DE102021133188A1

DE102021133188A1 - Verfahren zum Betreiben eines Ultraschall-Messgeräts und ein Ultraschall-Messgerät

Info

Publication number: DE102021133188A1
Application number: DE102021133188.9A
Authority: DE
Inventors: Jens Rautenberg; Achim STARK; Stefan Rüger; Klaus Beringer; Rudolf Braun; Oliver Berberig; Michael Münch
Original assignee: Endress and Hauser Flowtec AG; Flowtec AG
Current assignee: Endress and Hauser Flowtec AG
Priority date: 2021-12-15
Filing date: 2021-12-15
Publication date: 2023-06-15
Also published as: WO2023110305A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren (100) zum Betreiben eines Ultraschall-Messgeräts (1) zum Messen mindestens einer Eigenschaft eines Mediums umfassend:eine Anordnung (10) von zumindest zwei Paaren von Ultraschallwandlern (20) zum Aussenden und Empfangen von Ultraschallsignalen jeweils eines Signalpfads (30) durch ein Fluid;eine Haltevorrichtung (50) mit einer medienberührenden Wandung (51) mit zumindest einem ebenen Wandabschnitt (51.1) zum Halten der Ultraschallwandler;eine elektronische Mess-/Betriebsschaltung (40) zum Betreiben der Ultraschallwandler und zum Bereitstellen von Messwerten der Eigenschaft,wobei die Ultraschallwandler in der jeweils zugehörigen Wandung Lambschwingungen ausbilden, dadurch gekennzeichnet, dassmindestens zwei Paare der zumindest zwei Paare von Ultraschallwandlern jeweils unterschiedliche Moden von Lambschwingungen anregen und erfassen,wobei in einem ersten Verfahrensschritt (101) die unterschiedlichen Moden gruppenweise angeregt werden, wobei ein Zeitversatz zwischen zeitlich benachbarten Aussendungen von Ultraschallsignalen kleiner ist als eine kleinste Laufzeit der Ultraschallsignale zwischen zugehörigen Ultraschallwandlern.

Description

Die Anmeldung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Ultraschall-Messgeräts zum Erfassen einer Messgröße eines Fluids wie beispielsweise ein Durchfluss oder eine Dämpfungseigenschaft. Die Anmeldung betrifft des Weiteren ein Ultraschall-Messgerät zur Umsetzung des Verfahrens.
Ultraschall-Messgeräte wie beispielsweise in der DE102018133066A1 sind Stand der Technik. Eine genaue Bestimmung von Messgrößen kann eine genaue Kenntnis von Medieneigenschaften erfordern. Medieneigenschaften können sich jedoch im Laufe der Zeit beispielsweise dynamisch in Prozessen ändern, so dass bei Messgeräten gemäß dem Stand der Technik hin und wieder oder in regelmäßigen Abständen eine Überprüfung nötig sein kann.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum Betreiben eines Ultraschall-Messgeräts und ein solches Ultraschall-Messgerät vorzuschlagen, bei welchen eine Medieneigenschaft überprüfbar ist.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäße dem unabhängigen Anspruch 1 sowie durch ein Ultraschall-Messgerät gemäß dem unabhängigen Anspruch 9.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines Ultraschall-Messgeräts zum Messen mindestens einer Eigenschaft eines Mediums umfasst das Ultraschall-Messgerät:

eine Anordnung von zumindest zwei Paaren von Ultraschallwandlern zum Aussenden und Empfangen von Ultraschallsignalen jeweils entlang eines zugehörigen Signalpfads durch ein Fluid;
eine Haltevorrichtung mit einer medienberührenden Wandung mit einem ebenen Wandabschnitt oder mehreren ebenen Wandabschnitten zum Halten der Ultraschallwandler, woran die Ultraschallwandler angeordnet sind, wobei die Signalpfade abschnittsweise durch die Wandung verlaufen;
eine elektronische Mess-/Betriebsschaltung zum Betreiben der Ultraschallwandler und zum Bereitstellen von Messwerten der Eigenschaft,
wobei die Ultraschallwandler in der jeweils zugehörigen Wandung zeitlich begrenzte Lambschwingungen ausbilden,
mindestens zwei Paare der zumindest zwei Paare von Ultraschallwandlern jeweils unterschiedliche Moden von Lambschwingungen anregen und erfassen,
wobei in einem ersten Verfahrensschritt die unterschiedlichen Moden gruppenweise angeregt werden, wobei ein Zeitversatz zwischen zeitlich benachbarten Aussendungen von Ultraschallsignalen kleiner ist als eine kleinste Laufzeit der Ultraschallsignale zwischen zugehörigen Ultraschallwandlern.

