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Die Erfindung bezieht sich auf ein
Verfahren zur Bestimmung und/oder Überwachung des Volumen- und/oder
Massenstroms eines durch ein Behältnis
fließenden
Mediums, wobei von einem in einer ersten Position an dem Behältnis angebrachten Ultraschallwandler
Meßsignale
ausgesendet werden und wobei von einem in einer zweiten Position
an dem Behältnis
angebrachten Ultraschallwandler die Meßsignale empfangen werden,
und wobei anhand der Meßsignale
bzw. anhand der aus den Meßsignalen
ermittelten Meßdaten
Information über
den Volumenstrom und/oder den Massenstrom des in dem Behältnis befindlichen
Mediums bereitgestellt wird. Üblicherweise
handelt es sich bei dem Behältnis
um ein Rohr.
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Ultraschall-Durchflußmeßgeräte werden vielfach
in der Prozeß-
und Automatisierungstechnik eingesetzt. Sie erlauben es, den Volumen-
und/oder Massenstrom eines Mediums in einem Rohr berührungslos
zu bestimmen.
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Die bekannten Ultraschall-Durchflußmeßgeräte arbeiten
entweder nach dem Doppler-Prinzip oder nach dem Laufzeitdifferenz-Prinzip.
Beim Laufzeitdifferenz-Prinzip wird die unterschiedliche Laufzeit
von Ultraschall-Meßsignalen
in Strömungsrichtung
und entgegen der Strömungsrichtung
des Mediums ausgewertet. Hierzu werden die Ultraschall-Meßsignale
von den Ultraschallwandlern wechselweise in Strömungsrichtung und entgegen der
Strömungsrichtung
des Mediums ausgesendet bzw. empfangen. Anhand der Laufzeitdifferenz
der Ultraschall-Meßsignale
läßt sich
die Fließgeschwindigkeit
und damit bei bekanntem Durchmesser des Rohres der Volumendurchfluß bzw. bei
bekannter Dichte des Mediums der Massendurchfluß bestimmen.
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Beim Doppler-Prinzip werden Ultraschall-Meßsignale
mit einer vorgegebenen Frequenz in das strömende Medium eingekoppelt.
Die in dem Medium reflektierten Ultraschall-Meßsignale werden ausgewertet.
Anhand einer zwischen dem eingekoppelten und dem reflektierten Ultraschall-Meßsignal auftretenden
Frequenzverschiebung läßt sich
ebenfalls die Fließgeschwindig keit
des Mediums bzw. der Volumen und/oder Massenstrom bestimmen. Der Einsatz
von Durchflußmeßgeräten, die
nach dem Doppler-Prinzip arbeiten, ist nur möglich, wenn in dem Medium Luftbläschen oder
Verunreinigungen vorhanden sind, an denen die Ultraschall-Meßsignale
reflektiert werden. Damit ist der Einsatz derartiger Ultraschall-Durchflußmeßgeräte im Vergleich
zu den Ultraschall-Durchflußmeßgeräten, die
nach dem Laufzeitdifferenz-Prinzip arbeiten, ziemlich eingeschränkt.
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Hinsichtlich der Typen von Meßgeräten wird unterschieden
zwischen Ultraschall-Durchflußmeßaufnehmern,
die in die Rohrleitung eingesetzt werden, und Clamp-On Durchflußmeßgeräten, bei
denen die Ultraschallwandler von außen an die Rohrleitung mittels
eines Spannverschlusses angepreßt werden.
Clamp-On Durchflußmeßgeräte sind
beispielsweise in der
EP
0 686 255 B1 , der
US-PS 4,484,478 oder
der
US-PS 4,598,593 beschrieben.
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Bei beiden Typen von Ultraschall-Durchflußmeßgeräten werden
die Ultraschall-Meßsignale
unter einem vorgegebenen Winkel in das Rohr, in dem sich das strömende Medium
befindet, eingestrahlt und/oder empfangen. Um die Ultraschall-Meßsignale unter
einem bestimmten Winkel in das Rohr bzw. in das Medium einstrahlen
zu können,
erfolgt bei Clamp-On Durchflußmeßgeräten die
Ein- und Auskopplung der Ultraschall-Meßsignale in das Rohr über einen
Vorlaufkörper
bzw. einen Koppelkeil. Um eine optimale Impedanzanpassung zu erreichen,
ist es darüber
hinaus bekannt, die Koppelkeile aus einem geeignet brechenden Material,
z.B. aus Kunststoff zu fertigen. Hauptbestandteil eines Ultraschallwandlers
ist üblicherweise
zumindest ein piezo-elektrisches Element, welches die Ultraschall-Meßsignale
erzeugt und/oder empfängt.
