DE102019007608A1

DE102019007608A1 - Messeinrichtung und Verfahren zur Ermittlung eines Drucks

Info

Publication number: DE102019007608A1
Application number: DE102019007608.7A
Authority: DE
Inventors: Marcus Wetzel
Original assignee: Diehl Metering GmbH
Current assignee: Diehl Metering GmbH
Priority date: 2019-11-02
Filing date: 2019-11-02
Publication date: 2021-05-06
Also published as: WO2021083654A1

Abstract

Messeinrichtung zur Ermittlung eines Drucks in einem ein Fluid aufnehmenden oder von dem Fluid durchströmten Messbehälter (4), wobei an dem Messbehälter (4) ein Schwingungswandler (6) der Messeinrichtung (1) angeordnet ist, wobei eine Steuereinrichtung (19) der Messeinrichtung (1) dazu eingerichtet ist, den Schwingungswandler (6) zur Anregung einer Welle (8) in dem Fluid anzusteuern, wobei der Schwingungswandler (6) derart eingerichtet und an dem Messbehälter (4) angeordnet ist, dass die Welle (8) entlang eines Ausbreitungspfades (9) zurück zu dem Schwingungswandler (6) oder zu wenigstens einem an dem Messbehälter (4) angeordneten weiteren Schwingungswandler (7) der Messeinrichtung (1) geführt wird, wobei die Steuereinrichtung (19) dazu eingerichtet ist, die Laufzeit der Welle (8) entlang des Ausbreitungspfades (9) zu dem oder dem weiteren Schwingungswandler (6, 7) zu erfassen und in Abhängigkeit der Laufzeit den Druck in dem Messbehälter (4) zu ermitteln, wobei der und/oder der weitere Schwingungswandler (6, 7) derart beweglich an dem Messbehälter (4) gelagert sind, dass sie bei einer Erhöhung des Drucks im Messbehälter (4) gegen eine Rückstellkraft bezüglich des Messbehälters (4) verschoben werden, wodurch sich die Länge des Ausbreitungspfades (9) und somit die Laufzeit in Abhängigkeit des Drucks im Messbehälter (4) ändern.

Description

Die Erfindung betrifft eine Messeinrichtung zur Ermittlung eines Drucks in einem ein Fluid aufnehmenden oder von dem Fluid durchströmten Messbehälter, wobei an dem Messbehälter ein Schwingungswandler der Messeinrichtung angeordnet ist, wobei eine Steuereinrichtung der Messeinrichtung dazu eingerichtet ist, den Schwingungswandler zur Anregung einer Welle in dem Fluid anzusteuern, wobei der Schwingungswandler derart eingerichtet und an dem Messbehälter angeordnet ist, dass die Welle entlang eines Ausbreitungspfades zurück zu dem Schwingungswandler oder zu wenigstens einem an dem Messbehälter angeordneten weiteren Schwingungswandler der Messeinrichtung geführt wird, wobei die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, die Laufzeit der Welle entlang des Ausbreitungspfades zu dem oder dem weiteren Schwingungswandler zu erfassen und in Abhängigkeit der Laufzeit den Druck in dem Messbehälter zu ermitteln.
In vielen Anwendungsfällen kann es gewünscht sein, einen Druck eines Fluids zu erfassen. Daher ist es prinzipiell bekannt, Durchflusszähler durch eine zusätzliche Sensorik zur Druckmessung zu erweitern. Eine Verwendung separater Sensoren zur Druckmessung erhöht jedoch die Komplexität des Durchflusszählers. Dies kann zu einem höheren Bauraumverbrauch, zu höheren Kosten und/oder zu einem höheren Energieverbrauch führen.
Ein Verfahren zur Bestimmung des Drucks eines Fluids, das bei einer Nutzung in einem Ultraschalldurchflusszähler keine zusätzlichen Sensoren benötigt, ist aus der Druckschrift DE 10 2017 005 207 A1 bekannt. Hierbei wird eine Laufzeit einer Ultraschallwelle von einem sendenden zu einem empfangenden Ultraschallwandler für zwei unterschiedliche Anregungsfrequenzen erfasst. In Abhängigkeit der Differenz dieser Laufzeiten kann der Druck im Fluid ermittelt werden. Da die Differenz zweier sequentieller Messungen ausgewertet wird, können bereits geringfügige Druck- bzw. Durchflussmengenänderungen zwischen den Messintervallen zu einer relativ starken Störung der Messung führen, womit zumindest in einigen Anwendungsfällen der ermittelte Druck stark rauschbehaftet ist. Zudem kann es nachteilig sein, dass verschiedene Anregungsfrequenzen genutzt werden müssen. Beispielsweise können typischerweise nicht für beide Messungen Resonanzfrequenzen der Ultraschallwandler genutzt werden.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen demgegenüber verbesserten Ansatz zur Ermittlung eines Drucks anzugeben, der insbesondere weniger störanfällig ist und dennoch mit geringem technischen Aufwand implementiert werden kann.
Die Aufgabe wird durch eine Messeinrichtung der eingangs genannten Art gelöst, wobei der und/oder der weitere Schwingungswandler derart beweglich an dem Messbehälter gelagert sind, dass sie bei einer Erhöhung des Drucks im Messbehälter gegen eine Rückstellkraft bezüglich des Messbehälters verschoben werden, wodurch sich die Länge des Ausbreitungspfades und somit die Laufzeit in Abhängigkeit des Drucks im Messbehälter ändern.
Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, dass bei einer beweglichen Lagerung des Schwingungswandlers bzw. des weiteren Schwingungswandlers gegen eine Rückstellkraft dieser bei zunehmendem Druck im Messbehälter zunehmend weiter aus diesem herausgepresst wird. Da sich jedoch der Ausbreitungspfad zumindest näherungsweise um eben jene Distanz verlängert, um die der Schwingungswandler bzw. der weitere Schwingungswandler verschoben werden, kann somit ein klarer Zusammenhang zwischen dem Druck und Länge des Ausbreitungspfades angegeben bzw. im Rahmen einer Kalibrierung bestimmt werden. Für nicht allzu große Verschiebungen kann hierbei insbesondere ein linearer Zusammenhang auftreten.
Wird zunächst davon ausgegangen, dass die Schallgeschwindigkeit der Welle im Fluid druckunabhängig ist, führt diese Längenänderung des Ausbreitungspfades jedoch auch zu einer zur Längenänderung proportionale Änderung der Laufzeit. Somit kann im einfachsten Fall näherungsweise davon ausgegangen werden, dass eine Laufzeitänderung bei ansonsten gleichen Bedingungen linear mit einer Druckänderung zusammenhängt. Die Genauigkeit der Druckmessung kann weiter erhöht werden, wenn auch Nichtlinearitäten berücksichtigt werden, beispielsweise mit Hilfe einer vorangehenden Kalibrierung, die zur Befüllung einer Look-up-Tabelle genutzt wird, oder durch Parametrisierung eines mathematischen Modells, beispielsweise durch Regressionsanalyse von Messdaten. Hierbei können insbesondere weitere Parameter berücksichtigt werden, die die Laufzeit beeinflussen können. Beispielsweise können, wie später noch genauer erläutert werden wird, Temperaturen berücksichtigt bzw. der Einfluss einer Strömungsgeschwindigkeit kompensiert werden.
Im Rahmen von Versuchsmessungen wurde erkannt, dass beispielsweise bereits eine Auslenkung eines Schwingungswandlers um 0,1 mm zu einer Laufzeitänderung führen kann, die mehreren hundert Zyklen des Zeitzählers im Versuchsaufbau entspricht. Insbesondere bei Messeinrichtungen, die dazu dienen, Laufzeitunterschiede zwischen zwei Ausbreitungsrichtungen zu erfassen, sind typischerweise ohnehin bereits ausreichend genaue Zeitzähler vorhanden, die zusätzlich zur Druckbestimmung genutzt werden können. Da die gefederte Lagerung zudem typischerweise zu keinem oder nur einem vernachlässigbaren Fehler bezüglich der Messung der Laufzeitdifferenz im Rahmen der Durchflussmessung führt, ist problemlos eine Druck- und Durchflussmessung mit den gleichen Schwingungswandlern möglich.
Bei einem U-förmigen Strahlengang, bei dem eine Ultraschallwelle senkrecht zu einer Rohrwand in einem Messrohr, also den Messbehälter, eingestrahlt wird, durch einen Ultraschallspiegel im Wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung umgelenkt wird, durch einen weiteren Ultraschallspiegel wiederum umgelenkt wird und durch den weiteren Ultraschallwandler empfangen wird, führt eine entsprechende Verschiebung zu keinem Fehler der Laufzeitdifferenz, da die Laufzeit für beide Ausbreitungsrichtungen um den gleichen Betrag verlängert wird. Bei einer diagonalen Durchstrahlung des Messbehälters treten zwar geringe Messfehler auf, diese liegen jedoch bei einem angenommenen Schallweg von 10 cm und einer Auslenkung von 0,1 mm bei weniger als 0,1 %. Da zudem bekannt ist, welcher Druck und somit welche Auslenkung zu welchem Fehler führt, kann ein entsprechender Fehler zudem im Rahmen der anschließenden Datenverarbeitung im Wesentlichen vollständig korrigiert werden.
Die Steuereinrichtung der Messeinrichtung kann insbesondere dazu eingerichtet sein, den Druck in Abhängigkeit genau einer Laufzeit zu ermitteln, da anhand dieser einen Laufzeit bereits erkannt werden kann, wenn sich der Ausbreitungspfad bei ansonsten gleichen Bedingungen verlängert hat. Alternativ kann der Druck beispielsweise in Abhängigkeit einer Summe oder eines Durchschnittswertes von mehreren, insbesondere von genau zwei, Laufzeiten ermittelt werden. Insbesondere kann eine jeweilige Laufzeit für eine Ausbreitung von dem Schwingungswandler zum weiteren Schwingungswandler und umgekehrt ermittelt werden und die Laufzeiten können summiert bzw. ihr Durchschnitt berechnet werden. Hierdurch kann der Einfluss einer Strömungsgeschwindigkeit des Fluids zumindest näherungsweise eliminiert werden.
Wenn sich der Ausbreitungspfad von dem Schwingungswandler zu dem weiteren Schwingungswandler erstreckt, kann die Steuereinrichtung dazu eingerichtet sein, zusätzlich eine weitere Laufzeit von dem weiteren Schwingungswandler zu dem Schwingungswandler zu ermitteln und den Druck in Abhängigkeit der Laufzeit und der weiteren Laufzeit zu ermitteln. Wie obig erläutert kann durch Summenbildung, Durchschnittsbildung oder Ähnliches ein Einfluss der Strömungsgeschwindigkeit des Fluids unterdrückt oder sogar eliminiert werden. Hierbei kann eine entsprechende Messung beispielsweise in Durchflusszählern ohne zusätzlichen Energieaufwand möglich sein, da zur Ermittlung einer im Rahmen der Durchflussgeschwindigkeitsermittlung genutzten Laufzeitdifferenz ohnehin Laufzeiten für beide Ausbreitungsrichtungen gemessen werden müssen. Somit kann anhand der gleichen Laufzeiten einerseits in Abhängigkeit ihrer Differenz ein Durchfluss und andererseits in Abhängigkeit ihrer Summe ein Druck ermittelt werden oder Ähnliches.
