DE102014106429A1

DE102014106429A1 - Flow measuring device and method for measuring the flow rate of a fluid

Info

Publication number: DE102014106429A1
Application number: DE102014106429.1A
Authority: DE
Inventors: Michael SPEIDEL
Original assignee: Sick AG
Current assignee: Sick AG
Priority date: 2013-07-10
Filing date: 2014-05-08
Publication date: 2015-01-15

Abstract

Es wird eine Durchflussmessvorrichtung (10) zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids (14) angeben, welches in einer Rohrleitung (12) in einer Strömungsrichtung (16) strömt, wobei die Durchflussmessvorrichtung einen Ultraschallsender (18) zum Aussenden von Ultraschall durch das Fluid (14) in einer Ultraschallrichtung quer zu der Strömungsrichtung (16), einen gegenüber dem Ultraschallsender (18) angeordneten Ultraschallempfänger (24) zum Erzeugen eines Empfangssignals aus dem empfangenem Ultraschall sowie eine Auswertungseinheit (28) aufweist, die dafür ausgebildet ist, aus dem Empfangssignal eine Abtriebstrecke einer Ablenkung des Ultraschalls aufgrund der Strömung des Fluids (14) und aus der Abtriebstrecke die Strömungsgeschwindigkeit zu bestimmen. Dabei weist der Ultraschallempfänger (24) mindestens ein erstes Empfangselement (26a) und ein zweiten Empfangselement (26b) auf, und die Auswertungseinheit (28) ist weiterhin dafür ausgebildet, die Abtriebstrecke aufgrund eines Vergleichs eines ersten Empfangssignals (Signal_A) des ersten Empfangselements (26a) und eines zweiten Empfangssignals (Signal_B) des zweiten Empfangselements (26b) zu bestimmen.There will be provided a flow measuring device (10) for measuring the flow velocity of a fluid (14) flowing in a conduit (12) in a flow direction (16), the flow measurement device comprising an ultrasonic transmitter (18) for emitting ultrasound through the fluid (14 ) in an ultrasonic direction transverse to the flow direction (16), an ultrasonic receiver (24) arranged opposite to the ultrasonic transmitter (18) for generating a received signal from the received ultrasound and an evaluation unit (28) which is designed to produce an output path from the received signal a deflection of the ultrasound due to the flow of the fluid (14) and from the output section to determine the flow velocity. In this case, the ultrasonic receiver (24) at least a first receiving element (26a) and a second receiving element (26b), and the evaluation unit (28) is further adapted to the output path due to a comparison of a first received signal (Signal_A) of the first receiving element (26a ) and a second received signal (Signal_B) of the second receiving element (26b).

Description

Die Erfindung betrifft eine Durchflussmessvorrichtung und ein Verfahren zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids aus der Abtriebstrecke eines Ultraschallsignals nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 beziehungsweise 14. The invention relates to a flow measuring device and a method for measuring the flow velocity of a fluid from the output path of an ultrasonic signal according to the preamble of claims 1 and 14, respectively.

Für die Messung von Durchflussgeschwindigkeiten oder Durchflussmengen von Gasen und Flüssigkeiten in Rohrleitungen sind diverse Verfahren bekannt. Neben mechanischen Konzepten gibt es mehrere nicht invasive Messmethoden, zu denen die Messung des Massenstroms mittels eines Corriolis-Verfahrens, eine Ultraschallmessung aufgrund einer Laufzeitdifferenz und das ebenfalls ultraschallbasierte Dopplerverfahren zählen. Various methods are known for measuring flow rates or flow rates of gases and liquids in pipelines. In addition to mechanical concepts, there are several non-invasive measurement methods, which include the measurement of the mass flow by means of a Corriolis method, an ultrasonic measurement due to a transit time difference and the also ultrasound-based Doppler method.

Das Corriolis-Verfahren ist aufwändig, bedarf daher komplexer Geräte und erreicht in technischer Hinsicht aufgrund des physikalischen Prinzips nur eine Messdynamik im Bereich von Millisekunden. Da zudem der gemessene Massenstrom mit der Dichte des Mediums korrigiert werden muss, wird eine temperaturbasierte Kompensation erforderlich. The Corriolis process is complex, therefore requires complex equipment and achieved in technical terms due to the physical principle only a measurement dynamics in the range of milliseconds. In addition, since the measured mass flow must be corrected with the density of the medium, a temperature-based compensation is required.

Eine Bestimmung von Laufzeitdifferenzen beruht auf einem Vergleich von mit und gegen die Strömung ausgesandtem Ultraschall. Dazu arbeiten zwei oder mehrere Ultraschallwandler im Gegentakt, wechseln sich also in ihrer Rolle als Sender und Empfänger ab. Die berechnete Laufzeitdifferenz kann sich wegen alterungs- und temperaturabhängiger parasitärer Laufzeiten der elektrischen und akustischen Signale in Wandlern und Elektronik verschieben, was dann zu fehlerhaften Volumenstromberechnungen führt. Auch ist durch Umschalten der Wandler vom Sende- in den Empfangsbetrieb nur eine durch die Elektronik begrenzte Messdynamik erreichbar. Diese Umschaltung kann besonders bei Verwendung breitbandiger Wandler im höherfrequenten Bereich etwa ab 10MHz nicht allzu schnell realisiert werden. A determination of propagation time differences is based on a comparison of ultrasound emitted with and against the flow. For this purpose, two or more ultrasonic transducers operate in push-pull, so they alternate in their role as transmitter and receiver. The calculated transit time difference can shift due to age- and temperature-dependent parasitic transit times of the electrical and acoustic signals in converters and electronics, which then leads to incorrect volume flow calculations. Also, by switching the converter from transmitting to receiving mode only limited by the electronics measurement dynamics can be achieved. This switching can not be realized too quickly, especially when using broadband converters in the higher frequency range from about 10 MHz.

Im Zusammenhang mit einer derartigen Messung von Laufzeitdifferenzen beschreibt die EP 2 103 912 A1 eine Verwehung des Ultraschalls durch das strömende Gas und stellt einen theoretisch erwarteten Zusammenhang zwischen einem Verwehungswinkel und der Strömungsgeschwindigkeit dar. Diese Verwehung wird aber nur als Störeffekt angesehen, da der Ultraschall wegen der Verwehung von dem vorgesehenen Ultraschallpfad zwischen dem Ultraschallwandlerpaar abgelenkt wird. In connection with such a measurement of transit time differences describes the EP 2 103 912 A1 a drift of the ultrasound through the flowing gas and represents a theoretically expected relationship between a drift angle and the flow velocity. However, this drift is only considered as a parasitic effect, because the ultrasound is deflected due to the drift from the intended ultrasonic path between the pair of ultrasonic transducers.

Die US 4 726 235 offenbart einen Durchflussmesser mit einem Ultraschallsender und einem gegenüberliegenden Ultraschallempfänger, wobei aus der Empfangsintensität auf die Dichte des Mediums und dessen Strömungsgeschwindigkeit geschlossen wird. Dazu ist aber eine genaue Kalibrierung erforderlich, damit Änderungen der Intensität tatsächlich der Dichte beziehungsweise der Strömungsgeschwindigkeit zugeordnet werden können. Diese Kalibrierung wiederum macht die Messung sehr empfindlich für Störeinflüsse und veränderte Umgebungsbedingungen. The U.S. 4,726,235 discloses a flow meter having an ultrasonic transmitter and an opposed ultrasonic receiver, wherein the density of the medium and its flow rate are deduced from the reception intensity. But this requires a precise calibration so that changes in intensity can actually be assigned to the density or the flow velocity. This calibration in turn makes the measurement very sensitive to disturbing influences and changed environmental conditions.