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Es gibt nun unterschiedliche Gründe, weshalb
die Messung des Volumen- bzw.
Massendurchflusses mittels Ultraschall-Meßsignalen nicht möglich ist.
Generell tritt eine Fehlmessung aber zumindest immer dann auf, wenn
der Schallpfad, auf dem sich die Ultraschall-Meßsignale von dem Sende- zum Empfangs-Ultraschallwandler
ausbreiten, an einer Stelle unterbrochen ist. Eine derartige Unterbrechung
kann an unterschiedlichen Stellen im Schallpfad auftreten. Als Beispiele
seien die folgenden System- und Prozeßfehler genannt:
- – Die
Dämpfung
des Mediums ist zu groß;
- – Die
Ankopplung von zumindest einem Ultraschallwandler an das Behältnis ist
unzureichend;
- – Es
befindet sich ein Luftspalt zwischen der Innenwand des Behältnisses
und einem auf die Innenwand des Behältnisses aufgetragenen Liner;
- – Die
Dämpfung
im Material des Behältnisses
ist zu groß;
dies kann z. B. der Fall sein, wenn die Ultraschallmessung in GFK
Rohren erfolgt;
- – Das
Behältnis
bzw. das Rohr ist leer – in
dem Rohr befindet sich aus irgendwelchen Gründen kein Medium.
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Wünschenswert
ist es in diesem Zusammenhang, wenn dem Bedienpersonal nicht nur
angezeigt wird, daß ein
Fehler aufgetreten ist, sondern wenn ihm zusätzlich angezeigt wird, wo die
konkrete Ursache für
den aufgetretenen Fehler zu suchen ist. Bei den bekannten Durchflußmeßgeräten muß die Ursache
für einen
aufgetretenen Fehler bzw. die Unterbrechung des Schallpfads in einem
mehr oder weniger aufwendigen Trial-/Error-Verfahren ermittelt werden. Dies
ist natürlich
aufwendig und kostenintensiv. So kann es vorkommen, daß das Meßgerät in allen
Details einer Überprüfung unterzogen
wird, obwohl die Fehlmessung daher rührt, daß im Rohr kein Medium fließt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein
Verfahren und eine Vorrichtung vorzuschlagen, die es ermöglichen,
zusätzlich
zur Bestimmung des Volumenstroms bzw. Massenstroms eines Mediums eine
Fehlfunktion einer anderweitigen System- und/oder Prozeßgröße zu erkennen.