Eine jeweilige Kontaktfläche des Schwingungswandlers und/oder des weiteren Schwingungswandlers kann mit dem Fluid im Messbehälter in Kontakt sein und eine der jeweiligen Kontaktfläche gegenüberliegende Seitenfläche des Schwingungswandlers und/oder des weiteren Schwingungswandlers kann mit der die Messeinrichtung umgebenden Luft oder mit einem Referenzvolumen, in dem ein vorgegebener Referenzdruck herrscht, in Kontakt sein, wobei der Schwingungswandler und/oder der weitere Schwingungswandler gewinkelt, vorzugsweise senkrecht, zur jeweiligen Kontaktfläche verschiebbar gelagert sind. Sind beispielsweise die Kontaktfläche und die gegenüberliegende Seitenfläche ungefähr gleich groß, wirkt auf den jeweiligen Schwingungswandler eine Kraft, die dem Produkt aus dieser Fläche und dem Druckunterschied zwischen dem Druck im Messbehälter und dem Referenzdruck bzw. dem Umgebungsdruck entspricht. Für einen Großteil der Messaufgaben können Schwankungen des Umgebungsdrucks vernachlässigt werden, da diese erheblich kleiner sind als die zu erwartenden Druckänderungen im Messbehälter. Die der Kontaktfläche gegenüberliegende Seitenfläche kann insbesondere zwar in einem Gehäuse aufgenommen sein, das jedoch nicht vollständig luftdicht ist, so dass der Druck im Inneren des Gehäuses im Wesentlichen dem Umgebungsdruck entspricht.
Zwischen dem Schwingungswandler und/oder dem weiteren Schwingungswandler und einem Lagerbereich des Messbehälters, an dem der Schwingungswandler und/oder der weitere Schwingungswandler gelagert ist, kann ein elastisch verformbares Rückstellelement, insbesondere eine Feder, angeordnet sein. Durch das Rückstellelement kann der Schwingungswandler bzw. der weitere Schwingungswandler mit der Rückstellkraft beaufschlagt werden. Somit kann eine an sich bekannte Messeinrichtung durch eine geringfügige mechanische Modifikation, nämlich die Lagerung des Schwingungswandlers bzw. des weiteren Schwingungswandlers nicht direkt an einem Lagerbereich, sondern über ein verformbares Rückstellelement, derart modifiziert werden, dass die obig erläuterte Druckermittlung ermöglicht wird. Das erfindungsgemäße Vorgehen ist somit mit geringem technischen Aufwand umsetzbar.
Die Messeinrichtung kann zusätzlich wenigstens einen Temperatursensor zur Erfassung einer Temperatur des Fluids umfassen, wobei die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, den Druck zusätzlich in Abhängigkeit der Temperatur zu ermitteln. Dies ist vorteilhaft, da die Schallgeschwindigkeit im Fluid typischerweise temperaturabhängig ist, womit auch der Zusammenhang zwischen der gemessenen Laufzeit und der Länge des Ausbreitungspfades temperaturabhängig ist. Durch Nutzung eines Temperatursensors und eines vorgegebenen Zusammenhangs zwischen Temperatur und Schallgeschwindigkeit zur Kompensation dieses Effekts bzw. eine vorangehende Kalibriermessung kann der Temperatureinfluss auf die Druckmessung im Wesentlichen vollständig kompensiert werden und somit eine gute Messgenauigkeit für den Druck erreicht werden. In vielen Anwendungsfällen wird jedoch auch ohne eine entsprechende Temperaturkompensation eine ausreichende Messgenauigkeit erreicht. Beispielsweise variiert die Schallgeschwindigkeit in Wasser im Temperaturbereich zwischen 0° C und 70° C lediglich um ca. 11 %. Selbst ohne Kenntnis bzw. Berücksichtigung der Wassertemperatur sind somit Druckmessungen mit einem Fehler von maximal ± 5,5 % möglich. Für viele Anwendungsfälle ist dies bereits ausreichend, so dass eine Temperaturerfassung in der erfindungsgemäßen Messeinrichtung nicht notwendig ist, jedoch vorteilhaft genutzt werden kann, um mögliche Fehler weiter zu reduzieren.
An dem Messbehälter kann ein Zusatzschwingungswandler der Messeinrichtung angeordnet sein, wobei die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, den Zusatzschwingungswandler zur Anregung einer Zusatzwelle in dem Fluid anzusteuern, wobei der Zusatzschwingungswandler derart eingerichtet und an dem Messbehälter angeordnet ist, dass die Zusatzwelle entlang eines Zusatzausbreitungspfades zurück zu dem Zusatzschwingungswandler oder zu wenigstens einem an dem Messbehälter angeordneten weiteren Zusatzschwingungswandler der Messeinrichtung geführt wird, wobei die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, die Laufzeit der Zusatzwelle entlang des Zusatzausbreitungspfades zu dem oder dem weiteren Zusatzschwingungswandler zu erfassen und den Druck zusätzlich in Abhängigkeit dieser Laufzeit der Zusatzwelle zu ermitteln, wobei der Zusatzschwingungswandler und/oder der weitere Zusatzschwingungswandler starr an dem Messbehälter angeordnet sind. Der Ausbreitungspfad und der Zusatzausbreitungspfad bilden eine jeweilige Messtrecke. Durch die zusätzliche Nutzung des bzw. des weiteren Zusatzschwingungswandlers wird somit eine zusätzliche Messstrecke bereitgestellt.
