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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Halterung von Schallwandlern, die zur akustischen Kopplung eines Schallwandlers mit einem Messmedium an einer Öffnung einer das Messmedium begrenzenden Wandung anbringbar ist, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Ultraschalldurchflussmessgerät mit einem von einem Messmedium durchströmten Messrohr, dessen Wandung zumindest zwei axial zueinander beabstandete Öffnungen aufweist, an welchen jeweils eine derartige Vorrichtung angebracht ist.
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Ein Ultraschalldurchflussmessgerät mit Vorrichtungen zur Halterung von Schallwandlern ist bereits aus der
WO 95/28618 A1 bekannt. Das Gerät zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit von Gasen oder Flüssigkeiten weist ein Messrohr auf, das einen Strömungskanal für das jeweils durchströmende Messmedium bildet. In Öffnungen der Wandung des Messrohrs sind in Strömungsrichtung gegeneinander versetzt, d. h. axial zueinander beabstandet, zwei Rohrstutzen schräg angeformt, in denen zwei Ultraschallwandler mit geeigneten Halterungseinrichtungen angebracht sind. Die beiden Ultraschallwandler werden periodisch wechselweise als Sende- und Empfangswandler betrieben. Der jeweils als Sendewandler betriebene Ultraschallwandler sendet ein Ultraschallsignal in das Messrohr aus, der jeweilige Empfangswandler empfängt das vom Medium aufgrund seiner Strömungsgeschwindigkeit modifizierte Signal nach Durchlaufen eines durch die Geometrie des Messrohrs bestimmten Schallpfades. Da der Schallpfad geneigt zur Durchflussrichtung verläuft, werden die Schallwellen bei Durchlaufen entgegen der Strömungsrichtung des Messmediums verzögert und bei Durchlaufen mit der Strömungsrichtung beschleunigt. Aus der Laufzeitdifferenz zweier Messungen mit entgegengesetzter Laufrichtung des Schallsignals wird die Strömungsgeschwindigkeit des das Messrohr durchströmenden Mediums ermittelt.
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Durch den jeweiligen Empfangswandler wird bei den Messungen unvermeidlich auch Schall detektiert, der keine Messinformation trägt. Zum einen werden durch den jeweiligen Sendewandler erzeugte Schallwellen auch auf anderen Wegen zum Empfangswandler übertragen, die nicht dem eigentlichen, für die Messung genutzten Schallpfad entsprechen. Ein Beispiel für einen derartigen Übertragungsweg ist die Wandung des Messrohrs. Zum anderen treffen Schallwellen auf den Empfangswandler, die nicht vom jeweiligen Sendewandler erzeugt wurden. Ursachen können beispielsweise Pumpen oder Ventile sein, die dem Durchflussmessgerät am jeweiligen Einbauplatz benachbart sind, oder turbulente Wirbel, die aufgrund der Strömung des Messmediums entstehen. Diese zusätzlichen Schallwellen verfälschen das eigentliche, zur Messung genutzte Schallsignal und stören die Signalverarbeitung der Durchflussmessung. Dies kann zu einer Verminderung der erreichbaren Messgenauigkeit führen oder bei starken Störungen eine Messung sogar unmöglich machen.
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Wenn der Frequenzbereich des Störschalls bekannt ist und außerhalb des Frequenzbereichs des zur Messung genutzten Ultraschalls liegt, könnte eine Lösung darin gesehen werden, in der Signalverarbeitung ein Frequenzfilter für ein durch den jeweiligen Empfangswandler erzeugtes elektrisches Empfangssignal zu verwenden. Allerdings ist der in der Praxis auftretende Störschall meist breitbandig und hat somit auch spektrale Anteile im Frequenzbereich des zur Messung genutzten Schallsignals. Dies trifft insbesondere auf Störschall zu, der durch die bereits oben erwähnten Pumpen, Ventile oder Wirbel erzeugt wird. Aus der eingangs genannten
WO 95/28618 A1 ist bekannt, durch mechanische Maßnahmen die Übertragung von Körperschall vom Sendewandler auf den Empfangswandler zu mindern. Derartige konstruktive Maßnahmen sind jedoch schwer zu implementieren und mit einem vergleichsweise hohen Aufwand verbunden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Halterung von Schallwandlern zu schaffen, durch welche eine bessere Kompensation des über eine das Messmedium begrenzende Wandung in einen Empfangswandler eingetragenen Störschalls ermöglicht wird. Eine weitere Aufgabe wird darin gesehen, bei einem Ultraschalldurchflussmessgerät die Unempfindlichkeit gegenüber Störschall zu verbessern.
