-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Drucks eines Fluids gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Einrichtung zur Druckbestimmung eines Fluids gemäß Anspruch 11.
-
Technologischer Hintergrund
-
Die Druckbestimmung eines Fluids kann beispielweise in Fluidzählern, wie z. B. Wasserzählern zur Ermittlung des Trinkwasserverbrauchs in Gebäuden und Haushalten durchgeführt werden. Derartige Fluidzähler besitzen üblicherweise ein Anschlussgehäuse, mittels dem der Fluidzähler in ein Fluidleitungsnetz installiert werden kann. Zur Durchfluss- bzw. Durchflussmengenbestimmung des Fluids besitzen gattungsgemäße Fluidzähler in der Regel eine Messanordnung, wie z. B. eine Ultraschallmessanordnung mit Ultraschallwandlern, insbesondere piezoelektrischen Ultraschallwandlern. Die Ultraschallwandler senden hierbei Signale in Form von akustischen Wellen bzw. Ultraschallwellen, sogenannten Ultraschallbursts, entlang einer innerhalb des Anschlussgehäuses angeordneten Messstrecke bzw. Ultraschallmessstrecke. Die Messstrecke kann hierbei unterschiedlichste Formen aufweisen. Sie kann z. B. geradlinig, U-förmig oder gekrümmt sein oder aufgrund von Mehrfachumlenkungen eine zackenlinienförmige Form besitzen.
-
Die Durchflussbestimmung des Fluids mittels einer Ultraschallmessanordnung erfolgt z. B. anhand einer Laufzeitdifferenzmessung der Ultraschallsignale. Die Laufzeitdifferenz wird dadurch bestimmt, dass zunächst ein Ultraschallsignal von einem ersten Ultraschallwandler zu einem zweiten Ultraschallwandler entlang der Messstrecke in Durchströmungsrichtung gesendet wird. Anschließend wird ein Ultraschallsignal vom zweiten Ultraschallwandler entlang der Messstrecke entgegengesetzt der Durchströmungsrichtung hin zum ersten Ultraschallwandler gesendet. Die Laufzeit des Ultraschallsignals von einem Ultraschallwandler zum anderen Ultraschallwandler entlang der Messstrecke in Durchströmungsrichtung des Fluids ist kleiner als entgegengesetzt der Durchströmungsrichtung des Fluids. Diese zeitliche Differenz der Laufzeiten der Ultraschallsignale wird als Laufzeitunterschied oder Laufzeitdifferenz der Ultraschallsignale bezeichnet. Anhand dieses Laufzeitunterschieds und der bekannten Dimension des Ultraschallfluidzählers kann der Durchfluss bzw. das Volumen des Fluids durch eine Rechen-, Steuer und/oder Auswerteeinheit bestimmt werden.
-
An die Durchflussbestimmung werden zunehmend größere Anforderungen gestellt, um z. B. den Messbereich des Fluidzählers zu erweitern oder die Messgenauigkeit zu verbessern. Hierbei spielt vor allem auch die Abhängigkeit der Messgenauigkeit und Messdynamik zu verschiedenen physikalischen Parametern, wie z. B. Fluiddruck und Fluidtemperatur, und Störeinflüssen, wie z. B. Verschmutzungsgrad und Bauteiltoleranzen, eine entscheidende Rolle. Für die Erfassung des hydrostatischen bzw. hydrodynamischen Drucks werden in der Regel eigenständige Sensoren eingesetzt, die zusätzliche Kosten verursachen und den Schaltungsaufwand der nachgeschalteten Elektronik erheblich vergrößern. Gattungsgemäße Fluidzähler weisen aufgrund dieser Nachteile oftmals keine zusätzliche Druckerfassung auf. Dementsprechend groß ist der Bedarf an einer alternativen Lösung zur Druckerfassung.