Die Nutzung mehrerer Messstrecken in Messeinrichtungen, insbesondere in Ultraschalldurchflusszählern, ist prinzipiell bekannt. Beispielsweise kann dies genutzt werden, um eine redundante Messung durchzuführen bzw. einen Messfehler, beispielsweise durch Durchschnittsbildung von mehreren Messungen, zu reduzieren. Beispielsweise können die Messstrecken bzw. können der Ausbreitungspfad und der Zusatzausbreitungspfad gewinkelt zueinander, insbesondere senkrecht zueinander verlaufen. Beispielsweise können die Schwingungswandler an gegenüberliegenden Seiten des Messbehälters bzw. Messrohrs angeordnet sein und die Zusatzschwingungswandler können in Umfangsrichtung, insbesondere um 90°, versetzt zu den Schwingungswandlern angeordnet sein.
Ein entsprechender Aufbau wird zur Bereitstellung einer erfindungsgemäßen Messeinrichtung derart modifiziert, dass für eine der Messstrecken eine bewegliche Lagerung wenigstens eines der Schwingungswandler erfolgt, so dass wie obig erläutert die Länge des Ausbreitungspfades für diese Messstrecke und somit die Laufzeit von dem Druck abhängt. Zugleich werden für eine weitere Messtrecke vorzugsweise beide Zusatzschwingungswandler starr an dem Messbehälter angeordnet, so dass die Länge des Zusatzausbreitungspfades zumindest näherungsweise unabhängig von dem Druck im Messvolumen ist. Somit kann die Messung der Laufzeit der Zusatzwelle als Referenzmessung dienen, bei der der Ausbreitungspfad nicht druckabhängig ist. Insbesondere kann für den Ausbreitungspfad und den Zusatzausbreitungspfad, also für beide Messstrecken, die gleiche Messgeometrie gewählt werden bzw. die Messgeometrie kann so gewählt werden, dass bei einem vorgegebenen Referenzdruck, beispielsweise bei Normaldruck, die für die Welle ermittelte Laufzeit und die für die Zusatzwelle ermittelte Laufzeit im Wesentlichen gleich sind. Verbleibende Unterschiede, beispielsweise aufgrund von Bauteiltoleranzen, können durch eine vorangehende Kalibrierung kompensiert werden.
Insbesondere kann die Steuereinrichtung dazu eingerichtet sein, den Druck in Abhängigkeit einer Laufzeitdifferenz zwischen der Laufzeit der Welle und der Laufzeit der Zusatzwelle zu ermitteln. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn wie obig erläutert, bei einem bestimmten Referenzdruck der Laufzeitunterschied zwischen diesen Laufzeiten zumindest näherungsweise Null ist. Die Laufzeitdifferenz zwischen der Laufzeit der Welle und der Laufzeit der Zusatzwelle ist somit ein Maß für die Abweichung des tatsächlichen Drucks von diesem Referenzdruck. Wird beispielsweise die Messgeometrie so gewählt, dass der Ausbreitungspfad und der Zusatzausbreitungspfad bei dem Referenzdruck die gleiche Länge s aufweisen, resultiert für die Zusatzwelle unter Annahme einer druckunabhängigen Schallgeschwindigkeit v unabhängig vom Druck im Messbehälter die Referenzlaufzeit to = s/v. Aufgrund der beweglichen Lagerung des Schwingungswandlers bzw. des weiteren Schwingungswandlers resultiert hingegen eine Änderung s_x der Länge des Ausbreitungspfades, so dass die Laufzeit für die Welle t₁ als t₁ = (s + s_x)/v berechnet werden kann. Die Laufzeitdifferenz t₁ - t₀ entspricht somit dem Quotienten aus der Änderung s_x der Länge des Ausbreitungspfades und der Schallgeschwindigkeit v.
Ist das Fluid bekannt bzw. kann es bzw. seine Zusammensetzung ermittelt werden, ist auch die Schallgeschwindigkeit v bekannt, so dass aus der Laufzeitdifferenz mit hoher Genauigkeit die Änderung s_x der Länge des Ausbreitungspfades berechnet werden kann. Aus dieser kann anschließend der Druck berechnet werden. Dies kann beispielsweise mit Hilfe einer Look-up-Tabelle, insbesondere über eine Interpolation, erfolgen. In vielen Fällen ist jedoch ein einfaches mathematisches Modell ausreichend. Beispielsweise kann bei einer gefederten Lagerung des Schwingungswandlers bzw. des weiteren Schwingungswandlers zumindest näherungsweise von einem linearen Zusammenhang zwischen der Auslenkung und somit der Verlängerung des Ausbreitungspfades und der auf den Schwingungswandler bzw. den weiteren Schwingungswandler wirkenden Kraft aufgrund des Druckes, die wiederum proportional zum Druck ist, ausgegangen werden.
Neben der erfindungsgemäßen Messeinrichtung betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Ermittlung eines Drucks in einem ein Fluid aufnehmenden oder von dem Fluid durchströmten Messbehälter, wobei an dem Messbehälter ein Schwingungswandler der Messeinrichtung angeordnet ist, wobei durch eine Steuereinrichtung der Messeinrichtung der Schwingungswandler zur Anregung einer Welle in dem Fluid angesteuert wird, wobei die Welle entlang eines Ausbreitungspfades zurück zu dem Schwingungswandler oder zu wenigstens einem an dem Messbehälter angeordneten weiteren Schwingungswandler der Messeinrichtung geführt wird, wobei durch die Steuereinrichtung die Laufzeit der Welle entlang des Ausbreitungspfades zu dem oder dem weiteren Schwingungswandler erfasst und in Abhängigkeit der Laufzeit der Druck in dem Messbehälter ermittelt wird, wobei der und/oder der weitere Schwingungswandler beweglich an dem Messbehälter gelagert sind, so dass sie bei einer Erhöhung des Druck im Messbehälter gegen eine Rückstellkraft bezüglich des Messbehälters verschoben werden, wodurch sich die Länge des Ausbreitungspfades und somit die Laufzeit in Abhängigkeit des Drucks im Messbehälter ändern. Der Druck kann somit in Abhängigkeit der Änderung der Länge des Ausbreitungspfades aufgrund des Drucks im Messbehälter und der beweglichen Lagerung des Schwingungswandlers bzw. des weiteren Schwingungswandlers ermittelt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit den vorangehend zur erfindungsgemäßen Messeinrichtung erläuterten Merkmalen mit den dort genannten Vorteilen weitergebildet werden. Insbesondere kann zur Durchführung des Verfahrens eine erfindungsgemäße Messeinrichtung verwendet werden.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden mit Bezug auf die folgenden Ausführungsbeispiele sowie die zugehörigen Zeichnungen diskutiert. Hierbei zeigen schematisch:

1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messeinrichtung, durch die ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ausführbar ist,
2 eine Detailansicht der in 1 gezeigten Messeinrichtung für einen höheren Druck im Messbehälter, und
3 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messeinrichtung, mit der ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens durchführbar ist.

