DE10297197T5

DE10297197T5 - Clamp-on Gasdurchflussmessvorrichtung

Info

Publication number: DE10297197T5
Application number: DE10297197T
Authority: DE
Inventors: Joseph Baumoel
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-09-10
Filing date: 2002-07-24
Publication date: 2004-08-12
Also published as: CN100476370C; WO2003023330A2; GB2395011B; BR0212431A; GB0405186D0; US6681641B2; WO2003023330A9; US20030047007A1; GB2395011A; CN1554013A; WO2003023330A3

Abstract

Gasdurchflussmessvorrichtung mit:
einem Senderwandler zum Einbringen von Schallenergie in Gas;
einem Empfängerwandler zum Empfangen der Schallenergie; und
einer Rohrspule mit einer metallischen Rohrwand und einer Beschichtung, die eine geringere Schallimpedanz aufweist als die Schallimpedanz der metallischen Rohrwand, wobei der Sender- und Empfängerwandler auf der Spule aufgebracht ist.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG 1. Technischer Bereich
Diese Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen von Durchflussgeschwindigkeit von Gas, insbesondere eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Messen von Durchflussgeschwindigkeit von Gas in einem Rohr unter Verwendung einer nicht störenden Clamp-On Durchflussmessvorrichtung.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Laufzeit-Ultraschall-Gasdurchflussmessvorrichtungen sind gut bekannt. 1 zeigt ein herkömmliches Gasdurchflussmessvorrichtung, bei welchem Wandler direkt in das Gas durch Löcher in der Rohrwand eingeführt sind. Da der Druck innerhalb des Rohres gewöhnlich ziemlich hoch ist, typischerweise von einigen Atmosphären bis zu vielen hundert Atmosphären, ist es nötig, eine Druckdichtung um die Wandler herum zu verwenden, um das Austreten von Gas zu verhindern. Da der Wandler selbst auch dem Druck widerstehen muss, muss er notwendigerweise fest und von großer Dichte sein. Weil Schallimpedanz in direkter Beziehung zur Werkstoffdichte steht , das heißt, Zs = Werkstoffdichte multipliziert mit ihrer Fortpflanzungsgeschwindigkeit von Schall, weisen die Wandler/Rohr Übergänge beziehungsweise Interfaces eine hohe Schallimpedanz auf, was eine schlechte Übereinstimmung mit beziehungsweise Fehlanpassung zu der geringen Schallimpedanz von Gas ist. Dementsprechend ist der Wirkungsgrad des Einbringens von Schallenergie in das Gas niedrig. Um diese mangelnde Leistungsfähigkeit zu beheben ist es notwendig, einen beträchtlichen Impuls an der Abstrahlungsfläche des Senderwandlers 100 zu erzeugen. Daraus resultiert eine beträchtliche Energie im Wandlerkörper, die vorzugsweise über die Druckdichtung in die Rohrwand des Rohrs 120 eindringt, an der er angebracht ist, da die hohe Impedanz des Wandlers mit der Impedanz der Rohrwand übereinstimmt beziehungsweise hier eine gute Anpassung vorliegt.
Sobald diese Energie in die Rohrwand eindringt, geht sie direkt zu dem Empfängerwandler 110 durch die Rohrwand über. Im Vergleich mit der am Empfängerwandler 110 empfangenen Gas-Signalamplitude ist die Amplitude der gesendeten Energie weitaus höher, und die Verweilzeit der gesendeten Energie im Rohr ist übermäßig lang, da sie zwischen Rohrwandungleichmäßigkeiten hin- und herschwingt. Somit wird die empfangene, viel kleinere Gas-Signalamplitude undeutlich. Dieses lässt die Ermittlung der Einwirkung des Durchflusses auf die Laufzeit des empfangenen Gassignals auf Grund des geringen Verhältnis von Nutzsignal zu Störsignal schwierig oder unmöglich werden.
Bei einer Lösung ist der eingebrachte Gaswandler mit einer internen Einrichtung zur Zerstreuung der nicht in das Gas übertragenen Schallenergie ausgerüstet, bevor sie die Stelle des Wandlers zur Rohrwanddruckdichtung erreicht. Eine Kombination aus metallischen und viskosen Elastomerbauteilen kann zur Zerstreuung der Schallenergie benutzt werden. Damit kann ein Verhältnis von hundert zu eins des Nutzsignals zum Störsignal oder auch größer erreicht werden.
Im Allgemeinen gehört zum Betrieb des herkömmlichen Laufzeit-Durchflussmessgeräts ein Durchflusscomputer, welche durch Digitalisierung des empfangenen Signals den Durchfluss aus der gemessenen Differenz zwischen der Laufzeit stromaufwärts gegen stromabwärts und der absoluten gemessenen Laufzeit durch Verwendung wohlbekannter Algorithmen.