Aus der US 7 503 225 B2 ist ein weiterer Ultraschalldurchflussmesser nach dem Prinzip der Strahlablenkung bekannt. Ein Ultraschallsignal wird von einem Array von Wandlerelementen ausgesandt, an der gegenüberliegenden Rohrwand reflektiert und in demselben Array wieder registriert. Die Position, an welcher das Array Ultraschall empfängt, wird durch eine Drift in der Strömung verschoben, und dies wird genutzt, um auf die Strömungsgeschwindigkeit zu schließen. Auch hierbei tritt ein Fehler aufgrund der absoluten Intensität auf, welche den Schwerpunkt des empfangenen Ultraschalls nicht allein in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit verschiebt. Außerdem wird wegen der Doppelfunktion des Arrays eine Umschaltung erforderlich, welche die Messdynamik begrenzt. From the US Pat. No. 7,503,225 B2 is another ultrasonic flowmeter according to the principle of beam deflection known. An ultrasonic signal is emitted from an array of transducer elements, reflected at the opposite tube wall, and re-registered in the same array. The position at which the array receives ultrasound is shifted by a drift in the flow, and this is used to deduce the flow rate. Again, an error occurs due to the absolute intensity, which does not shift the center of gravity of the received ultrasound alone depending on the flow velocity. In addition, because of the dual function of the array, a switching is required, which limits the dynamic range.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Durchflussmessung auf Basis des Abtriebs von Ultraschall in dem strömenden Fluid zu verbessern. It is therefore an object of the invention to improve a flow measurement based on the output of ultrasound in the flowing fluid.

Diese Aufgabe wird durch eine Durchflussmessvorrichtung und ein Verfahren zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids nach Anspruch 1 beziehungsweise 14 gelöst. Dabei geht die Erfindung von dem Grundgedanken aus, dass Ultraschall von der Strömung in ähnlicher Weise abgetrieben wird wie ein Boot oder ein Schwimmer, der einen Fluss überquert. Dieser Abtrieb oder diese Drift wird erfindungsgemäß in einem zumindest zweiteiligen Empfangselement für den Ultraschall durch Vergleich der Empfangssignale an den beiden unterschiedlichen Positionen der Empfangselemente gemessen. Dabei können die Empfangselemente Teil ein und desselben piezoelektrischen Elements sein. Die Abtriebstrecke, um welche der Ultraschall abgetrieben wird, verhält sich in sehr guter Näherung proportional zu der Strömungsgeschwindigkeit, weil der Ultraschall gleichsam auf seinem Pfad durch das Fluid die verschiedenen differenziellen Geschwindigkeitsvektoren aufintegriert, welche eine Strömungsfront bilden. Aus der Strömungsgeschwindigkeit wiederum lässt sich durch Multiplikation mit der Querschnittsfläche der Rohrleitung die meist interessantere Messgröße der Durchflussmenge ermitteln. Übrigens spricht man bei einer Flüssigkeit eher von einem Abtrieb, bei einem Gas eher von einer Verwehung, alle derartigen Drifteffekte sollen hier gleichermaßen als Abtrieb bezeichnet werden. This object is achieved by a flow measuring device and a method for measuring the flow rate of a fluid according to claim 1 or 14. The invention is based on the idea that ultrasound is driven off the flow in a similar manner as a boat or a float crossing a river. According to the invention, this output or this drift is measured in an at least two-part ultrasound receiving element by comparison of the received signals at the two different positions of the receiving elements. The receiving elements may be part of one and the same piezoelectric element. The output path, around which the ultrasound is driven off, behaves in a very good approximation proportional to the flow velocity, because the ultrasound, as it were, integrates on its path through the fluid the various differential velocity vectors which form a flow front. In turn, the most interesting measure of the flow rate can be determined from the flow velocity by multiplication with the cross-sectional area of the pipeline. Incidentally, one speaks of a liquid rather of an output, in a gas more of a drift, all such drift effects should be referred to here as equally output.

Die Erfindung hat den Vorteil, dass der Abtrieb eine physikalische Größe ist, die nicht invasiv gemessen werden kann und direkt zur gesuchten Strömungsgeschwindigkeit proportional ist. Die Messung zeigt sich robust gegen Körperschall und basiert auf Empfangsintensitäten, ist damit wesentlich weniger aufwändig als eine Laufzeitmessung und auch nicht von parasitären Laufzeiten in Ultraschallsender oder Ultraschallempfänger abhängig. Deshalb genügt eine einfache Temperaturkompensation. Es wird eine hohe Messdynamik erreicht. Der mechanische Aufwand bleibt gering und ermöglicht eine kurze Einlaufstrecke, eine kurze Bauform sowie eine gleichbleibende Rohrgeometrie im Messabschnitt. The invention has the advantage that the output is a physical quantity that can not be measured invasively and directly to desired flow velocity is proportional. The measurement is robust against structure-borne noise and based on reception intensities, is therefore much less expensive than a transit time measurement and not dependent on parasitic transit times in ultrasonic transmitter or ultrasonic receiver. Therefore, a simple temperature compensation is sufficient. It is achieved a high measurement dynamics. The mechanical effort remains low and allows a short inlet path, a short design and a consistent tube geometry in the measuring section.

Bevorzugt wird für den Vergleich eine Differenz des ersten Empfangssignals und des zweiten Empfangssignals gebildet. Daraus ergibt sich direkt ein Maß für die Abtriebstrecke. Preferably, a difference of the first received signal and the second received signal is formed for the comparison. This results in a direct measure of the output distance.

Die Differenz wird vorzugsweise mit der Summe des ersten Empfangssignals und des zweiten Empfangssignals normiert. Man teilt dazu beispielsweise die Differenz der Empfangssignale durch deren Summe. Durch die Normierung werden sämtliche Einflüsse beseitigt, welche den Pegel beider Empfangselemente unabhängig von der Strömungsgeschwindigkeit verändern und damit ohne Normierung die gemessene Abtriebstrecke verfälschen würden. The difference is preferably normalized with the sum of the first received signal and the second received signal. For example, one divides the difference of the received signals by their sum. By normalization, all influences are eliminated, which change the level of both receiving elements regardless of the flow velocity and thus would distort the measured output distance without normalization.

Vorzugsweise ist ein Speicher mit einer darin gespeicherten eingelernten oder vorab bestimmten Kennlinie vorgesehen, welche die funktionale Beziehung zwischen Abtriebstrecke und normierter Differenz beschreibt. Aus der Kennlinie kann die Auswertungseinheit die Abtriebstrecke durch einen einzigen Tabellenzugriff in eine Strömungsgeschwindigkeit umrechnen. Es zeigt sich, dass die Kennlinie einen ausgedehnten linearen Bereich aufweist, so dass alternativ zum Speichern zahlreicher Wertepaare in einer Tabelle auch lediglich der Proportionalitätsfaktor abgespeichert werden kann. Eine Kennlinie kann aber auch Nichtlinearitäten berücksichtigen. Die Kennlinie wird vorab für eine feste Fluidtemperatur berechnet oder bei jeweils bekannter Strömungsgeschwindigkeit gemessen. Im Betrieb erfolgt dann vorzugsweise noch eine Temperaturkompensation anhand der tatsächlich herrschenden Temperatur des Fluids. Preferably, a memory is provided with a taught-in or predetermined characteristic stored therein, which describes the functional relationship between output section and normalized difference. From the characteristic curve, the evaluation unit can convert the output section into a flow velocity by means of a single table access. It can be seen that the characteristic curve has an extended linear range, so that as an alternative to storing numerous value pairs in a table, only the proportionality factor can be stored. However, a characteristic can also take into account nonlinearities. The characteristic is calculated in advance for a fixed fluid temperature or measured at a known flow rate. In operation, temperature compensation is then preferably carried out on the basis of the actual temperature of the fluid.

Dem Ultraschallsender ist bevorzugt eine akustische Linse zugeordnet, um den Ultraschall auf den Ultraschallempfänger zu bündeln. Dadurch geht keine Schallenergie ungenutzt verloren, und die Abtriebstrecke wird aufgrund der Bündelung wesentlich schärfer bestimmbar. Die Krümmung einer üblichen zylindrischen Rohrleitung wirkt bereits wie eine akustische Linse und kann in manchen Anwendungen genügen. Da man eine Fokussierung im Bereich von einigen hundert µm entsprechend der Dimension der Empfangselemente anstrebt, wird häufig eine zusätzliche akustische Linse erforderlich sein. The ultrasonic transmitter is preferably associated with an acoustic lens to focus the ultrasound on the ultrasound receiver. As a result, no sound energy is lost unused, and the output section is much sharper determinable due to the bundling. The curvature of a conventional cylindrical pipe already acts like an acoustic lens and may be sufficient in some applications. Since it is desirable to focus in the range of a few hundred microns according to the dimension of the receiving elements, an additional acoustic lens will often be required.