-
Nächstliegender Stand der Technik
-
Die
DE 10 2012 022 376 A1 beschreibt eine Messeinrichtung zur Druck- und Durchflussgeschwindigkeitsbestimmung eines Fluids, die mittels zwei Ultraschall-Sende-/Empfangseinheiten Ultraschallwellen erzeugt und detektiert. Hierbei werden die Laufzeiten der Ultraschallwellen entlang einer Verbindungsstrecke bzw. Messstrecke zwischen den Ultraschall-Sende-/Empfangseinheiten in und entgegen der Durchfluss- bzw. Durchströmungsrichtung des Fluids von einer Recheneinheit gemessen und ausgewertet. Aus den Laufzeiten können anschließend die Durchflussgeschwindigkeit und die Schallgeschwindigkeit bestimmt werden. Die Schallgeschwindigkeit ist abhängig vom Druck und der Temperatur des Fluids. Dementsprechend kann der Druck anhand der Schallgeschwindigkeit und einer zusätzlichen Temperaturmessung berechnet werden. Dadurch wird eine zusätzliche Vorrichtung zur Temperaturmessung benötigt. Zudem muss der aktuelle Temperaturmesswert der Recheneinheit zugänglich gemacht werden, die dementsprechend konfiguriert werden muss, dass sie diesen Temperaturmesswert zur Druckberechnung heranziehen kann.
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung
-
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Bestimmung des Drucks eines Fluids sowie eine entsprechende Einrichtung zur Druckbestimmung zur Verfügung zu stellen, womit der Druck des Fluids in einfacher Weise und kostengünstig bestimmt werden kann.
-
Lösung der Aufgabe
-
Die vorstehende Aufgabe wird durch die gesamte Lehre des Anspruchs 1 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beansprucht.
-
Erfindungsgemäß sind eine erste und eine zweite Frequenz zum Senden der akustischen Welle vorgesehen. Ferner wird ein von dem Druck des Fluids beeinflusster Parameter anhand einer Laufzeitdifferenz zwischen der Laufzeit der akustischen Welle in der ersten Frequenz und der Laufzeit der akustischen Welle in der von der ersten Frequenz unterschiedlichen zweiten Frequenz zu einem bekannten Zeitpunkt im Empfangssignal ermittelt. Dadurch, dass ein von dem Druck des Fluids beeinflusster Parameter bestimmt wird, kann der Druck des Fluids in einfacher Weise anhand dieses Parameters bestimmt werden. Ein zusätzlicher dedizierter Drucksensor kann somit eingespart werden, wodurch sich der Aufbau vereinfacht. Zudem werden Fertigungszeiten sowie Herstellungskosten verringert. Vor allem kann das erfindungsgemäße Verfahren vorzugsweise ohne zusätzlichen Schaltungsaufwand als Software-Lösung durchgeführt bzw. implementiert werden, z. B. in Form eines Softwareupdates der Steuer- und Auswerteeinheiten bestehender Fluidzähler.
-
Vorzugsweise wird die Laufzeitdifferenz zwischen der Laufzeit der akustischen Welle in der ersten Frequenz und der Laufzeit der akustischen Welle in der zweiten Frequenz in gleicher Richtung, d. h. in oder entgegen der Durchströmungsrichtung des Fluids, entlang der Messstrecke ermittelt.
-
Zweckmäßigerweise kann mittels der akustischen Welle zusätzlich auch die Durchflussmenge bzw. die Durchströmungsgeschwindigkeit des Fluids bestimmt werden. Beispielsweise kann die ohnehin vorhandene Sensorik zur Durchflussmengenbestimmung in bestehenden Fluidzählern, insbesondere Ultraschalldurchflussmessern, ohne Modifikation für die Ermittlung des Drucks im Fluid verwendet werden. Dadurch kann das Verfahren zur Druckbestimmung eines Fluids in einfacher Weise bei bestehenden Fluidzählern mit geringem Kostenaufwand angewendet werden. Die Funktionalität der Drucksensorik lässt sich hierbei z. B. als reines Softwareupdate integrieren.
-
In einfacher Weise kann die Bestimmung der Durchflussmenge des Fluids anhand einer Laufzeitdifferenzmessung erfolgen, bei der die Bestimmung der Laufzeiten der akustischen Welle in entgegengesetzten Richtungen entlang der Messstrecke erfolgt, z. B. in und entgegen der Durchströmungsrichtung des Fluids.