Bei dem herkömmlichen Laufzeit-Durchflussmessgerät entwickelt sich bei hohen Durchflussgeschwindigkeiten ein Problem auf Grund der festen Positionen der in der Rohrwand eingebrachten Wandler. Das Problem tritt auf, wenn die einem Scheinwerfer ähnliche "enge" Strahlbündelweite erzeugt und in den Strömungspfad des Gases eingebracht wird. Da die Durchflussgeschwindigkeit von Gas einen hohen Prozentsatz der Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Gases selbst erreichen kann, kann unter diesen Randbedingungen angenommen werden, dass daraus ein "Wegblasen" des Schallbündels stromabwärts von beiden Wandlern, stromauf und stromab , hinweg, resultieren kann. 2 stellt ein solches Phänomen dar. Das normale vom Senderwandler 100 gesendete Strahlenbündel wird durch die Gasströmung stromabwärts "weggeblasen", und das beabsichtigte Signal wird nicht vom Empfängerwandler 110 empfangen. Somit gibt es keinen Ort, beide Wandler so zu platzieren, dass die Möglichkeit des Verpassens des Strahlbündels vermieden wird, von einem oder von beiden, außer vielleicht, dass sie beide axial fluchtend angeordnet werden. Daraus ergibt sich jedoch, dass der stromaufwärts angeordnete Wandler das Strömungsprofil und sogar die ersichtliche Geschwindigkeit des Schallbündels auf der Strecke zwischen den Wandlern beeinflusst.
Es ist bekannt, dass die Clamp-On Durchflussmessgeräte hochgenaue Messungen liefern. Ein bedeutender Unterschied in den Begleitumständen, die Durchflussmessung von Gas gegenüber Flüssigkeiten beeinflussen, ist die sehr niedrige Schallimpedanz des Gases – soviel wie hundertmal geringer oder mehr als der durchschnittliche Fall bei Flüssigkeiten. Daraus ergibt sich eine bedeutende Reduzierung der Signalamplitude der Schallenergie, die aus der Rohrwand in das Gasmedium eintritt. Ein anderer Unterschied liegt in der signifikanten niedrigeren Fortpflanzungsgeschwindigkeit von Schall von Gas im Vergleich mit einer typischen Flüssigkeit – über ein Fünftel der typischen Geschwindigkeit in Flüssigkeit. Aus dieser niedrigeren Fortpflanzungsgeschwindigkeit ergibt sich auch ein viel größerer Brechungswinkel, mit dem Schallenergie von der Rohrwand in das Gas eintritt, relativ zu dem bei Flüssigkeit. 3 stellt die Unterschiede der Brechungswinkel für Gas und Flüssigkeiten dar. Ein normaler Winkel der Welle wird mit der Linie 300 gezeigt. Die Schallgeschwindigkeit in Gas mit über 12.000 Inch/Sekunde stellt Linie 310 dar. Die Schallgeschwindigkeit in Flüssigkeit mit über 115.000 Inch/Sekunde ist mit Linie 305 gezeigt. Daraus ergibt sich ein Winkel 330 zu der Normalen von ungefähr 6 Grad für Gas, gegenüber soviel wie 26 Grad für Flüssigkeiten. Das bedeutet, dass die Empfindlichkeit der Durchflussermittlung viel kleiner für Gas als für Flüssigkeiten ist, in dem Verhältnis der Sinuswerte dieser Winkel. Jedoch kompensieren die für Gas im Vergleich zu Flüssigkeit beträchtlich höheren Durchflussgeschwindigkeiten diese Tatsache in günstiger Weise.
Da die Schallimpedanz von Gas im Vergleich zu der hohen Schallimpedanz von Metall sehr gering ist, ist es sehr schwierig, Schallenergie von einer Rohrwand innerhalb eines Rohrs in Gas zu übertragen. Dementsprechend tritt bei den klassischen Clamp-On Ultraschal-Durchflussmessgeräten im Vergleich mit Flüssigkeitsleitungen sehr wenig Schallenergie in das Gas selbst ein. Unglücklicherweise erfordert ein Clamp-On Durchflussmessgerät, dass die Schallenergie in das Gas beim ersten Einbringen in die Rohrwand selbst eingebracht wird.
Wenn das Schallsignal einmal in der Wand und in das Gas eingetreten ist, tritt die Schwierigkeit auf, dass die Schallenergie in der Rohrwand dazu neigt, im Rohr eingefangen zu bleiben, wobei sie zwischen Flanschen oder Schweißnähten hin- und herläuft, welche den Rohrabschnitt, in dem die Wandler eingebaut sind, mit dem Rest der Leitung verbinden.
Unter diesen Bedingungen ist die verbleibende Schallenergie in der Rohrwand viel größer als die kleine Schallenergie, die nach dem Durchgang durch das Gas am Empfängerwandler eintrifft. Dementsprechend ist die Erfassung des Gassignals nahezu unmöglich, da das Gassignal von dem Rohrwandsignal überlagert wird. Auch beim herkömmlichen eingebrachten Ultraschall Gasdurchflussmessgerät verhindert die Konstruktion des Wandlers den Eintritt der Schallenergie in die Rohrwand. Somit ist es im Fall des Clamp-On Gasdurchflussmessgeräts wesentlich, ein beträchtliches Schallsignal in die Rohrwand einzubringen, da sie die aktuelle Quelle der in das Gas eintretenden Schallenergie ist. Dementsprechend ist eine Lösung die Zerstreuung der in der Rohrwand, der Quelle des Gassignals, verbleibenden Schallenergie, bevor das Gassignal seine Strecke durch das Gas zum Empfängerwandler vollständig durchlaufen hat. Glücklicherweise ist die Geschwindigkeit durch das Gas sehr gering im Vergleich zu der sehr hohen Geschwindigkeit der Schallenergie in der Rohrwand. Das typische Verhältnis dieser Geschwindigkeiten liegt bei 10 zu 1.
