DE1648147B2

DE1648147B2 - Ultraschall-Durchflußmengenmeßsystem

Info

Publication number: DE1648147B2
Application number: DE1648147A
Authority: DE
Inventors: Shin Amano; Miako Yamamoto
Original assignee: Tokyo Keiki Seizosho Co Ltd
Current assignee: Tokyo Keiki Inc
Priority date: 1966-11-01
Filing date: 1967-10-27
Publication date: 1975-06-19
Also published as: GB1200349A; DE1648147C3; US3555899A; DE1648147A1; JPS5125750B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Ultraschall-Mengensystem, bei welchem innerhalb des Strömungskanals eine Meßstrecke mit einem Wandlerpaar vorgesehen ist, das einer periodischen Umschaltung ausgesetzt wird.

Nach »Voith Forschung und Konstrukuon«, Heft 3, August 1958. S. 1.1 bis 1.40 ist bereits ein Verfahren fcur Ultraschall-Strömungsmessung bekannt, bei welchem innerhalb des Strömungskanals eine Meßstrecke vorgesehen ist, die von einem Signal mit wechselnder Senderichtung durchlaufen wird. Dieses Verfahren ist jedoch unwirksam, wenn die Strömungsrichtung des zu messenden Mediums von der Achse der Flüssigkeitsleitung abweicht.

In »Control«. Januar 1962, S. 93 bis 97, wird ein Phasen Vergleichssystem beschrieben, das jedoch direkt durch die Veränderung der Schall-Fortpflanzungsgeschwindigkeit, wie sie beispielsweise durch eine Temperaturänderung verursacht werden kann, beeinflußt wird. Hierdurch wird eine beträchtlich ins Gewicht fallende Fehlerquelle verursacht.

Auch die USA.-Patentschrift 29 91 650 basiert auf einem Phasen-Vergleichssystem, das mit den erwähnten Nachteilen verbunden ist und somit keine exakte Bestimmung der Durchflußmenge gestattet.

In der deutschen Patentschrift 10 26 998 wird ein Interferenzsystem beschrieben, bei welchem zwei sich überschneidende Schall-Fortpflanzungswege vorgesehen sind. Bei diesem System rufen schon geringe Unterschiede in der Länge der Wege beträchtliche Meßfehler hervor. Da es praktisch nicht möglich ist, in der Praxis die Weglänge der beiden Meßstrecken genau gleich auszubilden, ist dieses System stets mit einer Fehlerquelle verknüpft.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein System für eine exakte Durchfluß-Mengenmessung auch für den Fall zu schaffen, daß die Strömungsrichtung des flüssigen Mediums von der Achse der Flüssigkeitsleitung abweicht. Dabei soll auch eine Veränderung der Schall-Fortpflanzungsgeschwindigkeit, wie sie beispielsweise durch eine Temperaturänderung verursacht werden kann, keinen Einfluß auf das Meßergebnis haben. Nach der Erfindung wird diese Aufgabe durch eine Umlenkung des Schall-Fortpflanzungsweges gelöst, der sich aus zwei Teilwegen zusammensetzt, die durch Reflexion an der den beiden Wandlern gegenüberliegenden Seitenwand des Kanals entstehen und in einem sich gegenseitig ergänzenden Verhältnis gegenüber den Seitenwänden des Strömungskanals geneigt sind.

Nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung sind zwei einzelne Ultraschall-Rundschleifensysteme und zwei Meßstrecken vorgesehen, wobei die beiden Schallwege gleich lang und in einem sich gegenseitigen Verhältnis gegenüber den Seitenwänden des Strömungskanals geneigt sind und die periodische Umschaltung in beiden Umlaufschleifen erfolgt, wobei eine Anordnung vorgesehen ist, mittels welcher die Impulse in stromabwärtiger Richtung und in stromaufwärtiger Richtung gezählt werden und der Durchschnittswert der Differenzen der Frequenzen innerhalb der beiden Meßstrecken gebildet wird.