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Die Aufgabe wird bezüglich des
Verfahrens dadurch gelöst,
daß aktuell
gemessene IST- Meßsignale
bzw. die entsprechenden IST- Meßdaten
mit korrespondierenden abgespeicherten SOLL-Meßsignalen bzw. SOLL-Meßdaten verglichen
werden, und daß eine
Meldung ausgegeben wird, wenn eine Abweichung zwischen den SOLL-Meßsignalen
bzw. SOLL-Meßdaten
und den IST-Meßsignalen
bzw. IST-Meßdaten
auftritt. Bevorzugt wird eine Abweichung zwischen den SOLL-Meßsignalen
bzw. SOLL-Meßdaten
und den IST-Meßsignalen
bzw. IST-Meßdaten
bei einem Clamp-On Durchflußmeßgerät durchgeführt, das
nach dem Laufzeitdifferenz-Prinzip arbeitet. Die SOLL-Meßsignale
bzw. die SOLL-Meßdaten
bzw. die nachfolgend genannten Signaturen sind in einer Speichereinheit
in Form von Tabellen und/oder Funktionen abgelegt. Der Vergleich
zwischen den SOLL-Meßsignalen
bzw. den SOLL-Meßdaten
und den IST-Meßsignalen
bzw. IST-Meßdaten
erfolgt bevorzugt über
eine Korrelation. Sukzessive oder parallel kann der Vergleich der aktuellen
Meßsignale/Meßdaten mit
mehreren SOLL-Meßsignalen
bzw. SOLL-Meßdaten,
die unter unterschiedlichen fehlerhaften Bedingungen ermittelt wurden,
durchgeführt
werden. Tritt zwischen den Soll-Meßsignalen bzw. SOLL-Meßdaten und
den IST-Meßsignalen
bzw. IST-Meßdaten
zumindest ein vorgegebener Ähnlichkeitsgrad
auf, wird beispiels-weise der Korrelationskoeffizient um einen vorgegebenen
Toleranzwert über-
oder unterschritten, so läßt sich
die Ursache für
die Unterbrechung des Schallpfads ermitteln. Diese Ursache für die Unterbrechung
des Schallpfads wird konkret definiert und ausgegeben. Das Bedienpersonal
kann so gezielt einen aufgetretenen Fehler beheben, ohne lange nach
der Ursache für
das Auftreten des Fehlers fahnden zu müssen.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist vorgesehen, daß aus
den IST-Meßsignalen
bzw. IST-Meßdaten
und den SOLL-Meßsignalen
bzw. den SOLL-Meßdaten jeweils
eine Signatur abgeleitet wird, wobei durch die Signatur die Information über den
Volumen- bzw. Massenstrom des Mediums hinreichend genau beschrieben
wird. Durch diese Maßnahme
wird eine Reduktion der Meßdaten
erreicht, ohne daß deren
Informationsgehalt in den wesentlichen Details geschmälert wird.
Die Reduktion führt
dazu, daß die
Rechenleistung der Regel-/Auswerteeinheit, insbeondere beim Vergleich
der SOLL- mit den IST-Meßsignale/Meßdaten verringert
wird, d.h. weniger leistungsstarke Mikroprozessoren können zum
Einsatz kommen. Gleiches gilt im Hinblick auf die zur Anwendung kommenden
Speicherbausteine. Bleibt festzuhalten, daß sich der Energiebedarf und
die Herstellungskosten mittels dieser Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
erheblich reduzieren lassen.
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Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
werden die SOLL-Meßsignale bevorzugt
sowohl bei nicht gefülltem
Behältnis
als auch bei gefülltem
Behältnis
ermittelt.
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Eine bevorzugte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
schlägt
Folgendes vor: die IST-Meßsignale
bzw. die SOLL-Meßsignale und/oder
die entsprechenden Signaturen werden digitalisiert und abgespeichert;
die IST-Meßsignale/IST-Meßdaten oder
die anhand der IST-Meßsignale/IST-Meßdaten ermittelten
Signaturen werden mit den entsprechenden SOLL-Meßsignalen/SOLL-Meßdaten oder
den entsprechenden Signaturen der SOLL-Meßsignale/Meßdaten verglichen; dem Bedienpersonal
wird eine Fehlermeldung mit konkretem Hinweis auf die Ursache für den aufgetretenen
Fehler ausgegeben, sobald eine Abweichung zwischen den IST- und
SOLL-Meßsignalen/Meßdaten bzw.
den IST- und SOLL-Signaturen
auftritt; bevorzugt wird die Fehlermeldung erst ausgegeben, wenn
die Abweichung außerhalb
eines vorgegebenen Toleranzwertes liegt. Parallel zu der Fehlermeldung
können
mittels der Regel-/Auswerteeinheit auch direkt Korrektur- und Gegenmaßnahmen
eingeleitet werden. Bei diesen Meßnahmen handelt es sich z.B.
um das Überprüfen von
Ventilen, um die Einleitung eines Reinigungsprozesses oder um einen Not-Stop
der Prozeßanlage.
