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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung von Fremdkörpern in einem Medium in einem Messrohr eines Vortex-Durchflussmessgeräts zur Messung der Durchflussgeschwindigkeit oder des Volumendurchflusses des Mediums im Messrohr, ein Vortex-Durchflussmessgerät zur Umsetzung des Verfahrens, eine Anordnung mit einem Vortex-Durchflussmessgerät und eine Abfüllanlage mit einer Anordnung.
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Der Stand der Technik, beispielsweise gezeigt in den Anmeldeschriften
DD250180A1 und
DE3940065A1 , umfasst Vortex-Durchflussmessgeräte, welche mittels Ultraschallsensoren eine in einem ein Messrohr durchströmenden Medium erzeugte Karman’schen Wirbelstraße erfassen und zur Bestimmung der Durchflussgeschwindigkeit oder des Volumendurchflusses des Mediums im Messrohr auswerten. Solche Durchflussmessgeräte werden unter anderem in der Lebensmittel- bzw. Getränkeindustrie eingesetzt, um Flüssigkeiten in Behältnisse wie beispielsweise Flaschen abzufüllen.
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Im technischen Bereich von Lebensmittelabfüllanlagen ist es notwendig zu erkennen, ob das Medium frei von Fremdkörpern ist. Die
DE102010040600A1 beschreibt ein Coriolis-Durchflussmessgerät mit einer Erkennung von Fremdkörpern in Form von Gasblasen in einem Medium, welches ein Coriolis-Messrohr durchströmt, wobei eine Veränderung des Schwingverhaltens des Coriolis-Messrohrs zur Erkennung der Gasblasen ausgenutzt wird. Eine entsprechende Erkennung von allgemeinen Fremdkörpern bei einem Vortex-Durchflussmessgerät ist der Anmelderin nicht bekannt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Erkennung von Fremdkörpern in einem Medium in einem Messrohr eines Vortex-Durchflussmessgeräts zur Messung der Durchflussgeschwindigkeit oder des Volumendurchflusses des Mediums im Messrohr, ein Vortex-Durchflussmessgerät zur Umsetzung des Verfahrens, eine Anordnung mit einem Vortex-Durchflussmessgerät und eine Abfüllanlage mit einer Anordnung vorzuschlagen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß dem unabhängigen Anspruch 1, durch Vortex-Durchflussmessgeräte gemäß der unabhängigen Ansprüche 13 und 15, durch eine Anordnung gemäß dem unabhängigen Anspruch 20 und durch eine Abfüllanlage gemäß dem unabhängigen Anspruch 21.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erkennung von Fremdkörpern in einem Medium in einem Messrohr eines Vortex-Durchflussmessgeräts zur Messung der Durchflussgeschwindigkeit oder des Volumendurchflusses des Mediums im Messrohr weist dabei folgende Schritte auf:
Erzeugen einer Karman‘schen Wirbelstraße im Medium durch einen Staukörper;
Einstrahlen eines Ultraschallsignals in das Messrohr auf der stromabwärts gerichteten Seite des Staukörpers, welches Ultraschallsignal im Wesentlichen senkrecht zu einer Messrohrachse verläuft;
Messen einer Eigenschaft des Ultraschallsignals;
Bestimmen einer durch die Wirbelstraße verursachten Modulation der Eigenschaft, welche Modulation zur Bestimmung der Durchflussgeschwindigkeit oder des Volumendurchflusses des Mediums im Messrohr verwendet wird,
wobei eine Abweichung der Eigenschaft von der Modulation als durch mindestens einen Fremdkörper im Medium verursacht interpretiert wird.
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In einer Ausgestaltung des Verfahrens ist die mindestens Eigenschaft aus folgender Liste:
Signallaufzeit;
Signalamplitude;
Spektrale Verteilung.
In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird eine Abweichung der Eigenschaft von der Modulation erkannt,
wenn die Abweichung der Signallaufzeit eine Veränderung der Signallaufzeit von mindestens 2% und insbesondere mindestens 1% und bevorzugt mindestens 0.5% ist,
und/oder wenn die Abweichung der Signalamplitude eine Veränderung der Signalamplitude von mindestens 2% und insbesondere mindestens 1% und bevorzugt mindestens 0.5% ist,
und/oder wenn die Abweichung der spektralen Verteilung eine Verschiebung einer zentralen Frequenz von mindestens 2% und insbesondere mindestens 1% und bevorzugt mindestens 0.5% aufweist,
und/oder die Abweichung eine Verringerung einer Bandbreite der spektralen Verteilung von mindestens 2% und insbesondere mindestens 1% und bevorzugt mindestens 0.5% aufweist.