Dabei kann sowohl die Ultraschall-Umlaufmethode angewendet werden, als auch andere Methoden, z. B. die Phasendifferenz-Methode (einschließlich Simultan-Sende- und Empfänger-Typ) oder die Impulsfortpflanzungs-Zeitdifferenz-Methode. In allen diesen Fällen werden nach der Erfindung die Fehler, die auf Grund der Tatsache entstehen, daß die Flußgeschwindigkeitsrichtung nicht mit der Rohrachsenrichtung übereinstimmt, korrigiert und der genaue Flußmengenwert ermittelt.

Obwohl in den obenerwähnten Ausführungsformen angenommen wurde, daß die zu messende Flüssigkeit in einem Rohr mit kreisförmigem Querschnitt fließt, können beide Systeme in solchen Fällen eingesetzt werden, wo ein Kanal parallele, gegenüberliegende Wände aufweist, oder wo Kanäle, deren eine Seite offen ist oder ähnliche Flüssigkeitsleitungen vorhanden sind.

Das System ist so ausgebildet, daß ein Mittelwert der Durchflußgeschwindigkeiten gemessen wird, die von jedem der beiden Wege bestimmt werden. Auf Grund dieser Anordnung heben sich Fehler, die durch die Abweichung der Flußrichtung von der Rohrachsenrichtung entstehen, gegenseitig auf mit dem Ergebnis, daß immer eine genaue Durchflußgeschwindigkeitskomponente gemessen werden kann.

Die Erfindung soll im folgenden an Hand verschiedener Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei zeigt im einzelnen

F i g. 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung,

F i g. 2 eine ebenfalls schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform und

F i g. 3 eine der Anordnung gemäß F i g. 2 entsprechende Ausführungsform. wobei sich die Wege überkreuzen.

Zur Erläuterung soll von einem Ultraschall-Rundschleifensyslem mit zwei Wandlern ausgegangen werden. Hierbei ist während einer Periode ein Wandler als Geber so an einen Ultraschall-Sender-Empfänger angeschlossen, daß er beim Empfang der elektrischen

Ausgangsimpulse Ultraschallimpulse zum zweiten Wandler 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 Impulse unmittelbar elektrische Impulse zum ersten Wandler leitet. So wird ein selbsttätiger Ultraschall-Zyklus-Weg gebildet, wobei die Frequenz oder ZaW der Impulse während einer definierten Zeit der elektrischen Impulse, welche der Sender-Empfänger vom zweiten Wandler erhält, proportional ist zur Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Ultraschallwellen vom ersten Wandler zum zweiten Wandler in Richtung des Durchflusses. Während der nächsten Periode werden die Wandler bezüglich des Sendens und Empfangens umgekehrt geschaltet und bilden einen analogen Ultraschall-Zyklus-Weg. In diesem Fall ist die Frequenz der empfangenen Impulse des Sender-Empfängers proportional zur Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Ultraschallwellen vom zweiten Wandler zum ersten Wandler entgegen der Flußrichtung. Da die Ultraschallfortpflanzungsgesehwindigkeit 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 die Richtung der Strömung nicht von der Rohrachsenrichtung abweicht (> = 0), so ergibt sich die Ultraschall-Empfangsfrequenz /, stromabwärts und die Frequenz /₂ stromaufwärts wie folgt:

A =

c + P cos θ

I c — Kcos W

Daher ist

2 F cos θ
Γ

Ultraschallweg und der Kanalwand bekannt sind, kann man V aus /, — /₂ erhalten.

Wenn aber y nicht Null ist, ergibt sich folgendes:

Da die Länge / des Ultraschallweges zwischen den beiden Wandlern und der Winkel Θ zwischen dem

/1 =

/2 =

c + K cos (6» +
c - K cos (θ +

Daher ist

2V I

cos (0 + f) .