-
Praktischerweise kann es sich bei der Messanordnung um eine Ultraschallmessanordnung und bei den akustischen Wellen um Ultraschallwellen (z. B. in Form sogenannter Bursts) handeln. Zudem umfasst eine Ultraschallmessanordnung in der Regel keine bewegten mechanischen Bauteile, wodurch sich der Wartungsaufwand verringert und weniger Druckverluste durch eine Verengung des Querschnitts entstehen.
-
Die Laufzeiten der akustischen Wellen entlang der Messstrecke können dementsprechend für die jeweiligen Frequenzen in entgegengesetzten Richtungen entlang der Messstrecke, z. B. in und entgegen der Durchströmungsrichtung des Fluids ermittelt werden. Daraus resultiert der Vorteil, dass die Laufzeitdifferenz zwischen der Laufzeit einer akustischen Welle in der ersten sowie in der zweiten Frequenz erfolgen kann, d. h. es kann beispielsweise der Phasen-Frequenz-Offset durch Laufzeit-Differenzbildung bzw. Laufzeit-Differenzvergleich ermittelt werden. Sofern zwei Laufzeitdifferenzen ermittelt werden, kann eine der ermittelten Laufzeitdifferenzen zur Korrektur der jeweils anderen Laufzeitdifferenz und damit zur Funktionsüberprüfung herangezogen werden.
-
Vorzugsweise ist als der von dem Druck des Fluids beeinflusste Parameter der Phasen-Frequenz-Offset in einer ersten Richtung entlang der Messstrecke (Vorwärtsrichtung, z. B. in Durchströmungsrichtung des Fluids) und/oder einer zweiten entgegen der ersten Richtung entlang der Messstrecke verlaufenden Richtung (Rückwärtsrichtung, z. B. entgegen der Durchströmungsrichtung des Fluids) vorgesehen. In einfacher Weise kann daher anhand des Phasen-Frequenz-Offsets der Druck des Fluids in der Rohrleitung bzw. im Fluidzähler bestimmt werden. Je nach herrschendem Druck zeigt der Phasen-Frequenz-Offset eine stärkere oder geringere Abweichung im Vergleich zu seinem Wert bei Umgebungsdruck, d. h. die Abweichung des Phasen-Frequenz-Offsets korreliert mit dem Druck des Fluids. Dementsprechend kann der Druck bzw. die Druckänderung z. B. mittels einer empirischen Kennlinie oder einer Look-up-Tabelle, in der z. B. die Werte der Druckänderung bzw. des Drucks des Fluids und des Phasen-Frequenz-Offsets bzw. der Abweichung des Phasen-Frequenz-Offsets hinterlegt sind, und des ermittelten Drucks bzw. der ermittelten Druckänderung bestimmt werden.
-
Zweckmäßigerweise kann als Parameter ein Mittelwert aus dem Phasen-Frequenz-Offset in Vorwärtsrichtung und dem Phasen-Frequenz-Offset in Rückwärtsrichtung herangezogen werden. Dadurch, dass der Mittelwert des Phasen-Frequenz-Offsets herangezogen wird, kann die Standardabweichung aufeinanderfolgender Messungen reduziert werden, wodurch sich die Messgenauigkeit und Messstabilität noch zusätzlich verbessern lässt.
-
Vorzugsweise wird der Phasen-Frequenz-Offset am gleichen Zeitpunkt im Empfangssignal ermittelt. Beispielsweise kann für die Bestimmung des Phasen-Frequenz-Offsets in und entgegen der Durchströmungsrichtung des Fluids jeweils der achte Nulldurchgang bzw. ein Nulldurchgang der achten Welle des Empfangssignals verwendet werden. Dementsprechend ist die Empfangsspannung maximal, wenn z. B. mit acht Wellen angeregt wird. Die Anwendung des Verfahrens ist jedoch nicht auf einen bestimmten Nulldurchgang beschränkt. Ferner spielt es dabei keine Rolle, ob ein Nulldurchgang mit steigender oder fallender Flanke der Welle ausgewertet wird.