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Bei geeigneten Messeinrichtungen kann auch eine Abweichung der Eigenschaft von der Modulation erkannt werden, wenn sie mindestens 0.2% ist.
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Fremdkörper im Medium beeinflussen ein eingestrahltes Ultraschallsignal auf mehrfache Art und Weise. Eine Abschattung eines empfangenden Ultraschallsensors durch einen Fremdkörper kann zu einer Verringerung einer Amplitude des Ultraschallsignals führen. Durch Beugungseffekte kann aber auch kurzfristig eine Vergrößerung der Amplitude geschehen. Je nach Position des empfangenden Ultraschallsensors relativ zu einem einstrahlenden Ultraschallsensor kann eine Signallaufzeit eines Ultraschallsignals unter Fremdkörpereinwirkung kürzer oder länger werden. Darüber hinaus kann ein Fremdkörper im Medium auch eine Veränderung der spektralen Verteilung eines eingestrahlten Ultraschallsignals hervorrufen, was sich beispielsweise in einer Verschiebung einer zentralen Frequenz der Verteilung oder in einer Verringerung der Bandbreite des Ultraschallsignals niederschlägt.
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In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird eine Abweichung der Eigenschaft von der Modulation als durch mindestens einen Fremdkörper im Medium verursacht interpretiert,
wenn ein Produkt Zeitraum der Abweichung der Eigenschaft mal Mediengeschwindigkeit einer charakteristischen Länge entspricht,
wobei die charakteristische Länge größer ist als eine Ausdehnung einer ultraschalleintragenden Fläche parallel zur Messrohrachse, welche Fläche das Ultraschallsignal in das Medium einträgt,
und wobei die charakteristische Länge kleiner ist als die Ausdehnung der Fläche + das Doppelte einer erwarteten maximalen Fremdkörpergröße.
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Ein Fremdkörper, welcher durch einen Signalpfad eines Ultraschallsignals hindurchtritt und für eine Beeinflussung des Ultraschallsignals sorgt, wird das Signal beeinflussen, so lange sich zumindest ein Teil des Fremdkörpers im Signalpfad befindet. Es existiert also eine charakteristische Länge, welche sich aus einer Ausdehnung einer ultraschalleintragenden Fläche entlang der Messrohrachse und dem Doppelten der Fremdkörpergröße zusammensetzt. Der Wertebereich der charakteristischen Länge ist nach unten begrenzt durch die Ausdehnung der ultraschalleintragenden Fläche bei sehr kleinem Fremdkörper und nach oben begrenzt durch die Ausdehnung der ultraschalleintragenden Fläche plus dem Doppelten der maximal erwarteten Fremdkörpergröße. Im Bereich von Abfüllanlagen in der Lebensmittelindustrie sind typische Fremdkörper durch Ablagerungen des abzufüllenden Mediums bedingt und erreichen eine maximale Größe von ungefähr 10 bis 15 Millimetern.
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Die ultraschalleintragende Fläche ist bei einem Clamp-On-Ultraschallsystem der Bereich einer Messrohrinnenwand, bei dem ein durch einen Ultraschallwandler in das Messrohr eingebrachtes Ultraschallsignal in das Medium in der Rohrleitung übertritt. Bei einem Ultraschallsystem mit mindestens einem in das Messrohr integrierten Ultraschallwandler ist die ultraschalleintragende Fläche eine Fläche des Ultraschallwandlers, über welche Fläche Ultraschallsignale in das Medium übertragen werden.
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In einer Ausgestaltung des Verfahrens strahlt ein erster Ultraschallwandler das Ultraschallsignal in das Messrohr ein,
wobei das eingestrahlte Ultraschallsignal an einer Messrohrwand reflektiert wird, und wobei der erste Ultraschallwandler das reflektierte Ultraschallsignal erfasst,
wobei das Ultraschallsignal einen kontinuierlichen Signalanteil und/oder einen gepulsten Signalanteil aufweist,
wobei mittels des kontinuierlichen Ultraschallsignalanteils eine erste Signallaufzeit und/oder eine erste Signalamplitude auf Basis der Überlagerung des eingestrahlten Ultraschallsignals und des reflektierten Ultraschallsignals bestimmt wird,
und/oder wobei mittels des gepulsten Ultraschallsignalanteils eine zweite Signallaufzeit und/oder eine zweite Signalamplitude auf Basis des reflektierten Ultraschallsignals bestimmt wird.