Wenn man die Komponente von V in der Rohrachsenrichtung V cosf = ν annimmt und die Komponente in der Querrichtung V sin r = u, dann ergibt sich

Λ - /₂ = -j (p cos 6> - « sin W).

Da der wahre Wert der Durchflußmenge r-mal Querschnittsfläche sein muß, ergibt sich durch u · sin W gemäß der obigen Gleichung ein Meßfehler.

In Fig. 1, die eine Ausführungsform 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 6 erreichen. Die Wandler 5 und 6 sind in einem Ultraschall-Umlaufsystem angeordnet, das periodisch in stromabwärtige und stromaufwärtige Richtung geschaltet wird. Durch Messen der Differenz zwischen der stromabwärtigen Frequenz f₃ und der stromaufwärtigen Frequenz /₄ kann man die gewünschte wahre Flußgeschwindigkeitskomponente ν erhalten.

In diesem Fall ist nämlich der Schnittwinkel der Richtung der Flußgeschwindigkeit V mit der Richtung des Weges 4 gleich (■) + t, während der Schnittwinkel der Richtung der Flußgeschwindigkeit V mit dem reflektierten Weg 7 gleich Θ - t ist. Mathematisch ausgedrückt ergibt sich daraus folgendes: Wenn man die Zeit, welche die Ultraschallimpulse vom Wandler 5 über die Wege 4 und 7 zum Wandler 6 benötigen, als f₃ annimmt und die Zeit in umgekehrter Richtung als r₄, dann ist

Vcos(W

c· + Kcos(W -

³ ~

21 {c -i- Kcos (-) ■ cos r) + 2 Vcos fi ■ cos f + V² (cos¹ H cos² >■ - sin² θ sin²

Wenn man hierin das obige ν = Vcos t und 1/ = V sin f einsetzt, erhält man

h =

2 I (c + ν cos (-))

(t + ν cos θ)² -ι/² sin²

Dann erhält man das folgende Ergebnis:

_t ₌ 2 /

³ c + υ cos θ

In ähnlicher Weise ist

Da nun r sehr klein im Vergleich zu c ist und u sogar noch beträchtlich kleiner ist als v, ist u sin (-) erheblich kleiner als c + ν cos θ und kann weggelassen werden.

"c -V"cos(W-7)"

2 / (c- - υ cos w)_
'⁴ (c — 0 cos W)² — ir sin² fi>

Da nun u sin (-) erheblich kleiner ist als c — ν cos ft», erhält man folgendes Ergebnis:

U = —

2/

C-V COS fi>

Deshalb sind f₃ und /₄ wie folgt:

/3 =

L =

C + V COS ti

Τι

C-V COS ft»

Ti

Daher ist

- L = -γ cos ft».

richtung als χ an, die Rohrquerrichtung in der Ebene der Wege 4 und 7 als y und die Richtung senkrecht zu diesen beiden als ζ und die Komponenten von K in diesen drei Richtungen als Kx, Vy und Vz. Wenn man nun den Schniltwinkel Φ der Flußgeschwindigkeit V mit dem Weg 4 erhält und den Schnittwinkel Ψ der Flußgeschwindigkeit K mit dem Weg 7, ergibt sich, da im allgemeinen der Schnittwinkel zweier Geraden, deren Richtungskosinusse (Z₁, Ws₁, /ι,) bzw. (Z₂. m₂, n₂) ίο sind, gleich Z₁Z₂ + /W₁ZW₂ + M₁ n₂ ist, folgendes:

Bisher war angenommen worden, daß die Richtung der Flußgeschwindigkeit V in der Ebene liegt, die die Ultraschallwege 4 und 7 enthält. Wenn V aus dieser Ebene abgelenkt wird, nimmt man die Rohrachsen-

cos Φ =

cos Ψ =

Yl V

Vx

Vy
cos ti + -~ sin ft» +

cos ft» +

V Vy

Vz
-—

cos 90"

Vz —

Vz
sin ft» + — cos 90°.