-
Vorzugsweise erfolgt die Bestimmung der Laufzeitdifferenz im noch nicht eingeschwungenen Zustand des Empfangssignals bzw. des Ultraschallwandlers.
-
Neben- oder untergeordnet beansprucht die vorliegende Erfindung eine Einrichtung zur Druckbestimmung eines Fluids, insbesondere einen Fluidzähler bzw. einen Ultraschalldurchflussmesser. Hierbei kann es sich auch um einen Fluidzähler als Teil eines Wärmezählers handeln. Die Einrichtung umfasst ein Anschlussgehäuse vorzugsweise ein Einrohranschlussgehäuse, zum Anschluss der Einrichtung z. B. an ein Fluidleitungsnetz und eine Messanordnung, wie z. B. eine Ultraschall-Messanordnung, die vorzugsweise mindestens zwei Schallwandler, insbesondere Ultraschallwandler, zum Senden und/oder Empfangen einer akustischen Welle, insbesondere einer Ultraschallwelle, umfasst. Ferner ist eine zwischen den Schallwandlern angeordnete, im Fluid befindliche Messstrecke vorgesehen. Die akustische Welle läuft dabei entlang der Messstrecke innerhalb des Fluids. Die Messanordnung weist erfindungsgemäß Mittel auf, wie z. B. eine Sende- und Empfangsstufe, mittels derer eine akustische Welle mit einer ersten Frequenz sowie eine akustische Welle mit einer zweiten Frequenz erzeugt wird. Ferner ist eine Steuer- und Auswerteeinheit vorgesehen, mittels derer der von dem Druck des Fluids beeinflusste Parameter anhand einer Laufzeitdifferenz zwischen der Laufzeit der akustischen Welle in der ersten Frequenz und der Laufzeit der akustischen Welle in der zweiten Frequenz ermittelbar ist.
-
Vorzugsweise ist die Steuer-/Auswerteeinheit dazu hergerichtet, die Laufzeiten der akustischen Welle in einer und/oder in entgegengesetzten Richtungen entlang der Messstrecke, z. B. in und/oder entgegen der Durchströmungsrichtung des Fluids, in der jeweiligen Frequenz zu ermitteln.
-
Zweckmäßigerweise kann die Steuer-/Auswerteeinheit die Laufzeitdifferenz aus den Laufzeiten der akustischen Welle in einer und/oder in entgegengesetzten Richtungen entlang der Messstrecke ermitteln, wie z. B. in und/oder entgegen der Durchströmungsrichtung.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Einrichtung ist eine Anzeigevorrichtung zur Druckanzeige vorgesehen. Daraus resultiert der Vorteil, dass z. B. der Wert des aktuellen Drucks des Fluids, z. B. in Bar (bar), Pascal (Pa), Pound per square inch (psi) oder dergleichen, in einfacher Weise an der Einrichtung anzeigbar ist und dieser Wert dadurch schnell und einfach abgelesen werden kann. Der Bedienungskomfort und die Handhabung der Einrichtung während des Einbaus und der Wartung werden dadurch in besonderem Maße vereinfacht.
-
Vorzugsweise wird als Parameter der Phasen-Frequenz-Offset in Vorwärtsrichtung und/oder in Rückwärtsrichtung durch die Steuer-/Auswerteeinheit ermittelt.
-
Darüber hinaus kann die Steuer-/Auswerteeinheit anhand der Laufzeit der akustischen Welle in und entgegen der Durchströmungsrichtung des Fluids, vorzugsweise in ein und derselben Frequenz, eine Laufzeitdifferenz bestimmen, anhand derer die Durchflussmenge bzw. der Durchfluss ableitbar ist.
-
Figurenliste
-
Zweckmäßige Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung werden anhand von Zeichnungsfiguren nachstehend näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine vereinfachte schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Einrichtung zur Druckbestimmung eines Fluids;
- 2 eine vereinfachte schematische Funktionsdarstellung der Einrichtung aus 1;
- 3 eine schematische Darstellung des Zusammenhangs zwischen Phasen-Frequenz-Offset, Druck des Fluids und Zeit bei der Einrichtung aus 1 oder 2;
- 4 eine vereinfachte schematische Darstellung eines Ultraschallbursts, der entlang der Messstrecke zwischen zwei Ultraschallwandlern läuft;
- 5 eine vereinfachte schematische Darstellung einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Druckbestimmung eines Fluids;
- 6 eine vereinfachte schematische Darstellung einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Druckbestimmung eines Fluids, sowie
- 7 eine vereinfachte schematische Darstellung einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Druckbestimmung eines Fluids.