Der Ultraschallsender weist bevorzugt eine Vielzahl von Sendelementen auf, die durch Ansteuerung mit unterschiedlichen Phasenmodulationen den Ultraschall auf den Ultraschallempfänger bündeln. Ein solches Senderarray ermöglicht eine Schallbündelung durch elektronische Ansteuerung und damit ohne mechanische Zusatzbauteile einer akustischen Linse, obwohl beides auch miteinander kombiniert werden kann. Wiederum unterstützt die zylindrische Krümmung der Rohrleitung die Schallbündelung. The ultrasound transmitter preferably has a multiplicity of transmitting elements which, by triggering with different phase modulations, concentrate the ultrasound onto the ultrasound receiver. Such a transmitter array allows sound bundling by electronic control and thus without additional mechanical components of an acoustic lens, although both can be combined with each other. Again, the cylindrical curvature of the pipe supports the sonication.

Das erste Empfangselement und das zweite Empfangselement weisen bevorzugt in Strömungsrichtung eine Breite von 100µm bis 1000µm, insbesondere 500µm auf. Derartige Empfangselemente lassen sich fertigungstechnisch gut realisieren. Zugleich entsprechen diese Dimensionen den erwarteten Abtriebsstrecken, so dass der gesamte angestrebte Messbereich abgedeckt wird. The first receiving element and the second receiving element preferably have a width of 100 μm to 1000 μm, in particular 500 μm, in the direction of flow. Such receiving elements can be realized in terms of manufacturing technology. At the same time, these dimensions correspond to the expected output lines, so that the entire targeted measuring range is covered.

Das erste Empfangselement und das zweite Empfangselement sind bevorzugt in Strömungsrichtung hintereinander angeordnet, so dass ein Spalt zwischen dem ersten Empfangselement und dem zweiten Empfangselement senkrecht zu der Strömungsrichtung ausgerichtet ist. Die Spaltbreite beträgt beispielsweise 100 µm, so dass keine fertigungstechnischen Probleme auftauchen und zugleich die beiden Empfangssignale nahe genug beieinander erfasst werden, um eine Messung der Abtriebstrecke zu ermöglichen. Dabei ist die Reihenfolge der beiden Empfangselemente letztlich austauschbar, sofern der Vorzeichenwechsel bei dem Vergleich der Empfangssignale richtig berücksichtigt wird. The first receiving element and the second receiving element are preferably arranged one behind the other in the flow direction, so that a gap between the first receiving element and the second receiving element is oriented perpendicular to the flow direction. The gap width is, for example, 100 microns, so that no manufacturing problems arise and at the same time the two received signals are detected close enough to each other to allow a measurement of the output path. In this case, the sequence of the two receiving elements is ultimately interchangeable, provided that the change of sign is correctly taken into account in the comparison of the received signals.

Der Ultraschallsender ist bevorzugt schräg angeordnet und/oder dem Ultraschallsender ein akustisches Ablenkelement zugeordnet, so dass die Ultraschallrichtung mit einer Senkrechten zu der Strömungsrichtung einen Winkel einschließt. Dadurch koppelt der Ultraschallsender den Ultraschall schräg in die Rohrleitung ein. Auf diese Weise kann der Auftreffort des Ultraschalls bei verschiedenen Strömungsgeschwindigkeiten an Position und Geometrie des Ultraschallempfängers angepasst werden. The ultrasonic transmitter is preferably arranged obliquely and / or the ultrasonic transmitter associated with an acoustic deflection element, so that the ultrasonic direction with an angle to the flow direction forms an angle. As a result, the ultrasonic transmitter couples the ultrasound at an angle into the pipeline. In this way, the impact location of the ultrasound can be adapted to the position and geometry of the ultrasound receiver at different flow velocities.

Der Ultraschallsender ist bevorzugt gegenüber dem Ultraschallempfänger so angeordnet und mit seiner Ultraschallrichtung ausgerichtet, dass der Ultraschall bei minimaler und maximaler zu messender Strömungsgeschwindigkeit auf den Ultraschallempfänger trifft, insbesondere innerhalb eines linearen Bereichs einer Kennlinie, welche die funktionale Beziehung zwischen Abtriebstrecke und normierter Differenz |A – B|/(A + B) beschreibt. Der Ultraschall fällt also in der Weise bei minimaler Strömungsgeschwindigkeit in die Nähe des einen Endes und bei maximaler Strömungsgeschwindigkeit in die Nähe des anderen Endes des Ultraschallempfängers, dass jeweils die Abtriebstrecke präzise erfassbar bleibt. Damit sind die zu messende Abtriebstrecke und die messenden Empfangselemente optimal aufeinander abgestimmt. Diese Anpassung kann durch geeignete relative Positionierung von Ultraschallsender und Ultraschallempfänger sowie einen Winkel zwischen Ultraschallrichtung und Strömungsrichtung erfolgen. The ultrasound transmitter is preferably arranged with respect to the ultrasound receiver and aligned with its ultrasound direction that the ultrasound impinges on the ultrasound receiver at minimum and maximum flow velocities to be measured, in particular within a linear range of a characteristic curve which determines the functional relationship between output distance and normalized difference. B | / (A + B) describes. The ultrasound thus falls in the vicinity of the one end at the minimum flow velocity and in the vicinity of the other end of the ultrasound receiver at the maximum flow velocity each of the output section remains precisely detectable. Thus, the driven section to be measured and the measuring receiving elements are optimally matched to each other. This adaptation can be done by suitable relative positioning of the ultrasonic transmitter and the ultrasonic receiver as well as an angle between the ultrasonic direction and the flow direction.

Der Ultraschallempfänger weist bevorzugt ein drittes Empfangselement und ein viertes Empfangselement auf, und die Auswertungseinheit ist dafür ausgebildet, aufgrund eines Vergleichs eines dritten Empfangssignals des dritten Empfangselements und eines vierten Empfangssignals des vierten Empfangselements eine Querabtriebstrecke des Ultraschalls quer zu der Strömungsrichtung zu bestimmen. Die Anordnung der Empfangselemente erfolgt dabei vorzugsweise im Quadrat. Durch die Messung einer Querabtriebstrecke kann die Strömungsgeschwindigkeit um eine Rotationsgeschwindigkeit korrigiert werden. Zudem muss nicht mehr unbedingt auf eine ganz genaue Ausrichtung der Empfangselemente zu der Strömungsrichtung geachtet werden, weil eine Fehlausrichtung durch Berücksichtigung einer Abtriebstrecke jeweils zwischen dem Paar aus erstem und zweitem sowie dem Paar aus drittem und viertem Empfangselement ausgeglichen werden kann. The ultrasonic receiver preferably has a third receiving element and a fourth receiving element, and the evaluation unit is designed to determine a transverse output path of the ultrasound transversely to the flow direction on the basis of a comparison of a third received signal of the third receiving element and a fourth received signal of the fourth receiving element. The arrangement of the receiving elements is preferably done in square. By measuring a transverse output section, the flow velocity can be corrected by a rotation speed. In addition, it is no longer absolutely necessary to pay attention to a very precise alignment of the receiving elements to the flow direction, because a misalignment can be compensated for by taking into account a driven distance respectively between the pair of first and second and the pair of third and fourth receiving element.

Es ist denkbar, diesen Gedanken weiter zu verallgemeinern und zusätzliche Paare von Empfangselementen zu bilden, beispielsweise ein Paar aus dem ersten Empfangselement und dem dritten Empfangselement. Dabei kann auch ein Array von N Empfangselementen vorgesehen sein, die jeweils paarweise ausgewertet werden. It is conceivable to further generalize this idea and to form additional pairs of receiving elements, for example a pair of the first receiving element and the third receiving element. In this case, an array of N receiving elements can be provided, which are evaluated in pairs.

Der Ultraschallsender sendet bevorzugt kontinuierlich, und die Auswertungseinheit bestimmt die Strömungsgeschwindigkeit vorzugsweise kontinuierlich. Damit wird eine extrem hohe Messdynamik erreicht, die bei Bedarf praktisch in Echtzeit einen stets aktuellen Wert der gemessenen Strömungsgeschwindigkeit bereitstellen kann. The ultrasonic transmitter preferably transmits continuously, and the evaluation unit preferably determines the flow rate continuously. Thus, an extremely high dynamic range is achieved, which can provide an always current value of the measured flow velocity practically in real time when needed.