1 zeigt eine Messeinrichtung 1, die dazu dient, einen Druck und im Beispiel zusätzlich eine Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids zu erfassen. Das Fluid wird über einen Fluideinlass 2 einem Messbehälter 4 zugeführt und anschließend über einen Fluidablass 3 abgeführt. An einer Wand 11 des Messbehälters 4 sind ein Schwingungswandler 6 und ein weiterer Schwingungswandler 7 angeordnet, die durch eine Steuereinrichtung 19 zu Schwingungen anregbar sind, um eine Welle 8 in das Fluid einzukoppeln. Zudem können durch eine einlaufende Welle 8 angeregte Schwingungen der Schwingungswandler 6, 7 durch die Steuereinrichtung 19 erfasst werden, um eine Laufzeit der Welle 8 von dem Schwingungswandler 6 zu dem weiteren Schwingungswandler 7 bzw. umgekehrt zu erfassen. Im gezeigten Beispiel wird ein U-förmiges Durchstrahlungsprofil genutzt, bei dem die Welle 8 durch Ultraschallspiegel 10 umgelenkt wird, um sie im Wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung des Fluids zu führen. Ein solches Vorgehen ist zur Ermittlung einer Strömungsgeschwindigkeit bzw. eines Durchflusses aus der Laufzeitdifferenz zwischen den beiden Ausbreitungsrichtungen der Welle 8 prinzipiell bekannt und soll daher nicht detailliert erläutert werden.
Die Messeinrichtung 1 bzw. der Messbehälter 4 mit den daran angeordneten Schwingungswandlern 6, 7 unterscheiden sich vom üblichen Aufbau von Durchflusszählern dadurch, dass die Schwingungswandler 6, 7 beweglich an der Wand 11 des Messbehälters 4 gelagert sind, so dass sie bei einer Erhöhung des Drucks im Messbehälter 4 gegen eine Rückstellkraft bezüglich des Messbehälters 4 verschoben werden können. Im gezeigten Beispiel wird dies dadurch erreicht, dass die Schwingungswandler 6, 7 über Rückstellelemente 13, beispielsweise Federn, an einem Lagerbereich 12 des Messbehälters 4 bzw. der Wand 11 gelagert sind.
Die Auswirkung dieser Lagerung ist schematisch in der in 2 gezeigten Detailansicht dargestellt. Hierbei wird davon ausgegangen, dass in dem in 2 gezeigten Fall der Druck in dem Messbehälter 4 höher ist als in dem in 1 gezeigten Fall, so dass der Schwingungswandler 6 von der in 1 gezeigten Stellung 16 in die in 2 gezeigte Stellung 17 verbracht wird. Dies führt dazu, dass der Ausbreitungspfad 9 um die Verschiebestrecke 18 verlängert wird. Da in dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel sowohl der Schwingungswandler 6 als auch der Schwingungswandler 7 auf gleiche Weise gelagert sind, resultiert insgesamt eine Verlängerung des Ausbreitungspfades 9 um das Doppelte der Verschiebestrecke 18.
Wird näherungsweise davon ausgegangen, dass die Schallgeschwindigkeit in dem Fluid konstant ist, führt somit eine Druckänderung in dem Messbehälter 4 zu einer Änderung der Laufzeit, die proportional zur Verschiebestrecke 18 ist. Da die Verschiebestrecke 18 mit dem Druck korreliert und beispielsweise bei Verwendung einer Feder zumindest näherungsweise linear abhängig von diesem ist, kann somit bei ansonsten gleichen Messbedingungen aus der Laufzeit durch die Steuereinrichtung 19 unmittelbar ein Druck in dem Messbehälter 4 ermittelt werden.
Die Verschiebung der Schwingungswandler 6, 7 resultiert daraus, dass der Druck an einer Kontaktfläche 14 des Schwingungswandlers, die mit dem Fluid im Messbehälter 4 in Kontakt ist, und auf einer dieser gegenüberliegenden Seitenfläche 15 unterschiedlich ist. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn der Druck an der Seitenfläche 15 im Wesentlichen konstant ist. Dies kann dadurch erreicht werden, dass in einem Referenzvolumen 20 ein vorgegebener Referenzdruck herrscht. Typischerweise ist es jedoch ausreichend, wenn im Referenzvolumen 20 der Umgebungsdruck herrscht, was beispielsweise dadurch erreicht werden kann, dass ein Gasaustausch zwischen dem Referenzvolumen 20 und der Umgebung mit geringem Strömungswiderstand möglich ist. Da der Umgebungsdruck der die Messeinrichtung 1 umgebenden Luft typischerweise erheblich geringer variiert als die zu ermittelnden Druckschwankungen, kann hierdurch eine ausreichende Genauigkeit der Druckmessung erreicht werden.
