hohlräumen zwischen den Ultraschallsensoren und der Innenwand des Messrohres verursacht werden, minimiert sind.
Als weitere Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung sind zu nennen:

– Es ist keine "nachgelagerte" Korrektur der Messwerte (z.B. mittels eines Korrekturalgorithmus) notwendig, wodurch eine hohe Robustheit gegenüber gestörten Anströmungen gewährleistet wird;
– Es tritt keine Abschwächung des Nutzsignals auf;
– Es zeigt sich kein nennenswerter zusätzlicher Druckverlust;
– Es müssen keine Einschränkung hinsichtlich der möglichen Applikationen in Kauf genommen werden;
– Im Falle der Realisierung als Gussteil treten keine zusätzlichen Kosten auf.

Insbesondere handelt es sich übrigens bei den Verformungen um Aussparungen bzw. Vertiefungen in der Wand des Messrohres. Diese Aussparungen sind so bemessen, dass Messwertabweichungen über den gewünschten Reynoldszahl-Messbereich entweder für jeden einzelnen Schallpfad minimiert werden, oder aber die Minimierung kommt durch Verrechnung der einzelnen Schallpfade miteinander zustande.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, dass die Verformungen im wesentlichen im Bereich zwischen dem der Innenwand des Messrohres zugewandten Endbereich des zumindest einen Ultraschallsensors und der Innenwand des Messrohres so ausgestaltet sind, dass Strömungskomponenten, die von der zur Längsachse des Messrohres parallelen Strömungsrichtung abweichen, sich entlang des Messpfades zumindest näherungsweise kompensieren und/oder aus dem Messpfad zumindest näherungsweise herausverlagert sind.
Insbesondere beruht die Erfindung darauf, durch gezielte geometrische Veränderungen/Veränderung bzw. Verformung/Verformungen der Innenwand des Messrohres in der näheren Umgebung des mit Messmedium angefüllten Hohlraumes die Strömung des Messmediums so zu beeinflussen,

– dass sich entweder die y-Geschwindigkeitskomponenten entlang der Schallpfade der Ultraschall-Messsignale in ihrer Summe weitgehend aufheben,
– oder dass die Strömungsbereiche mit für die Messung relevanten y-Komponenten so verschoben werden, dass sie außerhalb des Schallpfads zu liegen kommen,
– oder dass eine Kombination aus beiden zuvor genannten Methoden die gewünschte Minimierung der Messwertabweichung erbringt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Verformung bzw. sind die Verformungen so ausgeführt, dass im Bereich der definierten Sensorposition des Ultraschallsensors und/oder im Bereich des Schallpfades der Ultraschall-Messsignale des zumindest einen Ultraschallsensors keine schmalen Spalte auftreten. Dies stellt einen besonderen Vorteil hinsichtlich der Vermeidung von Ablagerungen und der Möglichkeit zur rückstandsfreien Reinigung des durchströmten Meßgerätbereichs dar, was insbesondere in der Lebensmittelindustrie gefordert wird.
Weiterhin ist vorgesehen, dass es sich bei der zumindest einen Verformung der Wand der Rohrleitung bzw. des Messrohres um eine den Querschnitt der Rohrleitung bzw. des Messrohres vergrößernde Vertiefung handelt. Allerdings kann es sich bei der Verformung je nach Ausführungsform auch um eine in den Innenraum des Messrohres hineinragende Erhebung handeln.
Als besonders vorteilhaft hat es sich in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erwiesen, wenn die Verformung/die Verformungen bzw. die Vertiefung/die Vertiefungen in der Wand der Rohrleitung bzw. des Messrohres in Strömungsrichtung des Messmediums flach ansteigend bzw. flach abfallend ausgestaltet ist/sind. Durch den flachen Anstieg bzw. Abfall wird eine Strömungsablösung bei zunehmender Reynoldszahl vermieden, wodurch über einen sehr großen Reynoldszahlbereich gleich bleibende Strömungsbedingungen an den Ultraschallsensoren und im Schallpfad gewährleistet sind.
