DE102020116181A1

DE102020116181A1 - Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmessgerät

Info

Publication number: DE102020116181A1
Application number: DE102020116181.6A
Authority: DE
Inventors: Oliver Berberig; Thomas Fröhlich; Beat Kissling; Quirin Müller; Klaus Bussinger
Original assignee: Endress and Hauser Flowtec AG; Flowtec AG
Current assignee: Endress and Hauser Flowtec AG
Priority date: 2020-06-18
Filing date: 2020-06-18
Publication date: 2021-12-23
Also published as: WO2021255100A1; US20230228603A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmessgerät (1) umfassend:Mehrere Paare (10) Ultraschallwandler (11), welche an einer Außenseite (13.1) eines Rohrleitungsabschnitts (13) angeordnet sind,eine elektronische Mess-/Betriebsschaltung (20) zum Betreiben der Ultraschallwandler sowie zum Erfassen und Auswerten von Messsignalen der Ultraschallwandler sowie zum Bereitstellen von Messwerten des Volumendurchflusses oder der Durchflussgeschwindigkeit,wobei die Paare als 1-Traversen-Paar (10.1) oder als 2-Traversen-Paar (10.2) ausgeführt sind, wobei die Ultraschallwandler eines 1-Traversen-Paars auf gegenüberliegenden Seiten des Rohrleitungsabschnitts angeordnet sind, und wobei die Ultraschallwandler eines 2-Traversen-Paars auf einer gleichen Seite des Rohrleitungsabschnitt angeordnet sind,dadurch gekennzeichnet, dasszumindest drei Paare am Rohrleitungsabschnitt angeordnet sind,wobei die Paare umfänglich verteilt sind, wobei eine Anzahl Paare (A) zu einem bezüglich einer Rohrleitungsachse bemessenen Mindestwinkelabstand (MW) zwischen benachbarten Paaren folgendem Zusammenhang folgt:MW=360∘(T*A*F(T,A))mit T als Anzahl der Traversen und F(T,A) = 0.38 + 0.62*T + (0.048 - 0.01*T^2)*(A - 2)^2.

Description

Die Erfindung betrifft ein Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmessgerät nach dem Laufzeitdifferenzenprinzip zum Messen einer Durchflussgeschwindigkeit bzw. eines Volumendurchflusses eines durch eine Rohrleitung strömenden Mediums. Rohrleitungen, wie sie beispielsweise in industriellen Anlagen vorkommen, weisen üblicherweise Rohrleitungsbogen, Verzweigungen, Ventile und dergleichen auf, die eine Strömung des Mediums durch die Rohrleitung beeinflussen bzw. stören. Bei Clamp-On-Durchflussmessgeräten ist man jedoch darauf angewiesen, dass ein Strömungsprofil des Mediums im Bereich des Durchflussmessgeräts voll entwickelt ist, damit anhand von Signallaufzeitmessungen von Ultraschallsignalen ein Durchfluss innerhalb spezifizierter Fehlergrenzen bestimmt werden kann. In solchen Fällen wirken sich Störungen der Strömung, also Verzerrungen des Strömungsprofils schlecht auf eine Messperformance des Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmessgeräts aus. Eine Abweichung eines gemessenen Durchflusses von einem tatsächlichen Durchfluss ist abhängig von einer Orientierung von Ultraschallwandlerpaaren bezüglich der Strömungsstörung.
Die DE102013106108A1 schlägt daher vor, zwei Paare Ultraschallwandler an der Rohrleitung in einer 180°-Eintraversen-Anordnung oder in einer 90°-Zweitraversen-Anordnung zu verwenden. Auf diese Weise kann eine Schwankungsbreite eines Messfehlers aufgrund einer zufällig gewählten Orientierung der Ultraschallwandleranordnung bezüglich der Strömungsstörung auf knapp über 2% eingegrenzt werden, was für viele Anwendungen oder Kunden nicht zufriedenstellend ist.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmessgerät vorzuschlagen, bei welchem eine Messperformance deutlich verbessert ist.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmessgerät gemäß dem unabhängigen Anspruch 1.
Ein erfindungsgemäßes Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmessgerät nach dem Laufzeitdifferenzenprinzip zum Messen einer Durchflussgeschwindigkeit bzw. eines Volumendurchflusses eines durch eine Rohrleitung strömenden Mediums umfasst:

Mehrere Paare Ultraschallwandler, welche an einer Außenseite eines Rohrleitungsabschnitts angeordnet sind, wobei jeder Ultraschallwandler eines Paars dazu eingerichtet ist, Ultraschallsignale in den Rohrleitungsabschnitt zu senden und Ultraschallsignale des jeweils anderen Ultraschallwandlers des Paars zu empfangen, wobei die Ultraschallwandler eines jeden Paars einen Messpfad definieren und insbesondere in einer Längsschnittsebene des Rohrleitungsabschnitts angeordnet sind;
eine elektronische Mess-/Betriebsschaltung zum Betreiben der Ultraschallwandler sowie zum Erfassen und Auswerten von Messsignalen der Ultraschallwandler sowie zum Bereitstellen von Messwerten des Volumendurchflusses oder der Durchflussgeschwindigkeit,
wobei die Paare als 1-Traversen-Paar oder als 2-Traversen-Paar ausgeführt sind, wobei die Ultraschallwandler eines 1-Traversen-Paars auf gegenüberliegenden Seiten des Rohrleitungsabschnitts angeordnet sind, und wobei die Ultraschallwandler eines 2-Traversen-Paars auf einer gleichen Seite des Rohrleitungsabschnitt angeordnet sind,
wobei zumindest drei Paare am Rohrleitungsabschnitt angeordnet sind,
wobei die Paare umfänglich verteilt sind,
wobei benachbarte Paare einer Anzahl Paare A jeweils einen bezüglich einer Rohrleitungsachse bemessenen Mindestinnenwinkel MW zueinander aufweisen, welcher Mindestinnenwinkel folgendem Zusammenhang folgt:

MW = 360^{\circ} (T*A*F (T,A))