Die Laufzeit der Welle 8 entlang dem Ausbreitungspfad 9 von dem Schwingungswandler 6 zu dem weiteren Schwingungswandler 7 hängt zusätzlich von weiteren Parametern, insbesondere von einer Temperatur des Fluids und einer Strömungsgeschwindigkeit ab. Es ist vorteilhaft, entsprechende Abhängigkeiten zusätzlich bei der Ermittlung des Drucks zu berücksichtigen oder sie zu kompensieren. Es ist daher möglich, dass zusätzlich über einen Temperatursensor 21 eine Temperatur des Fluids in dem Messbehälter 4 ermittelt und durch die Steuereinrichtung 19 bei der Druckermittlung berücksichtigt wird. Insbesondere kann in Abhängigkeit der Temperatur die Schallgeschwindigkeit im Fluid ermittelt werden, die bei der Ermittlung der Verschiebestrecke 18 bzw. des Drucks aus der Laufzeit berücksichtigt wird.
Prinzipiell wäre es auch möglich, Strömungsgeschwindigkeiten des Fluids auf ähnliche Weise zu berücksichtigen. Beispielsweise können aus einer Laufzeitdifferenz der Laufzeit der Welle 8 vom Schwingungswandler 6 zum weiteren Schwingungswandler 7 und umgekehrt eine Strömungsgeschwindigkeit ermittelt werden und ein Einfluss von dieser auf die Laufzeit der Welle 8 bei der Druckermittlung berücksichtigt werden. Vorzugsweise kann der Einfluss der Strömungsgeschwindigkeit jedoch direkt eliminiert werden.
Hierzu können separat eine Laufzeit der Welle 8 vom Schwingungswandler 6 zum weiteren Schwingungswandler 7 und eine weitere Laufzeit vom weiteren Schwingungswandler 7 zurück zum Schwingungswandler 6 erfasst werden. Wird nun im Rahmen der Druckberechnung die Summe der Laufzeit und der weiteren Laufzeit oder der Durchschnittswert dieser Laufzeiten berücksichtigt, so heben sich der Einfluss der Strömungsgeschwindigkeit auf die Laufzeit und die weitere Laufzeit gegenseitig weg, so dass die Druckermittlung zumindest näherungsweise unabhängig von der Strömungsgeschwindigkeit ist.
Der erläuterte Ansatz zur Eliminierung der Abhängigkeit der Druckermittlung von der Strömungsgeschwindigkeit kann in Einzelfällen problematisch sein, wenn z.B. plötzliche Strömungsumschläge auftreten können. Änderungen der Strömungsgeschwindigkeit zwischen der Ermittlung der Laufzeiten und der weiteren Laufzeiten führen hierbei nämlich zu Messfehlern. Obwohl dennoch in nahezu allen Anwendungsfällen eine ausreichende Genauigkeit erreicht werden kann, kann diese Problematik auch vermieden werden, wenn eine zusätzliche Messstrecke verwendet wird, wie später noch mit Bezug auf 3 erläutert werden wird.
Die mit Bezug zur 1 und 2 diskutierte Messeinrichtung 1 ermöglicht es, den Druck im Messbehälter 4 mit hoher Genauigkeit zu bestimmen. Abgesehen von der beschriebenen beweglichen Lagerung der Schwingungswandler 6, 7 sind alle beschriebenen Komponenten zumindest in manchen Durchflusszählern ohnehin vorhanden, so dass die zusätzliche Möglichkeit zur Druckmessung durch eine relativ einfache mechanische Modifikation und eine entsprechende Softwareänderung erreicht werden kann.
3 zeigt eine Messeinrichtung, die zwei Messstrecken nutzt. Die erste Messstrecke wird durch die Schwingungswandler 6, 7 gebildet, die gewinkelt zu der Wand 11 des Messbehälters 4 bzw. zu einem als Messbehälter 4 genutzten Messrohr angeordnet sind, womit die Welle 8 das Fluid entlang einem diagonalen Ausbreitungspfad 9 durchstrahlt. Die zweite Messstrecke wird durch die Zusatzschwingungswandler 22, 23 gebildet, die in Umfangsrichtung des Messbehälters 4 gegen die Schwingungswandler 6, 7 versetzt sind. Die Zusatzschwingungswandler 22, 23 sind somit in 3 vor bzw. hinter der Bildebene angeordnet. Die Zusatzwelle 25 durchstrahlt das Fluid ebenfalls entlang einem diagonalen Zusatzausbreitungspfad 5, der gewinkelt zur Bildebene in 3 verläuft. Somit resultieren zwei Messstrecken mit zueinander gewinkelt stehenden Ausbreitungspfaden 5, 9 der jeweiligen Welle 8, 24. Die beiden Messstrecken können z.B. dazu dienen, eine redundante Messung zu ermöglichen bzw. einen Einfluss des Strömungsprofils auf eine Messung, beispielsweise auf eine Durchflussmessung, zu reduzieren.
Die Schwingungswandler 6, 7 sind beweglich an der Wand 11 gelagert, um eine Druckmessung zu ermöglichen, wie bereits obig erläutert wurde. Die Zusatzschwingungswandler 22, 23 sind starr an dem Messbehälter 4 bzw. der Wand 11 angeordnet, wodurch, wie später noch erläutert wird, die Messgenauigkeit verbessert werden kann.
Eine solche Messeinrichtung ist besonders einfach zu implementieren, da keine separaten Spiegel 10 zur Führung der Welle 8 entlang dem Ausbreitungspfad 9 bzw. der Zusatzwelle 24 entlang dem Zusatzausbreitungspfad 5 erforderlich sind. Somit ist ein solcher Aufbau z.B. für Großwasserzähler gut geeignet. Abgesehen von diesen Unterschieden entspricht die Messeinrichtung 1 im Wesentlichen der bereits vorangehend mit Bezug auf 1 und 2 erläuterten Messeinrichtung 1.