Als besonders vorteilhaft wird es in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung angesehen, wenn mehrere Ultraschallsensoren, die Ultraschall-Messsignale auf unterschiedlichen Schallpfaden aussenden und/oder empfangen, im Bereich einer Vertiefung angeordnet sind. Dies dient einerseits der oben erwähnten Vermeidung von kleinen Spalten, und erleichtert andererseits die Messrohrfertigung, z.B. als Gussteil, bei kleinen Nennweiten.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, dass zumindest ein Ultraschallsensor so in einer Bohrung positioniert und/oder so ausgestaltet ist, dass er in den Innenraum des Messrohres hineinragt. Hierdurch beeinflusst er gleichfalls das Strömungsverhalten des Messmediums vorteilhaft hinsichtlich einer Linearisierung der Messcharakteristik für niedrige Reynoldszahlen, oder aber er beeinflusst es in Verbindung mit zumindest einer Verformung, die in seiner Nachbarschaft zu finden ist.
Wie bereits an vorhergehender Stelle erwähnt, kann es sich bei dem Durchflussmessgerät um ein Clamp-On Durchflussmessgerät oder um ein Inline-Durchflussmessgerät handeln. Das Clamp-On Durchflussmessgerät oder das Inline-Durchflussmessgerät ermittelt die Strömungsgeschwindigkeit des Messmediums entweder nach einem Schallmitführungsverfahren, insbesondere nach dem Laufzeitdifferenz-Prinzip, oder nach einem Dopplerverfahren.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist das Messrohr bzw. der den Ultraschallsensor bzw. die Ultraschallsensoren tragende Teilabschnitt der Rohrleitung als Gussteil gefertigt ist. Das Gussteil selbst besteht entweder aus Metall oder aus Kunststoff.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:
1a: eine perspektivische Ansicht eines aufgeschnittenen Messrohres gemäß einer ersten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
1b: einen Längsschnitt gemäß der Kennzeichnung A-A in 1c,
1c: einen Querschnitt gemäß der Kennzeichnung B-B in 1b,
2a: eine perspektivische Ansicht eines aufgeschnittenen Messrohres gemäß einer zweiten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
2b: einen Längsschnitt gemäß der Kennzeichnung A-A in 2c,
2c: einen Querschnitt gemäß der Kennzeichnung B-B in 2b,
3a: eine perspektivische Ansicht eines aufgeschnittenen Messrohres gemäß einer dritten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
3b: einen Längsschnitt gemäß der Kennzeichnung A-A in 3c,
3c: einen Querschnitt gemäß der Kennzeichnung B-B in 3b,
4a: eine perspektivische Ansicht eines aufgeschnittenen Messrohres gemäß einer vierten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
4b: einen Längsschnitt gemäß der Kennzeichnung A-A in 4c,
4c: einen Querschnitt gemäß der Kennzeichnung B-B in 4b,
5a: eine perspektivische Ansicht eines aufgeschnittenen Messrohres gemäß einer fünften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
5b: einen Längsschnitt gemäß der Kennzeichnung A-A in 5c,
5c: einen Querschnitt gemäß der Kennzeichnung B-B in 5b,
6a: eine perspektivische Ansicht eines aufgeschnittenen Messrohres gemäß einer sechsten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
6b: einen Längsschnitt gemäß der Kennzeichnung A-A in 6c,
6c: einen Querschnitt gemäß der Kennzeichnung B-B in 6b,
7a: eine perspektivische Ansicht eines aufgeschnittenen Messrohres gemäß einer siebenten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
7b: einen Längsschnitt gemäß der Kennzeichnung A-A in 7c,
7c: einen Querschnitt gemäß der Kennzeichnung B-B in 7b,
8a: eine perspektivische Ansicht eines aufgeschnittenen Messrohres gemäß einer achten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