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Ein Fremdkörper führt zu einer zumindest teilweisen Reflektion des eingestrahlten Ultraschallsignals, so dass das reflektierte Ultraschallsignal einen Anteil, welcher an der Messrohrwand reflektiert wird und einen Anteil, welcher an dem Fremdkörper reflektiert wird, aufweist.
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Bei einem kontinuierlichen Ultraschallsignal lässt sich aus einer Amplitude und einer Phase der Überlagerung des eingestrahlten Ultraschallsignals und des reflektierten Ultraschallsignals auf die Position des Fremdkörpers im Messrohr und/oder die Größe des Fremdkörpers rückschließen.
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Bei einem gepulsten Ultraschallsignal lässt sich mittels der durch den Fremdkörper verursachten Mehrfachreflektionen anhand von Laufzeiten sowie Amplituden und Phasen der Mehrfachreflektionen auf die Position des Fremdkörpers im Messrohr und/oder die Größe des Fremdkörpers rückschließen.
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In einer Ausgestaltung des Verfahrens strahlt ein erster Ultraschallwandler das Ultraschallsignal in das Messrohr ein,
wobei ein zweiter Ultraschallwandler das Ultraschallsignal auf einer dem ersten Ultraschallwandler abgewandten Messrohrseite erfasst,
wobei das Ultraschallsignal einen kontinuierlichen Signalanteil und einen gepulsten Signalanteil aufweist,
wobei mittels des kontinuierlichen Ultraschallsignalanteils eine dritte Signalamplitude und/oder eine dritte Signallaufzeit auf Basis des eingestrahlten Ultraschallsignals bestimmt wird,
und/oder wobei mittels des gepulsten Ultraschallsignalanteils eine vierte Signallaufzeit und/oder eine vierte Signalamplitude auf Basis des eingestrahlten Ultraschallsignals bestimmt wird.
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Bei einem kontinuierlichen Ultraschallsignal lässt sich aus der Signallaufzeit und/oder der Signalamplitude des eingestrahlten Ultraschallsignals auf die Position des Fremdkörpers im Messrohr und/oder die Größe des Fremdkörpers rückschließen.
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Bei einem gepulsten Ultraschallsignal lässt sich mittels der durch den Fremdkörper verursachten Mehrfachreflektionen anhand von Laufzeiten sowie Amplituden und Phasen der Mehrfachreflektionen auf die Position des Fremdkörpers im Messrohr und/oder die Größe des Fremdkörpers rückschließen.
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In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird die Modulation durch Berücksichtigung mindestens einer der ersten bis vierten Signalamplitude und/oder mindestens einer der ersten bis vierten Signallaufzeit bestimmt.
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In einer Ausgestaltung des Verfahrens ist das Berücksichtigen ein Mitteln oder gewichtetes Mitteln von mindestens einer der ersten bis vierten Signalamplitude und/oder mindestens einer der ersten bis vierten Signallaufzeit.
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In einer Ausgestaltung des Verfahrens ist der Anteil des gepulsten Ultraschallsignals am eingestrahlten Ultraschallsignal größer als 50% und insbesondere größer als 75% und bevorzugt größer als 90%. Das Ultraschallsignal kann auch ausschließlich ein gepulstes Ultraschallsignal sein.
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In einer Ausgestaltung des Verfahrens ist der Anteil des kontinuierlichen Ultraschallsignals am eingestrahlten Ultraschallsignal größer als 50% und insbesondere größer als 75% und bevorzugt größer als 90%. Das Ultraschallsignal kann auch ausschließlich ein kontinuierliches Ultraschallsignal sein.
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In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird eine Veränderung der spektralen Zusammensetzung des gepulsten Ultraschallsignals zur Bestimmung der Größe des Fremdkörpers herangezogen. Eine Abschattung oder Reflektion des gepulsten Ultraschallsignals betrifft einen Signalbestandteil mit kurzer Wellenlänge stärker als einen Signalbestandteil mit langer Wellenlänge. Fremdkörper stören einen Signalbestandteil im Wesentlichen dann, wenn die Wellenlängen des Signalbestandteils in der Größenordnung des Fremdkörpers oder kleiner sind.