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Weiterhin sieht eine vorteilhafte
Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
vor, daß anhand
des Vergleichs der IST-Meßsignale/IST-Meßdaten bzw.
anhand des Vergleichs der Signaturen der IST-Meßsignale/IST-Meßdaten mit
den SOLL-Meßsignalen/SOLL-Meßdaten bzw.
den entsprechenden Signaturen der SOLL-Meßsignale/SOLL-Meßdaten eine
Aussage dahingehend getroffen wird, durch welchen System- und/oder
Prozeßfehler
die Abweichung verursacht wird. Eine wesentliche Fehlerquelle ist – wie bereits
erwähnt – die Unterbrechung
des Schallpfads, den die Ultraschall-Meßsignale von dem Sende- zum
Empfangs-Ultraschallwandler nehmen. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung
ist es nun möglich, eine
sog. Advanced Diagnostic durchzuführen, d.h. dem Bedienpersonal
nicht nur anzuzeigen, daß irgendwo
am Meßgerät oder im
Prozeß ein
Fehler aufgetreten ist, sondern auch was die Ursache für den aufgetretenen
Fehler konkret ist.
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Beispielsweise wird anhand der Abweichung erkannt,
ob das Behältnis
nicht mit dem Medium gefüllt
ist, und/oder ob die Ankopplung der Ultraschallwandler an das Behältnis fehlerhaft
ist, und/oder ob die Dämpfung
der Meßsignale
durch das in dem Behältnis
befindliche Medium einen vorgegebenen maximalen Wert übersteigt,
und/oder ob eine Luftschicht zwischen dem Behältnis und einem auf die Innenfläche des
Behältnisses
aufgebrachten Liners vorhanden ist, und/oder ob die Dämpfung der
Meßsignale
in der Wandung des Behältnisses
ein maximal vorgegebenes Maß übersteigt.
Damit wird dem Bedienpersonal also nicht nur mitgeteilt, daß ein System- und/oder
Prozeßfehler
aufgetreten ist, sondern es wird auch ein verläßlicher Hinweis geliefert,
wo der Fehler zu suchen ist. Ohne große Zeitverzögerung und aufwendige Untersuchungen
können
gezielt die Reparatur- bzw. Gegen-Maßnahmen eingeleitet werden.
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Allgemein läßt sich Folgendes sagen: Um
die SOLL-Daten und die IST-Daten vergleichen zu können, werden
die SOLL-Daten vor der Aufnahme des eigentlichen Meßbetriebs
bei leerem Rohr aufgenommen und gespeichert. Dadurch wird dem Gerät "gelehrt", wie die Ultraschall-Meßsignale
bei leerem Rohr auszusehen haben. Im eigentlichen Meßbetrieb des
Ultraschall-Durchflußmeßgeräts interessieren nun
die gespeicherten SOLL-Daten nicht mehr. Erst im Fehlerfall, wenn
die akustische Meßstrecke
also unterbrochen ist, werden die aktuell gemessenen IST-Daten mit
den gespeicherten SOLL-Daten verglichen. Stimmen die Daten größtenteils überein,
so kann die Aussage getroffen werden, daß das Rohr mit größter Wahrscheinlichkeit
leer ist. Stimmen die Daten nicht hinreichend genug überein,
so liegt offensichtlich ein anderer Grund für die Unterbrechung des akustischen
Schallweg und die damit einhergehende Fehlmessung vor. Durch ein
sukzessives Vergleichsverfahren gelingt es nachfolgend, die Fehlerursache
einzugrenzen und letztlich verläßliche Aussagen
hinsichtlich der Fehlerursache zu machen.
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Bezüglich der Vorrichtung wird
die Aufgabe dadurch gelöst,
daß die
Regel/Auswerteeinheit die aktuell gemessenen IST- Meßsignale
bzw. die entsprechenden IST- Meßdaten
mit korrespondierenden abgespeicherten SOLL-Meßsignalen bzw. SOLL-Meßdaten vergleicht
und daß die
Regel/Auswerteeinheit eine Abweichung zwischen den SOLL-Meßsignalen
bzw. SOLL-Meßdaten
und den IST-Meßsignalen
bzw. IST-Meßdaten
ausgibt.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der
erfindungsgemäßen Vorrichtung
sieht vor, daß die
Regel-/Auswerteeinheit Information dahingehend bereitstellt, durch
welchen System- und/oder Prozeßfehler
die Abweichung verursacht wird.