8b: einen Längsschnitt gemäß der Kennzeichnung A-A in 8c,
8c: einen Querschnitt gemäß der Kennzeichnung B-B in 8b,
9a: eine perspektivische Ansicht eines aufgeschnittenen Messrohres gemäß einer neunten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
9b: einen Längsschnitt gemäß der Kennzeichnung A-A in 9c,
9c: einen Querschnitt gemäß der Kennzeichnung B-B in 9b,
10a: eine perspektivische Ansicht eines aufgeschnittenen Messrohres gemäß einer bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
10b: einen Längsschnitt gemäß der Kennzeichnung B-B in 10d,
10c: einen Querschnitt gemäß der Kennzeichnung A-A in 10d,
10d: eine Draufsicht auf das Messrohr gemäß der Kennzeichnung C in 10a,
11a: eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der als Clamp-On Durchflussmessgerät ausgestalteten erfindungsgemäßen Vorrichtung,
11b: eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der als Clamp-On Durchflussmessgerät ausgestalteten erfindungsgemäßen Vorrichtung,
11c: eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform einer als Clamp-On Durchflussmessgerät ausgestalteten erfindungsgemäßen Vorrichtung,
12a: eine schematische Darstellung der Messcharakteristik eines herkömmlichen Ultraschall-Durchflussmessgeräts mit drei Schallpfaden und
12b: eine schematische Darstellung der Messcharakteristik eines erfindungsgemäßen Ultraschall-Durchflussmessgeräts mit drei Schallpfaden.
In den Figuren 1 bis 9 sind schematische Darstellungen von neun vorteilhaften Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Inline-Durchflussmessgeräts 10 zu sehen. Die gezeigten Durchflussmessgeräte 10 weisen jeweils drei Messkanäle bzw. Schallpfade auf. Bevorzugt erfolgt die Bestimmung des Volumen- oder Massedurchflusses über das Laufzeitdifferenzverfahren. Prinzipiell ist die Erfindung aber bei jedem Ultraschall-Durchflussmessgerät 9, 10 einsetzbar- völlig unabhängig von dem gewählten Mess- oder Auswerteverfahren. Obwohl nachfolgend ausschließlich Durchflussmessgeräte mit zumindest zwei Ultraschallsensoren beschrieben werden, lässt sich auch ein Ultraschall-Durchflussmessgerät 9, 10 mit nur einem Ultraschallsensor 7 bzw. einem Schallpfad mit den optimierten Sensortaschen ausgestalten.
Die Figuren 1a bis 9a zeigen jeweils eine Draufsicht auf ein erfindungsgemäß ausgestaltetes aufgeschnittenes Messrohr 1. An dem aufgeschnittenen Messrohr sind jeweils drei Bohrungen 2 mit zumindest teilweise optimierten Sensortaschen 4 zu sehen. Bei den gezeigten Beispielen sind die Verformungen 4 durchgehend als Vertiefungen 4 in der Wand des Messrohres 1 ausgebildet. Dies hat den Vorteil, dass infolge einer Vergrößerung des Durchmessers D des Messrohrs 1 die Verstopfungsgefahr in dem Messrohr 1 minimiert wird. Es versteht sich aber von selbst, dass zum Zwecke der Strömungsoptimierung die Verformungen 4 auch als Erhebungen ausgebildet sein können. Entsprechende Beispiele werden im Zusammenhang mit den Figuren 10, 11 noch ausführlich beschrieben.
Die Figuren 1b bis 9b zeigen jeweils einen Längsschnitt gemäß der Kennzeichnung A-A in den Figuren 1c bis 9c. Diese Längsschnitte lassen sehr deutlich die Formgebung der Sensortasche 4 bzw. der Sensortaschen 4 erkennen. In den Figuren 1c bis 9c ist jeweils ein Querschnitt gemäß der Kennzeichnung B-B in den Figuren 1b bis 9b zu sehen.
Die einzelnen in den Figuren 1 bis 9 dargestellten Ausführungsformen unterscheiden sich im wesentlichen hinsichtlich des Designs der Verformung 4 bzw. der Sensortasche 4 und deren Anordnung und/oder Ausgestaltung relativ zu dem bzw. den Ultraschallsensoren 7.