Auf diese Weise können Ultraschallsignale verschiedener Moden abschnittweise gleichzeitig entlang ihrer Signalpfade laufen, ohne eine störende Wechselwirkung bei empfangenden Ultraschallwandlern hervorzurufen.
Zeitlich begrenzt bedeutet, dass die Ultraschallsignale einer Pulsform bzw. einer Burstform als Ultraschallsignalverlauf folgen. Beispielsweise kann ein Ultraschallsignalverlauf durch eine kontinuierliche Schwingung gefaltet mit einer zeitlich begrenzten Funktion wie beispielsweise einer Rechteck- oder einer Gaußfunktion beschrieben bzw. angenähert werden.
Bei einer Erzeugung von Lambwellen in einer Wandung werden Ultraschallsignale nicht nur in das Medium abgestrahlt, sondern verlaufen anteilsweise auch innerhalb der Wandung. Je nach Anordnung und Messaufbau können gegebenenfalls beide Anteile für eine Messung genutzt werden.
In einer Ausgestaltung weist der Empfang der Ultraschallsignale unterschiedlicher Moden einen Zeitversatz größer als eine mittlere Zeitdauer der Ultraschallsignale auf.
Dazu erfolgt die Anregung der Ultraschallsignale unterschiedlicher Moden so, dass der Empfang der Ultraschallsignale unterschiedlicher Moden einen Zeitversatz größer als eine mittlere Zeitdauer der Ultraschallsignale aufweist.
In einer Ausgestaltung sind die Paare Ultraschallwandler jeweils an verschiedenen Gruppen von ebenen Wandabschnitten mit einem oder zwei Wandabschnitten angeordnet.
In einer Ausgestaltung weisen benachbarte ebene Wandabschnitte einen Winkel zueinander auf.
Durch Anordnung von Paaren von Ultraschallwandlern auf verschiedenen Wandabschnitten, wobei benachbarte Wandabschnitte jeweils einen Winkel zueinander aufweisen, kann eine zeitlich bessere Trennung von verschiedenen Moden von Lambschwingungen erreicht werden
In einer Ausgestaltung weisen mindestens zwei der zumindest zwei Signalpfade unterschiedlich lange Signallaufzeiten auf.
In einer Ausgestaltung weist die Wandung mehrere Wandabschnitte auf, welche in einem Querschnitt durch die Wandung ein geradzahliges Vieleck wie beispielsweise ein Rechteck oder ein Kreuz definieren.
In einer Ausgestaltung erfasst die elektronische Mess-/Betriebsschaltung in einem zweiten Verfahrensschritt Intensitäten von Ultraschallsignalen der unterschiedlichen Moden und
bestimmt in einem dritten Verfahrensschritt aus den gemessenen Intensitäten zumindest eine physikalische Eigenschaft des Fluids.
In einer Ausgestaltung wird in einem vierten Verfahrensschritt eine Reynoldszahl bestimmt und diese bei der Berechnung einer Eigenschaft des Mediums herangezogen.
Ein erfindungsgemäßes Ultraschall-Messgerät eingerichtet zur Umsetzung des Verfahrens nach einem der vorigen Ansprüche umfasst:

eine Anordnung von Ultraschallwandlern zum Aussenden und Empfangen von Ultraschallsignalen entlang mindestens zweier Signalpfade durch ein Fluid,
wobei die Anordnung durch eine Haltevorrichtung mit zumindest einer Wandung gehalten ist, wobei die Signalpfade abschnittsweise durch mindestens eine der zumindest einen Wandung verlaufen,
dadurch gekennzeichnet, dass
mindestens zwei Paare der zumindest zwei Paare von Ultraschallwandlern dazu eingerichtet sind, jeweils unterschiedliche Moden von Lambschwingungen anzuregen und zu erfassen,
wobei eine elektronische Mess-/Betriebsschaltung des Ultraschall-Messgeräts dazu eingerichtet ist, in einem ersten Verfahrensschritt die unterschiedlichen Moden gruppenweise anzuregen, wobei ein Zeitversatz zwischen zeitlich benachbarten Aussendungen von Ultraschallsignalen kleiner ist als eine kleinste Laufzeit der Ultraschallsignale zwischen zugehörigen Ultraschallwandlern.

In einer Ausgestaltung ist die Haltevorrichtung ein Messrohr, welches Messrohr ein durch eine Rohrleitung strömendes Fluid führt, wobei die Ultraschallwandler auf einer Außenfläche des Messrohrs angeordnet sind,
oder wobei die Anordnung mit der Haltevorrichtung in ein beispielsweise in einem Behältnis befindlichen Fluid getaucht ist.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen dargestellt.

1 skizziert den Aufbau eines beispielhaften Ultraschall-Messgeräts mit einem Messrohr;
2 skizziert ein beispielhaftes tauchbares Ultraschall-Messgerät;
3 a) zeigt eine beispielhafte erfindungsgemäße Anordnung von Ultraschallwandlern an einer Haltevorrichtung in einer Aufsicht, und 3b) und c) zeigen beispielhafte erfindungsgemäße Anordnungen von Ultraschallwandlern an einer Haltevorrichtung jeweils in einer Frontansicht;
4 skizziert den Ablauf eines beispielhaften erfindungsgemäßen Verfahrens.

