DE1648147C3

DE1648147C3 - Ultraschall-Durchflußmengenmeßsystem

Info

Publication number: DE1648147C3
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: 1980-08-28
Also published as: US3555899A; DE1648147B2; GB1200349A; DE1648147A1; JPS5125750B1

Description

Die Erfindung betrifft Ultraschall-Durchflußmeßsysteme nach der Signal-Umlaufmethode.

Sie geht entweder von einem System aus, bei welchem innerhalb der Meßstrecke ein Wandlerpaar eines Ultraschall-Rundschleifensystems sowohl in stromaufwärtiger als auch in stromabwärtiger Richtung zugeordnet ist, das einer periodischen Umschaltung ausgesetzt wird, oder von einem System mit zwei einzelnen Ultraschall-Rundschleifensystemen und zwei Meßstrecken, wobei die beiden Schallwege gleich lang und in einem sich gegenseitig ergänzenden Verhältnis gegenüber den Seitenwänden des Strömungskanals geneigt sind.

Nach »Voilh Forschung und Konstruktion«, Hcfl 3, August 195S. S. 1.1 bis 1.40 ist bereits ein Verfahren zur Ullrasehall-Slrömungsmcssung bekannt, bei welchem innerhalb des Stromungskanals eine Meßstrcckc vorgesehen ist. die von einem Signal mit wechselnder Senderichtung durch lau fen 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 Phasenverglciehssyslem beschrieben, das jedoch direkt durch die Veränderung der Schall-Fortpflanzungsgeschwindigkeit, wie sie beispielsweise durch eine Temperaluränderung verursacht werden kann, beeinflußt wird. Hierdurch wird eine beträchtlich ins Gewicht fallende Fehlerquelle verursacht.

Auch die US.-Patentschrift 29 91650 basiert auf einem Phasen-Vergleichssystcm, 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

ίο genau gleich auszubilden, ist dieses System stets mit einer Fehlerquelle verknüpft.

Aus der schweizerischen PS 3 59 896 ist es bekannt, wenigstens in einer der beiden Meßstrecken eines solchen Systems zeitweise die Funktion von Sender und Empfänger zu vertauschen, so daß in beiden Meßstrecken in der gleichen Richtung gesendet wird, um mittels einer Nullpunkteinstellung der Einrichtung vor der eigentlichen Messung die Fehler zu kompensieren, die durch den unvermeidlichen Unterschied in der Meßstreckenlänge hervorgerufen sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein System für exakte Durchfluß-Mengenmessung auch für den Fall zu schaffen, daß die Strömungsrichtung des flüssigen Mediums von der Achse der Flüssigkeitsleitung abweicht. Dabei soll weder die Meßstreckenlänge noch eine Veränderung der SchaU-Fortpflanzungsgeschwindigkeit, wie sie beispielsweise durch eine Temperaturänderung verursacht werden kann, einen Einfluß auf das Meßergebnis haben.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe bei dem System mit einem Wandlerpaar gelöst durch eine Umlenkung des Schallfortpflanzungsweges, der sich aus zwei Teilwegen zusammensetzt, die durch Reflektion an der den beiden Wandlern gegenüberliegenden Seitenwand des Kanals entstehen und in einem sich gegenseitig ergänzenden Verhältnis gegenüber den Seitenwänden des Strömungskanals geneigt sind, sowie eine Anordnung zum Messen der Differenz zwischen der stromabwärtigen Frequenz und der stromaufwärtigen Frequenz.

Nach einer anderen Lösung mit einem System mit zwei einzelnen Ultraschall-Rundschleifensystemen und zwei Meßstrecken ist gemäß der Erfindung vorgesehen, daß eine 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.

Nach der Erfindung werden die Fehler, die aufgrund der Tatsache entstehen, daß die Flußgeschwindigkeitsrichtung nicht mit der Rohrachsenrichtung übereinstimmt, korrigiert und der genaue Flußmengenwert wird ermittelt.

