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Die vorliegende Erfindung betrifft
zum einen einen Meßwertgeber
für einen
Ultraschall-Durchflußmesser,
zum anderen einen Ultraschall-Durchflußmesser unter Verwendung eines
erfindungsgemäßen Meßwertgebers.
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Ein Meßwertgeber gemäß dem Oberbegriff des
Anspruchs 1 ist aus der
DE
196 52 655 A1 bekannt. Hierbei sind sowohl im Strömungszulauf
als auch -ablauf im Bereich der Verteilkammern vor bzw. nach dem
Meßrohr
Strömungsführungseinsätze vorgesehen,
mittels denen eine Strömungsteilung
sowie -Verwirbelung in Querrichtung zur Meßstrecke vorgenommen wird.
Diese Strömungsführungseinsätze sind
Bestandteil einer ins Meßrohr
einzubringenden Einsteckhülse.
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Aus der
CH 648 932 A5 ist ebenfalls ein Meßwertgeber
zur Bestimmung der Durchflußmenge einer
strömenden
Flüssigkeit
bekannt, bei dem in der Wand des Meßrohres an beiden Endbereichen
desselben Öffnungen
vorgesehen sind, um in diesem Bereich ein definiertes Turbulenzprofil
zu erzielen. Auch hier erfolgt die Strömungsteilung sowie -verwirbelung
in Querrichtung zur Meßstrecke.
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Aus der
DE 42 15 598 A1 ist weiterhin
ein Meßwertgeber
bekannt, dessen Meßrohr
an dessen einlaßseitigem
Ende eine Mehrzahl von umfänglich angeordneten
Stegen aufweist, wobei jeder Steg eine Anströmkante sowie zwei Abrißkanten
zur Erzeugung drallfreier Turbulenzen aufweist.
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All den vorerwähnten Meßwertgebern des Standes der
Technik ist gemeinsam, daß aufgrund der
querorientierten Einströmung
der Flüssigkeit
sowie Strömungsteilung
bzw. -verwirbelung derselben einerseits vergleichsweise viel Bauraum
notwendig ist, andererseits die umlenkungsbedingten Druckverluste
mit zunehmender Miniaturisierung in erheblichem Maße zunehmen.
Darüberhinaus
ist auch die Herstellung aufwendig, da die Ein- und Auslaufkanäle im Sandguß oder Kokillenguß hergestellt
werden müssen.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung
besteht darin, einen gattungsgemäßen Meßwertgeber zur
Verfügung
zu stellen, welcher wenig Bauraum benötigt, aber gleichzeitig eine
hohe Meßgenauigkeit bei
niedrigem Druckverlust gewährleistet.
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Diese Aufgabe wird bei dem gattungsgemäßen Meßwertgeber
dadurch gelöst,
daß mindestens ein
Strömungsführungseinsatz
mit Strömungsteiler und
Verwirbelungsglied zumindest im Bereich des Einlaufs zur Meßstrecke
vorgesehen ist, derart, daß die
Strömung
in Längsrichtung
zur Meßstrecke
geteilt und verwirbelt wird. Hierdurch wird erreicht, daß Strömungsinhomogenitäten am Wandler
bzw. Wandlerhalter (z. B. bei einem einseitigen Wandlerhalter) durch
Strömungsteilung
und -verwirbelung ausgeglichen werden können, wodurch die Genauigkeit
und Reproduzierbarkeit des Meßwertgebers
vor allem im Kleinlastbereich erheblich verbessert werden kann. Da
die Strömung
in Längsrichtung
zur Meßstrecke geteilt
und verwirbelt wird, lassen sich entsprechende Strömungsteiler
und Verwirbelungsglieder unmittelbar am oder im Bereich des Meßwandler(s)
positionieren, wodurch Einbauraum eingespart werden kann und ein
hoher Miniaturisierungsgrad erreicht werden kann.