1 skizziert den Aufbau eines beispielhaften Ultraschall-Messgeräts 1 mit einer Anordnung 10 von Ultraschallwandlern 20, welche auf einer Außenfläche 52.1 eines in eine Rohrleitung 60 integrierten Messrohrs 52 angeordnet sind. Das Messrohr wirkt hierbei als eine Haltevorrichtung 50 für die Ultraschallwandler 20. Ein Signalpfad 30 zwischen zwei Ultraschallwandlern 20 kann ein Ein-Traversenpfad ohne Reflexion oder wie gestrichelt dargestellt ein Mehr-Traversenpfad mit zumindest einer Reflexion sein. Signalpfade weisen im Fluid jeweils einen Signalpfadabschnitt 31 mit jeweils einer Länge auf.
Die Ultraschallwandler einer Anordnung werden von einer elektronischen Mess-/Betriebsschaltung 40 betrieben, welche des Weiteren dazu eingerichtet ist, Messsignale der Ultraschallwandler zu erfassen und Messwerte von einer Messgröße bereitzustellen.
Die Ultraschallwandler sind dabei Lambwellen-Ultraschallwandler. Das Ultraschall-Messgerät weist eine Lambwellen-Vorrichtung 21 auf, welche dazu eingerichtet ist, Lambwellen zu erzeugen bzw. auszubilden und zu führen. Die Lambwellen-Vorrichtung kann dabei durch eine Wandung 51 des Messrohrs gegeben sein. Das Ultraschall-Messgerät kann beispielsweise ein Laufzeit- bzw. Laufzeitdifferenzen-Durchflussmessgerät sein. Das Ultraschall-Messgerät kann auch dazu eingerichtet sein, eine Dämpfung eines Fluids zu bestimmen.
2 skizziert ein beispielhaftes Ultraschall-Messgerät 1, welches in ein Fluid eines Behältnisses 70 getaucht ist. Entsprechend der in 1 gezeigten Ausführung weist das Ultraschall-Messgerät eine Anordnung 10 von Ultraschallwandlern 20 auf, welche an einer Haltevorrichtung 50 mit einer Wandung 51 angeordnet sind. Wie in 1 dargestellt kann ein Signalpfad 30 zwischen zwei Ultraschallwandlern 20 ein Ein-Traversenpfad ohne Reflexion oder ein Mehr-Traversenpfad mit zumindest einer Reflexion sein. Signalpfade weisen im Fluid einen Signalpfadabschnitt 31 mit einer Länge auf. Die Ultraschallwandler einer Anordnung werden von einer elektronischen Mess-/Betriebsschaltung 40 (hier der Übersichtlichkeit wegen nicht gezeigt) betrieben, welche des Weiteren dazu eingerichtet ist, Messsignale der Ultraschallwandler zu erfassen und Messwerte von einer Messgröße bereitzustellen. Die Ultraschallwandler sind Lambwellen-Ultraschallwandler, das Ultraschall-Messgerät weist eine Lambwellen-Vorrichtung 21 auf, welche dazu eingerichtet ist, Lambwellen zu erzeugen bzw. Lambwellen auszubilden und zu führen. Wie hier gezeigt, kann die Anordnung / das Ultraschall-Messgerät in einer Öffnung eines Behältnisses eingesetzt sein. Eine erfindungsgemäße Anordnung / erfindungsgemäßes Ultraschall-Messgerät kann auch bei freistehenden Fluiden verwendet werden.
3 a) zeigt eine beispielhafte erfindungsgemäße Anordnung von Ultraschallwandlern an einer Haltevorrichtung in einer Aufsicht, und 3b) und c) zeigen beispielhafte erfindungsgemäße Anordnungen von Ultraschallwandlern an einer Haltevorrichtung jeweils in einer Frontansicht, mit welchen Anordnungen das erfindungsgemäße Verfahren umsetzbar ist. Erfindungsgemäß sind zumindest zwei Paare Ultraschallwandler vorgesehen, welche dazu eingerichtet sind, in der Wandung 51 der Haltevorrichtung Lambwellen anzuregen, wobei mindestens zwei der zumindest zwei Paare von Ultraschallwandlern jeweils dazu eingerichtet sind, unterschiedliche Moden anzuregen.
Wie in einer schematischen Aufsicht von 3 a) gezeigt, können die Paare von Ultraschallwandlern auf einem gemeinsamen ebenen Wandabschnitt 51.1 einer Wandung 51 angeordnet sein, wobei die Paare wie hier beispielhaft gezeigt nebeneinander angeordnet sein können. Alternativ können die Paare beispielsweise auch hintereinander oder ineinander verschachtelt angeordnet sein. Auf diese Weise können kompakte Ultraschall-Messgeräte eingerichtet werden.
