DE112005001773B4

DE112005001773B4 - Verfahren zum Eichen akustischer Durchflussmesser

Info

Publication number: DE112005001773B4
Application number: DE112005001773.7T
Authority: DE
Inventors: Timothy A. Nevius
Original assignee: Horiba Ltd
Current assignee: Horiba Ltd
Priority date: 2004-07-21
Filing date: 2005-06-17
Publication date: 2014-05-22
Anticipated expiration: 2025-06-18
Also published as: WO2006019487A3; GB2430261A; DE112005001773T5; JP2008507693A; US20060016243A1; GB0700762D0; WO2006019487A2; JP4724714B2; US7124621B2; GB2430261B

Abstract

Kalibrierverfahren für einen akustischen Durchflussmesser, wobei der Durchflussmesser einen ersten akustischen Messwandler und einen zweiten akustischen Messwandler umfasst, die derart angeordnet sind, dass sie einen Weg der Länge L durch das Messrohr des Durchflussmessers definieren, wobei dieser Weg das Messrohr unter einem vorgegebenen Winkel Φ kreuzt, und wobei die Geschwindigkeit eines durch das Messrohr strömenden Fluids mittels Messen der Laufzeit eines akustischen Pulses in Stromaufwärtsrichtung und Messen der Laufzeit eines akustischen Pulses in Stromabwärtsrichtung bestimmt wird, mit den Schritten: Vorgeben einer Fließgeschwindigkeit des strömenden Fluids für eine Vielzahl von Temperaturen in einem vorgegebenen Temperaturbereich für jede dieser Temperaturen und Messen jeweils der Laufzeit für den Ultraschallpuls stromaufwärts und der Laufzeit für den Ultraschallpuls stromabwärts mittels des Durchflussmessers für jede dieser Temperaturen; Durchführen einer Optimierung, derart, dass in dem Satz von Gleichungen, die die vorgegebenen Fließgeschwindigkeiten mit der Vielzahl der gemessenen Laufzeiten, unbekannten Messwandlerverzögerungszeiten, der Länge L und dem Winkel Φ in Beziehung setzen, sowohl die unbekannten Messwandlerverzögerungszeiten als auch die an sich bekannte Weglänge L als variable Parameter behandelt und die Optimierung derart durchgeführt wird, dass eine einzige sog. optimierte Messwandlerverzögerungszeit twoptimiert und eine einzige sog. optimierte Weglänge Loptimiert erhalten wird, derart, dass, wenn man die optimierte Messwandlerverzögerungszeit twoptimiert und die optimierte Weglänge Loptimiert zusammen mit den gemessenen Laufzeiten Tgemessen und dem Winkel Φ in den obigen Satz von Gleichungen einsetzt, für zumindest einen Teilbereich des obigen Temperaturbereichs die korrekten, bekannten Fließgeschwindigkeiten mit einem geringen Fehler reproduziert werden.

Description

ERFINDUNGSHINTERGRUND
1. Erfindungsgebiet
Die Erfindung betrifft akustische Durchflussmesser einschließlich Ultraschall-Durchflussmesser, die zur Messung der Geschwindigkeit von Abgas verwendet werden.
2. Stand der Technik
Das Senden von Pulsen akustischer Energie durch ein Fluid ist zur Messung des Zustands und der Eigenschaften des Fluids von Nutzen, speziell zur Messung der Geschwindigkeit und der Temperatur. Gewöhnlich werden piezokeramische Elemente bei akustischen Messwandlern dazu verwendet, Ultraschallakustikpulse oder kontinuierliche Ultraschallwellenfelder zu erzeugen.
Der Ultraschalldurchflussmesser misst die Geschwindigkeit des strömenden Abgases unter Verwendung der Beziehung: (1/T1 – 1/T2) = 2·V·cosΦ/L worin

T1: = die Ultraschall-Pulsdurchgangszeit stromaufwärts;
T2: = die Ultraschall-Pulsdurchgangszeit stromabwärts;
V: = die Geschwindigkeit des Abgases durch das Rohr;
Φ: = der Winkel zwischen dem Ultraschallstrahl und dem Rohr; und
L: = die Weglänge des Ultraschallstrahls zwischen dem Sender und dem Empfangsmesswandler ist.

