DE1648147A1 - Ultraschall-Durchflussmengen-Messsystem - Google Patents

Description

_J.

Anmelder; Tokyo Keikl Seizosho Co., Ltd.

" Ul fcrasGha 1 L-Durc hfl ussmengen-Meß sys tem"

Es wird die Priorität der japanischen Anmeldung 72Οβθ/66 vom 1. November 1966 beansprucht.

Früher wurde zum Messen der Durchflußmenge einer in einem Rohr fließenden Flüssigkeit mittels eines Ultraschall-Durchflußmessers angenommen,■daß die Richtung des Flusses immer mit der Richbung der Mittelachse des Rohres übereinstimmt. Die Durohschnittsflußgeschwindigkeit auf dem ganzen Fortpflanzungsweg eines Ultraschallstrahles schräg zur Flußrichtung wurde gemessen, um die Durchflußmenge zu erhalten, indem der gemessene Wert selbst genommen wurde. Diese Annahme ist aber unrichtig, wenn ein gerader Rohrteil, in welchem der Ultraschallstrahl auftritt, mit einem gebogenen Rohrteil verbunden ist, weil in diesem Fall die Flußrichtung nicht mehr mit der Rohrachsenrichtung übereinstimmt, da sich der Fluß aufgrund der Rohr-

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krümmung verändert. Aus diesem Grund bringt das,oben erwähnte einfache Meßsystem oft einen beträchtlichen Fehler der gemessenen Flußmenge.

Das Ziel der Erfindung ist es, die Fehler zu beseitigen, die entstehen, wenn die .Flußrichtung von der der Mittelachse des Rohres abweicht. Um dies zu erreichen, sind zwei Ultraschallstrahl-Fortpflanzungswege schräg zur Rohrachsenrichtung mit Neigungen im sich gegenseitig ergänzenden Verhältnis vorgesehen. Das System ist so konstruiert, daß ein Mittelwert der Durchflußgeschwindigkeiten gemessen wird, die von jedem der beiden Wege bestimmt werden. Aufgrund der Konstruktion heben sich Fehler, die durch die Abweichung der Flußrichtung von der Rohrachsenrichtung entstehen, gegenseitig auf mit dem Ergebnis, daß immer eine genaue Durchflußgeschwindigkeits-Komponente gemessen werden, kann.

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines herkömmlichen, einfachen Ultraschall-Durchflußmessers.

Fig. 2 zeigt eine AusfUhrungsform nach der Erfindung.

Fig. 3 und 4 sind Darstellungen von zwei weiteren. Aus führ ungs-i formen naeh der Erfindung.

In Fig. 1 ist mit L ein Rohr, in dem eine zu messende Flüssigkeit fließt, und mit 2 und 3 ein Paar Wandler bezeichnet. Die Wandler 2 und 3 sind am Rohr 1 auf diametral gegenüberliegenden

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'■ -"-sf-·-■■■■ ■...'■■"■■■

Geraden auf der Rohrwand so befestigt, daß ein Ultraschall-' Portpflarizungsweg k, der sie verbindet, schräg zur Achsrichtung des Rohres 1 geneigt ist. Der Neigungswinkel ist mit θ bezeichnet und die Länge des Weges 4 mit /C . In diesem Abschnitt bildet das Rohr einen geraden Rohrteil und die Rohrwand kann als die Aggregation einer Unbestimmten Zahl von parallel zur Rohrachse verlaufenden Geraden betrachtet werden. Es sei angenommen, daß mit dem geraden Rohrteil auf dessen linker oder rechter Seite ein gekrümmter Rohrteil,' z.B. ein rechtwinklig gekrümmter Teil, verbunden ist. Wenn dann die Richtung und Geschwindigkeit der Flüssigkeit im Rohr 1 V ist, dann stimmt die Richtung von V nicht immer mit der Rohrachsenrichtung überein; der Winkel zwischen ihnen beträgt e.