Wie in 3 b) zu sehen, kann die Haltevorrichtung 50 / das Messrohr 52 beispielsweise eine rechteckige Form aufweisen, so dass zwei zusammengehörige Ultraschallwandler unterschiedliche Abstände zueinander aufweisen. Es können wie in 3 c) dargestellt auch andere Querschnittsformen wie beispielhaft gezeigt ein Kreuz eingesetzt werden. Es können auch mehr als zwei Signalpfade eingerichtet werden, wobei wie hier gezeigt beispielsweise mehrere Signalpfade im Fluid gleichlange Signalpfadabschnitte aufweisen können. Querschnitte der Haltevorrichtungen können generell einer geradzahligen Vieleckform folgen. Durch Anordnung von Paaren von Ultraschallwandlern 20 auf verschiedenen Wandabschnitten 51, wobei benachbarte Wandabschnitte jeweils einen Winkel zueinander aufweisen, kann eine zeitlich bessere Trennung von verschiedenen Moden von Lambschwingungen erreicht werden.
4 skizziert den Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens 100,
wobei in einem ersten Verfahrensschritt 101 unterschiedlichen Moden durch unterschiedliche Paare von Ultraschallwandlern gruppenweise angeregt werden, wobei ein Zeitversatz zwischen zeitlich benachbarten Aussendungen von zeitlich begrenzten Ultraschallsignalen kleiner ist als eine kleinste Laufzeit der Ultraschallsignale zwischen zugehörigen Ultraschallwandlern.
Auf diese Weise können Ultraschallsignale verschiedener Moden abschnittweise gleichzeitig entlang ihrer Signalpfade laufen, ohne eine störende Wechselwirkung bei empfangenden Ultraschallwandlern hervorzurufen. Insbesondere kann dazu die Anregung der Ultraschallsignale unterschiedlicher Moden so erfolgen, dass der Empfang der Ultraschallsignale unterschiedlicher Moden einen Zeitversatz größer als eine mittlere Zeitdauer der Ultraschallsignale aufweist.
Zeitlich begrenzt bedeutet, dass die Ultraschallsignale einer Pulsform bzw. einer Burstform als Ultraschallsignalverlauf folgen. Beispielsweise kann ein Ultraschallsignalverlauf durch eine kontinuierliche Schwingung gefaltet mit einer zeitlich begrenzten Funktion wie beispielsweise einer Rechteck- oder einer Gaußfunktion beschrieben bzw. angenähert werden.
Bei einer Erzeugung von Lambwellen in einer Wandung werden Ultraschallsignale nicht nur in das Medium abgestrahlt, sondern verlaufen anteilsweise auch innerhalb der Wandung. Je nach Anordnung und Messaufbau können gegebenenfalls beide Anteile für eine Messung genutzt werden.
In einer Ausgestaltung kann in einem zweiten Verfahrensschritt 102 die elektronische Mess-/Betriebsschaltung 40 des Ultraschall-Messgeräts Intensitäten von Ultraschallsignalen entlang von Signalpfaden mit unterschiedlich langen Signalpfadabschnitten im Fluid vergleichen und in einem dritten Verfahrensschritt 103 daraus eine Dämpfungseigenschaft des Fluids und/oder eine akustische Koppeleigenschaft zwischen Wandung und Fluid bestimmt werden.
In einer Ausgestaltung wird in einem vierten Verfahrensschritt eine Reynoldszahl bestimmt und diese bei der Berechnung einer Eigenschaft des Mediums herangezogen.
In einer Ausgestaltung durchlaufen die Signalpfade das Fluid mit höchstens zwei Reflexionen, und insbesondere höchstens einer Reflexion.
Auf diese Weise kann eine störende Wechselwirkung von Ultraschallsignalen und Ultraschall in der Wandung vermieden werden.
Generell gilt, dass die Erfindung nicht auf die hier gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern ein Fachmann den erfinderischen Gedanken an seine Anforderungen anpassen kann.
Bezugszeichenliste