Der Ultraschallsender und/oder der Ultraschallempfänger ist bevorzugt in der Rohrleitung derart angeordnet, dass zumindest ein Teil einer Rohrwandung zumindest einen Teil einer den Ultraschall erzeugenden Membran des Ultraschallsenders oder einer den Ultraschall empfangenden Membran des Ultraschallempfängers bildet. Dabei wird in der sogenannten „Clamp-in“-Technik in der Rohrwandung eine Tasche gebildet, welche nur eine dünne innere Schicht der Rohrleitung erhält. Bei der „Clamp-On“-Technik wird das Ultraschall sendende oder empfangende Element außen aufgesetzt, so dass die Ultraschallkopplung über die gesamte Dicke der Rohrwand erfolgt. Beide Techniken ermöglichen, den inneren Rohrquerschnitt gänzlich unberührt zu lassen. Das vereinfacht nicht nur die Montage, sondern vermeidet auch jegliche Einflüsse der Messung auf die Strömung. Damit der Ultraschall nur in der gewünschten Weise ausgesandt und empfangen wird, sind vorzugsweise Anpassschichten für den Übergang zwischen Ultraschallsender beziehungsweise Ultraschallempfänger und Rohrleitung sowie eine rückwärtige akustische Dämpfung (Backing) vorgesehen. The ultrasound transmitter and / or the ultrasound receiver is preferably arranged in the pipeline such that at least part of a pipe wall forms at least part of an ultrasound generating membrane of the ultrasound transmitter or of an ultrasound receiver receiving the ultrasound. In this case, a pocket is formed in the so-called "clamp-in" technique in the pipe wall, which receives only a thin inner layer of the pipe. In the "clamp-on" technique, the ultrasound transmitting or receiving element is placed outside, so that the ultrasonic coupling takes place over the entire thickness of the tube wall. Both techniques make it possible to leave the inner tube cross-section completely untouched. This not only simplifies assembly, but also avoids any influences of the measurement on the flow. So that the ultrasound is emitted and received only in the desired manner, adaptation layers for the transition between ultrasound transmitter or ultrasound receiver and pipeline and a rearward acoustic damping (backing) are preferably provided.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann auf ähnliche Weise weitergebildet werden und zeigt dabei ähnliche Vorteile. Derartige vorteilhafte Merkmale sind beispielhaft, aber nicht abschließend in den sich an die unabhängigen Ansprüche anschließenden Unteransprüchen beschrieben. The method according to the invention can be developed in a similar manner and shows similar advantages. Such advantageous features are described by way of example but not exhaustively in the subclaims following the independent claims.

Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile beispielhaft anhand von Ausführungsformen und unter Bezug auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Die Abbildungen der Zeichnung zeigen in: The invention will be explained in more detail below with regard to further features and advantages by way of example with reference to embodiments and with reference to the accompanying drawings. The illustrations of the drawing show in:

1a einen schematischen Längsschnitt durch eine Rohrleitung mit einer Durchflussmessvorrichtung; 1a a schematic longitudinal section through a pipeline with a flow measuring device;

1b einen Querschnitt der Rohrleitung und der Durchflussmessvorrichtung gemäß 1a; 1b a cross section of the pipeline and the flow measuring device according to 1a ;

2 eine vereinfachte Schnittansicht einer Rohrleitung zur Erläuterung der Abhängigkeit von Ultraschallrichtung und Abtriebstrecke; 2 a simplified sectional view of a pipeline to explain the dependence of the ultrasonic direction and output section;

3 beispielhafte Abhängigkeiten der Abtriebstrecke von der Strömungsgeschwindigkeit; 3 exemplary dependencies of the output section on the flow rate;

4 Intensitätsverteilungen von ausgesandtem Ultraschall mit natürlichem Fokus und mit zusätzlicher akustischer Linse; 4 Intensity distributions of emitted ultrasound with natural focus and with additional acoustic lens;

5 eine Draufsicht auf die Empfangselemente eines Ultraschallempfängers; 5 a plan view of the receiving elements of an ultrasonic receiver;

6 eine Schnittansicht durch eine Rohrwandung mit darin angebrachtem Ultraschallempfänger sowie dessen Anpassungs- und Dämpfungsschichen; 6 a sectional view through a pipe wall with ultrasonic receiver mounted therein as well as its adaptation and Dämpfungsschichen;

7 ein beispielhaftes Strahlprofil eines auf einen Ultraschallempfänger auftreffenden Ultraschallsignals; 7 an exemplary beam profile of an incident on an ultrasonic receiver ultrasonic signal;

8 eine Darstellung der Intensität des Empfangssignals einschließlich Rauschen in Abhängigkeit von der Position in Strömungsrichtung auf dem Empfangselement; 8th a representation of the intensity of the received signal including noise as a function of the position in the flow direction on the receiving element;

9 eine gemeinsame Darstellung der Intensität des Empfangssignals gemäß 8 auf beiden Empfangselementen des Ultraschallempfängers; 9 a common representation of the intensity of the received signal according to 8th on both receiving elements of the ultrasonic receiver;

10 eine Kennlinie, welche die Abhängigkeit des normierten Differenzsignals der Intensitäten des Empfangssignals auf beiden Empfangselementen und die Abtriebstrecke miteinander in Beziehung setzt; 10 a characteristic which relates the dependence of the normalized difference signal of the intensities of the received signal on both receiving elements and the output path with each other;

11 einen Vergleich dreier Kennlinien gemäß 10 bei unterschiedlicher akustischer Fokussierung; 11 a comparison of three characteristics according to 10 with different acoustic focusing;

12 einen Vergleich dreier Kennlinien gemäß 10 bei unterschiedlicher Empfindlichkeit der beiden Empfangselemente; und 12 a comparison of three characteristics according to 10 at different sensitivity of the two receiving elements; and

13 eine Schnittansicht durch eine Rohrwandung mit darin angebrachtem Ultraschallempfänger zur Illustration von Verzerrungen des Querschnitts des auftreffenden Ultraschalls. 13 a sectional view through a tube wall with ultrasonic receiver mounted therein for the purpose of illustrating distortions of the cross section of the incident ultrasound.

1a zeigt einen schematischen Längsschnitt durch eine Durchflussmessvorrichtung 10 in einer Rohrleitung 12. 1b zeigt einen entsprechenden Querschnitt. In der Rohrleitung 12 strömt ein Fluid 14 in einer mit einem Pfeil 16 bezeichneten Strömungsrichtung, dessen Strömungsgeschwindigkeit gemessen werden soll. Die Durchflussmessvorrichtung 10 basiert auf dem Funktionsprinzip der Ablenkung eines akustischen Strahls in einem strömenden Fluid, wobei die Ablenkung oder die Abtriebstrecke ein direktes Maß für die Strömungsgeschwindigkeit darstellt. 1a shows a schematic longitudinal section through a flow measuring device 10 in a pipeline 12 , 1b shows a corresponding cross section. In the pipeline 12 a fluid flows 14 in one with an arrow 16 designated flow direction whose flow velocity to be measured. The flowmeter 10 is based on the principle of operation of the deflection of an acoustic beam in a flowing fluid, wherein the deflection or the output path is a direct measure of the flow velocity.

Ein Ultraschallsender 18 sitzt außen auf der Rohrleitung 12 (clamp-on). Durch ein Sockelelement 20 wird der Ultraschallsender 18 geneigt, so dass der ausgesandte Ultraschall 22 in einem gewünschten Winkel in die Rohrleitung 12 einkoppelt. Alternativ wirkt das Sockelelement 20 bei senkrechter Montage des Ultraschallsenders als akustisches Ablenkelement oder Prisma, um die schräge Einkopplung des Ultraschalls 18 zu bewirken. Es ist ferner denkbar, den Ultraschallsender 18 in einer Tasche der Rohrleitung unterzubringen (clamp-in) oder sogar direkt ins Innere der Rohrleitung 12 einzusetzen. An ultrasound transmitter 18 sits outside on the pipeline 12 (Clamp-on). By a base element 20 becomes the ultrasonic transmitter 18 inclined so that the emitted ultrasound 22 at a desired angle in the pipeline 12 couples. Alternatively, the base element acts 20 with vertical mounting of the ultrasonic transmitter as an acoustic deflecting element or prism to the oblique coupling of the ultrasound 18 to effect. It is also conceivable, the ultrasonic transmitter 18 in a pocket of the pipeline (clamp-in) or even directly into the interior of the pipeline 12 use.