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In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird mindestens ein durch Fremdkörpereinwirkung gestörter Messwert der Durchflussgeschwindigkeit oder des Volumendurchflusses auf Basis mindestens eines vor der Fremdkörpereinwirkung erhaltenen Messwerts und/oder mindestens eines nach der Fremdkörpereinwirkung erhaltenen Messwerts berechnet.
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Ein erfindungsgemäßes Vortex-Durchflussmessgerät zur Messung der Durchflussgeschwindigkeit oder des Volumendurchflusses eines Mediums in einem Messrohr umfasst:
Ein Messrohr mit einer Messrohrachse;
einen Staukörper, welcher dazu eingerichtet ist, eine Strömung des Mediums im Messrohr zu stören und insbesondere eine Wirbelbildung zu verursachen;
mindestens einen ersten Ultraschallwandler, welcher am Messrohr auf der stromabwärts gerichteten Seite des Staukörpers angeordnet ist, wobei der erste Ultraschallwandler dazu eingerichtet ist, ein im Wesentlichen senkrecht zur Messrohrachse laufendes Ultraschallsignal in das Messrohr einzustrahlen und zu erfassen;
eine elektronische Mess-/Betriebsschaltung, welche dazu eingerichtet ist den ersten Ultraschallwandler zu betreiben und das erfasste Ultraschallsignal auszuwerten.
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In einer Ausgestaltung umfasst das Vortex-Durchflussmessgerät mindestens zwei erste Ultraschallwandler, welche über einen Umfang des Messrohrs verteilt sind. Dadurch wird ein Querschnitt des Messrohrs besser durch Ultraschallsignale abgedeckt, so dass ein Fremdkörper mit höherer Sicherheit erkannt wird.
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Ein erfindungsgemäßes Vortex-Durchflussmessgerät zur Messung der Durchflussgeschwindigkeit oder des Volumendurchflusses eines Mediums in einem Messrohr und zur Erkennung von Fremdkörpern im Medium, insbesondere mittels eines umfasst:
Ein Messrohr mit einer Messrohrachse;
einen Staukörper, welcher dazu eingerichtet ist, eine Strömung des Mediums im Messrohr zu stören und insbesondere eine Wirbelbildung zu verursachen;
mindestens einen ersten Ultraschallwandler, welcher am Messrohr auf der stromabwärts gerichteten Seite des Staukörpers angeordnet ist, wobei der erste Ultraschallwandler dazu eingerichtet ist, ein im Wesentlichen senkrecht zur Messrohrachse laufendes Ultraschallsignal in das Messrohr einzustrahlen;
und mindestens einen zweiten Ultraschallwandler, welcher dazu eingerichtet ist, das UItraschallsignal zu erfassen;
und eine elektronische Mess-/Betriebsschaltung, welche dazu eingerichtet ist den ersten Ultraschallwandler und den zweiten Ultraschallwandler zu betreiben und das erfasste Ultraschallsignal auszuwerten.
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In einer Ausgestaltung umfasst das Vortex-Durchflussmessgerät mindestens zwei Paar Ultraschallwandler mit jeweils einem ersten Ultraschallwandler und einem zweiten Ultraschallwandler, wobei jedes Paar Ultraschallwandler einen Signalweg definiert, wobei Signalwege verschiedener Ultraschallwandlerpaare sich in einer Projektion auf eine Ebene senkrecht zur Messrohrachse nicht vollständig überdecken. Dadurch wird ein Querschnitt des Messrohrs besser durch Ultraschallsignale abgedeckt, so dass ein Fremdkörper mit höherer Sicherheit erkannt wird.
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In einer Ausgestaltung des Vortex-Durchflussmessgeräts ist der erste Ultraschallwandler dazu eingerichtet ist, ein an der gegenüberliegenden Messrohrwand reflektiertes Ultraschalsignal zu erfassen.
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In einer Ausgestaltung des Vortex-Durchflussmessgeräts hat das Messrohr im Bereich des Ultraschallwandlers einen abgeplatteten oder rechteckigen Querschnitt. Ein abgeplatteter oder rechteckiger Querschnitt hat eine größere Amplitude des an einer Messrohrwand reflektierten Ultraschallsignals bei dem das reflektierte Ultraschallsignal erfassenden Ultraschallwandler zur Folge.