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Zur Lösung dieser Aufgabe weist die neue Vorrichtung zur Halterung von Schallwandlern der eingangs genannten Art die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale auf. In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung, in Anspruch 4 ein Ultraschalldurchflussmessgerät mit derartigen Vorrichtungen beschrieben.
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Durch die Verwendung von zwei Schallwandlern in derselben Vorrichtung, die voneinander abweichende Empfindlichkeiten bezüglich Nutzschall und/oder Störschall besitzen, wird in vorteilhafter Weise eine Kompensation des Störschalls im empfangenen Schallsignal ermöglicht. Insbesondere bei Verwendung derartiger Vorrichtungen in einem Ultraschalldurchflussmessgerät kann aufgrund der Störschallkompensation eine Verbesserung der Messgenauigkeit und der Robustheit des Geräts gegenüber starkem Störschall erreicht werden. Zudem können sich konstruktive Maßnahmen, die bisher für ein Entkoppeln oder Dämpfen der Vorrichtung zur Halterung von Schallwandlern gegen Körperschalleinfluss der Messrohrwandung getroffen wurden, erübrigen oder die Maßnahmen können einfacher gestaltet werden. Wenn beispielsweise aufgrund der schlechteren akustischen Kopplung des zweiten Schallwandlers mit dem Messmedium das Nutzsignal beim zweiten Schallwandler schwächer ist und das Störsignal in beiden Schallwandlern nahezu gleich stark ankommt, kann in einer nachgelagerten Signalverarbeitung die Störungskompensation in einfacher Weise durch Subtraktion der beiden von den Schallwandlern gelieferten Signale erfolgen. Eine besonders einfache Möglichkeit zur Erreichung dieser gewünschten unterschiedlichen akustischen Kopplung wird darin gesehen, den ersten Schallwandler in einem dem Messmedium zugewandten Bereich und den zweiten Schallwandler in einem dem Messmedium abgewandten Bereich der Halterungsvorrichtung anzuordnen. Prinzipiell sind jedoch auch davon abweichende Anordnungsvarianten denkbar, die jedoch einen erhöhten Aufwand der nachgelagerten Signalverarbeitung zur Störungskompensation bedingen können.
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Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die beiden Schallwandler im Wesentlichen zueinander symmetrisch bezüglich einer Verbindungsstelle angeordnet, an welcher die Vorrichtung bei an die Öffnung beispielsweise einer Messrohrwandung angebrachter Vorrichtung mit der Wandung verbunden ist. In diesem Fall werden durch die Wandung als Körperschall laufende Störgeräusche über die Verbindungsstelle in die Vorrichtung eingeleitet und innerhalb der Vorrichtung gegenläufig in Richtung der beiden Schallwandler übertragen. In dem ersten Schallwandler überlagern sich die Störgeräusche mit dem eigentlichen, über das Messmedium geleiteten Schallsignal, welches beispielsweise zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit genutzt wird. Beim zweiten Schallwandler trifft das Messsignal dagegen in stark geschwächter Form ein, sodass durch den zweiten Schallwandler das Störsignal nahezu isoliert gemessen werden kann. Bei derartigen Signalverhältnissen gestaltet sich, wie bereits oben erläutert, die nachgelagerte Signalverarbeitung besonders effizient und einfach. Besonders vorteilhaft ist dabei eine Ausgestaltung der Vorrichtung derart, dass der Körperschall, d. h. der über die Wandung übertragene und über die Verbindungsstelle in die Vorrichtung eingekoppelte Störschall, durch die beiden Schallwandler in Amplitude und Phase weitgehend identisch erfasst wird.
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Bei einer Anwendung der Halterungsvorrichtung in einem Ultraschalldurchflussmessgerät, in welchem der erste Wandler wechselweise als Sender oder Empfänger betrieben wird, kann der zweite Schallwandler zudem vorteilhaft zur Überwachung der Amplitude des ersten Schallwandlers bei den Messungen verwendet werden, bei welchen der erste Wandler in Messzyklen als Sender genutzt wird. Dies ermöglicht beispielsweise eine Eigendiagnose des Geräts, bei welcher ein Verschleiß des ersten Schallwandlers erkennbar wird, der mit einer Reduktion des Wandlerwirkungsgrads einhergeht. Ergänzend ist es möglich, in einem Zeitfenster, in welchem keine Messung der Strömungsgeschwindigkeit stattfindet, lediglich den über die Wandung eingeleiteten Störschall zu erfassen und aufgrund der darin enthaltenen Informationen Aussagen zum Zustand von beispielsweise Ventilen, Pumpen oder sogenannten Flow Conditionern zu erhalten, die benachbart zum Durchflussmessgerät in eine Rohrleitung eingebaut sind.