Die Figuren 1 bis 4 zeigen Ausgestaltungen, wobei jeweils eine Sensortasche 4 einem Ultraschallsensor 7 zugeordnet ist. Bei der in den Figuren 1 gezeigten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt die Bohrung 2 zur Aufnahme eines Ultraschallsensors 7 im Randbereich der Verformung 4. Gleiches gilt für die Anordnung der Bohrung 2 zur Aufnahme des Ultraschallsensors 7 bei der in den Figuren 2 gezeigten Variante, allerdings hat hier die Sensortasche 4 eine größere Breite. Bei der in den Figuren 3 skizzierten Ausführungsform reichen die Verformungen 4 tiefer in die Innenwand des Messrohres 1 hinein als bei den beiden vorhergehenden Lösungen. Im Falle der in den Figuren 4 gezeigten Ausgestaltung liegt die Bohrung 2 innerhalb der Sensortasche 4. Eine solche Ausgestaltung der Verformung im Umfeld des Ultraschallsensors dient beispielsweise zur gezielten Umspülung des Ultraschallsensors, die Ablagerungen vermeiden hilft.
Bei der in den Figuren 5 gezeigten Variante sind jeweils zwei Bohrungen 2 in einer entsprechend ausgedehnten Sensortasche 4 angeordnet. Die Figuren 6, 7 skizzieren Ausgestaltungen, bei denen drei Bohrungen 2 in einer Sensortasche 4 platziert sind.
Die Figuren 8 und 9 weisen ebenfalls drei Schallpfade auf. In 8 ist ein sehr flach verlaufender Anstieg bzw. Abfall der Vertiefung 4 dargestellt. Bekannterweise wird bei einem Winkel 12 (der noch in 8 eingefügt werden sollte) zwischen Messrohrwand und Aussparung ≤ 6° über alle Reynoldszahlen eine Strömungsablösung vermieden. Somit ist mit Hilfe einer dieser Vorgabe genügenden Verformung 4 ein im Bereich des Schallpfades über den gesamten Reynoldszahlenbereich gleich bleibende Strömungsverlauf erreichbar, der auf diese Weise eine lineare, von der Reynoldszahl unabhängige Messcharakteristik nach sich zieht.
9 zeigt die gleiche Anordnung an Schallpfaden wie 8, jedoch ist hier nur eine Sensortasche 4 vorgesehen. Hierin wird verdeutlicht, dass für die eingangs beschriebene Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Verformungen 4 bereits die Formänderung in der näheren Umgebung eines Ultraschallsensors 7 ausreichend sein kann.
In den Figuren 10 ist eine bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu sehen, bei der die Verformung 4 bzw. die Verformungen 4 durch Komponenten der Sensortaschen 4 zustande kommen, wobei diese Komponenten in die Strömung hineinragen und damit diese auch beeinflussen. Insbesondere handelt es sich bei der in die Strömung hineinragenden Komponente um den Ultraschallsensor 7 selbst. 10a zeigt eine perspektivische Sicht auf ein aufgeschnittenes Messrohr 1. 10b zeigt einen Längsschnitt gemäß der Kennzeichnung B-B in 10d und 10c skizziert einen Querschnitt gemäß der Kennzeichnung A-A in 10d. 10d ist eine Draufsicht auf das Messrohr 1 gemäß der Kennzeichnung C in 10a.
11a zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der als Clamp-On Durchflussmessgerät 9 ausgestalteten erfindungsgemäßen Vorrichtung. In den Bereichen, in denen die Ultraschallsensoren 7 von außen an der Wand des Messrohres 1 positionierbar sind, weist die Wand des Messrohres 1 geeignete Verformungen, hier Erhebungen 4a auf. Auf der Seite des Messrohres 1, auf der die beiden Ultraschallsensoren 7 aufgebracht werden, ist zwischen den beiden Positionsflächen 8 für die beiden Ultraschallsensoren 7 eine weitere Verformung 4b (Querschnittserweiterung) vorgesehen. Diese Querschnittserweiterung 4b ist in Verbindung mit den beiden Aussparungen 4a zur Positionierung der Ultraschallsensoren 7 so ausgestaltet, dass der Strömungsverlauf des Messmediums 5 in dem Messrohr 1 strömungsmechanisch in der gewünschten Art und Weise beeinflusst wird: Die Verformungen 4a, 4b sind derart, dass das Durchflussmessgerät 9 über einen ausgedehnten Reynoldszahlen-Bereich ein weitgehend lineares Verhalten aufweist.