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In einer Ausgestaltung des Vortex-Durchflussmessgeräts ist das vom ersten Ultraschallwandler in das Messrohr eingestrahlte Ultraschallsignal divergent bezüglich einer Ebene zur Messrohrachse, wobei ein Winkel der Divergenz größer als 15° und bevorzugt größer als 30° und insbesondere größer als 45° ist. Dadurch wird der Querschnitt des Messrohrs besser durch das eingestrahlte Ultraschallsignal abgedeckt.
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Eine erfindungsgemäße Anordnung zur Messung der Durchflussgeschwindigkeit oder des Volumendurchflusses eines Mediums in einem Messrohr mittels eines erfindungsgemäßen Vortex-Durchflussmessgeräts umfasst:
ein erfindungsgemäßes Vortex-Durchflussmessgerät mit einem Messrohr;
eine Zuleitung, welche auf der stromaufwärts gerichteten Seite des Durchflussmessgeräts angeordnet und mit dem Messrohr verbunden ist;
eine Ableitung, welche auf der stromabwärts gerichteten Seite des Durchflussmessgeräts angeordnet und mit dem Messrohr verbunden ist;
ein Behältnis, wobei das Medium über die Ableitung zum Behältnis geführt wird;
wobei die Ableitung ein Ventil aufweist, welches dazu eingerichtet ist, die Durchflussgeschwindigkeit oder den Volumendurchfluss des Mediums durch das Messrohr zu steuern.
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Eine erfindungsgemäße Abfüllanlage umfasst eine erfindungsgemäße Anordnung,
wobei das Vortex-Durchflussmessgerät dazu eingerichtet ist, eine Alarmmeldung auszugeben, falls ein Fremdkörper in einem abzufüllenden Medium detektiert wird;
und wobei die Alarmmeldung die Abfüllanlage zum Aussortieren eines Behältnisses oder mehrerer Behältnisse veranlasst.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert.
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1 zeigt einen schematischen erfindungsgemäßen Verfahrensablauf.
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2 zeigt ein schematisches erfindungsgemäßes Vortex-Durchflussmessgerät.
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3 skizziert mögliche Beeinflussungen der Signalamplitude bzw. der Signallaufzeit eines eingestrahlten Ultraschallsignals durch einen Fremdkörper im Medium.
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4 zeigt eine schematische Modulation der Signallaufzeit bzw. der Signalamplitude mit einer durch einen Fremdkörper verursachten Abweichung.
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5 zeigt eine schematische erfindungsgemäße Anordnung einer Abfüllanlage.
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6a) und b) zeigen schematische erfindungsgemäße Anordnungen von Ultraschallwandlern 11, 12 an einem runden Messrohr 10.
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7 zeigt eine schematische erfindungsgemäße Anordnung von Ultraschallwandlern 11, 12 an einem rechteckigen Messrohr 10.
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1 skizziert einen schematischen Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens 100 zur Detektion von Fremdkörpern in einem Vortex-Durchflussmessgerät.
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In einem ersten Verfahrensschritt 101 wird in einem durch ein Messrohr 10 strömenden Medium eine Karman‘schen Wirbelstraße durch einen Staukörper 13 erzeugt.
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In einem zweiten Verfahrensschritt 102 wird ein Ultraschallsignal in das Messrohr 10 auf einer stromabwärts gerichteten Seite des Staukörpers 13 eingestrahlt, welches Ultraschallsignal im Wesentlichen senkrecht zu einer Messrohrachse verläuft.
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In einem dritten Verfahrensschritt 103 wird eine Signaleigenschaft des Ultraschallsignals gemessen.
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In einem vierten Verfahrensschritt 104 wird eine durch die Wirbelstraße verursachten Modulation V der Eigenschaft bestimmt, welche Modulation zur Bestimmung der Durchflussgeschwindigkeit oder des Volumendurchflusses des Mediums im Messrohr verwendet wird.
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In einem fünften Verfahrensschritt 105 wird eine Abweichung Eigenschaft von der Modulation V als durch mindestens einen Fremdkörper 14 im Medium verursacht interpretiert.