-
Bezugsziffer 1 in 1 bezeichnet eine erfindungsgemäße Einrichtung, bei welcher der Druck eines insbesondere strömenden Fluids, z. B. Wasser, mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem (nicht dargestellten) Fluidleitungsnetz bestimmt wird. Die Einrichtung 1 umfasst ein Einrohranschlussgehäuse bzw. Anschlussgehäuse 2 mit einem Eingang 3 und einem Ausgang 4. Über den Eingang 3 und den Ausgang 4 kann die Einrichtung 1 in das, in 1 nicht dargestellte, Fluidleitungsnetz installiert werden. Die Einrichtung 1 ist als Ultraschalldurchflussmesser bzw. Ultraschalldurchflusszähler ausgestaltet und besitzt zur Druck- und Durchflussmengenbestimmung eine Ultraschallmessanordnung, die zwei Ultraschallwandler 5a, 5b umfasst, zwischen denen sich eine über Reflektoren 6a, 6b umgelenkte, U-förmige Messstrecke 7 im Durchflussbereich des Fluids befindet. Die Durchströmungsrichtung des Fluids ist in 1 mit schwarzen Pfeilen dargestellt. Die Ultraschallwandler 5a, 5b sind mit einer Sende- und Empfangsstufe 8 verbunden, die dazu hergerichtet ist, die Ultraschallwandler 5a, 5b anzusteuern.
-
Zweckmäßigerweise umfasst die Einrichtung 1 eine Steuer- und Auswerteeinheit 9, die dazu dient, die Sende- und Empfangsstufe 8 anzusteuern, die von der Sende- und Empfangsstufe 8 empfangenen Signale auszuwerten und diese Daten zu verarbeiten. Ferner dient die Steuer- und Auswerteeinheit 9 dazu, die Anregungsart bzw. die Schwingung der Ultraschallwandler 5a, 5b zu steuern bzw. einzustellen. Insbesondere kann die Steuer- und Auswerteeinheit 9 die Frequenz der Ultraschallsignale festgelegen bzw. umschalten. Hierzu können beispielweise ein, in den Figuren nicht dargestellter, Mikroprozessor und eine, ebenfalls nicht dargestellte, Datenspeichereinheit vorgesehen sein.
-
Die Ultraschallwandler 5a, 5b senden Ultraschallsignale, sogenannte Ultraschallwellen oder Ultraschallbursts 11 aus, die gemäß 4 entlang der zwischen den Ultraschallwandlern 5a, 5b befindlichen Messstrecke 7 in Durchströmungsrichtung (Vorwärtsrichtung V) und entgegen der Durchströmungsrichtung (Rückwärtsrichtung R) des Fluids zu dem jeweils gegenüberliegenden Ultraschallwandler 5a bzw. 5b laufen. Die Sendefrequenz wird hierbei über die Steuer- und Auswerteeinheit 9 festgelegt.
-
Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird, wie in 2 dargestellt, mittels der Einrichtung 1 der Druck des Fluids bestimmt. Dementsprechend sendet der Ultraschallwandler 5a entlang der Messstrecke 7 in einer ersten Frequenz F1 ein Ultraschallsignal S(V, F1) in Durchströmungsrichtung an den Ultraschallwandler 5b. Danach sendet der Ultraschallwandler 5b entlang der Messstrecke 7 in der ersten Frequenz F1 ein Ultraschallsignal S(R, F1) entgegen der Durchströmungsrichtung an den Ultraschallwandler 5a. Im Anschluss daran wird durch die Steuer- und Auswerteeinheit 9 eine zweite Frequenz F2 festgelegt. Danach sendet der Ultraschallwandler 5a in der zweiten Frequenz F2 ein Ultraschallsignal S(V, F2) in Durchströmungsrichtung entlang der Messstrecke 7 in der zweiten Frequenz F2 an den Ultraschallwandler 5b. Anschließend sendet der Ultraschallwandler 5b ein Ultraschallsignal S(R, F2) entgegen der Durchströmungsrichtung an den Ultraschallwandler 5a. Die Reihenfolge des Sendens der Ultraschallsignale S(V, F1), S(R, F1), S(V, F2), S(R, F2) kann hierbei variieren.