1: Ultraschall-Messgerät
10: Anordnung von Ultraschallwandlern
20: Ultraschallwandler
21: Lambwellen-Vorrichtung
30: Signalpfad
31: Signalpfadabschnitt im Fluid
40: elektronische Mess-/Betriebsschaltung
50: Haltevorrichtung
51: Wandung
51.1: ebener Wandabschnitt
52: Messrohr
52.1: Außenfläche
53: Lambwellen-Platte
60: Rohrleitung
70: Behältnis
100: Verfahren
101: erster Verfahrensschritt
102: zweiter Verfahrensschritt
103: dritter Verfahrensschritt
104: vierter Verfahrensschritt

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 102018133066 A1 [0002]

Claims

Verfahren (100) zum Betreiben eines Ultraschall-Messgeräts (1) zum Messen mindestens einer Eigenschaft eines Mediums umfassend: eine Anordnung (10) von zumindest zwei Paaren von Ultraschallwandlern (20) zum Aussenden und Empfangen von Ultraschallsignalen jeweils entlang eines Signalpfads (30) durch ein Fluid; eine Haltevorrichtung (50) mit einer medienberührenden Wandung (51) mit einem ebenen Wandabschnitt oder mehreren ebenen Wandabschnitten (51.1) zum Halten der Ultraschallwandler, woran die Ultraschallwandler angeordnet sind, wobei die Signalpfade abschnittsweise durch die Wandung verlaufen; eine elektronische Mess-/Betriebsschaltung (40) zum Betreiben der Ultraschallwandler und zum Bereitstellen von Messwerten der Eigenschaft, wobei die Ultraschallwandler in der jeweils zugehörigen Wandung zeitlich begrenzte Lambschwingungen ausbilden, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Paare der zumindest zwei Paare von Ultraschallwandlern jeweils unterschiedliche Moden von Lambschwingungen anregen und erfassen, wobei in einem ersten Verfahrensschritt (101) die unterschiedlichen Moden gruppenweise angeregt werden, wobei ein Zeitversatz zwischen zeitlich benachbarten Aussendungen von Ultraschallsignalen kleiner ist als eine kleinste Laufzeit der Ultraschallsignale zwischen zugehörigen Ultraschallwandlern.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Empfang der Ultraschallsignale unterschiedlicher Moden einen Zeitversatz größer als eine mittlere Zeitdauer der Ultraschallsignale aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Paare Ultraschallwandler (20) jeweils an verschiedenen Gruppen von ebenen Wandabschnitten mit einem oder zwei Wandabschnitten angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei benachbarte ebene Wandabschnitte einen Winkel zueinander aufweisen.
Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, wobei mindestens zwei der zumindest zwei Signalpfade (30) unterschiedlich lange Signallaufzeiten aufweisen.
Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, wobei die Wandung (51) mehrere Wandabschnitte (51.1) aufweist, welche in einem Querschnitt durch die Wandung ein geradzahliges Vieleck wie beispielsweise ein Rechteck oder ein Kreuz definieren.
Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, wobei die elektronische Mess-/Betriebsschaltung (40) in einem zweiten Verfahrensschritt (102) Intensitäten von Ultraschallsignale der unterschiedlichen Moden erfasst und in einem dritten Verfahrensschritt (103) aus den gemessenen Intensitäten zumindest eine physikalische Eigenschaft des Fluids bestimmt.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei in einem vierten Verfahrensschritt (104) eine Reynoldszahl bestimmt wird und diese bei der Berechnung einer Eigenschaft des Mediums herangezogen wird.
Ultraschall-Messgerät (1) eingerichtet zur Umsetzung des Verfahrens nach einem der vorigen Ansprüche umfassend: eine Anordnung (10) von Ultraschallwandlern (20) zum Aussenden und Empfangen von Ultraschallsignalen entlang mindestens zweier Signalpfade (30) durch ein Fluid, wobei die Anordnung durch eine Haltevorrichtung (50) mit zumindest einer Wandung (51) gehalten ist, wobei die Signalpfade abschnittsweise durch mindestens eine der zumindest einen Wandung verlaufen, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Paare der zumindest zwei Paare von Ultraschallwandlern dazu eingerichtet sind, jeweils unterschiedliche Moden von Lambschwingungen anzuregen und zu erfassen, wobei eine elektronische Mess-/Betriebsschaltung (40) des Ultraschall-Messgeräts dazu eingerichtet ist, in einem ersten Verfahrensschritt (101) die unterschiedlichen Moden gruppenweise anzuregen, wobei ein Zeitversatz zwischen zeitlich benachbarten Aussendungen von Ultraschallsignalen kleiner ist als eine kleinste Laufzeit der Ultraschallsignale zwischen zugehörigen Ultraschallwandlern.
Ultraschall-Messgerät (1) nach Anspruch 9, wobei die Haltevorrichtung (50) ein Messrohr (52) ist, welches Messrohr ein durch eine Rohrleitung (60) strömendes Fluid führt, wobei die Ultraschallwandler auf einer Außenfläche (52.1) des Messrohrs angeordnet sind, oder wobei die Anordnung (10) mit der Haltevorrichtung (50) in ein beispielsweise in einem Behältnis (70) befindlichen Fluid getaucht ist.
Ultraschall-Messgerät (1) nach Anspruch 10, wobei die Ultraschallwandler (20) bei Aussenden eines Ultraschallsignals Ultraschall-Lambwellen in einer dazu vorgesehenen Lambwellen-Vorrichtung (21) erzeugen, wobei die Lambwellen-Vorrichtung die Messrohrwandung (51) oder eine Lambwellenplatte (53) der Haltevorrichtung (50) ist.