Vor Eintritt des Ultraschalls in den Innenraum der Rohrleitung 12 ergeben sich in deren Wandung Körperschallauskopplungen, die durch mehrere Pfeile 24 dargestellt sind. Der Ultraschall wird außerdem mit einer nicht dargestellten akustischen Linse gebündelt. Eine Bündelung kann auch durch ein über Phasenmodulation fokussierendes Array als Ultraschallssender 18 erreicht werden. Ein Teil der Fokussierung wird bereits durch den runden Querschnitt der Rohrleitung 12 bewirkt. Before the ultrasound enters the interior of the pipeline 12 arise in the wall structure-borne noise decoupling, by several arrows 24 are shown. The ultrasound is also bundled with an acoustic lens, not shown. Bundling can also be achieved by a phase modulation focusing array as an ultrasonic transmitter 18 be achieved. Part of the focus is already given by the round cross-section of the pipeline 12 causes.

Ein gegenüber dem Ultraschallsender 18 an oder in der Rohrleitung 12 montierter Ultraschallempfänger 24 weist zwei piezoelektrische Empfangselemente 26a–b auf. Der Ultraschallsender 18 sendet vorzugsweise kontinuierlich auf einer bestimmten Frequenz derart, dass der gesamte Schallstrahl auf die beiden Empfangselemente 26a–b fokussiert ist. One opposite the ultrasonic transmitter 18 on or in the pipeline 12 mounted ultrasonic receiver 24 has two piezoelectric receiving elements 26a -B on. The ultrasound transmitter 18 preferably sends continuously at a certain frequency such that the entire sound beam to the two receiving elements 26a -B is focused.

Die Intensitätsverteilung des in den Empfangselementen 26a–b registrierten Ultraschalls hängt von der Strömungsgeschwindigkeit des Fluids 14 ab. Eine Auswertungseinheit 28 wertet die Empfangssignale der Empfangelemente 26a–b in einer weiter unten noch erläuterten Weise aus, um die Strömungsgeschwindigkeit aus dem über die Intensitätsverteilung erfassten Abtrieb des Ultraschalls zu bestimmen. Ruht das Fluid, so erreicht der Ultraschall wie mit durchgezogenen Pfeilen 30a dargestellt den vorderen Bereich des Ultraschallempfängers 24. Bei strömendem Fluid 14 kommt zu dem schrägen Einfallswinkel Θ ein Abtrieb beziehungsweise eine Verwehung des Ultraschalls hinzu. Dies wird mit gepunkteten Pfeilen 30b für eine gewisse Strömungsgeschwindigkeit und mit gestrichelten Pfeilen 30c für eine maximal zu messende Strömungsgeschwindigkeit dargestellt. Dabei ist der Winkel Θ durch die Anordnung und Ankopplung des Ultraschallsenders 18 gerade so bestimmt, dass bei minimaler und maximaler Strömungs- oder Durchflussgeschwindigkeit die Strahlablenkung nicht über den Anfang beziehungsweise das Ende des Ultraschallempfängers 24 hinausgeht. Dabei bleibt die Intensität von ebenfalls eingezeichneten Echos oder Reflexionen höherer Ordnung stets deutlich geringer als diejenige des direkten Signals. The intensity distribution of in the receiving elements 26a -B registered ultrasound depends on the flow rate of the fluid 14 from. An evaluation unit 28 evaluates the received signals of the receiving elements 26a -B in a manner to be explained further below, in order to determine the flow velocity from the output of the ultrasound detected via the intensity distribution. If the fluid is at rest, the ultrasound reaches as with solid arrows 30a represented the front portion of the ultrasound receiver 24 , With flowing fluid 14 comes to the oblique angle of incidence Θ an output or a drift of the ultrasound added. This is done with dotted arrows 30b for a certain flow rate and with dashed arrows 30c for a maximum measured flow velocity shown. In this case, the angle Θ by the arrangement and coupling of the ultrasonic transmitter 18 just so determined that at minimum and maximum flow or flow rate, the beam deflection does not exceed the beginning or end of the ultrasound receiver 24 goes. At the same time, the intensity of echoes or reflections of a higher order, which are also plotted, always remains significantly lower than that of the direct signal.

Der Abtrieb des Ultraschalls in Flüssigkeiten ist aufgrund der hohen Schallgeschwindigkeiten sehr klein, d.h. im Bereich von einigen hundert Mikrometern. Hier stehen sich sozusagen 1480 m/s Schallgeschwindigkeit und 0–5 m/s Fließgeschwindigkeit gegenüber. Das Verhältnis ist bei Gasen wegen der geringeren Schallgeschwindigkeit und der schnelleren Strömung mit 360 m/s zu 10–100 m/s etwas günstiger. Zusätzlich sind auch die verwendeten Rohrdurchmesser meist größer. Dennoch muss in beiden Fällen der Abtrieb sehr genau messtechnisch erfasst werden. The output of the ultrasound in liquids is very small due to the high velocities of sound, i. in the range of a few hundred microns. Here, as it were, there are 1480 m / s sound velocity and 0-5 m / s flow velocity. The ratio is slightly more favorable for gases due to the lower speed of sound and the faster flow with 360 m / s to 10-100 m / s. In addition, the tube diameters used are usually larger. Nevertheless, in both cases the output must be measured very accurately by measurement.

2 zeigt eine vereinfachte Schnittdarstellung der Rohrleitung 12 zur Erläuterung der Abtriebstrecke ds. Diese lässt sich bei einfachen Rohrströmungen der Strömungsgeschwindigkeit v aus dem Einfallswinkel Θ, der Schallgeschwindigkeit c in dem Fluid 14 sowie dem Rohrquerschnitt DN zu ds = v/c·DN/cos(Θ) berechnen. 2 shows a simplified sectional view of the pipeline 12 to explain the output section ds. With simple pipe flows of the flow velocity v, this can be calculated from the angle of incidence Θ, the speed of sound c in the fluid 14 and the pipe cross-section DN to ds = v / c · DN / cos (Θ).

3 zeigt die resultierende lineare Beziehung zwischen Abtriebstrecke und Strömungsgeschwindigkeit. In 3a wird als Fluid 14 Wasser bei einem Einfallswinkel Θ = 81° des Ultraschalls und einem Rohrquerschnitt DN = 15 cm betrachtet, während 3b den Fall eines gasförmigen Fluids 14 mit Θ = 45° und DN = 20 cm darstellt. Es ergeben sich jeweils Abtriebstrecken von weniger als 100µm pro 1 m/s Strömungsgeschwindigkeit, die von dem Ultraschallempfänger 24 zu detektieren und von der Auswertungseinheit 28 mit hinreichender Messgenauigkeit aufzulösen sind. 3 shows the resulting linear relationship between output distance and flow velocity. In 3a is called fluid 14 Water at an angle of incidence Θ = 81 ° of the ultrasound and a tube cross section DN = 15 cm, while 3b the case of a gaseous fluid 14 with Θ = 45 ° and DN = 20 cm represents. This results in each stripping distances of less than 100μm per 1 m / s flow rate, by the ultrasonic receiver 24 to be detected and by the evaluation unit 28 are to be resolved with sufficient accuracy.

Eine nützliche Unterstützung bietet die Fokussierung des Ultraschalls auf den Ultraschallempfänger 24. 4 illustriert im oberen Teil ein beispielhaftes Nahfeld und Fernfeld bei natürlichem Fokus und im unteren Teil mit akustischer Linse 32. Dabei wird eine Fokussierung eines einfachen Ultraschallsenders 18 betrachtet. Für ein entsprechendes Phasenarray gelten ähnliche Überlegungen, wobei das hierfür notwendige Senderarray und die damit verbundene Elektronik zu Mehrkosten führen. A useful support is the focusing of the ultrasound on the ultrasound receiver 24 , 4 illustrates in the upper part an exemplary near field and far field in natural focus and in the lower part with acoustic lens 32 , This is a focus of a simple ultrasonic transmitter 18 considered. Similar considerations apply to a corresponding phase array, the transmitter array required for this purpose and the associated electronics leading to additional costs.

Aufgrund eines im schlechtesten Fall zu erzielenden Signal-Rausch-Verhältnisses von 20dB ist es sinnvoll, im Übergangsbereich Nahfeld/Fernfeld des Ultraschallsenders 18 zu arbeiten, da an diesem Punkt die maximale Feldamplitude erreicht ist und in weiterer Entfernung die Amplitude schnell abfällt. Den entscheidenden Parameter stellt die Fokusbreite dar. Die Abstände zwischen den Empfangselementen 26a–b liegen typischerweise im Bereich einiger 100 µm, so dass eine entsprechende Fokusbreite notwendig ist, um die entsprechenden Abtriebstrecken auflösen zu können. Due to a worst case signal-to-noise ratio of 20dB, it makes sense to work in the near field / far-field transition zone of the ultrasound transmitter 18 to work, because at this point the maximum field amplitude is reached and in the distance the amplitude drops rapidly. The decisive parameter is the focus width. The distances between the receiving elements 26a -B are typically in the range of a few 100 microns, so that a corresponding focus width is necessary to dissolve the corresponding output sections can.