-
Die Ultraschallsignale
S(V,
F1),
S(R,
F1),
S(V,
F2),
S(R,
F2) benötigen jeweils zum Durchlaufen der Messstrecke
7 eine bestimmte Zeit
t (Laufzeit). Aus den jeweiligen Laufzeiten der Ultraschallsignale in der jeweiligen Frequenz
F1 bzw.
F2 und Durchströmungsrichtung wird ein Laufzeitunterschied bzw. eine Laufzeitdifferenz in und entgegen der Durchströmungsrichtung durch die Steuer- und Auswerteeinheit
9 ermittelt. Zudem kann ein Phasen-Frequenz-Offset
PFO durch Differenzbildung der Laufzeiten des Ultraschallsignals in der ersten Frequenz
F1 und der zweiten Frequenz
F2 ermittelt werden. Vorzugsweise wird durch die Steuer- und Auswerteeinheit
9 aus den Laufzeiten der Ultraschallsignale in Vorwärtsrichtung
t(V, F1) und
t(V, F2) der Phasen-Frequenz-Offset in Vorwärtsrichtung
PFO(V) bestimmt:
-
Dementsprechend lässt sich auch der Phasen-Frequenz-Offset in Rückwärtsrichtung
PFO(R) aus den Laufzeiten der Ultraschallsignale in Rückwärtsrichtung
t(R,
F1) und
t(R,
F2) bestimmen, mit
-
Für die Bestimmung von
PFO(V) und
PFO(R) wird zweckmäßigerweise ein Nulldurchgang verwendet, bei dem die Empfangsspannung möglichst maximal ist. Beispielsweise kann hierbei der achte Nulldurchgang bzw. ein Nulldurchgang der achten Welle des Empfangssignals verwendet werden. Es spielt dabei keine Rolle, ob ein Nulldurchgang mit steigender oder fallender Flanke ausgewertet wird. Die Anwendung des Verfahrens ist zudem nicht auf einen bestimmten Nulldurchgang beschränkt. Beide Werte des Phasen-Frequenz-Offsets
PFO, d. h. in Vorwärts-
PFO(V) und Rückwärtsrichtung
PFO(R), haben die gleiche Größenordnung, sodass durch eine Mittelwertbildung die Standardabweichung von aufeinanderfolgenden Messungen reduziert werden kann. Der Mittelwert des Phasen-Frequenz-Offsets
PFO(M) errechnet sich nach:
-
Die Basiswerte PFO(V) und PFO(R) sowie der Mittelwert PFO(M) sind dabei Funktionen des Drucks p. Dementsprechend kann der Druck p bzw. die Druckänderung Δp anhand dieser Werte, z. B. mittels einer in der Steuer- und Auswerteeinheit 9 hinterlegten Werte- oder Look-up-Tabelle bzw. empirischen Kennlinie, ermittelt und anschließend über eine Anzeigevorrichtung 10 an der Einrichtung 1, wie z. B. ein Display zur Druckanzeige, angezeigt werden.
-
Der prinzipielle Zusammenhang zwischen Phasen-Frequenz-Offset
PFO und Druck
p ist in
3 graphisch dargestellt. Anhand des Graphen in
3 wird deutlich, dass je nach herrschendem Druck
p der Phasen-Frequenz-Offset
PFO bzw.