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Der Stromführungseinsatz ist vor und/oder nach
dem Wandler bzw. dem einen Umlenkspiegel (bei U-förmiger Meßstrecke)
positioniert, so daß eine, Inhomogenitäten der
Strömung
ausgleichende Strömungsteilung
und/oder -verwirbelung im Bereich des umströmten Wandlers bzw. Umlenkspiegels
erfolgt. Damit lassen sich vor allem schädliche Profilverzerrungen,
die außerhalb
durch Rohrbögen,
halb offene Ventile und Inhomogenitäten und Verzerrungen, die innerhalb
durch Inhomogenitäten
begründende Ecken
oder Kanten im Einlaufbereich oder durch die Geometrie der einseitigen
Halterung des Wandlers so ausgleichen, daß die Geschwindigkeitsvektoren annähernd gleich über den
Querschnitt werden Zweckmäßigerweise
kann der Stromführungseinsatz gleichzeitig
ein- oder mehrteiliger Bestandteil des Meßrohrs oder Bestandteil des
Halters des Wandlers bzw. des Umlenkspiegels sein oder mit diesem
zusammenwirken, so daß der
Halter insoweit eine doppelte Funktionalität besitzt. Auch der Raumbedarf wird
hierdurch reduziert. Insbesondere kann der Stromführungszusatz
als Einsteckteil vorgesehen sein.
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Insbesondere umfaßt der Stromführungseinsatz
mehrere Verwirbelungsglieder, die – über den Querschnitt der Meßstrecke
gesehen – für eine Mehrzahl
lokaler Verwirbelungszonen sorgen.
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Entsprechende Verwirbelungsglieder
besitzen zweckmäßigerweise
eine sich erweiternde Form (z. B. Dreiecksform) mit einer einzigen
Anströmkante sowie
zwei Abrißkanten.
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Der Strömungsteiler umfaßt gemäß einer Ausgestaltung
der vorliegenden Erfindung eine Längsrippe zur lokalen Wasserführung, die
in ein Verwirbelungsglied übergeht.
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Der Strömungsteiler ist zweckmäßigerweise – über den
Querschnitt der Meßstrecke
betrachtet – langgezogen
ausgebildet. Er kann geradlinig, kreuzförmig, sternförmig oder
ringförmig – jeweils
betrachtet über
den Querschnitt der Meßstrecke – ausgebildet
sein.
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Gleiches gilt für das Verwirbelungsglied, welches
als solches oder mit einem Strömungsteiler kombiniert
zum Einsatz kommen kann.
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Bei einer weiteren Ausgestaltung
der vorliegenden Erfindung besteht die Meßstrecke aus einem Meßrohr, welches
aus reflektionsarmem oder reflektionsfreiem Material besteht. Hierzu
wird insbesondere ein Material eingesetzt, dessen Impedanz in der Größenordnung
der Impedanz der Flüssigkeit
liegt. In Frage kommen Materialien wie z. B. PTFE, PVDF, Silikon,
Weichgummi, VITON oder EPDM. Dies hat den Vorteil, daß durch
die Verwendung des vorstehenden Materials zwar eine geringere Ausschallung erfolgt,
da die Randbereiche weniger oder nicht erfasst werden. Durch die
bewußt
erzeugte Verwirbelung ergibt sich allerding ein homogeneres Strömungsprofil,
so daß trotz
der geringeren Ausschallung unter Vermeidung von störenden Reflektionen eine
hohe Meßgenauigkeit
und gleichzeitig geringe Abhängigkeit
von Verzerrten Strömungsgeschwindigkeiten
erreicht werden kann.
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Zweckmäßigerweise ist der Strömungsführungseinsatz
Bestandteil des Meßrohrs.
Hierdurch wird zum einen die Teileanzahl reduziert, zum anderen
verursacht der Strömungführungseinsatz
-wenn er im Ausbreitungsraum der Ultraschallstrecke liegt- keine
ungewünschten
Reflektionen.