Nachteilig ist hierbei jedoch zunächst, dass die Verschiebestrecke 18 der Schwingungswandler 6, 7 im Gegensatz zur vorangehend diskutierten Messeinrichtung 1 nicht senkrecht auf der Strömungsrichtung steht. Soll die Messeinrichtung 1 somit zusätzlich zur Ermittlung einer Strömungsgeschwindigkeit bzw. eines Durchflussvolumens genutzt werden, führt die Verschiebestrecke 18 somit auch zu einer Änderung der Laufzeitdifferenz zwischen beiden Ausbreitungsrichtungen und somit zu einem druckabhängigen Fehler der Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeit bzw. des Durchflussvolumens. Der hierdurch resultierende Fehler ist bei einem angenommenen Schallweg von 10 cm und einer Auslenkung von 0,1 mm jedoch kleiner als 0,1 % und kann somit in den meisten Anwendungsfällen problemlos in Kauf genommen werden, um die zusätzliche Druckmessung zu ermöglichen. Da zudem die Abhängigkeit dieses Fehlers vom Druck bekannt ist, kann der entsprechende Fehler auch durch eine nachträgliche Korrektur im Wesentlichen vollständig korrigiert werden. Da die Zusatzschwingungswandler 22, 23 zudem starr an dem Messbehälter 4 angeordnet sind, tritt für die weitere Messstrecke das Problem nicht auf, wodurch der Fehler weiter reduziert werden kann.
Die diagonale Anordnung der Verschiebestrecke 18 führt zudem dazu, dass entgegen den Erläuterungen zu 1 der Einfluss der Strömungsgeschwindigkeit nicht vollständig eliminiert werden kann, indem Laufzeiten für beide Ausbreitungsrichtungen entlang dem Ausbreitungspfad 9 addiert werden. Da jedoch in 3 zwei Messstrecken vorhanden sind, kann stattdessen jedoch der im Folgenden erläuterte Ansatz genutzt werden.
Hierbei werden die Zusatzschwingungswandler 22 genutzt, um eine Zusatzwelle 24 anzuregen, die entlang dem Zusatzausbreitungspfad 5 zum weiteren Zusatzschwingungswandler 23 geführt wird, um die Laufzeit der Zusatzwelle 24 zu ermitteln. Da die Zusatzschwingungswandler 22, 23 im Gegensatz zu den Schwingungswandlern 6, 7 starr an dem Messbehälter 4 angeordnet sind, ist die Länge des Zusatzausbreitungspfades 5 unabhängig von dem Druck in dem Messbehälter 4. Die Messgeometrie des Ausbreitungspfades 9 und des Zusatzausbreitungspfades 5 sind zumindest näherungsweise identisch, so dass bei einem bestimmten Referenzdruck die Laufzeit der Welle 8 entlang dem Ausbreitungspfad 9 gleich der Laufzeit der Zusatzwelle 24 entlang dem Zusatzausbreitungspfad 5 ist. Steigt hingegen der Druck im Messbehälter 4, so verlängert sich aufgrund der Bewegung der Schwingungswandler 6, 7 der Ausbreitungspfad 9, während die Länge des Zusatzausbreitungspfades 5 aufgrund der starren Anordnung der Schwingungswandler 22, 23 unverändert bleibt. Die Differenz zwischen der Laufzeit der Welle 8 und der Laufzeit der Zusatzwelle 24 stellt somit ein gutes Maß für den Druck des Fluids dar und ist zumindest näherungsweise unabhängig von der Strömungsgeschwindigkeit des Fluids.
Die beschriebenen Ausführungsformen können auch problemlos kombiniert werden. Beispielsweise kann eine Messeinrichtung mit zwei Messstrecken genutzt werden, die senkrecht zur Wand 11 angeordnete Schwingungswandler 6, 7 aufweist. In diesem Fall sind vorzugsweise auch die Zusatzschwingungswandler 22, 23 senkrecht zur Wand 11 angeordnet. Alternativ wäre es auch möglich, die mit Bezug auf 1 und 2 diskutierte U-Strahlgeometrie in einer Messeinrichtung zu nutzen, die zwei Messstrecken aufweist.
Bezugszeichenliste

1: Messeinrichtung
2: Fluideinlass
3: Fluidablass
4: Messbehälter
5: Zusatzausbreitungspfad
6: Schwingungswandler
7: Schwingungswandler
8: Welle
9: Ausbreitungspfad
10: Ultraschallspiegel
11: Wand
12: Lagerbereich
13: Rückstellelement
14: Kontaktfläche
15: Seitenfläche
16: Stellung
17: Stellung
18: Verschiebestrecke
19: Steuereinrichtung
20: Referenzvolumen
21: Temperatursensor
22: Zusatzschwingungswandler
23: Zusatzschwingungswandler
24: Zusatzwelle

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102017005207 A1 [0003]

Claims

Messeinrichtung zur Ermittlung eines Drucks in einem ein Fluid aufnehmenden oder von dem Fluid durchströmten Messbehälter (4), wobei an dem Messbehälter (4) ein Schwingungswandler (6) der Messeinrichtung (1) angeordnet ist, wobei eine Steuereinrichtung (19) der Messeinrichtung (1) dazu eingerichtet ist, den Schwingungswandler (6) zur Anregung einer Welle (8) in dem Fluid anzusteuern, wobei der Schwingungswandler (6) derart eingerichtet und an dem Messbehälter (4) angeordnet ist, dass die Welle (8) entlang eines Ausbreitungspfades (9) zurück zu dem Schwingungswandler (6) oder zu wenigstens einem an dem Messbehälter (4) angeordneten weiteren Schwingungswandler (7) der Messeinrichtung (1) geführt wird, wobei die Steuereinrichtung (19) dazu eingerichtet ist, die Laufzeit der Welle (8) entlang des Ausbreitungspfades (9) zu dem oder dem weiteren Schwingungswandler (6, 7) zu erfassen und in Abhängigkeit der Laufzeit den Druck in dem Messbehälter (4) zu ermitteln, dadurch gekennzeichnet, dass der und/oder der weitere Schwingungswandler (6, 7) derart beweglich an dem Messbehälter (4) gelagert sind, dass sie bei einer Erhöhung des Drucks im Messbehälter (4) gegen eine Rückstellkraft bezüglich des Messbehälters (4) verschoben werden, wodurch sich die Länge des Ausbreitungspfades (9) und somit die Laufzeit in Abhängigkeit des Drucks im Messbehälter (4) ändern.