Wenn die Wandler auf einem installierten Rohr aufgespannt sind, welches sehr lang zwischen Unregelmäßigkeiten der Rohrwand, wie Flansche, ist, dann wird das übertragene Signal "die Umgebung verlassen" und vorwiegend absorbiert werden, bevor es von diesen Flanschen reflektiert wird und das sehr kleine Gassignal unterdrückt. 4A zeigt Reflexionseigenschaften von Störamplituden einer direkten Welle über der Strecke in einer Spule beziehungsweise in einem Rohrabschnitt. 4B zeigt Reflexionseigenschaften einer ungedämpften und einer gedämpften Spule. 4C stellt Reflexionseigenschaften einer Störamplitude einer direkten Welle über der Zeit dar. 4D zeigt Reflexionseigenschaften einer Störamplitude einer ungedämpften und einer gedämpften Spule über der Zeit. Es ist ersichtlich, dass bei einem kleinen Rohrabschnitt eine Echokammer gebildet wird, und die ursprüngliche übertragene Schallenergie wird am Ort des Empfängerwandlers vorhanden sein, wenn das Gassignal ankommt. Dementsprechend ist es für Clamp-On Gasdurchflussmessvorrichtungen empfehlenswert, dass der Rohrabschnitt, auf dem die Wandler angebracht sind, zwischen Unterbrechungen lang ausgebildet ist. Die tatsächliche erforderliche Länge zur Er langung eines bestimmten Leistungsniveaus, begrenzt durch das Verhältnis Nutzsignal zu Störsignal, ist für Hochdruckgas kürzer, wobei höherer Druck zur Erhöhung der Amplitude des Gassignals dient.
Da aber die Überprüfung der Kalibrierung einer Gasmessvorrichtung im Feld sich auch im besten Fall schwierig gestaltet und gewöhnlich eine praktische Unmöglichkeit ist, wird gewünscht, eine Gasmessvorrichtung in Form einer Spule beziehungsweise eines Rohrabschnitts herzustellen. Dieses ermöglicht eine Mitnahme dieser zum Kalibrieren in ein Labor. Aber wenn es erforderlich ist, die Spule beziehungsweise der Rohrabschnitt wie oben angeführt lang zu machen, dann macht diese Länge das Herstellen, Kalibrieren, Transportieren und Installieren unpraktisch. Es ist demgemäß erwünscht, die Gasspule kurz auszuführen. Um dieses zu erreichen, ist es wesentlich, eine Einrichtung zu entwickeln, die die gesendete Schallenergie gründlich zerstreut, bevor das Gassignal den Empfängerwandler erreicht.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ermöglichen der Messung der Durchflussgeschwindigkeit von Gas unter der Verwendung einer nicht eingebauten Clamp-On Laufzeit Ultraschall-Durchflussmessvorrichtung. Die Vorrichtung und das Verfahren verwenden einen Breitbündel-Laufzeitwandler, bei welchem seine Frequenz der Dickenmodus- und Längenmodus-Resonanzfrequenz des Rohrs angepasst ist, und die Phasengeschwindigkeit des Wandlers der Fortpflanzungsgeschwindigkeit einer Transversalmodus-Welle in der Richtung der Mittellinie des Rohrs angepasst ist. Diese Bedingungen stellen sicher, dass das Schallbündel seine Form beibehält, wenn der Ausgangspunkt von der Rohrwand durch die höheren Gasgeschwindigkeiten relativ zur Durchlaufgeschwindigkeit des Schallimpulses durch das Gasmedium verschoben wird.
Es wird eine Einrichtung zur Zerstreuung der sehr hohen ausgesendeten Schallenergie in die Rohrwand offenbart, so dass diese kleiner ist als das relativ geringe empfangene Gassignal, das durch die schlechte Wirksamkeit des Einbringens von Schallenergie von der hohen Schallimpedanz der metallischen Rohrwand in die niedrige Schallimpedanz des Gases eingeschränkt ist. Solche Energie wird von Natur aus zerstreut, wenn der Clamp-On Wandler auf ein installiertes Gasrohr montiert wird, bei welchem ein großer Abstand zwischen dem Ort des Wandlers und der nächsten Rohrwandunregelmäßigkeit, wie ein Flansch oder eine Schweißnaht, liegt. Es ist jedoch gewünscht, eine Clamp-On Gasspule beziehungsweise einen Gasrohrabschnitt herzustellen, bei welchem es wünschenswert ist, die Länge der Spule zu begrenzen, denn die Schallenergie wird zwischen diesen Unregelmäßigkeit "gefangen" und schwingt kontinuierlich über den Wandlerort hin und her, ist somit vorhanden und weist eine bedeutsame Amplitude auf, wenn die über die Gasstrecke empfangene Schallwelle ankommt, wobei sie deren Erfassung unterdrückt.