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Bevorzugt handelt es sich bei der
Anordnung der Ultraschallwandler um eine Ein-Traversen-Anordnung
oder um eine Mehrfach-Traversen-Anordnung. Eine Traverse definiert
hierbei den Teilbereich eines Schallpfads, auf dem ein Ultraschall-Meßsignal den
Behälter,
in dem die Messung durchgeführt
wird, einmal quert. Neben diametralen Traversen lassen sich durch
entsprechende Wandleranordnung – eventuell
unter Zuhilfenahme von Reflektorelementen – in einfacher Weise auch chordiale
Traversen realisieren.
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Bevorzugt wird eine Ausgestaltung
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
Verwendung finden, bei der zumindest die beiden Ultraschallwandler,
die den größten Abstand
voneinander aufweisen, abwechselnd im Sende- und im Empfangsbetrieb
arbeiten. Wie bereits gesagt, sind die Ultraschallwandler bevorzugt – aber nicht
ausschließlich – im Clamp-On Verfahren
an dem Behältnis
montiert.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden
Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigt:
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1:
ein Clamp-On Durchflußmeßgerät in Zwei-Traversen-Anordnung,
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2:
eine graphische Darstellung der Laufzeit eines Ultraschall-Meßsignals
in der in 1 gezeigten
Zwei-Traversen-Anordnung bei leerem Rohr,
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3:
eine graphische Darstellung der Laufzeit eines Ultraschall-Meßsignals
in der in 1 gezeigten
Zwei-Traversen-Anordnung bei gefülltem Rohr,
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4:
ein Clamp-On Durchflußmeßgerät in Ein-Traversen-Anordnung,
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5:
eine graphische Darstellung der Laufzeit eines Ultraschall-Meßsignals
in der in 4 gezeigten
Ein-Traversen-Anordnung bei leerem Rohr,
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6:
eine graphische Darstellung der Laufzeit eines Ultraschall-Meßsignals
in der in 4 gezeigten
Ein-Traversen-Anordnung bei gefülltem Rohr,
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7:
eine graphische Darstellung der Laufzeit eines Ultraschall-Meßsignals
in der in 1 gezeigten
Zwei-Traversen-Anordnung bei korrekter Ankopplung der Ultraschallwandler
an das Rohr,
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8:
eine graphische Darstellung der Laufzeit eines Ultraschall-Meßsignals
in der in 1 gezeigten
Zwei-Traversen-Anordnung bei fehlerhafter Ankopplung der Ultraschallwandler
an das Rohr und
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9:
der in 8 gezeigte Verlauf
der Ultraschall-Meßsignale
bei einem größeren Verstärkungsfaktor.
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In 1 ist
schematisch ein Clamp-On Durchflußmeßgerät in der bevorzugten Zwei-Traversen-Anordnung 2 dargestellt.
Das Meßgerät ermittelt den
Volumendurchfluß und/oder
den Massendurchfluß des
Mediums 10 in dem Rohr 7 nach der bekannten Laufzeitdifferenz-Methode.
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Wesentliche Komponenten des Clamp-On Ultraschall-Durchflußmeßgerätes sind
die beiden Ultraschallwandler 3, 4 und die Regel-/Auswerteeinheit 9.
Die beiden Ultraschallwandler 3, 4 sind mittels
einer in der 1 nicht
gesondert dargestellten Befestigungsvorrichtung an dem Rohr 7 angebracht.
Entsprechende Befestigungsvorrichtungen sind aus dem Stand der Technik
hinlänglich
bekannt und werden auch von der Anmelderin angeboten und vertrieben.
Das Rohr 7 mit einem vorgegebenen Innendurchmesser di wird
von dem Medium 10 in Strömungsrichtung S durchströmt.
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Ein Ultraschallwandler 3; 4 weist
als wesentliche Bestandteile zumindest ein piezoelektrisches Element 5; 6,
das die Ultraschall-Meßsignale
erzeugt und/oder empfängt,
und einen Koppelkeil bzw. einen Vorlaufkörper 11; 12 auf.