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Anhand der Zeichnungen, in denen Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind, werden im Folgenden die Erfindung sowie Ausgestaltungen und Vorteile näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 einen schematischen Aufbau eines Ultraschalldurchflussmessgeräts,
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2 ein Funktionsschaltbild einer Signalverarbeitung nach einem Subtraktionsprinzip und
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3 ein Funktionsschaltbild einer Signalverarbeitung mit Filteradaption.
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In dem Schnittbild gemäß 1 ist ein mögliches Aufbauprinzip eines Aufnehmers für ein Ultraschalldurchflussmessgerät dargestellt. Ein Gehäuse und eine Elektronikeinheit, die üblicherweise bei Durchflussmessgeräten vorhanden sind, die als Feldgeräte zur Prozessinstrumentierung eingesetzt werden können, wurden der Übersichtlichkeit wegen nicht dargestellt. Ein Messrohr 1, welches wie durch einen Pfeil 2 angedeutet von einem Messmedium durchströmt wird, ist mit zwei schräg einander gegenüberliegenden Stutzen 3 und 4 versehen. Die Stutzen 3 und 4 sowie das Messrohr 1 bilden somit eine das Messmedium begrenzende Wandung. In die Stutzen 3 und 4 sind jeweils Vorrichtungen 5 bzw. 6 zur Halterung von Schallwandlern eingesetzt. Die Vorrichtungen 5 und 6 dienen jeweils zur Halterung eines ersten Schallwandlers 7 bzw. 8 sowie eines zweiten Schallwandlers 9 bzw. 10. Dazu weist die Vorrichtung 5 ein Gehäuse 11, die Vorrichtung 6 ein Gehäuse 12 auf. Zur Befestigung der Vorrichtungen 5 und 6 an den Stutzen 3 bzw. 4 sind die Gehäuse 11 und 12 jeweils in ihrer Mitte mit einem Kragen 13 bzw. 14 versehen, die beispielsweise mit Schraubgewinden auf dem Stutzen 3 bzw. 4 befestigt werden. Alternativ zur dargestellten Verschraubung kann selbstverständlich eine Schweißverbindung oder eine Flanschverbindung zum Einsatz kommen. Zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit des Messmediums durch das Messrohr 1 werden die ersten Schallwandler 7 und 8 in bekannter Weise abwechselnd als Sender und Empfänger betrieben und die Laufzeitdifferenz des dabei entlang eines Schallpfads 15 übertragenen Nutzschalls gemessen. Wenn beispielsweise der erste Schallwandler 8 der Vorrichtung 6 als Sender betrieben wird, wird ein Teil der erzeugten Schallenergie auf anderen Wegen als über den Schallpfad 15 zum ersten Schallwandler 7 der Vorrichtung 5 übertragen und dort dem Nutzschall überlagert. Zusätzlicher Störschall, der beispielsweise von externen Quellen wie Pumpen, Ventilen oder anderen Geräten erzeugt wird, die benachbart zum Messrohr 1 in eine Rohrleitung einer Anlage eingebaut sind, kann ebenfalls zum Nutzschall hinzukommen.
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Zur Kompensation der Einflüsse des Störschalls auf das Messergebnis der Strömungsgeschwindigkeit sind die beiden Vorrichtungen 5 und 6 mit jeweils einem zweiten Schallwandler 9 bzw. 10 versehen. Die Funktionsweise der Störungskompensation ist bei den beiden Vorrichtungen 5 und 6 gleich, es genügt daher im Folgenden ihre Erläuterung anhand des Beispiels der Vorrichtung 5. Die Grundidee der Störschallkompensation ist, den Störschall möglichst getrennt vom Nutzschall mit dem zweiten Schallwandler 9 zu erfassen und das durch den Schallwandler 9 erzeugte elektrische Störsignal, welches nahezu identisch mit dem Störsignal ist, welches in dem durch den Schallwandler 7 erzeugten Messsignal dem Nutzsignal überlagert ist, in einer nachgelagerten Signalverarbeitung zur Störungskompensation zu nutzen. Dazu ist vorteilhaft die Vorrichtung 5 mit dem Kragen 13 nur in einem zentralen Bereich, d. h. etwa in der Mitte der Vorrichtung 5, an dem Stutzen 3 befestigt und damit an einer Öffnung der Wandung angebracht.