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2 zeigt ein schematisches Vortex-Durchflussmessgerät 1 mit einem Messrohr 10, welches von einem Medium durchströmt ist, wobei Messrohr aufgeschnitten dargestellt ist; mit einem ersten Ultraschallwandler 11, welcher dazu eingerichtet ist, ein Ultraschallsignal in das Messrohr 10 einzustrahlen; mit einem zweiten Ultraschallwandler 12, welcher dazu eingerichtet ist, das Ultraschallsignal zu empfangen; und mit einem Staukörper 13, welcher auf der stromaufwärts gerichteten Seite der Ultraschallwandler angeordnet ist und eine Karman‘schen Wirbelstraße im Medium erzeugt. Die Karman‘sche Wirbelstraße zeichnet sich durch regelmäßige Wirbel im Medium aus, deren zeitlicher Abstand zueinander in guter Näherung proportional zum Durchfluss ist. Diese Wirbel definieren Raumbereiche mit wirbelförmigen Geschwindigkeits- und Druckfeldern, durch welche Druckfelder eine akustische Impedanz des Mediums beeinflusst wird. Da Ultraschallsignale in ihrer Ausbreitung durch ein Medium von lokalen Geschwindigkeitsverteilungen und lokalen, von der akustischen Impedanz des Mediums abhängigen Schallgeschwindigkeiten abhängig sind, verursachen die Wirbel regelmäßige Veränderungen der Signalamplitude beziehungsweise der Signallaufzeit des Ultraschallsignals. Der erste und Ultraschallwandler 11 und der zweite Ultraschallwandler 12 können in das Messrohr 10 eingelassen oder als Clamp-On-Ultraschallwandler ausgebildet sein.
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3 weist auf verschiedene Beeinflussungsmöglichkeiten eines eingestrahlten Ultraschallsignals durch einen im Medium befindlichen Fremdkörper 14 hin. Der Fremdkörper 14 führt zu einer zumindest teilweisen Abschattung des zweiten Ultraschallwandlers 12 in Bezug auf den ersten Ultraschallwandler, so dass eine vom zweiten Ultraschallwandler 12 ermittelte Signalamplitude eines vom ersten Ultraschallwandler 11 zum zweiten Ultraschallwandler 12 laufenden Ultraschallsignals verändert wird. In den meisten Fällen führt eine Abschattung zu einer Absenkung der Signalamplitude, durch Beugungseffekte kann aber auch eine Erhöhung der Signalamplitude geschehen. Eine zumindest teilweise Abschattung kann zu einer leicht erhöhten Weglänge des eingestrahlten Ultraschallsignals bis zum zweiten Ultraschallwandler 12 führen, so dass durch einen Fremdkörper eine Erhöhung der Signallaufzeit des vom ersten Ultraschallwandler 11 zum zweiten Ultraschallwandler 12 laufenden Ultraschallsignals verursacht wird. Ein eingestrahltes Ultraschallsignal kann einen kontinuierlichen und/oder einen gepulsten Signalanteil aufweisen. Der Fremdkörper 14 führt zu einer zumindest teilweisen Reflektion des eingestrahlten Ultraschallsignals. Somit hat ein reflektiertes, beim ersten Ultraschallwandler eintreffendes Ultraschallsignal bei einem kontinuierlichen bzw. bei einem gepulsten Signalanteil jeweils zwei Signalbeiträge. Ein erster Signalbeitrag wird an einer gegenüberliegenden Messrohrwand reflektiert, und ein zweiter Signalbeitrag wird am Fremdkörper reflektiert. Daher weist bei Fremdkörpereinfluss ein zum ersten Ultraschallwandler reflektierter kontinuierlicher bzw. gepulster Signalanteil jeweils zwei Signalamplituden und zwei Signallaufzeiten auf. Das Verhältnis der Amplitude des ersten Signalbeitrags zur Amplitude des zweiten Signalbeitrags kann zu einer Abschätzung der Ausdehnung des Fremdkörpers genutzt werden, wenn durch eine Bestimmung des Verhältnisses der Laufzeit des ersten Signalbeitrags zur Laufzeit des zweiten Signalbeitrags eine Position des Fremdkörpers in Bezug auf die Ultraschallwandler bestimmt wird. Die Ausdehnung des Fremdkörpers kann auch durch eine Erfassung und Auswertung der spektralen Zusammensetzung des zweiten Signalbeitrags bestimmt werden. Der kontinuierliche Signalanteil kann in seiner Wellenlänge so gewählt werden, dass ohne Fremdkörpereinfluss eine stehende Ultraschallwelle zwischen dem ersten Ultraschallwandler 11 und der dem ersten Ultraschallwandler 11 gegenüberliegenden Messrohrseite ausgebildet ist. Bei Fremdkörpereinfluss entsteht eine akustische Schwebung, deren Schwebungsfrequenz abhängig vom Abstand des Fremdkörpers 14 zum ersten Ultraschallwandler 11 ist, wobei die Schwebungsamplitude abhängig von der Größe des Fremdkörpers und vom Abstand des Fremdkörpers 14 zum ersten Ultraschallwandler 11 ist.