Bei einer Ausführungsform' sei angenommen, daß die Wandler 2 und 5 zu einem Ultraschall-Umlaufsystem (sing-around system) gehören. Es ist nämlich während einer Periode der Wandler 2 als Geber so an einen Ultraschall-Sender-Empfänger angeschlossen, daß er beim Empfang der elektrischen Ausgangsimpurse des Ultraschall-Sender-Empfängers Ultraschallimpulse über den Weg 4 zum Wandler J gibt, welcher als Empfänger dient, um die Ultraschallimpulse in elektrische Impulse zurückzuwandeln und sie zum Sender-Empfänger zu leiten, der wiederum beim Empfang der elektrischen Dnpulse unmittelbar elektrische Impulse zum Wandler 2 leitet. So wird ein selbsttätiger Ultraschall-Zyklus-Weg gebildet, wobei die Frequenz oder Zahl der Impulse während

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einer definierten Zeit der elektrischen Impulse, welche der Sender-Empfänger vom Wandler 3 erhält, proportional ist zur Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Ultraschallwellen vom Wandler 2 zum Wandler 3 in Richtung des Durchflusses. Während der nächsten Periode werden die Wandler 2 und 3 bezüglich Senden und Empfangen umgekehrt geschaltet, um einen ähnlichen Ultraschall-Zyklus-Weg zu bilden. In diesem Fall ist die Frequenz der empfangenen Impulse des Sender-Empfängers proportional zur Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Ultraschallwellen vom Wandler 3 zum Wandler 2 entgegen der Flußrichtung. Da die Ultraschallfortpflanzungsgeschwindigkeit in Richtung des Flusses gleich der Summe der Fortpflanzungsgeschwindigkeit c, wenn die Durchflußgeschwindigkeit Null wäre, und der Komponente der Strömungsgeschwindigkeit V in Richtung des Weges 4 ist, und die Fortpflanzungsgeschwindigkeit in der Gegenflußrichtung der Differenz zwischen beiden entspricht, kann die Strömungsgeschwindigkeit V dadurch gemessen werden, daß man die Differenz zwischen den Ultraschallfortpflanzungsgeschwindigkeiten in der stromabwärtigen und -aufwärtigen Richtung bestimmt.

Wenn man nun in Fig. 1 annimmt, daß e = 0 ist, so ergibt sich die Ultraschall-Empfangsfrequenz f. stromabwärts und die Frequenz fg stromaufwärts wie folgt:

- c + Vcos θ ' ο - Vcos θ

^f ι ⁼ ι ^f2 ⁼ - Τ "

Daher ist 2Vcos θ

f _χ - f₂ = ρ .

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Da t und θ bekannt sind, kann man V aus f^ ~ fg erhalten.

Wenn aber £ nicht Null ist, ergibt sich folgendes«

f _ c + Voos (Q + £) ' _ c ~ Vcos (Q + £)

^xl ~ Z- '2 "J -

Daher ist

^fl " ^f2 ⁼ T ^C0S

Wenn man die Komponente von V in der Rohrachsenrichtung Vcos£,= ν annimmt, und die Komponente in der Querrichtung Vsin£ = u, dann ergibt sich

f^ - f₂ = -—- (v cos θ - - u sin θ) '

Da der wahre Wert der Durchflußmenge ν mal Querschnittsfläche sein muß, erweist sich u sin θ relativ zu ν cos θ in der obigen Gleichung als unrichtig»

In Pig, 2, die eine Ausführungsfprm nach der Erfindung zeigt, sind die Wandler 5 und 6 an der Rohrwand auf einer Geraden parallel zur Rohrachse so angeordnet, daß Ultraschallimpulse, die vom Wandler 5 in einem Winkel θ zur Rohrachse ausgesendet werden, an einem Punkt 8 auf der Innenfläche der entgegengesetzten Rohrwand reflektiert werden und die reflektierten Wellen 7 den Wandler β erreichen. Die Wandler 5 und 6 sind

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- 5 - ■■■■.;■

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in einem Ultraschall-Umlaufsystem angeordnet, ähnlieh wie die Wandler 2 und 3 in Fig. I₃ und zwar sowohl stromabwärts wie -aufwärts. Durch Messen der Differenz zwischen der .stromabwärt igen Frequenz f, und der stromaufwärt igen Frequenz f|. kann man die gewünschte wahre Flußgeschwindigkeitskomponente :v erhalten.