Die Fokusbreite DB lässt sich am Punkt der Intensitätsabnahme um die Hälfte (–6dB) durch folgende Formel beschreiben: DB(–6dB) = 0.2568·D (ohne Fokussierung); DB(–6dB) = 1.02·F·c/f·D (mit Fokussierung). The focal width DB can be described by the following formula at the point of intensity decrease by half (-6dB): DB (-6dB) = 0.2568 · D (without focusing); DB (-6dB) = 1.02 * F * c / f * D (with focus).

Hierbei bezeichnet D die Apertur des Wandlers beziehungsweise dessen Durchmesser, F die Fokuslänge, c die Schallgeschwindigkeit und f die akustische Frequenz des Wandlers. Man erkennt, dass die natürliche Fokusbreite bei beispielsweise D = 7 mm auf eine Fokusbreite DB = 1.8 mm führt, welche die Empfangselemente 26a–b zu stark überstrahlen würde. Reduziert man die Apertur des Ultraschallsenders 18, verringert sich die akustische Leistung, was wiederum zu einem schlechteren Signal-Rausch-Verhältnis führt. Betrachtet man hingegen einen Ultraschallsender 18 mit D = 9.52 mm, f = 15MHz und einem gewünschten Fokusabstand von 95 mm, der sich aus einem angenommen Einstrahlwinkel von 81° ergibt, so erzielt man eine ausreichende Fokusbreite von BD = 1 mm. Eine noch notwendige prismenförmige Struktur des Sockelelements 20 zur schrägen Einkopplung in die Rohrleitung 12 wird hier als bekannt vorausgesetzt und nicht näher betrachtet. Here D denotes the aperture of the transducer or its diameter, F the focal length, c the speed of sound and f the acoustic frequency of the transducer. It can be seen that the natural focus width at, for example, D = 7 mm leads to a focal width DB = 1.8 mm, which the receiving elements 26a -B would over-radiate too much. Reduces the aperture of the ultrasonic transmitter 18 , the acoustic power decreases, which in turn leads to a poorer signal-to-noise ratio. On the other hand, consider an ultrasonic transmitter 18 with D = 9.52 mm, f = 15 MHz and a desired focus distance of 95 mm, which results from an assumed angle of incidence of 81 °, a sufficient focal width of BD = 1 mm is achieved. A still necessary prismatic structure of the base element 20 for oblique coupling into the pipeline 12 is here assumed to be known and not considered in detail.

Im Folgenden wird das Detektionsprinzip mit Hilfe des zweielementigen Ultraschallempfängers 24 näher erläutert. 5 zeigt eine schematische Draufsicht auf die beiden Empfangselemente 26a–b und erläutert beispielhafte Dimensionen von 500 µm Breite in Strömungsrichtung bei einem gegenseitigen Abstand von 100 µm, die fertigungstechnisch erreichbar und für eine hinreichend genaue Messung ausreichend sind. Der 100 µm breite Spalt zwischen den beiden Empfangselementen 26a–b wird vorzugsweise senkrecht zur Strömung des Fluids 14 ausgerichtet. The following is the detection principle using the two-element ultrasonic receiver 24 explained in more detail. 5 shows a schematic plan view of the two receiving elements 26a -B and explains exemplary dimensions of 500 microns width in the flow direction at a mutual distance of 100 microns, which are technically achievable and sufficient for a sufficiently accurate measurement. The 100 μm wide gap between the two receiving elements 26a B is preferably perpendicular to the flow of the fluid 14 aligned.

6 zeigt in einer Schnittdarstellung, wie der Ultraschallempfänger 24 in einer Tasche der Rohrleitung 12 montiert ist (clamp-in). Dies ermöglicht eine einfache Montage bei guter Schallankopplung. Dennoch sind prinzipiell auch die äußere Montage auf der Rohrleitung 12 (clamp-on) oder eine Montage im Innenraum der Rohrleitung mit direktem Kontakt zu dem Fluid 14 denkbar. Die Kopplung der Schallwellen in den Ultraschallempfänger 24 erfolgt über einen dünnwandigen Kanalbereich der Rohrleitung 12, welcher zur optimalen Detektion der monochromatischen Anregung eine lambda/4-Anpasschicht 34 (matching layer) sowie eine rückwärtige Dämpfungsstruktur 36 (Backing) aufweist. Damit kann die transmittierte Leistung optimiert sowie die Rückreflexion verringert werden. 6 shows in a sectional view how the ultrasonic receiver 24 in a pocket of the pipeline 12 is mounted (clamp-in). This allows easy installation with good sound coupling. Nevertheless, in principle, the outer mounting on the pipeline 12 (clamp-on) or an assembly in the interior of the pipeline with direct contact to the fluid 14 conceivable. The coupling of the sound waves in the ultrasonic receiver 24 takes place via a thin-walled channel area of the pipeline 12 which for optimum detection of monochromatic excitation, a lambda / 4 Anpasschicht 34 (matching layer) and a rear damping structure 36 (Backing). Thus, the transmitted power can be optimized and the return reflection can be reduced.

Wird für die Rohrleitung 12 Edelstahl verwendet, so liegt aufgrund der Kompositeigenschaften des Ultraschallempfängers 24 die mechanische Impendanz im Bereich von 20 MRayl, was eine einfachere Auswahl der Dämpfungsstruktur 36 ermöglicht, aber die Ankopplung durch die Anpassschicht 34 bedingt. Bei Verwendung von Edelstahl wird zudem der Schrägeinfall bei größeren Durchflussgeschwindigkeiten aufgrund der wesentlich höheren Schallgeschwindigkeit in Stahl als im Fluid 14 verringert, d.h. der Fokus wird zum Ultraschallempfänger 24 hin gebeugt. Will for the pipeline 12 Stainless steel used, so is due to the composite properties of the ultrasonic receiver 24 the mechanical impedance in the range of 20 MRayl, which allows easier selection of the damping structure 36 allows, but the coupling through the matching layer 34 conditionally. When stainless steel is used, slant incidence also occurs at higher flow rates due to the much higher velocity of sound in steel than in the fluid 14 decreases, ie the focus becomes the ultrasound receiver 24 bent over.

Der fokussierte akustische Strahl sollte sich bei ruhendem Fluid 14 mit v = 0 am Rand des Ultraschallempfängers 24 senkrecht zum Spalt zwischen den beiden Empfangselementen 26a–b befinden. 7 zeigt ein simuliertes rauschfreies Ultraschallsignal mit gaussförmigem Fokus auf dem Ultraschallempfänger 24 in dieser Position. Steigt die Strömungsgeschwindigkeit an, so wandert der Fokus über die Empfangselemente 26a–b und erzeugt dort die elektrischen Signale Signal_A und Signal_B. 8 zeigt beispielhaft das Signal_A bei einem Rauschen von –20dB, während der Fokus in der Zeichnung von links nach rechts über den Ultraschallempfänger 24 wandert. The focused acoustic beam should be at steady fluid 14 with v = 0 at the edge of the ultrasound receiver 24 perpendicular to the gap between the two receiving elements 26a -B are located. 7 shows a simulated noise-free ultrasonic signal with Gaussian focus on the ultrasound receiver 24 in this position. If the flow velocity increases, the focus moves over the receiving elements 26a -B where it generates the electrical signals Signal_A and Signal_B. 8th shows by way of example the Signal_A at a noise of -20dB, while the focus in the drawing from left to right on the ultrasonic receiver 24 emigrated.