Die Durchgangszeiten (d. h. T1 und T2) werden jeweils mittels Senden eines Ultraschallpulses quer durch das Rohr und Messen des Zeitdifferentials (d. h. einer gemessenen Durchgangszeit T1_gemessen bzw. T2_gemessen) für den am Empfangsmesswandler festzustellenden Puls bestimmt. Bei einer Gasdurchflussgeschwindigkeit von 0 ft/s ergibt sich eine typische Durchgangszeit von etwa 220 μs bei einer Weglänge von 3,1 Zoll. Bei maximalem Durchfluss beträgt die Gasgeschwindigkeit etwa 150 ft/s mit einer etwa 256 μs messenden resultierenden Durchgangszeit stromaufwärts, und einer etwa 34 μs messenden Durchgangszeit stromabwärts.
Die gemessenen Durchgangszeiten werden von der Temperatur des Gases beeinflusst. Die Schallgeschwindigkeit in Luft ändert sich mit der Temperatur unter Verwendung der Beziehung: C = 20,03·(T_gas)^1/2 worin

C: = die Schallgeschwindigkeit in Metern pro Sekunde; und
T_gas: = die absolute Gastemperatur in Kelvin ist.

Bei Raumtemperatur beträgt T_gas 298 K und C entspricht 345 m/s oder 1135 ft/s. Bei einer hohen Gastemperatur von 425°C beträgt T_gas 698 K und C entspricht 529 m/s oder 1736 ft/s.
Wenn der Ultraschalldurchflussmesser bei einer Gastemperatur von 298 K geeicht bzw. kalibriert ist, dann wird die Gasgeschwindigkeit berechnet nach der Beziehung: V = (1/T1_gemessen – 1/T2_gemessen)·L/(2·cosΦ).
Wird die Gastemperatur auf 698 K erhöht, dann stellen wir fest, dass die so berechnete Geschwindigkeit gegenüber der wahren Gasgeschwindigkeit um 5% bis 10% abweicht.
Zusätzliche Hintergrundinformation kann gefunden werden in den U.S.Patenten Nr. 5,756,360 ; 4,336,719 ; 5,217,018 ; 5,159,838 ; 6,343,511 ; 5,241,287 ; 4,743,870 ; 5,438,999 ; 4,297,607 ; und 6,307,302 .
Aus den vorstehenden Gründen besteht ein Bedarf an einem verbesserten Verfahren zur Eichung eines akustischen Durchflussmessers.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Eichung eines akustischen Durchflussmessers zu schaffen.
Die Erfindung richtet sich an die Änderung der Verzögerungszeit eines Ultraschallmesswandlers mit ansteigender Temperatur, das heißt T1 = T1_gemessen – T_Messwandler. Der Ultraschallpuls braucht üblicherweise etwa 12 μs, um sich in einer bei 298 K getesteten Anordnung durch den Messwandler, angeschlossene elektronische Messverstärker und Koaxialkabel fortzupflanzen. Die Erfindung berücksichtigt, dass sich diese Verzögerungszeit mit der Temperatur ändert.
Die Erfindung involviert Aspekte der Eichung eines Ultraschalldurchflussmessers. Im weiteren Sinne richten sich diese Aspekte auf die Änderungen der Verzögerungszeit bei Änderungen der Temperatur. Dazu werden die Weglänge zwischen sendendem und empfangendem Messwandler und die Messwandler-Verzögerungszeit über einen weiten Temperaturbereich als zu optimierende Größen behandelt. Das Verfahren lässt sich für verschiedene Anwendungen nutzen, die einen akustischen Durchflussmesser brauchen, beispielsweise in einem Probensystem für Abgase.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt ein Miniverdünnungsprobensystem mit Beuteln nach der Erfindung;
2 zeigt den Durchflussmesser in dem System nach 1;
3 ist ein Diagramm, das gemäß einem Aspekt der Erfindung Gasgeschwindigkeitsfehler bei optimierter Weglänge und Messwandlerverzögerungszeit darstellt.
EINZELBESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
1 zeigt bei 10 ein Beutel-Miniverdünner-Probenentnahmesystem. Das Probenentnahmesystem 10 umfaßt eine Hauptleitung mit einem Einlass 12 zur Aufnahme von Abgas. Ein Durchflussmesser 14 misst den Fluiddurchfluss durch die Hauptleitung und das Gesamtabgasvolumen wird akkumuliert. Der Durchflussmesser 14 erzeugt ein direktes Abgasdurchfluss-Messsignal und ist gemäß der Erfindung kalibriert bzw. geeicht. In Abhängigkeit von der Ausführung kann ein Gebläse 16 den Fluiddurchfluss durch die Leitung fördern.