Ebenfalls wird eine Gasdurchflussmessvorrichtung mit einem Senderwandler zum Einbringen von Schallenergie in das Gas, einem Empfängerwandler zum Empfangen der Schallenergie, und einer Rohrspule beziehungsweise ein Rohrabschnitt mit einer metallischen Rohrwand und einer Beschichtung mit einer geringeren Schallimpedanz als die Schallimpedanz der metallischen Rohrwand, wobei die Sender- und Empfängerwandler auf der Rohrspule aufgebracht sind. Dementsprechend dient die Beschichtung zum Absorbieren oder Zerstreuen der hohen Schallenergie, um das Verhältnis Nutzsignal zu Störsignal erheblich zu verbessern.
Vorzugsweise weist das Rohr innere und äußere Rohrwände auf, und die Beschichtung ist auf der inneren Rohrwand gebildet, aber die Beschichtung kann auch auf der Außenseite der Rohrwand gebildet sein, oder auf beiden, der inneren und äußeren Fläche. Die Beschichtung kann mit der Rohrwand verbunden werden, indem Beschichtungmaterial auf der Rohrwand aufgeschmolzen wird und die Temperatur mit einer bestimmten Geschwindigkeit reduziert wird. Die Beschichtung auf der äußeren Fläche kann auf der Außenseite des Rohrs mit einem für Feldinstallation druckempfindlichen Klebstoff beziehungsweise Kontaktkleber aufgebracht werden, oder mittels Verwendung eines Epoxyklebers beziehungsweise -kitts für Werksinstallation. Die Rohrspule weist Flansche und ein Reduzierstück auf.
In einem anderen Aspekt der Erfindung ist die Beschichtung in einer Dicke erstellt oder zum Erhalt dieser maschinell bearbeitet, um an die Leitungseigenschaften für Schallwellen des Rohrs angepasst zu sein. Der Empfängerwandler ist von dem Senderwandler dergestalt mit einem Abstand beabstandet, dass ein von dem Senderwandler gesendetes Schallbündel den Empfängerwandler über Reflexion an einer gegenüberliegenden Rohrwand erreicht. In einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausgestaltung sind der Senderwandler und der Empfänger wandler längs der gleichen Seite der Rohrwand aufgebracht. In einer alternativen Ausgestaltung sind der Senderwandler und der Empfängerwandler auf gegenüberliegenden Seiten des Rohrs aufgebracht.
Gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform weist eine Gasdurchflussmessvorrichtung eine Rohrspule beziehungsweise einen Rohrabschnitt aus Kunststoff zur Durchleitunug von Gas, einen Senderwandler aus Kunststoff und einen Empfängerwandler aus Kunststoff auf, welche auf der Spule zum Einbringen von Schallenergie in die Gasströmungsstrecke aufgebracht sind, wobei die Schallenergie vom Empfängerwandler zur Bestimmung der Geschwindigkeit der Gasströmung empfangen wird.
Ebenfalls wird ein Verfahren zum Messen von Gasströmung offenbart, welches die folgenden Verfahrensschritte aufweist: Einbringen von Schallenergie von einem auf einer metallischen Rohrspule aufgebrachten Senderwandler in die Gasströmung durch die Rohrspule; und Empfangen der Schallenergie an einem Empfängerwandler durch eine mit der Rohrwand der Rohrspule verbundenen Beschichtung, wobei die Beschichtung eine geringere Schallimpedanz als die Schallimpedanz der metallischen Rohrwand aufweist. Die Beschichtung ist vorzugsweise aus Kunststoff hergestellt. Das Rohr weist innere und äußere Rohrwände auf, und die Beschichtung ist entweder auf einer von beiden oder auf beiden der inneren und äußeren Rohrwände gebildet.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Beschichtung mit der Rohrwand verbunden, indem Beschichtungswerkstoff auf die Rohrwand aufgeschmolzen wird und die Temperatur mit einer bestimmten Geschwindigkeit verringert wird, bis der Kunststoff gleichmäßig erstarrt.
In einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausgestaltung ist der Senderwandler von dem Empfängerwandler mit einem Abstand beabstandet, so dass ein von dem Senderwandler gesendetes Schallbündel den Empfängerwandler zur gleichen Zeit über die Rohrwand und über Brechung von einer gegenüberliegenden Rohrwand des Rohrs erreicht. Der Senderwandler und der Empfängerwandler sind vorzugsweise auf der gleichen Seite des Rohrs angebracht, um Überschneidungsfehler auszuschließen, aber sie können auf von einander gegenüberliegenden Seiten des Rohrs aufgebracht sein, um Signalstärke zu vergrößern, falls notwendig.