9 stellt die beiden Signale Signal_B und Signal_B auf den Empfangselementen 26a–b nebeneinander als Ergebnis einer Simulation dar, bei welcher sich der Fokus in Schritten von 60 µm entsprechend einer jeweiligen Zunahme der Strömungsgeschwindigkeit von 1 m/s über den Ultraschallempfänger 24 bewegt. Grundsätzlich ist die gesuchte Abtriebstrecke aus jedem der beiden Signale ablesbar. Eine direkte Intensitätsauswertung eines der Signale wäre aber in der Auflösung begrenzt und empfindlich gegenüber Änderungen von Randbedingungen. Deshalb wird stattdessen die Differenz der beiden Signale betrachtet und mit deren Summe normiert, also das normierte Differenzsignal (Signal_A – Signal_B)/(Signal_A + Signal_B) ausgewertet. 9 sets the two signals Signal_B and Signal_B on the receiving elements 26a -B side by side as a result of a simulation in which the focus is in steps of 60 microns corresponding to a respective increase in the flow rate of 1 m / s via the ultrasonic receiver 24 emotional. Basically, the desired output section can be read from each of the two signals. However, a direct intensity evaluation of one of the signals would be limited in resolution and sensitive to changes in boundary conditions. Therefore, the difference between the two signals is considered instead and normalized with their sum, ie the normalized difference signal (Signal_A - Signal_B) / (Signal_A + Signal_B) is evaluated.

10 zeigt das normierte Differenzsignal in Abhängigkeit von der Abtriebstrecke und damit der Strömungsgeschwindigkeit. Die Normierung macht das Differenzsignal robust gegenüber Intensitätsschwankungen. Über einen größeren mittleren Bereich ändert sich das normierte Differenzsignal linear mit der Strömungsgeschwindigkeit. Um diesen linearen Messbereich optimal zu nutzen, sollte sich für eine Strömungsgeschwindigkeit v = 0 das Maximum der Fokusverteilung bei ca. –200 µm auf dem Ultraschallempfänger 24 befinden. Der lineare Messbereich erlaubt bei 16-bit Digitalisierung des normierten Differenzsignals für Strömungsgeschwindigkeiten von 0–4 m/s eine Messauflösung von unter 0,1 %. Eine Vergrößerung des linearen Messbereichs kann durch Variation des Einfallswinkels Θ erreicht werden, allerdings auf Kosten der Empfindlichkeit, so dass eine anwendungsspezifische Auswahl zu treffen ist. Durch kontinuierliches Senden von Ultraschall und Echtzeit-Auswertung des normierten Differenzsignals steht mit praktisch beliebig kurzer Ansprechzeit jeweils nahezu in Echtzeit ein aktueller Messwert zur Verfügung. 10 shows the normalized difference signal as a function of the output path and thus the flow velocity. The standardization makes the difference signal robust against intensity fluctuations. Over a larger middle range, the normalized differential signal changes linearly with the flow velocity. In order to make optimal use of this linear measuring range, the maximum of the focus distribution at about -200 μm on the ultrasonic receiver should be for a flow velocity v = 0 24 are located. The linear measuring range allows for a resolution of less than 0.1% for 16-bit digitization of the normalized differential signal for flow velocities of 0-4 m / s. An enlargement of the linear measuring range can be achieved by varying the angle of incidence Θ, but at the expense of the sensitivity, so that an application-specific selection is to be made. By continuously transmitting ultrasound and real-time evaluation of the normalized differential signal, a current measured value is available almost in real time with practically any desired short response time.

Zur Kalibration der Durchflussmessvorrichtung 10 muss die Temperatur des Fluids 14 erfasst werden. Dann wird durch Abgleich mit einer bekannten Strömungsgeschwindigkeit Stück für Stück das normierte Differenzsignal vermessen und die entsprechende Steigung des linearen Messbereichs ermittelt. Dieser Wert wird in einem Speicher 28a der Auswertungseinheit 28 hinterlegt, und Einflüsse der Temperatur werden dann im Betrieb durch Vergleich der aktuellen Temperatur mit der Temperatur während der Kalibrierung kompensiert. For calibration of the flowmeter 10 must be the temperature of the fluid 14 be recorded. Then the standardized difference signal is measured piece by piece by comparison with a known flow velocity and the corresponding slope of the linear measuring range is determined. This value is stored in memory 28a the evaluation unit 28 and influences of the temperature are then compensated during operation by comparing the current temperature with the temperature during the calibration.

Das beschriebene Detektionsprinzip mit zwei Empfangselementen 26a–b lässt sich auf mehr Empfangselemente erweitern. Dazu kann anstelle eines zweiteiligen Ultraschallempfängers 24 ein 4-Quadranten-Empfänger mit vier zu einem Quadrat angeordneten Empfangselementen verwendet werden. Damit wird eine Messung von Abtrieben auch in Querrichtung und somit eine Erfassung der Strömung in zwei Dimensionen ermöglicht. Dies kann genutzt werden, um auch Rotationsgeschwindigkeiten der Strömung zu messen oder einbaubedingte Asymmetrien auszugleichen. Eine entsprechende Erweiterung des Messkonzepts auf N Array-Elemente ist denkbar. Die Empfangselemente werden dann paarweise oder zu 4-Quadranten zusammengeschaltet. The described detection principle with two receiving elements 26a -B can be extended to more receive elements. This can be done in place of a two-piece ultrasound receiver 24 a 4-quadrant receiver with four receiving elements arranged in a square can be used. Thus, a measurement of outputs is also possible in the transverse direction and thus a detection of the flow in two dimensions. This can be used to measure rotational velocities of the flow or to compensate for installation-related asymmetries. A corresponding extension of the measurement concept to N array elements is conceivable. The receiving elements are then connected in pairs or 4-quadrants.

Abschließend soll noch die Auswirkung verschiedener Effekte auf das Messverhalten diskutiert werden. 11 zeigt die normierte Differenz der Signalantworten entsprechend 10 für verschiedene Fokusbreiten von 400 µm (Quadrate), 600 µm (Kreise) und 800 µm (Dreiecke). Variationen der Fokusbreite werden vor allem durch Änderungen der Resonanzfrequenz verursacht. Zwar reduziert sich die Steigung und damit die Messempfindlichkeit oder -auflösung bei schlechterer Fokussierung, die linearen Bereiche als solche bleiben aber erhalten. Finally, the effect of different effects on the measurement behavior will be discussed. 11 shows the normalized difference of the signal responses accordingly 10 for various focus widths of 400 μm (squares), 600 μm (circles) and 800 μm (triangles). Variations of the focus width are mainly caused by changes in the resonance frequency. Although the slope and thus the measurement sensitivity or resolution is reduced in the case of poorer focusing, the linear regions as such are retained.

Die Frequenzstabilität wirkt gemäß der weiter oben angegebenen Formel zur Bestimmung auf die Fokusbreite und beeinflusst deshalb quadratisch die Messempfindlichkeit. Durch entsprechende Regelungen, beispielsweise eine closed-loop PLL, kann aber eine ausreichende Frequenzstabilität gewährleistet werden. The frequency stability acts according to the formula given above for determining the focus width and therefore influences the measurement sensitivity quadratically. By appropriate regulations, such as a closed-loop PLL, however, sufficient frequency stability can be ensured.

Die Signalamplituden von Signal_A und Signal_B können durch Toleranzen der Empfangselemente 26a–b oder deren Verstärkerpfad voneinander abweichen. Dies hätte ohne Normierung großen Einfluss auf die Messung. Wie der Vergleich in 12 von normierten Differenzsignalen bei unterschiedlichem relativem Verstärkungsfaktor der beiden Empfangselemente 26a–b zeigt, führen unterschiedliche Signalamplituden aber nicht zu einer Änderung der Messempfindlichkeit, sondern lediglich zu einem Offset der Detektionsantwort, der durch Kalibration beseitigt werden kann, beziehungsweise sich in der für die Messung relevanten Steigung im linearen Bereich gar nicht niederschlägt. The signal amplitudes of Signal_A and Signal_B can be controlled by tolerances of the receiving elements 26a -B or their amplifier path are different. This would have a large impact on the measurement without normalization. Like the comparison in 12 of normalized difference signals at different relative gain of the two receiving elements 26a Shows different signal amplitudes but not to a change in the measurement sensitivity, but only to an offset of the detection response, which can be eliminated by calibration, or reflected in the relevant for the measurement slope in the linear range not at all.