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Die vorliegende Erfindung betrifft – nebengeordnet
beansprucht – auch
einen Ultraschall-Durchflußmesser
mit einem Meßwertgeber
sowie einer Auswerteelektronik, die die Laufzeitdifferenzen der die
Flüssigkeitsströmung durchlaufenden
Ultraschallwellen mißt
und auswertet. Ein solcher Ultraschall-Durchflußmesser ist erfindungsgemäß dadurch
gekennzeichnet, daß er
einen Meßwertgeber nach
einem der Ansprüche
1-11 umfaßt.
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Nachstehend werden mehrere Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung anhand von Zeichnungsfiguren näher erläutert. Es
zeigen:
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1:
eine stark vereinfachte, schematische Darstellung einer durch zwei
Wandler und einem Meßrohr
gebildeten Meßstrecke
eines Meßwertgebers;
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2:
eine Teilansicht einer Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Meßwertgebers
im Teillängsschnitt
(2(A)) sowie in Draufsicht zu 2(A) um 90 Grad gedreht) auf die Ebene
A-A (2(B));
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3:
eine Ausführungsform
eines Strömungsführungseinsatzes
zur Anwendung in einem erfindungsgemäßen Meßwertgeber;
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4:
eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Meßwertgebers mit U-förmiger Meßstrecke
im Teillängsschnitt
(4(A)) sowie in Draufsicht auf die
Ebene A-A (4(B));
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5:
eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Meßwertgebers mit U-förmiger Meßstrecke
im Teillängsschnitt
(5(A)), in Draufsicht auf die Ebene
A-A (5(B)) sowie eine vergrösserte,
isolierte Darstellung des Verwirbelungsglieds(5(C)).
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1 zeigt
in stark vereinfachter, schematischer Darstellungsweise eine Meßstrecke 5 zwischen
zwei entlang eines Gehäuses
oder einer Meßstrecke 15 eines
Meßwertgebers
angeordneter Meßwandler 10, 20.
Die Meßwandler 10, 20 werden
in dem Gehäuse
bzw. Meßrohr 15 geradlinig,
d. h. in Richtung der Meßstrecke 5,
umströmt.
Der Einlauf am Meßwandler 10 ist
mit der Bezugsziffer 6, der Auslauf mit der Bezugsziffer 7 gekennzeichnet.
Entlang der Meßstrecke 5 werden
von den Meßwandlern 10 bzw.
20 jeweils in beiden Richtungen Ultraschallsignale abgesandt und
daraus der Laufzeitunterschied ermittelt.
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Im Bereich des Wandlers 10 ist
gemäß 2(A) in unmittelbarer Nähe zum Wandler 10 ein Stromführungseinsatz 2 vorgesehen,
mittels dem die durch die Pfeile gekennzeichnete, einlaufende Strömung an
Flüssigkeit
in Längsrichtung
zur Meßstrecke 5 geteilt
und verwirbelt wird. Hierzu dienen sogenannte Strömungsteiler 3 sowie
Verwirbelungsglieder 4 als Bestandteil des Stromführungseinsatzes 2.
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Wie aus 2(B) deutlich
wird, sind die Strömungsteiler 3 an
der stromaufwärtigen
sowie stromabseitigen Seite des Meßwandlers 10 kreuzförmig angeordnet,
wodurch die um den Meßwandler 10 herum
strömende
Flüssigkeit
in vier Teilbereiche unterteilt wird. Gleichzeitig sorgen eine Mehrzahl,
vorliegend drei, im Umfangsbereich der Strömungsteiler 3 an der
stromabwärtigen
Seite des Meßwandlers 10 angeordnete
Verwirbelungsglieder 4 für eine innige, turbulente Vermischung
in der Meßstrecke.
Hierdurch werden bereits im Einlauf vorhandene Strömungsinhomogenitäten bzw.
durch die einseitige Halterung 11 des Wandlers 10 hervorgerufene
Strömungsinhomogenitäten ausgeglichen.