PFO(M) eine stärkere oder eine geringere Abweichung im Vergleich zum Umgebungsdruck von z. B. 1 bar aufweist. Beispielsweise verringert sich hierbei der absolute
PFO-Wert bei einem Druck von 24 bar um ca. 15%, was einen deutlich messbaren Effekt darstellt. Die Druckänderung Δp steht dabei in erster Näherung in zumindest im Wesentlichen linearem Zusammenhang zur
PFO-Änderung ΔPFO(M). Die Empfindlichkeit
κ lässt sich damit näherungsweise durch folgende Gleichung bestimmen:
-
Demzufolge errechnet sich für den Graphen in 3 eine Empfindlichkeit κ von etwa 0,65 % / bar (κ = 15 % / 23 bar). Ferner kann durch das erfindungsgemäße Verfahren entweder der absolute Druck oder eine Druckänderung bestimmt werden. Die vorliegende Erfindung ist ausdrücklich nicht auf die in 3 angegebenen Druck- und Prozentwerte beschränkt.
-
Die neben der Bestimmung des Drucks p zusätzlich mögliche Durchflussbestimmung bzw. Durchflussmengenbestimmung erfolgt bei der Einrichtung 1 z. B. ebenfalls anhand einer Laufzeitdifferenzmethode. Beispielsweise wird eine erste Frequenz F1 durch die Steuer- und Auswerteeinheit 9 festgelegt. Der Ultraschallwandler 5a sendet ein Ultraschallsignal in Durchströmungsrichtung des Fluids, d. h. in Vorwärtsrichtung V, entlang der Messstrecke 7 in der Frequenz F1 an den Ultraschallwandler 5b. Der Ultraschallwandler 5b sendet wiederum ein Ultraschallsignal entgegen der Durchströmungsrichtung des Fluids, d. h. in Rückwärtsrichtung R, in der gleichen Frequenz F1 an den Ultraschallwandler 5a. Hierbei kann jeweils die Laufzeit der Ultraschallsignale entlang der Messstrecke 7 in und entgegen der Durchströmungsrichtung des Fluids durch die Steuer- und Auswerteeinheit 9 bestimmt werden. Anhand dieser Laufzeiten kann ein Laufzeitunterschied bzw. eine Laufzeitdifferenz ermittelt werden, die zur Durchflussmengenbestimmung herangezogen wird. Es können somit Druck- und Durchflussmengenbestimmung in vorteilhafter Weise z. B. unter Verwendung identischer Hardware- und Softwarekomponenten parallel durchgeführt werden, d. h. die ermittelten Laufzeiten können zur Druck- und/oder Durchflussmengenbestimmung herangezogen werden.
-
Ferner kann die Laufzeitdifferenz auch zusätzlich in einer zweiten Frequenz F2 erfolgen. Die ermittelten Laufzeitdifferenzen in der ersten und zweiten Frequenz F1, F2 können hierbei gegenseitig als Korrekturgröße verwendet werden. Zudem kann ein Mittelwert der Laufzeitdifferenzen gebildet werden, der zur Durchflussmengenbestimmung herangezogen wird. Darüber hinaus können auch eine Mehrzahl von Frequenzen F1, F2 bzw. Fx zum Senden der akustischen Welle vorgesehen sein, anhand derer die Druck- und/oder Durchflussmengenbestimmung erfolgt.
-
Die Funktionalität der Druckbestimmung kann durch eine einfache Softwarekonfiguration der Steuer- und Auswerteeinheit 9 auch bei bereits in Einsatz befindlichen Fluidzählern, wie z. B. Ultraschallwasserzählern bzw. Ultraschallwärmezählern, implementiert werden. Es sind keine zusätzlichen Hardwarekomponenten notwendig.
-
In 5 ist eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Einrichtung 1 dargestellt. Die Ultraschallwandler 5a, 5b sind hierbei derart am Anschlussgehäuse 2 angeordnet, dass das Fluid quer durchschallt wird, d. h. die Messstrecke 7 verläuft im Wesentlichen gerade und diagonal durch das Anschlussgehäuse 2. Im Gegensatz zu der Ausgestaltung gemäß 1 sind dementsprechend keine Reflektoren 6a, 6b vorgesehen. Diese Ausgestaltung eignet sich besonders für größere Fluidzähler-Nennweiten, wie z. B. bei Großwasserzählern mit Nenndurchflüssen ab etwa 15 m3/h.