Insbesondere ist bei dieser ersten Ausführungsform der Durchmesser D des Messrohres 1 im Bereich des Schallpfades der Ultraschall-Messsignale durch die drei Aussparungen 4a, 4b im oberen Bereich des Messrohres 1 vergrößert. Hierdurch wird in dem Messrohr 1 kein unerwünschter Druckabfall erzeugt. Darüber hinaus wird eine Verstopfungsgefahr in dem Messrohr 1, insbesondere bei kleinen Nennweiten DN und bei einem unreinen Messmedien 5, verringert.
In 11b ist eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der als Clamp-On Durchflussmessgerät 9 ausgestalteten erfindungsgemäßen Vorrichtung zu sehen. Hier ragen die als Positionierflächen 8 ausgebildeten Verformungen 4d, 4e für die beiden Ultraschallsensoren 7 in den Innenraum des Messrohres 1 hinein. Die dritte Verformung 4f, bei der es sich um eine Erhebung bzw. Ausbeulung des Messrohres 1 handelt, ist mittig zwischen den beiden Ultraschallsensoren 7 angeordnet.
11c zeigt eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform eines als Clamp-On Durchflussmessgerät 9 mit zwei Ultraschallsensoren 7, die auf gegenüberliegenden Seiten des Messrohres 1 bzw. des Schallpfades angeordnet sind. Die Positionierflächen 8 sind an Aussparungen 4g, 4h des Messrohres 1 zu finden. Die den Durchmesser D des Messrohres 1 gleichfalls vergrößernde Verformung 4i schließt sich direkt an die als Positionierfläche 8 dienende Aussparungen 4h des unteren Ultraschallsensors 7 an.
12a zeigt eine schematische Darstellung der Messcharakteristik eines Ultraschall-Durchflussmessgeräts 9; 10 mit drei Schallpfaden nach dem Stand der Technik. In 12b ist eine schematische Darstellung der Messcharakteristik des erfindungsgemäßen Ultraschall-Durchflussmessgeräts 9, 10 mit drei Schallpfaden gezeigt. Wie bereits an vorhergehender Stelle beschrieben, kommt es in den Hohlräumen 4 der Bohrung 2 zwischen Abstrahlfläche des Ultraschallsensors 7 und Innenwand des Messrohres 1 zu Strömungszuständen, die die Messcharakteristik eines Ultraschall-Durchflussmessgeräts 9; 10 nicht-linear beeinflussen. Insbesondere zeigt sich die Verschlechterung der Messcharakteristik im Falle einer laminaren Strömung des Messmediums 5 in dem Messrohr 1 und bei relativ kleinen Nennweiten DN des Messrohres 1. Versuche haben ergeben, dass sich bereits ein Verhältnis des Durchmessers D_SE der Bohrung 2 zum Innendurchmesser D_M des Messrohres 1 größer als 0.2 nachteilig auf die Messcharakteristik des Ultraschall-Durchflussmessgeräts 9; 10 auswirkt.
In beiden Figuren 12a, 12b sind die in zwei Schallpfaden – mittig und außermittig – ermittelten Messwertabweichungen sowie die Gesamt-Messwertabweichung in den beiden Schallpfaden gegen die Reynoldszahl aufgetragen. Bei der aus dem Stand der Technik bekannten Lösung – ohne erfindungsgemäß ausgestattete Sensortaschen 4 – weichen die über alle drei Schallpfade gemittelten Messwerte für Re < 10'000 deutlich nach oben ab, d.h. das Durchflussmessgerät 9, 10 zeigt in diesem Reynoldszahlenbereich eine nichtlineare Messcharakteristik. Eine Korrektur dieser nicht-linearen Messcharakteristik ist bislang nur möglich über die Bestimmung der aktuellen Reynoldszahl des Messmediums 5 und deren signalverarbeitungsseitigen Verrechnung.