Dies führt bei T=1 und A= 3,4,5 zu Mindestwinkeln von ca. 115°, 78° und 53°, sowie bei T=2 und A=3,4,5 zu Mindestwinkeln von ca. 37°, 27° und 21°.
Es hat sich gezeigt, dass auf diese Weise in einem Reynoldszahlbereich von 12000 bis 500000 eine Schwankungsbreite eines Messfehlers aufgrund einer zufällig gewählten Orientierung der Ultraschallwandleranordnung bezüglich der Strömungsstörung deutlich geringer als 2% ist, insbesondere bei Abständen der Paare zur Strömungsstörung von weniger als 5 Innendurchmessern der Rohrleitung. Abstände sind dabei von beispielsweise einem Auslassquerschnitt einer Strömungsstörung bis zu einem Messpfadmittelpunkt aus bemessen.
Eine solche Strömungsstörung kann beispielsweise durch folgende Gegenstände oder einer beliebigen Folge solcher Gegenstände verursacht sein: Rohrleitungsbogen, Ventil, Rohrleitungsverengung, Rohrleitungsaufweitung, Rohrleitungsverzweigung. Ein erfindungsgemäßes Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmessgerät ist besonders vorteilhaft bei einer Abfolge mehrerer solcher Gegenstände wie beispielsweise zwei aufeinanderfolgende Rohrleitungsbögen, welche nicht in einer Ebene liegen.
In einer Ausgestaltung ist T=1, wobei Winkel zwischen verschiedenen benachbarten Paaren weniger als 6*(A-2)° und insbesondere weniger als 6*(A-2)° - 2° und bevorzugt weniger als 6*(A-2)° - 4° voneinander abweichen.
Auf diese Weise ergibt sich eine robuste Messperformance, welche wenig abhängig ist von einer Orientierung der Ultraschallwandler bezüglich der Strömungsstörung. Ein verbleibender, annähernd konstanter Messfehler lässt sich dann einfach kompensieren.
In einer Ausgestaltung ist T=2, wobei Winkel zwischen verschiedenen benachbarten Paaren weniger als (60/A +8-A)° und insbesondere weniger als (60/A +6-A)° und bevorzugt weniger als (60/A +4-A)° voneinander abweichen.
Auf diese Weise ergibt sich eine robuste Messperformance, welche wenig abhängig ist von einer Orientierung der Ultraschallwandler bezüglich der Strömungsstörung. Ein verbleibender, annähernd konstanter Messfehler lässt sich dann einfach kompensieren.
In einer Ausgestaltung ist T = 1 und ein Mindestgesamtwinkel MGW durch folgenden Zusammenhang gegeben: MGW = (A - 2) * (360° / A) + MW und beschreibt einen durch sämtliche Paare aufzuspannenden Mindestwinkel.
In einer Ausgestaltung sind die Paare entweder 1-Traversen-Paare oder 2-Traversen-Paare.
In einer Ausgestaltung weisen die Paare bezüglich eines Mittelpunkts des zugehörigen Messpfads einen gleichen Abstand zu einer Strömungsstörung auf.
Dadurch kann bei einer Mittelung der Beiträge der Paare zu einer Durchflussmessung eine Gleichgewichtung durchgeführt werden.
In einer Ausgestaltung weisen die Paare bezüglich eines Mittelpunkts des zugehörigen Messpfads einen Maximalabstand von 40 ID, und insbesondere 20 ID, und bevorzugt 10 ID auf, mit ID als Innendurchmesser der Rohrleitung.
Gerade bei geringen Abständen hat das erfindungsgemäße Durchflussmessgerät große Vorteile gegenüber dem Stand der Technik.
In einer Ausgestaltung ist T=2.
Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die Schwankungsbreite des Messfehlers in einem Reynoldszahlbereich von 12000 bis 500000 kleiner als 1% ist. Insbesondere ist dabei die Anzahl der Paare drei oder vier, auf diese Weise ist die Schwankungsbreite kleiner als 0.6%.
In einer Ausgestaltung ist der Rohrleitungsabschnitt Bestandteil des Clamp-On-Ultraschalldurchflussmessgerät und in die Rohrleitung integriert.
In einer Ausgestaltung ist die elektronische Mess-/Betriebsschaltung dazu eingerichtet, Messwerte des Volumendurchflusses oder der Durchflussgeschwindigkeit über eine Mittelung einer Messgröße der Ultraschallsignale zu berechnen.
Beispielsweise kann die Betriebsschaltung die Paare nacheinander zu Laufzeitdifferenzmessungen veranlassen, so dass sich die Paare nicht gegenseitig stören. Zur Erstellung von Durchflussmesswerten können beispielsweise Laufzeitdifferenzen der Paare gemittelt und darauf basierend Durchflussmesswerte erstellt werden, oder aus einzelnen Laufzeitdifferenzen Durchflüsse bestimmt und dann eine Mittelung von Durchflussmesswerten vorgenommen werden.
In einer Ausgestaltung ist A kleiner 6.
Auf diese Weise können Probleme beim Anordnen der Paare vermieden werden.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben.

1 a) und 1 b) beschreiben Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmessgeräte;
2 a) und 2 b) beschreiben erfindungsgemäße beispielhafte 1-Traversen-Anordnungen;
3 a) und 3 b) beschreiben erfindungsgemäße beispielhafte 2-Traversen-Anordnungen;