Bezugsziffer 12 bezeichnet eine Dichtung zur Abdichtung
der Halterung 11 des Meßwandlers 10, die
sich in einem Vorprung 22 am Gehäuse 17 befindet. Dieser
Teil von 2(B) ist in Teilschnittdarstellung
gezeigt.
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Der Strömungsführungseinsatz 2 der
Ausgestaltung gemäß 2 ist dort als zusätzliches Teil neben der Halterung 11 des
Meßwandlers 10 ausgeführt. Darüber hinaus
kann der Strömungsführungseinsatz 2 bereits
auf der stromaufwärts
liegenden Seite des Meßwandlers 10 Lamellen
als Strömungsteiler
aufweisen, die bereits das einlaufende Wasser segmentieren und verwirbeln.
Dies wirkt gegen Profilverzerrungen, die vor der Meßstrecke
entstanden sind.
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Der Strömungsführungseinsatz 2 der
Ausgestaltung gemäß 2 besitzt, vgl. 3, einen in Längsrichtung des Meßwertgebers
geradlinig verlaufenden Strömungsteiler 3 in
Form einer Längsrippe mit
vorderer Anströmkante
sowie rückseitiger
dreieckartiger Erweiterung und zwei Abrißkanten 8, 9,
die als Verwirbelungsglied 4 dienen.
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Durch die in 2(B) dargestellte,
umfängliche
Anordnung der Verwirbelungsglieder 4 wird, wobei der Strom
segmentiert und anschließend
verwirbelt wird, eine besonders innige Homogenisierung der Strömungsverhältnisse über den
Querschnitt erreicht und ein Drall sowie eine Strömungsoszillation verhindert.
Hierdurch wird die Genauigkeit sowie Reproduzierbarkeit des Meßwertgebers
vor allem im Kleinlastbetrieb erheblich verbessert.
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4 zeigt
einen erfindungsgemäßen Meßwertgeber 1 mit
U-förmiger
Meßstrecke
unter Verwendung zweier Umlenkspiegel 13 und 14 sowie seitlich
angeordneter Meßwandler 10, 20 sowie
einer Abdichtung mittels Dichtringen 16. Die Umlenkspiegel
sind mit einem Strömungsführungseinsatz 2 versehen,
welcher ebenfalls einen querlaufenden Strömungsteiler 3 (auch
vgl. 4(B)) sowie an dessen Vorderseite
ein Verwirbelungsglied 4 aufweist. Der das Verwirbelungsglied 4 tragende
Strömungsteiler 3 verläuft beispielsweise
quer zum Gehäuse 17.
Der Strömungsführungseinsatz 2 ist
so angeordnet, daß die
Strömung
in Längsrichtung
zur Meßstrecke
(vorliegend: Hauptmeßstrecke
entspricht der Strömungsrichtung)
geteilt und verwirbelt wird.
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Bei dieser Ausgestaltung ist der
Strömungsführungseinsatz 2,
wie dies besonders deutlich aus 4(B) hervorgeht,
Bestandteil des Meßrohrs 15, das
aus einem oder mehreren Teilen bestehen kann.
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Aus der Darstellung gemäß 4(B) ist lediglich die Rückseite
des Umlenkspiegels 14 sowie ein querverlaufende Strömungsteiler 3 ersichtlich.
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Das Meßrohr 15 als zwischen
den beiden Umlenkspiegeln 13, 14 befindlicher
Teil des Gehäuses 17,
besteht aus reflektionsarmem oder reflektionsfreiem Material bzw.
ist mit einem solchen Material beschichtet. Hierzu wird insbesondere
ein Material eingesetzt, dessen Impedanz in der Größenordnung der
Impedanz der Flüssigkeit
liegt. Als geeignete Materialien dienen hierfür PTFE, PVDF, Silikon, Weichgummi,
VITON oder EPDM. Der im Einlaufbereich befindliche Umlenkspiegel 13 besitzt
eine parallel zum Verlauf des Gehäuses sich stromaufwärts erstreckende
Strömungsteilerlamelle.