Der Grund für das Ansteigen der Messwertabweichungen zu kleinen Reynoldszahlen hin liegt in der Beeinflussung der Strömung des Messmediums 3 im Bereich der Sensortaschen 4. Ein Wesensmerkmal laminarer Strömungen ist die Eigenschaft, sich bei geringer werdender Reynoldszahl immer stärker an die Wand des Messrohres 1 anzulegen, d.h. immer stärker den Unregelmäßigkeiten an der Innenwand des Messrohres 1 zu folgen. Hierdurch kommt es durch die Sensortaschen im Bereich des Schallpfades zu Querkomponenten, die sich auf beiden Seiten der gegenüberliegenden Ultraschallsensoren 7 gleichgerichtet den Hauptströmungskomponenten überlagern, und damit zu einem zusätzlichen Anteil führen, der sich als zunehmende Messwertabweichung bemerkbar macht.
Die Messcharakteristik eines mit optimierten Sensortaschen 4 versehenen Durchflussmessgeräts 9; 10 mit einer kleinen Nennweite, z.B. DN25, ist in 12b dargestellt. Insbesondere bei Re < 1'000 zeigt sich im Vergleich zu der in 12a dargestellten Messcharakteristik ein deutlich abweichender Verlauf aller drei Schallpfade: Anstatt anzusteigen, verläuft der mittige Messpfad bis Re ≈ 100 horizontal, während die beiden anderen Schallpfade ab Re < 400 eine abnehmende Messcharakteristik zeigen. Besonders bemerkenswert ist die Tatsache, dass der Übergang von einem laminaren auf ein turbulentes Strömungsprofil auf allen Schallpfaden als deutlicher Sprung in der Messwert abweichung zu erkennen ist; hingegen zeigt sich bei der Gesamtbetrachtung über alle Schallpfade im Falle der optimierten Sensortaschen 4 in der Summe eine stetige und linear verlaufende Messcharakteristik. Weiterhin sorgen die optimierten Sensortaschen 4 auch in dem kritischen Übergangsbereich bis Re = 10'000 und weit darüber hinaus für eine nahezu ideal lineare Messcharakteristik des Durchflussmessgeräts 9, 10. Demgegenüber zeigen konventionelle Ultraschall-Durchflussmessgeräte üblicherweise für Re ≤ 10'000 bereits deutliche Messwertabweichungen.
Somit lässt sich ausschließlich durch den Einsatz optimierter Sensortaschen 4 und durch konstant gewichtetes Aufsummieren der einzelnen Messwerte ein Ultraschall-Durchflussmessgerät 9, 10 realisieren, das innerhalb eines Bereichs Re_min : Re_max ≥ 1'000 lediglich eine Messunsicherheit von ±0.5% aufweist. Insbesondere die bei Reynoldszahlen ≤ 10'000 gewährleistete Linearität ermöglicht ein sehr breites Anwendungsspektrum hinsichtlich der zu messenden Fluide. Durch Erreichen dieses Eigenschaft mittels strömungsmechanischer Optimierung und ohne nachgelagerte Korrektur der Messwerte resultiert daraus ein Messsystem, das diese Eigenschaft auch bei ungünstigen Anströmverhältnissen beibehält. Darüber hinaus lässt sich die Robustheit durch gezielte Umströmung/Spülung der Ultraschallsensor-Messstellen weiter steigern.