In diesem Fall ist nämlich der Schnittwinkel der Richtung der Flußgeschwindigkeit V mit der Richtung des Weges 4 gleich θ +£>, während der Schnittwinkel der Richtung der Flußgeschwindigkeit V mit dem reflektierten Weg J gleich θ - «£.' ist. Mathematisch ausgedrückt ergibt sich daraus folgendes: Wenn . man die Zeit, welche die Ultrasehallimpulse vom Wandler 5 über die Wege 4 und 7 zum Wandler β benötigen ,als t-, annimmt, und die Zeit in umgekehrter Richtung als th, dann ist

JL . I

J> ~ c + Vcos (Θ +£J ^T c + Vcos (0 „£

W _t 2 I (c + VcosO · cos )

5 c² + 2VCOS Q . cos£+ V²CcOs²O cos²£ - sin θ sin²€ )

Wenn man hierin das obige ν « Vcos£ und u =, Vsin £. einsetzt, erhält man

. 2 t(c + ν cos 0 ) ,_

O ο λ

(c + ν cos θ ) · u sin

Da nun ν sehr klein im Vergleich zu c ist, und u sogar noch

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beträchtlich kleiner ist als v, ist u sin θ erheblich kleiner als c + ν cos θ und kann weggelassen werden. Dann erhält man das folgende Ergebnis!

t, =

j5 c + v cos Q

ähnlicher Weise ist

^υ4 ~c- Vcos (θ +S) ⁺ c - Vcos (θ -£|

2.% (c - ν cos θ ) (c - ν cos Θ)² - u² sin² θ

Da nun u sin θ erheblich kleiner ist als c - ν cos θ , erhält man folgendes Ergebnis: - ■■ -

■t ₌

c-v cos θ

Deshalb sind f, und f^ wie folgts

c + ν cos θ

f _ c-v cos 9

4 -

2 J, Daher ist

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Bisher war angenommen worden, daß die Richtung der Plui3-geschwindigkeit V in der Ebene liegt, die die Ultraschallwege und 7 enthält. Wenn V aus dieser Ebene abgelenkt wird, nimmt man die Rohrachsenrichtung als χ an, die Rohrquerrichtung in der Ebene der Wege 4 und ¹J als y, und die Richtung senkrecht zu diesen beiden als z, und die Komponenten von V in diesen drei Richtungen als Vx, Vy und Vz. Wenn man nun den Schnittwinkel i der Flußgeschwindigkeit V mit dem Weg 4 erhält und den Schnittwinkel ψ der Flußgeschwindigkeit· V mit dem Weg 7, ergibt sich, da im allgemeinen der Schnittwinkel zweier Geraden, deren Richtungskosinusse (■!?,, nu, n,) bzw. (<6>₂' ^mp* ¹^o) sind, gleich J, #p + nu nu + n« n_g ist, folgendes:

TT_x- y-tr XTn/ η

cos § = r~ cosQ - ψ- sin Q + ■—■ cos 90 cos ψ = τρ cos© + ψ- sin Q + ■—■ cos 90°

^ Daher ist

Vcos 9 = Vx cos Q - Vy sin θ Vcos ijr - Vx cos Θ,+ Vy sin θ

Wenn man in diesem Fall die oben erwähnten Werte von t,, und ΐψ fjj. berechnet, ergibt sichs

_{fc m}

3 c + (Vx cos θ - Vy sin Θ) c + [Vx cos Q + Vy sin 9)

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- 8 -' Aif ORfGtNAL

'k c - (Vx cosO - Vy sin θ) c - (Vx eosö +Vy sinö)

Auch in diesem Falle ist, ähnlich wie oben erwähnt, Vy sin 9 sehr klein im Vergleich zu c + Vx cos θ und kann daher weggelassen werden. Dann ergibt sich folgendes;

V-

C	+ Vx	cos	θ
	2t
C	- Vx	cos	Q
C	+ Vx	cos	θ
C	- Vx	cos	θ

Daher ist f, - fj^ = -ψ- cos θ

Wenn dieses Vx mit der Querschnittsfläche multipliziert wird, erhält man die richtige Flußmenge.. .