Messeinrichtung nach Anspruch 1, wobei sich der Ausbreitungspfad (9) von dem Schwingungswandler (6) zu dem weiteren Schwingungswandler (7) erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (19) dazu eingerichtet ist, zusätzlich eine weitere Laufzeit von dem weiteren Schwingungswandler (7) zu dem Schwingungswandler (6) zu ermitteln und den Druck in Abhängigkeit der Laufzeit und der weiteren Laufzeit zu ermitteln.
Messeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine jeweilige Kontaktfläche (14) des Schwingungswandlers (6) und/oder des weiteren Schwingungswandlers (7) mit dem Fluid im Messbehälter (4) in Kontakt ist und eine der jeweiligen Kontaktfläche (14) gegenüberliegende Seitenfläche (15) des Schwingungswandlers (6) und/oder des weiteren Schwingungswandlers (7) mit der die Messeinrichtung (1) umgebenden Luft oder mit einem Referenzvolumen (20), in dem ein vorgegebener Referenzdruck herrscht, in Kontakt ist, wobei der Schwingungswandler (6) und/oder der weitere Schwingungswandler (7) gewinkelt, vorzugsweise senkrecht, zur jeweiligen Kontaktfläche (14) verschiebbar gelagert sind.
Messeinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Schwingungswandler (6) und/oder dem weiteren Schwingungswandler (7) und einem Lagerbereich (12) des Messbehälters (4), an dem der Schwingungswandler (6) und/oder der weitere Schwingungswandler (7) gelagert ist, ein elastisch verformbares Rückstellelement (13), insbesondere eine Feder, angeordnet ist.
Messeinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie zusätzlich wenigstens einen Temperatursensor (21) zur Erfassung einer Temperatur des Fluids umfasst, wobei die Steuereinrichtung (19) dazu eingerichtet ist, den Druck zusätzlich in Abhängigkeit der Temperatur zu ermitteln.
Messeinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Messbehälter (4) ein Zusatzschwingungswandler (22) der Messeinrichtung (1) angeordnet ist, wobei die Steuereinrichtung (19) dazu eingerichtet ist, den Zusatzschwingungswandler (22) zur Anregung einer Zusatzwelle (24) in dem Fluid anzusteuern, wobei der Zusatzschwingungswandler (22) derart eingerichtet und an dem Messbehälter (4) angeordnet ist, dass die Zusatzwelle (24) entlang eines Zusatzausbreitungspfades (5) zurück zu dem Zusatzschwingungswandler (22) oder zu wenigstens einem an dem Messbehälter (4) angeordneten weiteren Zusatzschwingungswandler (23) der Messeinrichtung (1) geführt wird, wobei die Steuereinrichtung (19) dazu eingerichtet ist, die Laufzeit der Zusatzwelle (24) entlang des Zusatzausbreitungspfades (5) zu dem oder dem weiteren Zusatzschwingungswandler (22, 23) zu erfassen und den Druck zusätzlich in Abhängigkeit dieser Laufzeit der Zusatzwelle (24) zu ermitteln, wobei der Zusatzschwingungswandler (22) und/oder der weitere Zusatzschwingungswandler (23) starr an dem Messbehälter (4) angeordnet sind.
Messeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (19) dazu eingerichtet ist, den Druck in Abhängigkeit einer Laufzeitdifferenz zwischen der Laufzeit der Welle (8) und der Laufzeit der Zusatzwelle (24) zu ermitteln.
Verfahren zur Ermittlung eines Drucks in einem ein Fluid aufnehmenden oder von dem Fluid durchströmten Messbehälter (4), wobei an dem Messbehälter (4) ein Schwingungswandler (6) der Messeinrichtung (1) angeordnet ist, wobei durch eine Steuereinrichtung (19) der Messeinrichtung (1) der Schwingungswandler (6) zur Anregung einer Welle (8) in dem Fluid angesteuert wird, wobei die Welle (8) entlang eines Ausbreitungspfades (9) zurück zu dem Schwingungswandler (6) oder zu wenigstens einem an dem Messbehälter (4) angeordneten weiteren Schwingungswandler (7) der Messeinrichtung (1) geführt wird, wobei durch die Steuereinrichtung (19) die Laufzeit der Welle (8) entlang des Ausbreitungspfades (9) zu dem oder dem weiteren Schwingungswandler (6, 7) erfasst und in Abhängigkeit der Laufzeit der Druck in dem Messbehälter (4) ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der und/oder der weitere Schwingungswandler (6, 7) beweglich an dem Messbehälter (4) gelagert sind, so dass sie bei einer Erhöhung des Drucks im Messbehälter (4) gegen eine Rückstellkraft bezüglich des Messbehälters (4) verschoben werden, wodurch sich die Länge des Ausbreitungspfades (9) und somit die Laufzeit in Abhängigkeit des Drucks im Messbehälter (4) ändern.