1 a) skizziert ein Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmessgerät 1 mit einem Paar 10 Ultraschallwandler 11, welche als 1-Traversen-Paar 10.1 auf gegenüberliegenden Seiten eines Rohrleitungsabschnitts 13 auf einer Außenseite 13.1 angeordnet sind. Die Ultraschallwandler sind parallel zu einer Rohrleitungsachse 13.2 versetzt angeordnet, so dass ein durch die Ultraschallwandler aufgespannter Messpfad 12 schräg zu einer Strömungsrichtung des Mediums verläuft. Auf diese Weise erfahren Ultraschallsignale eine strömungsabhängige Verlängerung oder Verkürzung einer Signallaufzeit. Ein Mittelpunkt des Messpfads 12 liegt dabei auf der Rohrleitungsachse.
1 b) skizziert ein Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmessgerät 1 mit einem Paar 10 Ultraschallwandler 11, welche als 2-Traversen-Paar 10.2 auf einer gleichen Seite eines Rohrleitungsabschnitts 13 auf einer Außenseite 13.1 angeordnet sind. Die Ultraschallwandler sind parallel zu einer Rohrleitungsachse 13.2 versetzt angeordnet, so dass ein durch die Ultraschallwandler aufgespannter Messpfad 12 schräg zu einer Strömungsrichtung des Mediums verläuft. Auf diese Weise erfahren Ultraschallsignale eine strömungsabhängige Verlängerung oder Verkürzung einer Signallaufzeit. Ein Mittelpunkt des Messpfads 12 liegt dabei auf einer Innenseite einer Rohrleitungswandung.
Bei einem kreisförmigen Querschnitt der Rohrleitung liegen in beiden Fällen die Ultraschallwandler eines Paars in einem Längsschnitt des Messrohrs entlang der Messrohrachse.
Der Rohrleitungsabschnitt kann dabei Teil des Durchflussmessgeräts sein, wobei bei Aufbau einer Messstelle das Durchflussmessgerät über den Rohrleitungsabschnitt in eine Rohrleitung integriert wird. Der Rohrleitungsabschnitt entspricht dann einem Messrohr des Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmessgeräts. Anderenfalls weist das Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmessgerät jedoch kein Messrohr auf, die Ultraschallwandler werden dann an die Außenseite einer bestehenden Rohrleitung / eines bestehenden Rohrleitungsabschnitts angebracht.
2 a) und 2 b) skizzieren erfindungsgemäße Anordnungen von Ultraschallwandlern eines 1-Traversen-Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmessgeräts mit drei bzw. vier Ultraschallwandlerpaaren in einer schematischen Frontansicht, wobei von jedem Paar aus darstellerischen Gründen jeweils nur das stromaufwärts bzw. nur das stromabwärts liegende Paar skizziert ist.
Gemäß dem Zusammenhang MW = 360°/(T*A*F(T,A)) mit T als Anzahl der Traversen, A als Anzahl der Ultraschallwandlerpaare, MW als Mindestwinkel zwischen beliebigen benachbarten Paaren und F(T,A) = 0.38 + 0.62*T + (0.048 - 0.01*T^2)*(A - 2)^2 gilt, dass bei drei Paaren die Ultraschallwandler (durchgezogene Kreise) beispielsweise jeweils einen Winkel 120° zueinander einnehmen können, jedoch kann der Winkel zwischen zwei Paaren auch kleiner sein, nämlich mindestens MW, hier 115°, wie mit den gestrichelten Kreisen angedeutet ist. Der Übersicht halber ist der Mindestwinkel nur zwischen einem Paar benachbarter Ultraschallwandlerpaare angedeutet. Das Winkelmaß bezieht sich generell auf die Rohrleitungsachse 13.2. Bei vier Paaren können die Ultraschallwandler einen Winkel von 90° zueinander einnehmen, jedoch kann der Winkel auch kleiner sein, nämlich mindestens MW, hier 78°. Äquivalentes gilt auch für fünf oder mehr Paare.