Gemäß einer weiteren bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform weist eine Gasdurchflussmessvorrichtung zum Messen von Gasströmung mittels Einbringen und Empfangen von Schallenergie durch die Gasströmung eine Rohrspule zum Hindurchleiten der Gasströmung; und eine in der Rohrwand der Spule angeordnete Anpassungseinrichtung zum Anpassen der Schallimpedanz von Werkstoffen in der Laufstrecke der Schallenergie. Die Anpassungseinrichtung weist eine Beschichtung mit einer geringeren Schallimpedanz als die Schallimpedanz der Rohrwand auf, und die Rohrspule ist metallisch. Alternativ weist die Anpassungseinrichtung einen Senderwandler aus Kunststoff zum Einbringen der Schallenergie und einen Empfängerwandler aus Kunststoff zum Empfangen der Schallenergie auf, und die Rohrspule ist ebenfalls aus Kunststoff.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt einen in einem Rohr eingebauten herkömmlichen Sender- und Empfängerwandler;
2 zeigt den Blaseffekt eines schmalen Strahlbündels in der Gasströmungsstrecke;
3 stellt die Unterschiede der Brechungswinkel für Gas und Flüssigkeiten dar;
4A zeigt Reflexionseigenschaften der Störamplitude einer direkten Welle in einer Spule über einer Strecke;
4B zeigt Reflexionseigenschaften einer ungedämpften und einer gedämpfte Spule;
4C zeigt Reflexionseigenschaften der Störamplitude einer direkten Welle über der Zeit;
4D zeigt Reflexionseigenschaften der Störamplitude einer ungedämpften und einer gedämpfte Spule über der Zeit;
5 ist ein Querschnitt einer Durchflussmessvorrichtung gemäß einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform;
6 stellt einen Abschnitt der Spule mit einer Beschichtung und den Verlauf der Schallwelle durch die Spule dar; und
7 zeigt die Eigenschaften der Strahlbündelstrecke, wie sie von einem Senderwandler durch die Vorrichtung nach 5 eingebracht wird.
8 zeigt die Eigenschaften der Strahlbündelstrecke einer Clamp-On Durchflussmessvorrichtung mit einer erfindungsgemäßen Beschichtung.
9A zeigt das Rohrschallsignal vor der Anwendung der Beschichtung; und
9B zeigt das Schallsignal nach der Anwendung der Beschichtung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Es wird zugegeben, dass die Schallgeschwindigkeit von Gas sehr wenig, ungefähr 1/10 der Schallgeschwindigkeit eines Metallrohrs beträgt. Dementsprechend läuft das Rohrwandsignal im Rohr mehrere Male als Echo hin- und her, wohingegen das Gassignal langsam zwischen Sender- und Empfängerwandler verläuft. Auch wenn die Energie von der Rohrwand sehr langsam entfernt wird, kann deshalb die Gesamtsumme von Entfernungen im Lauf der vielen auftretenden Durchläufe sehr bedeutend sein, bevor das Gassignal ankommt.
Gemäß einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführung wird ein Energie absorbierender Werkstoff in enger Berührung entweder mit der Innen- oder Außenseite der Rohrwand oder mit beiden angeordnet, um diese Energie zu absorbieren. Nach dieser erfindungsgemäßen Ausführung wird eine echte "molekulare" Bindung zwischen diesem Werkstoff und der Rohrwand bevorzugt. Der Werkstoff besitzt eine angemessen hohe Schallimpedanz, um diese Energieübertragung wirkungsvoll zuzulassen. Zusätzlich kann er die absorbierte "kohärente" Schallenergie in "nicht kohärente" mechanische Energie oder Wärme umsetzen.
5 zeigt eine Clamp-On Gasspule beziehungsweise Gasrohrabschnitt zur Verwendung als eine Gasdurchflussmessvorrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Spule weist Flansche 500 und ein Reduzierstück 510 mit einer präzisonsbearbeiteten Rohrwand 520 auf, auf welcher Sender- und Empfängerwandler 560 und 570 aufgebracht sind. Gemäß dieser Ausführungsform ist eine Beschichtung 550 mit der Innenseite der Rohrwand 520 verbunden. Geeignete Werkstoffe für die Beschichtung 550 sollten viskos sein und die Eigenschaft zu enger Bindung an die Rohrwand aufweisen. Vorzugsweise werden Kunststoffe mit Tefzel, Polypropylen und bestimmten Graden von Polyethylen verwendet. Eine enge Bindung wird mittels Aufschmelzen des Werkstoffs auf der Rohroberfläche und durch Steuern einer langsamen Temperaturabnahme, wobei diese Zusammensetzung zur Sicherstellung einer angemessenen gleichmäßigen Dicke beim Abkühlen bewegt wird.
Vorteilhafterweise hat man erkannt, dass die Schallimpedanz des intern aufgebrachten Kunststoffs zwischen der hohen Impedanz einer metallischen Rohrwand und der viel geringeren Impedanz von Gas liegt. Deshalb kann der Kunststoff nicht nur zur Zerstreuung der Rohrwandübertragung-Schallenergie verwendet werden, sondern er dient auch zur Verbesserung der "Impedanzanpassung", indem er zwischen der Rohrwand und dem Gas angeordnet ist, woraus sich ein größerer Betrag der verfügbaren in das Gas selbst eintretenden Sendeschallenergie ergibt, wodurch im Wesentlichen das Verhältnis Nutzsignal zu Störsignal verbessert wird.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Beschichtung 550 äußerlich aufgebracht (nicht dargestellt). Die Beschichtung gemäß dieser Ausführungsform ist vorzugsweise aus vernetztem Polyurethan oder anderem Kunststoffmaterialien hergestellt und mittels druckempfindlicher Klebstoffe beziehungsweise Kontaktkleber verbunden.