Die Ultraschall-Meßsignale werden über die
Koppelkeile 11, 12 in das vom Medium 10 durchströmte Rohr 7 eingekoppelt
bzw. aus dem Rohr 7 ausgekoppelt. Die Koppelkeile 11; 12 legen
die Einstrahl- bzw. Ausstrahlrichtung der Ultraschall-Meßsignale
aus dem Rohr bzw. aus dem Medium fest; darüber hinaus können sie
zur Optimierung der Impedanzanpassung dienen.
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Die beiden Ultraschallwandler 3, 4 sind
derart am Rohr 7 positioniert, daß ein hoher Energieanteile
der ausgesendeten Ultraschall-Meßsignale in dem jeweils anderen
Ultraschallwandler 4, 3 empfangen wird. Die wechselseitige
Positionierung ist abhängig
von unterschiedlichen System- und/oder Prozeßgrößen. Bei diesen System- und
Prozeßgrößen handelt
es sich beispielsweise um den Innendurchmesser di des Rohres 7,
um die Dicke w der Rohrwand 8, um die Schallgeschwindigkeit
cR des Materials, aus dem das Rohr 7 gefertigt
ist, oder um die Schallgeschwindigkeit cM des
Mediums 10.
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Im gezeigten Fall ist der Abstand
L der beiden Ultraschallwandler 3, 4 so bemessen,
daß sich die
Ultraschall-Meßsignale,
die entsprechend der Laufzeitdifferenz-Methode abwechselnd von den
beiden Ultraschallwandlern 3, 4 ausgesendet und
empfangen werden, über
den Schallpfad SP1 in dem vom Medium 10 durchströmten Rohr 7 ausbreiten.
Der Schallpfad SP1 weist zwei Traversen auf.
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In den Figuren 2 und 3 ist
anhand von zwei Diagrammen die Amplitude der sich in der Rohrwand 8 und – wenn vorhanden – dem Medium 10 ausbreitenden
Ultraschall-Meßsignale
gegen die Zeit dargestellt. Bezug genommen wird auf die in 1 gezeigte Zwei-Traversen-Anordnung 2 der
Ultraschallwandler 3, 4. Während 2 sich auf den 'Fehlerfall' bezieht, daß das Rohr 7 leer
ist, zeigt 3 den 'Normalfall', wenn das Rohr 7 vom
Medium 10 durchströmt
wird. Zumindest die Information über
den 'Fehlerfall', bevorzugt aber
auch über
den 'Normalfall' muß in der
Regel-/Auswerteeinheit 9 in irgendeiner Form als SOLLwert
abgespeichert sein.
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Beim leeren Rohr 7 hat das
Ultraschall-Meßsignal – wie in 1 zu sehen – nur die
Möglichkeit, sich über die
Rohrwand 8 auszubreiten. Ein zum Zeitpunkt 'Null' von dem ersten Ultraschallwandler 3 ausgesendetes
Ultraschall-Meßsignal
wird nach einer Zeit t1 von dem zweiten Ultraschallwandler 4 empfangen.
Die Laufzeit des Ultraschall-Meßsignals
läßt sich
entweder messen oder errechnen. Eine Berechung der Laufzeit ist
zumindest näherungsweise möglich, wenn
die geometrischen Daten des Rohres (di und
w) sowie die akustischen Eigenschaften des Rohres und des Mediums
(cR und cM) bekannt
sind. Anwendung findet bei der Berechung das Gesetz von Snellius.
Desweiteren kann eine entsprechende Messung z.B. bei Inbetriebnahme
des Ultraschallmeßgeräts vorgenommen
werden, die dann das SOLL-Meßsignal
für ein
Leerrohr verkörpert.
Tritt der entsprechende Fall dann nach Inbetriebnahme des Ultraschallmeßgeräts auf,
so ist aufgrund der von der Regel-/Auswerteeinheit 9 aufgefundenen Übereinstimmung
zwischen dem IST-Meßsignal
und dem SOLL-Meßsignal
eine klare Aussage möglich,
daß in dem
Rohr 7 kein Medium 10 vorhanden ist.
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Wird das Rohr 7 vom Medium 10 durchströmt, so wird
der Großteil
der von einem der beiden Ultraschallwandler 3; 4 ausgesendetes
Ultraschall-Meßsignal
in das Medium 10 eingekoppelt und gelangt über den
Schallweg SP1, der das Rohr 7 und damit das strömende Medium
zweimal quert, zu dem anderen Ultraschallwandler 4; 3.