Eine Probenentnahmeleitung 18 entnimmt der Hauptleitung Proben. Ein Verdünnungseinlass 20 empfängt ein Verdünnungsgas. Eine Regelung 22 für einen konstanten Durchfluss und eine Regelung 24 für einen konstanten Durchfluss (Massendurchflusssteuerungen oder kritische Durchflussventuris) überwachen jeweils den Durchfluss des Verdünnungsgases und des probeentnommenen Abgases, um ein generell fixiertes Verhältnis im Mischbereich zu schaffen.
Eine Pumpe 26 pumpt die Mischung aus Verdünnungsgas und Abgasprobe für ein mögliches Sammeln in Beuteln 32. Eine proportionale Durchflusseinrichtung 28 sorgt für einen Zufluss zu den probensammelnden Beuteln 32, der dem Durchfluss durch die Hauptleitung proportional ist. Dementsprechend ist ein Bypass 30 vorgesehen, um zu ermöglichen, daß etwas von der Mischung an den Sammlern vorbeifließt.
2 verdeutlicht den Durchflussmesser 14 detaillierter und zeigt ein Paar akustischer Messwandler 40, die einander gegenüberliegend quer über die Leitung angeordnet sind. Der Durchflussmesser 14 kann in jedweder geeigneten Weise hergestellt sein, ebenso wie die Messwandler 40. Somit bezieht sich die Erfindung auf Gesichtspunkte der Kalibrierung eines akustischen Durchflussmessers und wird in der Eichung eines Paars von Ultraschalldurchflussmessern in einem Probenentnahmesystem exemplifiziert.
Gemäß der Erfindung werden die für die Weglänge zwischen dem sendenden und dem empfangenden Messwandler und für die Messwandlerverzögerungszeit über einen weiten Temperaturbereich optimierte Größen ermittelt und zur Berechnung der Gasgeschwindigkeit verwendet. Damit kann auch der Durchflussmesserausgang eines Ultraschalldurchflussmessers temperaturkompensiert werden
Die bevorzugte Ausführungsform wird am besten anhand des folgenden Arbeitsbeispiels verstanden werden.
Beispiel:
Bei dem Arbeitsbeispiel wurde der Ultraschalldurchflussmesser mit strömender Luft von 298 K kalibriert, wobei für die Weglänge mittels eines Tasters eine Länge wie 3,260 Zoll gemessen wurde. Unter Verwendung der bekannten Gasgeschwindigkeit wurde in den folgenden zwei Gleichungen die Meßwandlerverzögerungszeit zu 9,0 μs bzw. 5,7 μs bestimmt. T1 = T1_gemessen – 9,0 μs und L = 3,260 Zoll für die Kanal 1 Messwandler, und T1 = T1_gemessen – 5,7 μs und L = 3,260 Zoll für die Kanal 2 Messwandler.
Für T2_gemessengelten identische Resultate. Diese Meßwandlerverzögerungszeiten brachten über einen Temperaturbereich von 20°C bis etwa 250°C zufriedenstellende Geschwindigkeitsmessungen. Es gab verbleibende Fehler bei Geschwindigkeiten, die bei Gastemperaturen im Bereich von 250–450°C berechnet wurden.
Lösung:
Die Lösung für das vorgenannte Problem beim Arbeitsbeispiel wird nun beschrieben.
Die bevorzugte Ausführungsform umfasst zwei, miteinander verbundene Verfahren. Ein Kalibrierverfahren für einen akustischen Durchflussmesser und ein Verfahren zum Betreiben eines entsprechend kalibrierten akustischen Durchflussmessers.
Das Kalibrierverfahren für einen akustischen Durchflussmesser umfasst zwei Schritte. Im ersten Schritt werden für eine Vielzahl von Temperaturen für jede der Temperaturen bei jeweils bekannter, vorgegebener Fließgeschwindigkeit die Laufzeit für den Ultraschallpuls stromaufwärts und die Laufzeit für den Ultraschallpuls stromabwärts gemessen.
Im Prinzip erhält man so ein zugehöriges Gleichungssystem wie nachstehend gezeigt, in dem nur die einzelnen, temperaturabhängigen Messwandlerverzögerungszeiten unbekannt sind – der Winkel Φ ist bekannt, und die Weglänge L im Prinzip ebenfalls, d. h. im Arbeitsbeispiel wurde für die Weglänge L eine Länge von 3,260 Zoll gemessen und verwendet.