Es ist verständlich, dass der auf die Anpassung der Schallimpedanz des Rohrs und der Durchflussmessvorrichtung gerichtete Aspekt der vorliegenden Erfindung auf Gasströmungen durch einen Kunststoffrohrabschnitt anwendbar ist. In einer solchen Ausführung erfolgt durch Verwendung von Wandlern aus Kunststoff anstelle von metallischen Wandlern mit Schallimpedanz die Anpassung des Rohres an die Wandler, mit oder ohne Notwendigkeit einer Be schichtung, so wie in der oben dargestellten Ausführungsform, wobei das Durchflussmessgerät auf das metallische Rohr aufgespannt ist beziehungsweise als Clamp-On-Ausführung aufgebracht ist. Wenn eine Beschichtung verwendet wird, ist die Beschichtung vorzugsweise aus einem Kunststoff hergestellt.
Es ist zu beachten, dass bei den weiten Strahlbündel-Wandlerfrequenzen, die auf Grund der Rohrwanddicke und der Werkstoffe erforderlich sind, die bei Hochdruckgas zur Übertragung benutzt werden, eine Variation in der Dicke einer internen Rohrwandbeschichtung aus Kunststoff wechselweise Verstärkung und Aufhebung des Schallstrahlbündels ergibt, da es zwischen der inneren Oberfläche der Rohrwand und der Beschichtung 550 zur Übergangsfläche zum Gas reflektiert wird. Eine Lösung gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist, die Dicke der Beschichtung 550 maschinell zu bearbeiten, so dass diese gleichmäßig in Phase mit der Rohrwandschallenergie reflektiert, wie sie sich durch die Rohrwand fortpflanzt. Dieses entspricht annähernd der erforderlichen Aktion zur Verstärkung der Auslenkung einer Schaukel, indem diese genau im richtigen Zeitpunkt in ihrer Bahn angestoßen wird (siehe 6).
6 stellt einen Abschnitt der Spule mit der internen Beschichtung 550 an der Rohrwand 550 und die Schallwelle dar, wie sie in der Spule verläuft. Es ist zu sehen, dass die Beschichtung eine Dicke und einen Brechungswinkel aufweist, so dass die von der Rohrwand 520 gebrochene Schallwelle in der Beschichtung 550 auf die Rohrwand 520 in der gleichen Laufrichtung reflektiert wird wie die Schallwelle, wenn die Schallwelle von X nach Y verläuft.
Da die somit in der Rohrwand erzeugte Schallenergie auf den Empfängerwandler zu verläuft, bildet sie ein weites Strahlbündel, wobei Schallenergie fortwährend entlang der gleichen Rohrwand mit einer Amplitude ausgesendet wird, die die verbleibende Energie verkörpert, welche von der vorher ausgestrahlten übrig geblieben ist. Ein solches weites Strahlbündel kann sich von dem sehr schmalen Strahlbündel abheben, welches von dem Senderwandler wie oben beschrieben ausgestrahlt wird. Dementsprechend verbleibt eine Position, wenn das Strahlbündel entweder auf einen jeweiligen Wandler hin oder von ihm weg geblasen wird, als der Ausgangspunkt, wenn auch das Strahlbündel bei hohen Gasgeschwindigkeiten weggeblasen wird. Dieses bedeutet, dass das Clamp-On Gaswandlersystem, in welchem die in das Gas gesendete Energie eigentlich eher von einem streifenförmigen Bereich zwischen den Wand lern herkommt als von den Wandlern selbst, das Problem des Wegblasens des Strahlbündels löst, welches das eingebaute Gaswandlersystem beeinträchtigt. 7 stellt den Strahlbündelweg der Schallwelle dar, wie er von dem Senderwandler durch die Schallrohrwand 520 ausgeht. Das Schallbündel läuft in der Rohrwand 520 von X nach Y und wird in dem Gas zu einem weiten Strahlbündel. Der Strahlbündelweg B bei hohen Durchflussgeschwindigkeiten kommt im Wesentlichen am selben Punkt an der Schallrohrwand an, welche am Empfängerwandler 570 anliegt, so wie der Strahlbündelverlauf bei der niedrigen Durchflussgeschwindigkeit.
Ein weiterer Vorteil des dargestellten erfindungsgemäßen Clamp-On Systems mit weitem Strahlbündel ist der, dass bei Anpassung an die Leitungseigenschaften für Schallwellen des Rohrs, das heißt Frequenz und Phasengeschwindigkeit, die Form des gesendeten Signals konstant bleibt, wenn der Ausgangspunkt des Strahlbündels wechselt, und auch sogar wenn das gesendete Rohrwandsignal den Empfängerwandler erreicht. Da dieses sich wesentlich vor der Ankunft des Gassignals ereignet (das Signal durch das Gas hindurch), verschwindet das Rohrwandsignal wesentlich eher als das Gassignal ankommt. Aber da das Rohrwandsignal nur durch eine Rohrwandstrecke ankommt, wird es von der Strömung nicht beeinflusst.