Aufgrund der längeren
Laufstrecke auf dem Schallpfad SP1 wird ein Ultraschall-Meßsignal – wie in 3 zu sehen – erst nach
der längeren
Zeitspanne t2 im jeweils anderen Ultraschallwandler 4; 3 empfangen.
Hinzu kommt, daß in
vielen Anwendungsfällen
die Schallgeschwindigkeit cM des Mediums 10 geringer
ist als die Schallgeschwindigkeit cR des
Materials der Rohrwand B. Auch dies führt zu einem verzögerten Eintreffen
des Meßsignals,
das Information über
den Volumenstrom bzw. den Massenstrom des Mediums 10 in
dem Rohr 7 beinhaltet.
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In 4 ist
schematisch ein Clamp-On Durchflußmeßgerät in einer Ein-Traversen-Anordnung 1 dargestellt.
Das Meßgerät ermittelt
den Volumendurchfluß und/oder
den Massendurchfluß des Mediums 10 in
dem Rohr 7 gleichfalls nach der bekannten Laufzeitdifferenz-Methode.
Hier sind die beiden Ultraschallwandler 3, 4 an
gegenüberliegenden Seiten
des Rohres 7 versetzt angebracht. Wiederum sind die Ultraschallwandler 3, 4 so
positioniert, daß ein
möglichst
großer
Anteil eines von einem ersten Ultraschallwandler 3; 4 gesendeten
Ultraschall-Meßsignals
in dem jeweils anderen Ultraschallwandler 4; 3 empfangen
wird.
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In den Figuren 5 und 6 ist
anhand von zwei Diagrammen die Amplitude der sich in der Rohrwand 8 und – wenn vorhanden – dem Medium 10 ausbreitenden
Ultraschall-Meßsignale
gegen die Zeit dargestellt. Bezug genommen wird jetzt auf die in 4 gezeigte Ein-Traversen-Anordnung 1 der
Ultraschallwandler 3, 4. Während 5 sich auf den 'Fehlerfall' bezieht, daß das Rohr 7 leer
ist, zeigt 6 den 'Normalfall', wenn das Rohr 7 vom Medium 10 durchströmt wird.
Auch bei dieser Anordnung der Ultraschallwandler 3, 4 muß zumindest
die Information über
den 'Fehlerfall', bevorzugt aber
auch über
den 'Normalfall' in der Regel-/Auswerteeinheit 9 in
irgendeiner Form abgespeichert sein.
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Bei leerem Rohr 7 kann sich
ein Ultraschall-Meßsignal
nur über
die Rohrwand 8 ausbreiten. Daher zeigt sich ein vom ersten
Ultraschallwandler 3; 4 ausgesendetes Ultraschall-Meßsignal
im zweiten Ultraschallwandler 4; 3 als verrauschtes
Signal – wie
in 5 zu sehen ist. Die
Zeit t3, die vergeht, bis das gesendete Ultraschall-Meßsignal
empfangen wird, ist wiederum durch den Abstand der Ultraschallsensoren 3, 4 und
durch die Schallgeschwindigkeit des Materials des Rohres 7 vorbestimmt.
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Bei gefülltem Rohr 7 wird
ein gesendetes Meßsignal
nach einer Zeitspanne t4 im jeweils anderen Ultraschallwandler 4; 3 empfangen.
Auch hier läßt sich
durch Vergleich z.B. der IST-Meßsignale
mit den SOLL-Meßsignalen
eindeutig darauf schließen, ob
das Rohr 7 mit Medium 10 gefüllt ist oder ob das Rohr 7 leer
ist. Wie bereits erwähnt,
wird zwecks Vergleich bevorzugt eine Korrelation durchgeführt. Unter-
oder überschreitet
der Korrelationskoeffizient zwischen den SOLL-Daten und den IST-Daten
einen vorgegebenen Wert, so wird die auf den konkreten Fehler hindeutende
Meldung ausgegeben.
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Die Figuren 7 und 8 zeigen
gleichfalls graphische Darstellungen der Laufzeit von Ultraschall-Meßsignale
bei der in 1 dargestellten ZweiTraversen-Anordnung 2.