Daher ist

V cos Φ = Kx cos ft» - Vy sin ft».

V cos V = Vx cos ft» + Vy sin Θ.

Wenn man in diesem Fall die obenerwähnten Werte von t₃. t₄ und /₃, /₄ berechnet, ergibt sich

c + (Kx cos Θ — Vy sin ft») c + (Kx cos fi» + Vy sin ft»)

c - (Kx cos ft» - Vy sin ft») C-(Vx cos ft» + Vy sin ft») '

A.uch in diesem Falle ist, ähnlich wie oben erwähnt, Vy sin ti sehr klein im Vergleich zu c + Kx cos G> und kann daher weggelassen werden. Dann ergibt sich folgendes:

L =

/4 =

*C +*	Vx cos	ft»"
	2/
C —	Vx cos	Θ'
*C +*	Kx cos	ft»
	2Z
C —	Kx cos	Θ

Daher ist

L-L = -τ ^cos ^Θ·

von ihnen Θ ist, sollte die andere .τ — ft» sein relativ zur gleichen Bezugsnchtung. 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 4 oder durch die Wandler 2 und 3 verläuft. Wenn man nun die Schallumlauffrequenz vom Wandler 2 zum Wandler 3 mit /₅ bezeichnet, die vom Wandler 3 zum Wandler 2 mit /₆, die vom Wandler 9 zum Wandler 10 mit /₇ und die vom Wandler 10 zum Wandler 9 mit /_g, dann ist

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

F i g. 2 zeigt eine Ausfühningsform, in der die zwei Ultraschall-Fortpflanzungswege 4 und 7 der F i g. 1 getrennt und zwei unabhängige Sätze eines Ultraschall-Umlaufsystems, 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 L - L = -γ (» cos ft» - μ sin ft»),
L — L = ~γ (ρ ^cos © + μ sin ft»).

Wenn man nun die Summe der beiden Ausdrücke nimmt, ergibt sich

(/5 - L) + (L - L) = V- cos Φ,

wobei ihr Durchschnittswert die Hälfte der Summt ist. Weiterhin braucht man, selbst wenn V in dre Komponenten Vx, Vy und Vz aufgelöst wird, nur ν um μ durch Kx und Vy zu ersetzen.

Eine weitere in Fig. 3 gezeigte Ausführungsforn ist ähnlich der in Fig. 2 gezeigten, außer daß de Weg 7 in eine Stellung verschoben ist, wo er den Weg«

schneidet.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Ultraschall-Durchflußmengenmeßsystem, bei welchem innerhalb des Strömungskanals eine Meßstrecke mit einem Wandlerpaar vorgesehen ist, das einer periodischen Umschaltung ausgesetzt wird, gekennzeichnet durch eine Umlenkung des Schallfortpflanzungsweges, der sich aus zwei Teilwegen zusammensetzt, die durch Reflexion an der den beiden Wandlern gegenüberliegenden Seitenwand des Kanals entstehen, und in einem sich gegenseitig ergänzenden Verhältnis gegenüber den Seitenwänden des Strömungskanals geneigt sind.

2. Ultrasfthall-Durchflußme.igenmeßsyslem mit zwei einzelnen Ultraschall-Rundschleifensystemen und zwei Meßstrecken, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Schallwege gleich lang und in einem sich gegenseitig ergänzenden Verhältnis gegenüber den Seitenwänden des Strörr.ungskanals geneigt sind, und die periodische Umschaltung in beiden Umlaufschleifen erfolgt, wobei eine Anordnung vorgesehen ist. mittels welcher die impulse in stromabwärtiger Richtung und in stromaufwärtiger Richtung gezählt werden und der Durchschnittswert der Differenzen der Frequenzen innerhalb der beiden Meßstrecken gebildet wird.