Mit Bezug auf 8 wird Schallenergie durch den Senderwandler 560 eingebracht und läuft über die Rohrwand 520 auf den Empfängerwandler 570 zu. Die eingebrachte Schallenergie wird ebenfalls von der Beschichtung 550 durch die Gasströmungsstrecke innerhalb des Rohrs gebrochen und von der gegenüberliegenden Rohrwand 590 reflektiert, und erreicht den Empfängerwandler 570 nachdem die Schallenergie über die Strecke längs der Rohrwand 520 ankommt. Dementsprechend würde jeglicher Unterschied der stromaufwärts und stromabwärts gelegenen Ankunftszeit des Signals, welches am Empfängerwandler über die nicht durch die Gasströmung beeinflusste Rohrwandstrecke angekommen ist, einen Offset der Nullströmung darstellen, welcher auf die Gassignale selbst eingeprägt worden sein muss. Dementsprechend gewährleistet das Bestimmen dieses Unterschieds der Ankunftszeit des Rohrwandsignals und ihr Subtrahieren von der Ankunftszeit des Gassignals, dass kein Ursprung einer Nulldrift auftritt, und gewährleistet somit eine hohe Genauigkeit bei sehr kleinen Durchflussgeschwindigkeiten. Dieses Signal kann ebenso für AutoZero und ZeroMatic verwendet werden, das frühere zur Gewährleistung, dass die Messvorrichtung in den Fällen geeignet auf Null gestellt ist, in denen der Durchfluss nicht angehalten werden kann, und das letztere zur Gewährleistung gegen Nulldrift bei allen zukünftigen Zeiten ohne die Notwendigkeit, den Durchfluss zum Erhalt einer Nullreferenz anzuhalten. Eine solche Drift wird üblicherweise durch einen nicht gewöhnlichen Effekt verursacht, so wie die Änderung der Temperatur eines Wandlers relativ zu dem anderen. Es ist eindeutig gewünscht, Schallenergie in der höchst möglichen Rate zu entziehen. Dieses erfordert das Kontaktieren entweder der Innenseite oder der Außenseite des Rohrs mit einem Werkstoff, welcher eine genügend hohe Schallimpedanz aufweist, um Schallenergie von der Rohrwand mit hoher Schallimpedanz aufzunehmen, und dann diese kohärente Schallenergie in chaotische Schallenergie umzuwandeln, welche auf andere Weise als "Wärme" bekannt ist.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltungsform der vorliegenden Erfindung wird ein absorbierender Werkstoff außen auf dem Rohr angebracht. Eine äußerlich angebrachte Beschichtung vermeidet die rauhen Bedingungen, die manchmal im Inneren vorhanden sind. Der absorbierende Werkstoff weist viskose Eigenschaften und Schalleigenschaften auf, welche die Übertragung von Schallenergie von dem Rohr fördern, und ihre Umwandlung in Wärme durch die verlustbehafteten Bindungen zwischen Molekülen des Dämpfungswerkstoffs führt die Absorbtion aus. Vorzugsweise ist der absorbierende Werkstoff vernetztes Polyurethan. Dieser Werkstoff kann auf die Außenseite des Rohrs entweder durch dessen Beschichten mit einem Kontaktkleber (PSA) oder mit einem Epoxy aufgebracht werden. Wenn er aufgebracht ist, reduziert er im Wesentlichen die Schallenergie, die normalerweise vorhanden ist, nachdem das Gassignal seinen Lauf zwischen Sender- und Empfängerwandler vollzogen hat.
Nach dieser bevorzugten Ausbildung der Erfindung ist das verwendete Polyurethanmaterial Dyad 601, welches im Handel von Soundcoat Corp. erhältlich ist. Der Fachmann kannte Dyad vormals als Werkstoff zur Verwendung bei Dämpfen von Schallenergie im "Audio"-Band. In der vorliegenden Erfindung wird Dyad zum Dämpfen von Ultraschallenergie im Ultraschallfrequenzbereich eingesetzt. Dyad ist in Scheiben von 0,02 und 0,05 inch erhältlich. Ein "zurückhaltender" metallischer Werkstoff kann die Wirksamkeit der Dämpfung erhöhen, wenn er außen auf das Dyad aufgebracht wird. Dieses wird dadurch erreicht, dass die Spannung der molekularen Bindungen auf Grund der zurückhaltende Schicht beziehungsweise Lage vergrößert wird.
Ein Beispiel seiner Wirksamkeit zeigt 9, welche in 9A darstellt, wie das Rohrschall-Störsignal das Gassignal vor dem Aufbringen des Beschichtungswerkstoffs unterdrückt beziehungsweise verschleiert, und wie es in 9B nach dem Aufgingen desselben sichtbar wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt dieser Ausgestaltung der Erfindung wird der absorbierende Werkstoff auch als ein Schallkoppler benutzt. Normalerweise wird Fett oder ein anderer Schmierstoff beim Ankoppeln des Wandlers zum Einkoppeln des Schalls vom Wandler in das Rohr verwendet. Man hat herausgefunden, dass man den Schallwandler einfach trocken oben auf diesen Werkstoff stellen kann, und die Schallkopplung ist dort hindurch ausgezeichnet. Der absorbierende Werkstoff dient als ein Schallkoppler, wenn man durch seine Dicke, die zwischen 20 und 50 mils beträgt, hindurch sendet, aber da der Schall entlang des Berührungs- beziehungsweise Kontaktbereichs mit dem Rohr in alle anderen Richtungen läuft als da, wo der Wandler aufgebracht ist, dient der Werkstoff als ein Schallabsorbierer.