V_T=23C = (1/(T1_gemessen – tw₂₃) – 1/(T2_gemessen – tw₂₃))·L_T=23C/(2·cosΦ);
V_T=100C = (1/(T1_gemessen – tw₁₀₀) – 1/(T2_gemessen – tw₁₀₀))·L_T=100C/(2·cosΦ);
V_T=150C = (1/(T1_gemessen – tw₁₅₀) – 1/(T2_gemessen – tw₁₅₀))·L_T=150C/(2·cosΦ);
V_T=200C = (1/(T1_gemessen – tw₂₀₀) – 1/(T2_gemessen – tw₂₀₀))·L_T=200C/(2·cosΦ);
V_T=250C = (1/(T1_gemessen – tw₂₅₀) – 1/(T2_gemessen – tw₂₅₀))·L_T=250C/(2·cosΦ);
V_T=300C = (1/(T1_gemessen – tw₃₀₀) – 1/(T2_gemessen – tw₃₀₀))·L_T=300C/(2·cosΦ);
V_T=350C = (1/(T1gemessen – tw₃₅₀) – 1/(T2_gemessen – tw₃₅₀))·L_T=350C/(2·cosΦ);
V_T=400C = (1/(T1_gemessen – tw400) – 1/(T2_gemessen – tw₄₀₀))·L_T=400C/(2·cosΦ);
Im zweiten Schritt des Kalibrierverfahrens werden in diesem Gleichungssystem bei bekannten Fließgeschwindigkeiten V und gemessenen Laufzeiten T_gemessen sowohl die unbekannten Messwandlerverzögerungszeiten als auch die an sich bekannte Weglänge L als variable Parameter behandelt und eine Optimierung derart durchgeführt, dass eine einzige sog. optimierte Messwandlerverzögerungszeit tw_optimiert und eine einzige sog. optimierte Weglänge L_optimiert erhalten wird, derart, dass eingesetzt in obiges Gleichungssystem für einen großen Temperaturbereich von beispielsweise 50 bis 375°C die korrekten, bekannten Fließgeschwindigkeiten mit den gemessenen Laufzeiten T_gemessen mit einem geringen Fehler von beispielsweise unter 1% reproduziert werden.
Im Verfahren zum Betreiben des wie vorstehend kalibrierten akustischen Durchflussmessers wird dann bei einer beliebigen, bestimmten Temperatur im oben genannten Temperaturbereich, für den der Durchflussmesser wie oben beschrieben kalibriert wurde, nur die Laufzeit für den Ultraschallpuls stromaufwärts und die Laufzeit für den Ultraschallpuls stromabwärts gemessen, und dann damit gemäß der Gleichung V = (1/(T1_gemessen – tw_optimiert) – 1/(T1_gemessen – tw_optimiert))·L_optimiert/(2·cosΦ) die unbekannte Geschwindigkeit V berechnet, indem in dieser Gleichung außerdem noch die optimierte Messwandlerverzögerungszeit tw_optimiert und optimierte Weglänge L_optimiert anstelle der unbekannten wahren Messwandlerverzögerungszeit und Weglänge einsetzt werden.
Die näherungsweisen Optima für Weglänge und Messwandler-Verzögerungszeit sind beim Arbeitsbeispiel bei allen Temperaturen: T1 = T1_gemessen – 20,0 μs und L_optimiert = 3,135 Zoll für die Kanal 1 Messwandler, und T1 = T1_gemessen – 13,5 μs und L_optimiert = 3,170 Zoll für die Kanal 2 Messwandler.
Es ist zu beachten, dass die temperaturoptimierten Messwandler-Verzögerungszeiten tw_optimiert gegenüber den Werten beim Arbeitsbeispiel substantiell verschieden sind: Kanal 1 wechselte von 9,0 μs zu 20,0 μs und Kanal 2 wechselte von 5,7 μs zu 13,5 μs, das sind jeweils Änderungen von 122% bzw. 137%. Die Änderungen in der optimierten Weglänge L_optimiert waren vergleichsweise geringer, von 3,260 Zoll auf 3,135 Zoll, das ergibt einen Unterschied von 3,8%.
Über den Temperaturbereich von 50 bis 375°C ergeben diese optimierten Werte der Weglänge und Messwandler-Verzögerungszeiten Gasgeschwindigkeiten, die sich bei jeder Temperatur innerhalb von 1% der korrekten Rechenwerte befinden, wie in 3 gezeigt ist. Dies bestätigt, dass die Ultraschall-Durchflussmesser-Geschwindigkeitsmessung über diesen Temperaturbereich ungefähr stabil ist.
Es ist festzustellen, dass die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung Änderungen von Zeitverzögerungen in Abhängigkeit von der Temperatur betrifft. Im Gegensatz hierzu können beim Stand der Technik Ultraschalldurchflussmesser nur in einem sehr begrenzten Temperaturbereich betrieben werden, und dabei wird ein großer Wärmetauscher verwendet, um sicherzustellen, dass die Gastemperatur sich in dem Bereich befindet.