Das Meßrohr 15 sowie
die Wandler 10, 20 sind zum Gehäuse 17 hin mittels
Dichtringe 16 abgedichtet.
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Der Stromführungseinsatz 2 im
Bereich des stromabwärtigen
Umlenkspiegels 14 kann zusätzlich vorgesehen sein. Dies
ist allerdings nicht zwingend notwendig.
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Ein weitere Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung
besitzt, wie dies aus der 5(A) hervorgeht,
einen Strömungsführungseinsatz 2 an
der stromaufwärtigen
Seite des Umlenkspiegels 13, wodurch eine intensive Verwirbelung
bereits der einlaufenden Flüssigkeit
erzeugt wird, wie sich dies schematisch aus der 5(A) ergibt.
Der Stromführungseinsatz 2 gemäß 5(A) ist in seinem Querschnitt dreieckig
ausgebildet, d. h. besitzt eine Anströmkante 21 sowie zwei
gegenüberliegende
Abrißkanten 8, 9,
die aus der 5(A) ersichtlich sind.
Das Verwirbelungsglied 4 ist, vgl. 5(B),
kreisförmig
ausgebildet und steht mit einem in 5(B) vertikal
verlaufenden Strömungsteiler 3 mit
dem Meßrohr 15 als vorzugsweise
einteiliges Bauteil in Verbindung.
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Der jeweilige Umlenkspiegel 13, 14 wird durch
die oberseitige Öffnung
eingebracht und vom Halter 11 getragen. Der jeweilige Umlenkspiegel kann
aber auch wie dies bei der Ausgestaltung der 4 der
Fall ist- Bestandteil des Meßrohrs 15 oder Bestandteil
eines zusätzlichen
in das Meßrohr 15, seitlich
einschiebbaren, Kunststoffteils sein.
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Auch bei dieser Ausgestaltung besteht
das Meßrohr 15 aus
reflektionsarmem oder reflektionfreiem Material bzw. ist mit einem
solchen Material beschichtet.
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Es wird besonders darauf hingewiesen,
daß Einzelmerkmale
einzelner, vorbeschriebener Ausführungsbeispiele
beliebig untereinander kombiniert werden können. So kann beispielsweise
das Meßrohr 15 der
Ausgestaltungen der 4 sowie 5 auch bei
der Ausgestaltung gemäß der 2 zum Einsatz kommen.
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Mit der vorliegenden Erfindung wird
die Möglichkeit
geschaffen, unter den gegebenen Raumverhältnissen eines Meßwertgebers
eine wirksame Homogenisierung der Strömung zu erzielen sowie Drall bzw.
Strömungsoszillation
zu verhindern, wodurch die Genauigkeit und Reproduzierbarkeit eines
Meßwertgebers
erheblich gesteigert werden kann. Die Erfindung stellt daher einen
ganz besonderen Beitrag auf dem einschlägigen Gebiet der Technik dar.
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- 1
- Meßwertgeber
- 2
- Strömungsführungseinsatz
- 3
- Strömungsteiler
- 4
- Verwirbelungsglied
- 5
- Meßstrecke
- 6
- Zulauf
- 7
- Ablauf
- 8
- Abrißkante
- 9
- Abrißkante
- 10
- Meßwandler
- 11
- Halter
- 12
- Dichtung
- 13
- Umlenkspiegel
- 14
- Umlenkspiegel
- 15
- Meßrohr
- 16
- Dichtring
- 17
- Gehäuse
- 18
- Halter-Umlenkspiegel
- 19
- Halter-Umlenkspiegel
- 20
- Meßwandler
- 21
- Anströmkante
- 22
- Vorsprung
(Gehäuse)