Zwar wurden bevorzugte Ausführungsformen gezeigt und beschrieben, jedoch können dazu verschiedene Modifikationen und Substitutionen gemacht werden, ohne vom Sinn und Bereich der Erfindung abzukommen. Dementsprechend ist es verständlich, dass die vorliegende Erfindung nur mittels Anschauungsbeispiel beschrieben wurde, und solche Darstellungen und Ausführungsformen wie hier offenbart sind nicht dazu ausgelegt, um die Ansprüche einzugrenzen.
ZUSAMMENFASSUNG DER OFFENBARUNG
Es wird eine Gasdurchflussmessvorrichtung offenbart, die Folgendes aufweist: einen Senderwandler zum Einbringen von Schallenergie in Gas; einen Empfängerwandler zum Empfangen der Schallenergie; und eine Rohrspule mit einer metallischen Rohrwand und einer Beschichtung mit einer geringeren Schallimpedanz als die Schallimpedanz der metallischen Rohrwand, wobei der Sender- und Empfängerwandler auf der Spule oder auf dem im Feld installierten Rohr direkt oben auf einer Ultraschalldämpfungsbeschichtung aufgebracht sind.
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Claims

Gasdurchflussmessvorrichtung mit: einem Senderwandler zum Einbringen von Schallenergie in Gas; einem Empfängerwandler zum Empfangen der Schallenergie; und einer Rohrspule mit einer metallischen Rohrwand und einer Beschichtung, die eine geringere Schallimpedanz aufweist als die Schallimpedanz der metallischen Rohrwand, wobei der Sender- und Empfängerwandler auf der Spule aufgebracht ist.
Gasdurchflussmessvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Beschichtung außen auf dem Rohr aufgebracht ist.
Gasdurchflussmessvorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Beschichtung aus vernetztem Polyurethan hergestellt ist.
Gasdurchflussmessvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Rohr innere und äußere Rohrwände aufweist, und die Beschichtung auf der inneren Rohrwand gebildet ist.
Gasdurchflussmessvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Beschichtung mit der Rohrwand durch Aufschmelzen von Beschichtungswerkstoff auf die Rohrwand verbunden ist, wobei die Beschichtung aus einem viskosen Werkstoff hergestellt ist, der einen von diesen, nämlich Tefzel, Polypropylen und Polyethylen aufweist.
Gasdurchflussmessvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Beschichtung maschinell auf eine Dicke zur Anpassung an die Leitungseigenschaften für Schallwellen des Rohrs gebracht ist.
Gasdurchflussmessvorrichtung nach Anspruch 6, wobei der Empfängerwandler zum Senderwandler so mit einer Entfernung beabstandet ist, dass ein vom Senderwandler ausgesendetes Schallstrahlbündel am Empfängerwandler zur gleichen Zeit über die Rohrwand und über Reflexion von einer gegenüberliegenden Rohrwand des Rohrs ankommt.
Gasdurchflussmessvorrichtung mit: einer Rohrspule aus Kunststoff zum Hindurchleiten von Gas und einem Senderwandler aus Kunststoff und einem Empfängerwandler aus Kunststoff, die beide auf der Spule zum Einbringen von Schallenergie in die Gasdurchflussstrecke aufgebracht sind, wobei die Schallenergie vom Empfängerwandler zur Ermittlung der Gasströmungsgeschwindigkeit empfangen wird.
Verfahren zur Gasdurchflussmessung mit folgenden Verfahrensschritten: Einbringen von Schallenergie von einem auf einer metallischen Rohrspule aufgebrachten Senderwandler in die Gasströmung durch die Rohrspule; und Empfangen der Schallenergie an einem Empfängerwandler durch eine mit der Rohrwand der Rohrspule verbundenen Beschichtung, wobei die Beschichtung eine geringere Schallimpedanz als die Schallimpedanz der metallischen Rohrwand aufweist.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Beschichtung aus Kunststoff hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Rohr innere und äußere Rohrwände aufweist, und die Beschichtung auf der inneren oder äußeren Rohrwand gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Beschichtung mit der Rohrwand durch Aufschmelzen von Beschichtungswerkstoff auf die innere Rohrwand und Verringern der Temperatur mit einer bestimmten Geschwindigkeit verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Beschichtung auf die äußere Rohrwand aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Beschichtung auf die äußere Rohrwand mit einem Klebstoff aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Sender- und Empfängerwandler an die Beschichtung trocken durch die Beschichtung angekoppelt sind.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Beschichtung aus Dyad 601 oder äquivalentem Werkstoff hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Beschichtung maschinell auf eine Dicke zur Anpassung an die Leitungseigenschaften für Schallwellen des Rohrs gebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 9, weiterhin mit dem Verfahrensschritt Beabstanden des Senderwandlers vom Empfängerwandler so mit einer Entfernung, dass ein vom Senderwandler ausgesendetes Schallstrahlbündel am Empfängerwandler zur gleichen Zeit über die Rohrwand und über Reflexion von einer gegenüberliegenden Rohrwand des Rohrs ankommt.
Verfahren nach Anspruch 9, weiterhin mit dem Verfahrensschritt Bestimmen von Null-Durchfluss-Offset mit folgenden Teilschritten: Ermitteln der Ankunftszeit (t₁) des Schallsignals am Empfängerwandler durch die Rohrwand; Ermitteln der Ankunftszeit (t₂) des Schallsignals durch Gas; und Subtrahieren von t₁ von t₂.