Insbesondere gilt, dass die Anzahl A Paare einen Mindestgesamtwinkel MGW einnimmt bzw. aufspannt, welcher durch folgenden Zusammenhang gegeben ist: MGW = (A - 2) * (360° / A) + MW. Auf diese Weise wird die Anordnung der Paare noch robuster und eine Schwankungsbreite eines Messfehlers aufgrund einer zufällig gewählten Orientierung noch geringer.
In einer Ausgestaltung gilt falls T=1, dass Winkel zwischen verschiedenen benachbarten Paaren weniger als 6*(A-2)° und insbesondere weniger als 6*(A-2)° - 2° und bevorzugt weniger als 6*(A-2)° - 4° voneinander abweichen.
3 a) und 3 b) skizzieren erfindungsgemäße Anordnungen von Ultraschallwandlern eines 2-Traversen-Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmessgeräts mit drei bzw. vier Ultraschallwandlerpaaren in einer schematischen Frontansicht, wobei von jedem Paar aus darstellerischen Gründen jeweils nur das stromaufwärts bzw. nur das stromabwärts liegende Paar skizziert ist.
Gemäß dem Zusammenhang MW = 360°/(T*A*F(T,A)) mit T als Anzahl der Traversen, A als Anzahl der Ultraschallwandlerpaare, MW als Mindestwinkel zwischen beliebigen benachbarten Paaren und F(T,A) = 0.38 + 0.62*T + (0.048 - 0.01*T^2)*(A - 2)^2 gilt, dass bei drei Paaren (durchgezogene Kreise) die Ultraschallwandler jeweils einen Winkel 120° (durchgezogene Kreise) zueinander einnehmen können, jedoch kann der Winkel auch kleiner sein, nämlich mindestens MW, hier 37°, wie mit den gestrichelten Kreisen angedeutet ist. Das Winkelmaß bezieht sich generell auf die Rohrleitungsachse 13.2. Bei vier Paaren können die Ultraschallwandler einen Winkel von 90° zueinander einnehmen, jedoch kann der Winkel auch kleiner sein, nämlich mindestens MW, hier 27°. Äquivalentes gilt auch für fünf oder mehr Paare. Der Übersicht halber ist der Mindestwinkel MW nur zwischen einem Paar benachbarter Ultraschallwandlerpaare angedeutet
Auf diese Weise ergibt sich eine robuste Messperformance, welche wenig abhängig ist von einer Orientierung der Ultraschallwandler bezüglich der Strömungsstörung. Ein verbleibender, annähernd konstanter Messfehler lässt sich dann einfach kompensieren.
In einer Ausgestaltung gilt falls T=2, dass Winkel zwischen verschiedenen benachbarten Paaren weniger als (60/A +8-A)° und insbesondere weniger als (60/A +6-A)° und bevorzugt weniger als (60/A +4-A)° voneinander abweichen.
Die Rohrleitung weist im Bereich der Ultraschallwandleranordnung einen kreisförmigen Querschnitt auf.
Der Mindestgesamtwinkel MGW ist dabei ein kleinster Winkel, der ausgehend von einem ersten Paar Ultraschallwandler zu einem letzten Paar Ultraschallwandler A - 2 Paare überstreicht.
Bezugszeichenliste