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Um einen Fremdkörpereinfluss von Änderungen eines Strömungszustands des Mediums in der Rohrleitung oder anderen Phänomenen abgrenzen zu können, ist es notwendig, eine Einflussdauer des Fremdkörpers in Bezug auf die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums im Messrohr zu betrachten. Eine schallabstrahlende Fläche eines Ultraschallwandlers entlang der Messrohrachse hat Ausdehnung AU. Ein Fremdkörper 14 weist eine maximale Ausdehnung von AF auf. Im Falle einer durch einen Fremdkörper verursachten Das Produkt Zeitdauer der Abweichung mal Geschwindigkeit ist die Summe der Ausdehnungen AU + AF. Weicht bei einer Abweichung der Eigenschaft des Ultraschallsignals von der Modulation das Produkt wesentlich von einer erwarteten Summe AU + AF ab, dann ist die Abweichung der Eigenschaft von der Modulation nicht auf einen Fremdkörper zurückzuführen. Je nach Einsatzbedingungen lässt sich zumindest eine maximale Größe eines zu detektierenden Fremdkörpers abschätzen. Bei Verwendung des Vortex-Durchflussmessgeräts in einer Abfüllanlage für Lebensmittel können Fremdkörper beispielsweise durch das Medium hervorgerufene Ablagerungen in einem Leitungssystem der Abfüllanlage sein. Typischerweise sind diese Ablagerungen, wenn sie nach Ablösen dem Medium folgen kleiner als 10 mm. Somit liegt ein typischer Bereich der erwarteten Summe AU + AF und somit einer charakteristischen Länge zwischen AU und AU + 10 mm.
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Um sicherzustellen, dass eine Abweichung nicht auf Signalschwankungen zurückzuführen ist, muss eine Abweichung der Eigenschaft des Ultraschallsignals von der Modulation eine Veränderung der Signallaufzeit beziehungsweise der Signalamplitude von mindestens 1% und insbesondere mindestens 2% und bevorzugt mindestens 5% sein.
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4 zeigt auf eine stark vereinfachte Weise einen zeitlichen Verlauf einer Eigenschaft des Ultraschallsignals, beispielsweise eine Signalamplitude oder eine Signallaufzeit mit einer periodischen Modulation hervorgerufen durch die Karman‘schen Wirbelstraße im Medium. In einem gewissen Zeitintervall nimmt die Variable einen deutlich geringeren Wert an, was eine Abweichung A der Eigenschaft von der Modulation darstellt. Die Abweichung A kann beispielsweise auch zu einer Erhöhung des die Eigenschaft repräsentierenden Werts führen. In der Realität ist der Verlauf einer gemessenen Eigenschaft des Ultraschallsignals von Rauschen überlagert, so dass der Verlauf der gemessenen Eigenschaft weniger glatt ist
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5 zeigt eine Anordnung 200 einer Abfüllanlage mit einer Zuleitung 210, welche auf einer stromaufwärts gerichteten Seite eines Vortex-Durchflussmessgeräts 1 angeordnet ist; und eine Ableitung 230 mit einem Ventil 231, welche auf einer stromabwärts gerichteten Seite des Vortex-Durchflussmessgeräts 1 angeordnet ist, und ein Behältnis 240, in welches das durch das Vortex-Durchflussmessgerät strömende Medium abgefüllt wird. Bei Erkennung eines Fremdkörpers im Medium kann die Abfüllanlage dazu veranlasst werden, eine Alarmmeldung auszugeben und/oder das mit dem Fremdkörper beaufschlagte Behältnis auszusortieren.