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Ein durch Körperschall übertragener Störschall gelangt somit nur über diese Verbindungsstelle von der Wandung in die Vorrichtung 5. Innerhalb der Vorrichtung 5 wird der Störschall gegenläufig in Richtung zu dem ersten Schallwandler 7 sowie zu dem zweiten Schallwandler 9 der Vorrichtung 5 übertragen. Im ersten Schallwandler 7 überlagert der Störschall den durch das Messmedium über den Schallpfad 15 ankommenden Nutzschall, während beim zweiten Schallwandler 9 Nutzschall nur mit geringer Stärke ankommt, sodass der Störschall durch den Wandler 9 nahezu getrennt gemessen werden kann. Wie später genauer beschrieben, kann das durch den Wandler 9 erhaltene Störsignal zur Kompensation der Störungseinflüsse in einer nachgelagerten Signalverarbeitung dienen.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird das Prinzip der Störungskompensation anhand eines Ultraschalldurchflussmessgeräts beschrieben. In entsprechender Weise kann durch die Vorrichtung zur Halterung von Schallwandlern eine Störungskompensation bei Durchflussmessgeräten mit mehr als einem Schallpfad, bei welchen beispielsweise vier oder sechs derartige Vorrichtungen am Messrohr vorgesehen sind, oder bei Durchflussmessgeräten, welche nach dem Doppler-Prinzip arbeiten, oder bei Ultraschalldichtemessgeräten zum Einsatz kommen.
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Weiterhin sind alternative Arten der Anordnung der beiden Schallwandler in einer Halterungsvorrichtung denkbar, wobei für das Prinzip der Störungskompensation bedeutend ist, dass die beiden Wandler voneinander abweichende akustische Kopplungen bezüglich des Empfangs von Nutzschall und/oder bezüglich der Stärke des empfangenen Störschalls besitzen. Das beschriebene Ausführungsbeispiel zeichnet sich jedoch durch eine besonders einfach Ausgestaltung der nachgelagerten Signalverarbeitung aus, für welche anhand der 2 und 3 verschiedene Prinzipien dargelegt werden. Bei beiden Ausführungsformen wird von dem in 1 dargestellten Aufbau der Vorrichtung ausgegangen.
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Gemäß 2 trifft Störschall S sowohl auf einen ersten Ultraschallwandler 20 als auch auf einen zweiten Ultraschallwandler 21, die gemeinsam in einer Vorrichtung zur Halterung von Schallwandlern angeordnet sind. Die beiden Wandler 20 und 21 erzeugen jeweils elektrische Signale, der erste Wandler 20 ein Messsignal 22, welches einem Summensignal aus Nutzschall N und Störschall S entspricht, der Wandler 21 ein Störsignal 23, das im Wesentlichen nur den Störschall S repräsentiert. Messsignal 22 und Störsignal 23 werden jeweils einem Verstärker 24 bzw. 25 zugeführt, wobei im gezeigten Ausführungsbeispiel der Verstärker 25 eine einstellbare Verstärkung besitzt. Dem Verstärker 25 ist ein einstellbarer Filter 26 nachgeschaltet, durch welchen zudem zur Realisierung eines geeigneten Zeitfensters für die Signalauswertung das verstärkte Störsignal 23 kurzzeitig, d. h. nur während eines Messzeitfensters, durchgelassen wird. In einem sich anschließenden Subtrahierer 27 wird das verstärkte Messsignal 22 von Störsignalanteilen befreit. Nach erfolgter Störungskompensation kann auf bekannte Weise mittels einer Recheneinheit 28 die Strömungsgeschwindigkeit berechnet werden. Die einstellbare Verstärkung des Verstärkers 25 dient dazu, Störsignalanteile, die im Signal 22 und im Störsignal 23 vorhanden sind, bezüglich ihrer Amplitude einander anzugleichen, damit durch den Subtrahierer 27 sämtliche Störsignalanteile aus dem Messsignal 22 entfernt werden.
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In 3, die eine Alternative Ausführung einer Signalverarbeitung zeigt, sind Teile, welche bereits anhand 2 erläuterten Teilen entsprechen, mit gleichen Bezugszeichen versehen. Nach dem Verstärker 25, der hier mit einer festen Verstärkung ausgeführt ist, wird gemäß 3 das verstärkte Störsignal 23 einer Einrichtung 29 zugeführt, welche als Filteroptimierer eine Online-Analyse der Charakteristik des Störsignals 23 nach Frequenz und Zeit durchführt. Als Ergebnis der Analyse liefert die Einrichtung 29 Einstellparameter für ein adaptives Filter 30, das zur Störungskompensation für das verstärkte Messsignal 22 vorgesehen ist. Mithilfe dieser automatischen Filteradaption wird eine gute Anpassung der Störungskompensation an die am jeweiligen Einbauort herrschenden Verhältnisse gewährleistet. Nach der Filterung wird bei Bedarf eine weitere Verstärkung mittels eines Verstärkers 31 vorgenommen, bevor das gefilterte Signal wiederum der Recheneinheit 28 zur Bestimmung der Schalllaufzeit und der Strömungsgeschwindigkeit zugeführt wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 95/28618 A1 [0002, 0004]