12 erläutert, wie Bildverzerrungen wegen des fokussierten Schrägeinfalls des Ultraschalls entstehen. Die Einfallswinkel der Randstrahlen des Ultraschallbündels sind unterschiedlich, d.h. die Gaußsche Intensitätsverteilung wird asymmetrisch abgebildet. Der rechts gestrichelt gezeichnete parallele Strahlweg wird durch die Fokussierung steiler, und der Fokus auf dem Ultraschallempfänger 24 bildet eine Ellipse statt eines Kreises. Bei einem Einfallswinkel Θ = 81° ergibt sich ein Winkel der Randstrahlen von 80.5° und 81.4°. Dies führt auf eine Änderung der Empfindlichkeit von 1645 (1/m) auf 1623 (1/m), womit bei einer 16-Bit-Digitalisierung weiterhin eine Auflösung von 0.1 % erreicht werden kann. 12 explains how image distortions arise due to the focused slant of the ultrasound. The angles of incidence of the marginal rays of the ultrasound beam are different, ie the Gaussian intensity distribution is imaged asymmetrically. The right parallel dashed parallel beam path is steeper by focusing, and the focus on the ultrasonic receiver 24 forms an ellipse instead of a circle. At an angle of incidence Θ = 81 ° results in an angle of the marginal rays of 80.5 ° and 81.4 °. This results in a change in sensitivity from 1645 (1 / m) to 1623 (1 / m), which still achieves 0.1% resolution on 16-bit digitizing.

Die Echos, die durch Reflexionen beim Auftreffen auf die Wand der Rohrleitung 12 vor dem Ultraschallempfänger 24-Elemenet entstehen, sind bei großen Einfallswinkeln Θ unkritisch. Die Voraussetzung großer Einfallswinkel Θ ist aber zumindest bei Flüssigkeiten als Fluid 14 gegeben, um ausreichend große Strahlverwehungen oder Abtriebstrecken zu erhalten. Lediglich bei Gasen, großen Kanalquerschnitten und hohen Strömungsgeschwindigkeiten, welche kleinere Einfallswinkel Θ erlauben, könnten Echos bzw Mehrfachreflexionen auftreten. Die Auswertungseinheit 28 hat aber immer noch die Möglichkeit, solche Echos aufgrund des Zeitverhaltens, der Abschwächung durch Mehrfachreflexion und Plausibilitätsbetrachtungen einer sich nur kontinuierlich ändernden Strömungsgeschwindigkeit zu erkennen. The echoes caused by reflections when hitting the wall of the pipeline 12 before the Ultrasonic receivers 24-Elemenet arise, are not critical at large angles of incidence Θ. The prerequisite for large angles of incidence Θ, however, is at least fluid as fluid 14 given to get sufficiently large beam drifts or stretches. Only with gases, large channel cross sections and high flow velocities, which allow smaller angles of incidence Θ, could echoes or multiple reflections occur. The evaluation unit 28 but still has the ability to detect such echoes due to the time behavior, the attenuation by multiple reflection and plausibility considerations of only continuously changing flow velocity.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of the documents listed by the applicant has been generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.

Zitierte PatentliteraturCited patent literature

EP 2103912 A1 [0005]
US 4726235 [0006]
US 7503225 B2 [0007]

Claims

Flow measuring device ( 10 ) for measuring the flow velocity of a fluid ( 14 ), which in a pipeline ( 12 ) in a flow direction ( 16 ), wherein the flow measuring device comprises an ultrasonic transmitter ( 18 ) for emitting ultrasound through the fluid ( 14 ) in an ultrasonic direction transverse to the flow direction ( 16 ), one opposite the ultrasonic transmitter ( 18 ) arranged ultrasonic receiver ( 24 ) for generating a received signal from the received ultrasound and an evaluation unit ( 28 ), which is adapted to generate from the received signal an output path of a deflection of the ultrasound due to the flow of the fluid ( 14 ) and from the output section to determine the flow rate, characterized in that the ultrasonic receiver ( 24 ) at least one first receiving element ( 26a ) and a second receiving element ( 26b ) and that the evaluation unit ( 28 ) is further adapted to the output path due to a comparison of a first received signal (Signal_A) of the first receiving element ( 26a ) and a second received signal (Signal_B) of the second receiving element ( 26b ).

Flow measuring device ( 10 ) according to claim 1, wherein for the comparison a difference (Signal_A - Signal_B) of the first received signal (Signal_A) and the second received signal (Signal_B) is formed.

Flow measuring device ( 10 ) according to claim 2, wherein the difference (Signal_A - Signal_B) with the sum (Signal_A + Signal_B) of the first received signal (Signal_A) and the second received signal (Signal_B) is normalized.

Flow measuring device ( 10 ) according to claim 3, comprising a memory ( 28a ) having a taught-in or predetermined characteristic stored therein, which describes the functional relationship between output section and normalized difference ((Signal_A - Signal_B) / (Signal_A + Signal_B)).

Flow measuring device ( 10 ) according to one of the preceding claims, wherein the ultrasonic transmitter ( 18 ) an acoustic lens ( 32 ) is assigned to the ultrasound on the ultrasound receiver ( 24 ) to bundle.

Flow measuring device ( 10 ) according to one of the preceding claims, wherein the ultrasonic transmitter ( 18 ) has a multiplicity of transmitting elements which, by triggering with different phase modulations, transmit the ultrasound to the ultrasound receiver ( 24 ) bundle up.

Flow measuring device ( 10 ) according to one of the preceding claims, wherein the first receiving element ( 26a ) and the second receiving element ( 26b ) in the flow direction ( 16 ) have a width of 100 microns to 1000 microns, in particular 500 microns.

Flow measuring device ( 10 ) according to one of the preceding claims, wherein the first receiving element ( 26a ) and the second receiving element ( 26b ) in the flow direction ( 16 ) are arranged one behind the other, so that a gap between the first receiving element ( 26a ) and the second receiving element ( 26b ) perpendicular to the flow direction ( 16 ) is aligned.

Flow measuring device ( 10 ) according to one of the preceding claims, wherein the ultrasonic transmitter ( 18 ) is arranged obliquely and / or the ultrasonic transmitter ( 10 ) an acoustic deflection element ( 20 ) is assigned, so that the ultrasonic direction with a perpendicular to the flow direction ( 16 ) includes an angle (Θ).

Flow measuring device ( 10 ) according to one of the preceding claims, wherein the ultrasonic transmitter ( 18 ) relative to the ultrasonic receiver ( 24 ) is arranged and aligned with its ultrasonic direction that the ultrasound at minimum and maximum flow rate to be measured on the ultrasound receiver ( 24 ), in particular within a linear range of a characteristic which describes the functional relationship between the output distance and the normalized difference ((Signal_A - Signal_B) / (Signal_A + Signal_B)).

Flow measuring device ( 10 ) according to any one of the preceding claims, wherein the ultrasonic receiver ( 24 ) has a third receiving element and a fourth receiving element and the evaluation unit ( 28 ) is designed to, due to a comparison of a third received signal of the third receiving element and a fourth received signal of the fourth receiving element, a transverse output path of the ultrasound transversely to the flow direction ( 16 ).

Flow measuring device ( 10 ) according to one of the preceding claims, wherein the ultrasonic transmitter ( 18 ) continuously and the evaluation unit ( 28 ) determines the flow rate continuously.

Flow measuring device ( 10 ) according to one of the preceding claims, wherein the ultrasonic transmitter ( 18 ) and / or the ultrasound receiver ( 24 ) in the pipeline ( 12 ) is arranged such that at least a part of a pipe wall at least a part of an ultrasonic generating Membrane of the ultrasonic transmitter ( 18 ) or an ultrasonic receiving membrane of the ultrasonic receiver ( 24 ).

Method for measuring the flow velocity of a fluid ( 14 ), which in a pipeline ( 12 ) in a flow direction ( 16 ), in which on one side of the pipeline ( 12 ) Ultrasound through the fluid ( 14 ) in an ultrasonic direction transverse to the flow direction ( 16 ) and on an opposite side of the pipeline ( 12 ) from the ultrasound a received signal is generated, wherein from the received signal an output path of a deflection of the ultrasound due to the flow of the fluid ( 14 ) and from the output path, the flow rate is determined, characterized in that from the ultrasound at least a first received signal (Signal_A) at a first position and a second received signal (Signal_B) generated at a second position and the output path due to a comparison of the first received signal ( Signal_A) and the second received signal (Signal_B) is determined.

The method of claim 14, wherein for the comparison, a difference (Signal_A - Signal_B) of the first received signal (Signal_A) and the second received signal (Signal_B) formed and the difference (Signal_A - Signal_B) with the sum (Signal_A + Signal_B) of the first received signal ( Signal_A) and the second received signal (SIgnal_B) is normalized, in particular a characteristic curve is determined and deposited, which describes the functional relationship between output section and normalized difference ((Signal_A - Signal_B) / (Signal_A + Signal_B)), and the output path from the Characteristic is read out.