1: Messrohr bzw. Wand des Messrohres
2: Bohrung
3: Verformungen
4: Verformung
5: Messmedium
6: Längsachse
7: Ultraschallsensor
8: Positionierfläche
9: Clamp-On Durchflussmessgerät
10: Inline-Durchflussmessgerät
11: Regel-/Auswerteeinheit
12: Winkel zwischen Messrohrwand und Verformung

Claims

Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung des Volumen- und/oder Massedurchflusses eines Messmediums (3) durch eine Rohrleitung oder ein Messrohr (1), wobei das Messmedium (3) das Messrohr (1) im wesentlichen in einer Strömungsrichtung parallel zur Längsachse (6) des Messrohres (1) durchströmt, mit zumindest einem Ultraschallsensor (7), der Ultraschall-Messsignale auf zumindest einem definierten Schallpfad aussendet und/oder empfängt, wobei der zumindest eine Ultraschallsensor (7) in der Wand des Messrohres (1) oder an der Außenwand der Rohrleitung an einer definierten Sensorposition platziert ist, und mit einer Regel-/Auswerteeinheit (11), die den Volumen- und/oder den Massedurchfluss des Messmediums (3) durch die Rohrleitung bzw. durch das Messrohr (1) anhand der Ultraschall-Messsignale ermittelt, dadurch gekennzeichnet, dass die Wand der Rohrleitung bzw. des Messrohres (1) im Bereich der definierten Sensorposition des Ultraschallsensors (7) und/oder im Bereich des Schallpfades der Ultraschall-Messsignale des zumindest einen Ultraschallsensors (7) eine Verformung (4) bzw. Verformungen aufweist, die derart ausgestaltet und/oder angeordnet ist bzw. sind, dass die in dem Schallpfad gemessene Strömungsgeschwindigkeit des Messmediums (3) bzw. – im Falle von mehreren Ultraschallsensoren (7) – die in den Schallpfaden gemessenen und/oder die miteinander verrechneten Strömungsgeschwindigkeiten des Messmediums (3) zumindest näherungsweise der mittleren über die Fläche der Rohrleitung bzw. des Messrohres (1) gemittelten Strömungsgeschwindigkeit des Messmediums (3) entspricht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verformung (4) bzw. die Verformungen so ausgeführt sind, dass im Bereich der definierten Sensorposition des Ultraschallsensors (7) und/oder im Bereich des Schallpfades der Ultraschall-Messsignale des zumindest einen Ultraschallsensors (7) keine schmalen Spalte auftreten.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der zumindest einen Verformung (4) in der Wand der Rohrleitung bzw. des Messrohres (1) um eine den Querschnitt der Rohrleitung bzw. des Messrohres (1) vergrößernde Vertiefung handelt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verformung (4)/die Verformungen (4) bzw. die Vertiefung/die Vertiefungen in der Wand der Rohrleitung bzw. des Messrohres (1) in Strömungsrichtung des Messmediums (3) flach ansteigend bzw. flach abfallend ausgestaltet ist/sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet dass mehrere Ultraschallsensoren (7), die Ultraschall-Messsignale auf unterschiedlichen Schallpfaden aussenden und/oder empfangen, im Bereich einer Vertiefung angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet dass zumindest ein Ultraschallsensor (7) so in einer Bohrung (2) positioniert ist, dass er in den Innenraum des Messrohres 1 hineinragt und das Strömungsverhalten des Messmediums (5) beeinflusst oder in Verbindung mit der Verformung (4) bzw. den Verformungen (4) beeinflusst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet dass es sich bei dem Durchflussmessgerät um ein Clamp-On Durchflussmessgerät (9) oder um ein Inline-Durchflussmessgerät (10) handelt.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet wobei das Clamp-On Durchflussmessgerät (9) oder das Inline-Durchflussmessgerät (10) die Strömungsgeschwindigkeit des Messmediums (3) nach einem Schallmitführungsverfahren oder nach einem Dopplerverfahren ermitteln.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 8, dadurch gekennzeichnet dass das Messrohr (1) bzw. der den Ultraschallsensor (7) bzw. die Ultraschallsensoren (7) tragende Teilabschnitt der Rohrleitung als Gussteil gefertigt ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass es sich bei der Rohrleitung (1) um eine Leitung mit beliebiger Querschnittsform handelt.