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6a) und b) zeigen zwei schematische erfindungsgemäße Anordnungen von Ultraschallwandlern an einem runden Messrohr 10 in einem Senkrecht zu einer Messrohrachse stehenden Querschnitt mit ersten Ultraschallwandlern 11 und zweiten Ultraschallwandlern 12, wobei die zweiten Ultraschallwandler optional sind. Die ersten Ultraschallwandler 11 sind dazu eingerichtet, Ultraschallsignale in das Messrohr 10 mit dem Medium einzustrahlen und das an einer gegenüberliegenden Messrohrseite oder an einem Fremdkörper reflektierte Ultraschallsignal zu erfassen. Falls an der jeweils gegenüberliegenden Messrohrseite zweite Ultraschallwandler 12 angeordnet sind, um die eingestrahlten Ultraschallsignale zu erfassen, können die ersten Ultraschallwandler 11 beispielsweise nur dazu eingerichtet sein, Ultraschallsignale in das Messrohr 10 einzustrahlen.
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6a) zeigt erste Ultraschallwandler 11, welche dazu eingerichtet sind, Ultraschallsignale in das Messrohr einzustrahlen, welche eine Messrohrachse schneiden. gegenüberliegenden
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6b) zeigt erste Ultraschallwandler 11, welche dazu eingerichtet sind, Ultraschallsignale auszusenden, die im Wesentlichen senkrecht zu einer Messrohrachse stehen, wobei die Ultraschallsignalwege über den Querschnitt verteilt sind. Falls die ersten Ultraschallwandler dazu eingerichtet sind, an der jeweils gegenüberliegenden Messrohrwand reflektierte Signale zu erfassen, kann es notwendig sein, an den entsprechenden Stellen im Messrohr Reflektionsflächen einzurichten, welche die eingestrahlten Ultraschallsignale zu den jeweils einstrahlenden Ultraschallwandlern reflektieren.
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7 zeigt eine schematische erfindungsgemäße Anordnungen von Ultraschallwandlern an einem rechteckigen Messrohr 10 in einem Senkrecht zu einer Messrohrachse stehenden Querschnitt mit ersten Ultraschallwandlern 11 und zweiten Ultraschallwandlern 12, wobei die zweiten Ultraschallwandler optional sind. Die ersten Ultraschallwandler 11 strahlen Ultraschallsignale in das Messrohr 10 mit dem Medium ein und erfassen das an einer gegenüberliegenden Messrohrseite oder an einem Fremdkörper reflektierte Ultraschallsignal. Falls an der jeweils gegenüberliegenden Messrohrseite zweite Ultraschallwandler 12 angeordnet sind, um die eingestrahlten Ultraschallsignale zu erfassen, können die ersten Ultraschallwandler 11 beispielsweise nur dazu eingerichtet sein, Ultraschallsignale in das Messrohr 10 einzustrahlen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vortex-Durchflussmessgerät
- 10
- Messrohr
- 11
- erster Ultraschallwandler
- 12
- zweiter Ultraschallwandler
- 13
- Staukörper
- 14
- Fremdkörper
- 15
- Ultraschallsignal
- V
- Modulation der Signaleigenschaft
- A
- Abweichung der Signaleigenschaft
- 100
- Verfahren zur Erkennung von Fremdkörpern
- 101
- Erzeugen einer Karman‘schen Wirbelstraße im Medium durch einen Staukörper
- 102
- Einstrahlen eines Ultraschallsignals in das Messrohr auf einer stromabwärts gerichteten Seite des Staukörpers, welches Ultraschallsignal im Wesentlichen senkrecht zu einer Messrohrachse verläuft
- 103
- Messen einer Eigenschaft des Ultraschallsignals
- 104
- Bestimmen einer durch die Wirbelstraße verursachten Modulation der Eigenschaft V, welche Modulation zur Bestimmung der Durchflussgeschwindigkeit oder des Volumendurchflusses des Mediums im Messrohr verwendet wird
- 105
- Interpretieren einer Abweichung der Eigenschaft von der Modulation als
- durch
- mindestens einen Fremdkörper im Medium verursacht
- 200
- Anordnung einer Abfüllanlage
- 210
- Zuleitung
- 230
- Ableitung
- 231
- Ventil
- 240
- Behältnis
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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- DD 250180 A1 [0002]
- DE 3940065 A1 [0002]
- DE 102010040600 A1 [0003]