Claims

Kalibrierverfahren für einen akustischen Durchflussmesser, wobei der Durchflussmesser einen ersten akustischen Messwandler und einen zweiten akustischen Messwandler umfasst, die derart angeordnet sind, dass sie einen Weg der Länge L durch das Messrohr des Durchflussmessers definieren, wobei dieser Weg das Messrohr unter einem vorgegebenen Winkel Φ kreuzt, und wobei die Geschwindigkeit eines durch das Messrohr strömenden Fluids mittels Messen der Laufzeit eines akustischen Pulses in Stromaufwärtsrichtung und Messen der Laufzeit eines akustischen Pulses in Stromabwärtsrichtung bestimmt wird, mit den Schritten: Vorgeben einer Fließgeschwindigkeit des strömenden Fluids für eine Vielzahl von Temperaturen in einem vorgegebenen Temperaturbereich für jede dieser Temperaturen und Messen jeweils der Laufzeit für den Ultraschallpuls stromaufwärts und der Laufzeit für den Ultraschallpuls stromabwärts mittels des Durchflussmessers für jede dieser Temperaturen; Durchführen einer Optimierung, derart, dass in dem Satz von Gleichungen, die die vorgegebenen Fließgeschwindigkeiten mit der Vielzahl der gemessenen Laufzeiten, unbekannten Messwandlerverzögerungszeiten, der Länge L und dem Winkel Φ in Beziehung setzen, sowohl die unbekannten Messwandlerverzögerungszeiten als auch die an sich bekannte Weglänge L als variable Parameter behandelt und die Optimierung derart durchgeführt wird, dass eine einzige sog. optimierte Messwandlerverzögerungszeit tw_optimiert und eine einzige sog. optimierte Weglänge L_optimiert erhalten wird, derart, dass, wenn man die optimierte Messwandlerverzögerungszeit tw_optimiert und die optimierte Weglänge L_optimiert zusammen mit den gemessenen Laufzeiten T_gemessen und dem Winkel Φ in den obigen Satz von Gleichungen einsetzt, für zumindest einen Teilbereich des obigen Temperaturbereichs die korrekten, bekannten Fließgeschwindigkeiten mit einem geringen Fehler reproduziert werden.
Verfahren zum Betreiben eines nach Anspruch 1 kalibrierten akustischen Durchflussmessers, mit den Schritten: Messen, bei einer Temperatur in dem Temperaturbereich, für den der Durchflussmesser kalibriert wurde, der Laufzeit eines akustischen Pulses in Stromaufwärtsrichtung und der Laufzeit eines akustischen Pulses in Stromabwärtsrichtung; Berechnen der Geschwindigkeit des durch das Messrohr strömenden Fluids, in dem in der Gleichung, die die Fließgeschwindigkeit mit den Laufzeiten, der Messwandlerverzögerungszeit, der Länge L und dem Winkel Φ in Beziehung setzt, die zwei gemessenen Laufzeiten und die optimierte Messwandlerverzögerungszeit tw_optimiert und die optimierte Weglänge L_optimiert eingesetzt werden.