Obwohl in den obenerwähnten AusRihrungsformen angenommen wurde, daß die /u messende Flüssigkeit in einem Rohr mit kreisförmigem Querschnitt fließt, können beide Systeme in solchen lallen eingesetzt

bo werden, wo ein Kanal parallele, gegenüberliegende Wände aufweist, oder wo Kanüle, deren eine Seite offen ist oder ähnliche Flüssigkeilsleitungen vorhanden sind.

Das System ist so ausgebildet, daß ein Mittelwert der Durchflußgcschwindigkeilen gemessen wird, die von jedem der beiden Wege bestimmt werden. Auf Grund dieser Anordnjung heben sich Fehler, die durch die Abweichung der Flußrichtung von der Rohr-

achsenrichtung 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 Ausrührungsform der Erfindung,

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

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

Zur Erläuterung soll von einem Ultraschall-Rundschleifensystem 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 Uliraschaliimpulse 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 Zahl der Impulse während einer definierten Zeit der elektrischen Impulse, welche der Sender-Empfänger vom zweiten Wandler erhält, proportional ist zur Fort-Pflanzungsgeschwindigkeit 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 Flußrichlung. Da die Ultra-Schallfortpflanzungsgeschwindigkeit 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 Fortpflanzungsgeschwindigkcit in der Gegenflußrichtung der Differenz zwischen beiden entspricht, kann die Strömungsgeschwindigkeit V dadurch gemessen werden, daß man die Differenz zwischen den Ullraschallfortpflanzungsgeschwindigkeilen in der stromabwärtigcn- und -aufwärtigen Richtung bestimmt.

Wenn die Richtung der Strömung nicht von der Rohrachsenrichtung abweicht (; = 0), so e.-gibt sich die Ullraschall-Empfangsfrequenz/, stromabwärts und die Frequenz/₂ stromaufwärts wie folgt:

/2 =

Daher ist

c — F cos Θ

2 Fcos Θ
Ί '

Da die Länge I des Ultraschallweges, zwischen den beiden Wandlern und der Winkel Θ zwischen dem Ultraschallweg und der Kanalwand bekannt sind, kann man F aus J₁ — /₂ erhalten.

Wenn aber <·■ nicht Null ist, ergibt sich folgendes:

/1 =

/2 =

c + F cos {ti +

c — Fcos (ti + f)

Daher ist

c + V cos ti I

? F
/, - /₂ = ~ cos (ti +

Wenn man die Komponente von V in der Rohrachsenrichtung V cos f = r annimmt und die Komponente in der Querrichtung V sin ι = κ, dann ergibt sich

j\ — J₂ = ~,- (v cos ti — !/ sin ti).

Da der wahre Wert der Durchflußmenge e-mal Querschniusfläche sein muß. ergibt sich durch 11 · sin ti 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 (-) 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 f_i 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 ti + ;, während der Schniltwinkel der Richtung der Flußgeschwindigkeil V mit dem reflektierten Weg 7 gleich (-) — 1 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 t, annimmt und die Zeit in umgekehrter Richtung als f₄, dann ist

c + Kcos (ti +

c + V cos (ti -

2_[ (c + Kcos ti ■ cos f)

?^+ TT'cosT^T⁷CoTf~+~ V² (cos² <V sin² (·) sin² /)

Wenn man hierin das obige D = Kcos <■· und U = Ksin (■· einsetzt, erhält man

2l(c + ο cos 0)

Daher ist

³ ~

(c + ό cos 0)² - ι/² sin²

Da nun υ sehr klein im Vergleich zu c ist und u sogar noch beträchtlich kleiner ist als υ, ist u sin Θ erheblich kleiner als c + υ cos 0 und kann weggelassen werden. Dann erhält man das folgende Ergebnis:

c + ν cos 0
In ähnlicher Weise ist

^1a ' c - KCOS(O + f) ⁺ c-Kcos(0-f)

(c — ν cos 0)² — ir sin² 0

Da nun i/ sin 0 erheblich kleiner ist als c
erhält man folgendes Ergebnis:

- 2ί

⁴ c — v cos 0
Deshalb sind /₃ und /₄ wie folgt:

υ cos 0

/4 =

C-L' COS 0

/3 — /4 = — cos Θ.