-
Ferner kann auch eine Einrichtung 1 mit einer Messanordnung vorgesehen sein, die zwei oder mehr Ultraschallwandlerpaare umfasst. Wie in 6 gezeigt, ist neben dem Ultraschallwandlerpaar, welches die Ultraschallwandler 5a, 5b umfasst, ein Ultraschallwandlerpaar vorgesehen, welches einen Ultraschallwandler 12a sowie 12b umfasst. Die Messstrecke 7a zwischen den Ultraschallwandlern 5a, 5b und die Messstrecke 7b zwischen den Ultraschallwandlern 12a, 12b sind hierbei orthogonal zueinander angeordnet, d. h. jeweils ein Ultraschallwandler 5a oder 5b ist zu einem der Ultraschallwandler 12a, 12b am Anschlussgehäuse 2 um 90° versetzt angeordnet. Durch eine derartige Anordnung kann die Messgenauigkeit erhöht werden, indem die Messwerte beider Ultraschallwandlerpaare zur Druckbestimmung und/oder zur Durchflussmengenbestimmung herangezogen werden.
-
Alternativ kann die Messanordnung zur Druckbestimmung auch gemäß 7 nur einen Ultraschallwandler 12 umfassen, der im Puls-Echo-Betrieb arbeitet. Der Ultraschallwandler 12 strahlt hierbei senkrecht zur Rohrwandung, d. h. senkrecht zur Wandung des Anschlussgehäuses 2, vom Ultraschallwandler 12 in die Messtrecke 7 ein, sodass der Schallpfad nicht oder nur geringfügig von einer Durchströmung des Fluids beeinflusst wird. Das Ultraschallsignal wird hierbei an der Rohrwandung reflektiert und läuft anschließend wieder entlang der Messstrecke 7 von der Rohrwandung zum Ultraschallwandler 12. Insbesondere eignet sich diese Ausgestaltung auch für Anwendungen, bei denen der Druck im nichtströmenden Fluid bestimmt wird.
-
Ausdrücklich vom Offenbarungsgehalt umfasst sind auch Einzelmerkmalskombinationen (Unterkombinationen) sowie mögliche, nicht in den Zeichnungsfiguren dargestellte Kombinationen einzelner Merkmale unterschiedlicher Ausgestaltungsformen.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Einrichtung
- 2
- Anschlussgehäuse
- 3
- Eingang
- 4
- Ausgang
- 5a, 5b
- Ultraschallwandler
- 6a, 6b
- Reflektor
- 7, 7a, 7b
- Messstrecke
- 8
- Sende- und Empfangsstufe
- 9
- Steuer- und Auswerteeinheit
- 10
- Anzeigevorrichtung
- 11
- Ultraschallburst
- 12, 12a, 12b
- Ultraschallwandler
- p
- Druck
- t
- Zeit
- κ
- Empfindlichkeit
- V
- Vorwärtsrichtung
- R
- Rückwärtsrichtung
- F1
- erste Frequenz
- F2
- zweite Frequenz
- PFO
- Phasen-Frequenz-Offset
- PFO(V)
- Phasen-Frequenz-Offset in Vorwärtsrichtung
- PFO(R)
- Phasen-Frequenz-Offset in Rückwärtsrichtung
- PFO(M)
- Phasen-Frequenz-Offset Mittelwert
- S(V, F1)
- Ultraschallsignal in Vorwärtsrichtung in erster Frequenz
- S(R, F1)
- Ultraschallsignal in Rückwärtsrichtung in erster Frequenz
- S(V, F2)
- Ultraschallsignal in Vorwärtsrichtung in zweiter Frequenz
- S(R, F2)
- Ultraschallsignal in Rückwärtsrichtung in zweiter Frequenz
- t(V, F1)
- Laufzeit in Vorwärtsrichtung in erster Frequenz
- t(R, F1)
- Laufzeit in Rückwärtsrichtung in erster Frequenz
- t(V, F2)
- Laufzeit in Vorwärtsrichtung in zweiter Frequenz
- t(R, F2)
- Laufzeit in Rückwärtsrichtung in zweiter Frequenz
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102012022376 A1 [0005]