Der erste Peak entspricht dem Anteil der Meßsignale, die sich über das Rohr 7 ausbreiten,
während
der zweite Peak den Anteil der Ultraschall-Meßsignale repräsentiert,
die sich über
das Medium 10 ausbreiten. 7 zeigt
Ultraschall-Meßsignale,
wie sie beim ungestörten,
normalen Meßbetrieb
auftreten. 8 bezieht
sich auf den Fall, daß das
Koppelmedium 11, 12 vom Rohr 7 weitgehend
entfernt ist, so daß die
Schallübertragung zwischen
den Ultraschallwandlern 3, 4 und dem Rohr 7 nur
noch schwach ist . Auch hier ist also der Schallweg unterbrochen.
Man erkennt in 8, daß die Amplituden
der beiden Ultraschall-Meßsignale
gegenüber
dem normalen Meßbetrieb
proportional kleiner werden. Diese kennzeichnende Eigenschaft kann
nun sogar für
die Fallentscheidung benutzt werden, ob die Dämpfung der Meßsignale
durch die mangelnde Ankopplung der Ultraschallwandler 3, 4 oder
durch die starke Dämpfung
der Rohr 7 / Medium 10-Anordnung hervorgerufen wird. Im
Extremfall, wenn die Kopplung gänzlich
unterbrochen ist, zeigt sich überhaupt
kein Meßsignal
mehr. Weder das sich übers
Rohr 7 ausbreitende Meßsignal
(erster Peak in 7 )
noch das sich über
das Medium 10 ausbreitende Meßsignal (zweiter Peak in 7) ist meßbar.
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9 zeigt übrigens
denselben Signalverlauf, wie er auch in 8 zu sehen ist. Allerdings ist die Verstärkung in 9 um ca. einen Faktor 4
größer gewählt. Hierdurch
treten die eigentlichen Meßsignale
besser aus dem Rauschen hervor.
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Bei der zuvor beschriebenen Ausgestaltung, die
die Erkennung einer unzureichenden Ankopplung der Ultraschallwandler 3, 4 an
das Rohr 7 erlaubt, bietet sich zwecks Auswertung der Ultraschall-Meßsignale
die folgende Vorgehensweise an: Die SOLL-Daten werden nach der Installation
des Clamp-On Durchflußmeßgeräts während des
Normalbetriebes aufgenommen. Anschließend werden die IST-Daten laufend
mit den SOLL-Daten
verglichen. Ergibt sich anhand eines Vergleichs der SOLL-Daten mit
den IST-Daten, daß die
Amplitude der Meßsignale,
die sich über
das Medium 10 ausbreiten, im Laufe der Zeit stärker abnimmt
als die Amplitude der Meßsignale,
die sich über
das Rohr 7 ausbreiten, so ist dies ein eindeutiger Hinweis
darauf, daß der
Fehler seine Ursache in der Übertragung
in der Rohr 7 / Medium 10-Anordnung hat. Nehmen hingegen
die Amplituden von beiden Meßsignalen
ab, so ist dies ein klarer Hinweis darauf, daß die Kopplung zwischen einem
Ultraschallwandler 3; 4 und dem Rohr 7 schlechter
geworden ist. Generell läßt sich
sagen, daß zur
Erkennung eines Fehlers in der Rohr 7 / Medium 10-Ankopplung
bzw. in der Kopplung zwischen Ultraschallwandler 3, 4 und
Rohr 7 eine Veränderung
der Amplitudenverhältnisse
zwischen den Meßsignalen
bestens geeignet ist.
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- 1
- Ein-Traversen-Anordnung
- 2
- Zwei-Traversen-Anordnung
- 3
- Ultraschallwandler
- 4
- Ultraschallwandler
- 5
- Piezoelektrisches
Element
- 6
- Piezoelektrisches
Element
- 7
- Behältnis /
Rohr
- 8
- Wandung
/ Rohrwand
- 9
- Regel-/Auswerteeinheit
- 10
- Medium
- 11
- Vorlaufkörper / Koppelkeil
- 12
- Vorlaufkörper / Koppelkeil
- 13
- Beschichtung
/ Liner