1: Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmessgerät
10: Paar von Ultraschallwandlern
10.1: 1-Traversen-Paar
10.2: 2-Traversen-Paar
11: Ultraschallwandler
12: Messpfad
12.1: Mittelpunkt Messpfad
13: Rohrleitungsabschnitt
13.1: Außenseite
13.2: Rohrleitungsachse
20: elektronische Mess-/Betriebsschaltung
A: Anzahl Paare
T: Anzahl Traversen
MW: Mindestwinkelabstand

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013106108 A1 [0002]

Claims

Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmessgerät (1) nach dem Laufzeitdifferenzenprinzip zum Messen einer Durchflussgeschwindigkeit bzw. eines Volumendurchflusses eines durch eine Rohrleitung mit kreisförmigem Querschnitt strömenden Mediums umfassend: Mehrere Paare (10) Ultraschallwandler (11), welche an einer Außenseite (13.1) eines Rohrleitungsabschnitts (13) angeordnet sind, wobei jeder Ultraschallwandler eines Paars dazu eingerichtet ist, Ultraschallsignale in den Rohrleitungsabschnitt zu senden und Ultraschallsignale des jeweils anderen Ultraschallwandlers des Paars zu empfangen, wobei die Ultraschallwandler eines jeden Paars einen Messpfad (12) definieren und insbesondere in einer Längsschnittsebene des Rohrleitungsabschnitts angeordnet sind; eine elektronische Mess-/Betriebsschaltung (20) zum Betreiben der Ultraschallwandler sowie zum Erfassen und Auswerten von Messsignalen der Ultraschallwandler sowie zum Bereitstellen von Messwerten des Volumendurchflusses oder der Durchflussgeschwindigkeit, wobei die Paare als 1-Traversen-Paar (10.1) oder als 2-Traversen-Paar (10.2) ausgeführt sind, wobei die Ultraschallwandler eines 1-Traversen-Paars auf gegenüberliegenden Seiten des Rohrleitungsabschnitts angeordnet sind, und wobei die Ultraschallwandler eines 2-Traversen-Paars auf einer gleichen Seite des Rohrleitungsabschnitt angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest drei Paare am Rohrleitungsabschnitt angeordnet und umfänglich verteilt sind, wobei benachbarte Paare einer Anzahl Paare (A) jeweils einen bezüglich einer Rohrleitungsachse bemessenen Mindestwinkel (MW) zueinander aufweisen, welcher Mindestwinkel folgendem Zusammenhang folgt: $MW = 360^{\circ} (T*A*F (T,A))$
mit T als Anzahl der Traversen und F(T,A) = 0.38 + 0.62*T + (0.048 - 0.01*T^2)*(A - 2)^2.
Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmessgerät nach Anspruch 1, wobei T=1 und wobei Winkel zwischen verschiedenen benachbarten Paaren weniger als 6*(A-2)° und insbesondere weniger als 6*(A-2)° - 2° und bevorzugt weniger als 6*(A-2)° - 4° voneinander abweichen. oder wobei T=2 und wobei Winkel zwischen verschiedenen benachbarten Paaren weniger als (60/A +8-A)° und insbesondere weniger als (60/A) +6-A)° und bevorzugt weniger als (60/A +4-A)° voneinander abweichen.
Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmessgerät nach Anspruch 1 oder 2, wobei T = 1 und ein Mindestgesamtwinkel (MGW) durch folgenden Zusammenhang gegeben ist: MGW = (A - 2) * (360° / A) + MW, wobei der Mindestgesamtwinkel einen durch sämtliche Paare aufzuspannenden Mindestwinkel beschreibt.
Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmessgerät nach einem der vorigen Ansprüche, wobei die Paare entweder 1-Traversen-Paare oder 2-Traversen-Paare sind.
Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmessgerät nach einem der vorigen Ansprüche, wobei die Paare bezüglich eines Mittelpunkts (12.1) des zugehörigen Messpfads (12) einen gleichen Abstand zu einer Strömungsstörung aufweisen.
Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmessgerät nach einem der vorigen Ansprüche, wobei die Paare (10) bezüglich eines Mittelpunkts (12.1) des zugehörigen Messpfads einen Maximalabstand von 40 ID, und insbesondere 20 ID, und bevorzugt 10 ID aufweisen mit ID als Innendurchmesser der Rohrleitung.
Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmessgerät nach einem der vorigen Ansprüche, wobei T=2.
Clamp-On-Ultraschalldurchflussmessgerät nach einem der vorigen Ansprüche, wobei der Rohrleitungsabschnitt (13) Bestandteil des Clamp-On-Ultraschalldurchflussmessgerät und in die Rohrleitung integriert ist.
Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmessgerät nach einem der vorigen Ansprüche, wobei die elektronische Mess-/Betriebsschaltung (20) dazu eingerichtet ist, Messwerte des Volumendurchflusses oder der Durchflussgeschwindigkeit über eine Mittelung einer Messgröße der Ultraschallsignale zu berechnen.
Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmessgerät nach einem der vorigen Ansprüche, wobei A kleiner 6 ist.