!•'ig. 3 zeigt eine AusfUhrungsform, in der die zwei Ultraschall-FortffLanzungswege k und 7 der Fig. 2 getrennt und zwei ur-tbhängige Sätze eines Ultraschall-Umlauf systems, nämlich ein Satz mit den Wandlern 2 und 3 und ein anderer mit Wandlern 9 und 10 vorgesehen sind. In diesem Fall sollten die Neigungen der Wege 4 und 7 zur Rohrachse in einem sich ergänzenden Verhältnis stehen, d.h., wenn eine von ihnen θ ist, solle die

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andere TT - θ sein relativ zur gleichen Bezugsrichtung. Weiterhin soll in diesem Fall die Gerade des Weges 7 so gewählt werden, daß sie in der Ebene liegt, die zwei Längsgeraden in der Rohrachsenrichtung enthält, die durch beide Enden-des Weges oder durch die Wandler 2 und 3 verläuft. Wenn man nun die Schallumlauffrequenz vom Wandler 2 zum Wandler 3 mit f^ be- zeichnet, die vom Wandler 3 zum Wandler 2 mit f^, die vom Wandler 9 zum Wandler 10 mit f„ und die vom Wandler 10 zum Wandler 9 mit fg, dann ist

f - fg = —γ- (v cos θ - u sin Q)

f- fο = -|— (v cos 0 + u sin 9)

Wenn man nun die Summe der beiden Ausdrücke nimmt, ergibt sich: (f₅ - f₆) + (f_? - f₈) = -j cos Θ,

. wobei ihr Durchschnittswert die Hälfte der Summe ist. Weiterhin braucht man, selbst wenn V in drei Komponenten Vx, Vy und Vz aufgelöst wird, nur ν und u durch Vx.und Vy zu ersetzen.

Eine weitere in Fig. 4 gezeigte Ausführungsform ist ähnlich der in Pig. 3 gezeigten, außer dass der Weg ¹J in eine Stellung verschoben ist, wo er den Weg 4 schneidet.

Obwohl In den oben erwähnten Auiührungsformen angenommen wurde, daß die zu messende Flüssigkeit In einem Rohr mit kreisförmigem Querschnitt fließt, ist die Erfindung nicht darauf beschränkt,·

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sondern kann auch auf solche Fälle angewendet werden, wo ganz allgemein ein Behälter mit parallelen gegenüberliegenden Wänden oder Kanälen, deren eine Seite offen ist,, oder ähnliche Flüssigkeitsleitungen vorhanden sind. Weiterhin ist die Erfindung nicht beschränkt auf den Fall, bei dem die Ultraschall-Umlaufmethode angewendet wird, sondern kann auch angewendet werden auf solche Fälle, wo andere Methoden, z.B. die. Phasendifferenzmethode (einschließlich Simultan-Sende- und Empfänger-Typ) oder die Impulsfortpflanzungs-Zeitdifferenzmethode angewandt wird. In allen diesen Fällen werden nach der Erfindung die Fehler, die aufgrund der Tatsache entstehen, daß die Flußgeschwindigkeitsrichtung nicht mit der Rohrachsenrichtung übereinstimmt, korrigiert und der genaue Flußmengenwert ermittelt.

Patentansprüche

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Claims (1)

Patentansprüche

1. Ultraschall-Durchflußmengen-Meßsystem, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen zwei gegenüberliegenden Seitenwänden einer Flüssigkeitsleitung (l) zwei Ultraschall-Fortpflanzungswege (4 und 7) in einer durch zwei parallele Längsgeraden in den Seitenwänden verlaufenden Ebene und gegenüber den beiden Längsgeraden in einem sich gegenseitig ergänzenden Verhältnis geneigt vorgesehen sind, wobei in jedem der beiden Fortpflanzungswege Mittel zur Fortpflanzung von Ultraschallwellen jeweils in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung und Mittel zum Messen des Durchschnittswertes der Differenzen zwischen den Fortpflanzungsgeschwindigkeiten oder -zeiten stromabwärts und stromaufwärts vorgesehen sind.

2„ Durchflußmengen-Meßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallwellen in einem der Fortpflanzung swege (7) duroh &£*e Reflektion der Ultraschallwellen des anderen Weges (4) an einem Punkt (8) der Leitungswände erzeugt werden (Fig. 2).

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