Bisher war angenommen worden, daß die Richtung der Flußgeschwindigkeit V in der Ebene liegt, die die Ultraschallwege 4 und 7 enthält. Wenn K aus dieser Ebene abgelenkt wird, nimmt man die Rohrachsenrichtung als χ an, die Rohrquerrichtung in der Ebene

ίο 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 Schnittwinkel Φ der Flußgeschwindigkeit K mit dem Weg 4 erhält und den Schnitlwinkel Ψ der Flußgeschwindigkeit K mit dem Weg 7, ergibt sich, da im allgemeinen der Schnittwinkel zweier Geraden, deren Richtungskosinusse (Z₁, Hi₁, H₁) bzw. (Z₂, m₂, H₂) sind, gleich/t/₂ + /Ji₁Hi₂ + H₁ H₂ ist, folgendes:

ν cos 0,

Vx
cos Φ = --- cos 0 +

,„ Vx
cos Ψ = — cos ti +

-y sin Θ + ~ cos 90° ,

Vv

sin 0 + -T₇- cos 90°.

Daher ist

Kcos0 = Vx cos 0 - Kj'sin 0,
K cos y = Kx cos 0 + Ky sin 0.

Wenn man in diesem Fall die obenerwähnten Werte von r₃, i₄ und /₃, /₄ berechnet, ergibt sich

c + (Vx cos 0 - Kj' sin 0) c + (Kv cos 0 + Vy sin 0)

c - (Kx cos 0 - Kj'sin Θ) c - (Vx cos 0 + Ky sin (-J)

Auch in diesem Falle ist, ähnlich wie oben erwähnt, Vy sin 0 sehr klein im Vergleich zu c + Vx cos 0 und kann daher weggelassen werden. Dann ergibt sich folgendes:

'3 =

/3 —

C +	Kx cos	0'
	2/
C —	Kx cos	0'
C +	Kx cos	C-J
	11
C —	Vx cos	0

Daher ist

2/

- A = -r ^{cos a}

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

F i g. 2 zeigt eine Ausführungsform, in der die zwei Ultraschall-Fortpflanzungswege 4 und 7 der Fig. 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 von ihnen 0 ist, sollte die andere .τ — 0 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 /₈, dann ist

2

J_s—J_b = -γ {v cos (-J — u sin Θ),

/₇ - /_g = -j- (v cos 0 + u sin 0).

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

4 c

(/5 - ft) + (/7 - fs) = V ^cosB'

wobei ihr Durchschnittswert die Hälfte der Summe ist. Weiterhin braucht man, selbst wenn V in drei Komponenten Vx, Vy und Vz aufgelöst wird, nur υ und 1/ durch Vx und Vy zu ersetzen.

Eine weitere in Fig. 3 gezeigte Ausführungsform ist ähnlich der in Fig. 2 gezeigten, außer daß der Weg 7 in eine Stellung verschoben ist, wo er den Weg 4 schneidet.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Ultraschall-Durchflußmengenmeßsystem, bei welchem innerhalb des Strömungskanals eine Meßstrecke vorgesehen ist, wobei der Meßstrecke ein Wandlerpaar eines Ultraschall-Rundschleifensystems sowohl in stromaufwärtiger als auch in stromabwärtiger Richtung zugeordnet ist, das einer periodischen Umschaltung ausgesetzt wird, gekennzeichnet durch eine Umlenkung des Schallfortpflanzungsweges, der sich aus zwei Teilwegen zusammensetzt, die durch Refiektion an der den beiden Wandlern gegenüberliegenden Seitenwand des Kanals entstehen, und in einem sich gegenseitig ergänzenden Verhältnis gegenüber den Seitenwänden des Strömungskanals geneigt sind, sowie eine Anordnung zum Messen der Differenz zwischen der stromabwärtigen Frequenz und der stromaufwärtigen Frequenz.

2. Ultraschall-Durchflußmengenmeßsystem mit zwei einzelnen Ultraschall-Rundschleifensystemen und zwei Meßstrecken, wobei die beiden Schallwege gleich lang und in einem sich gegenseitig ergänzenden Verhältnis gegenüber den Seiten wänden des Strömungskanals geneigt sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine 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.