DE19503714A1 - Determining flow speed of gases in cylindrical pipes - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit in Rohren mit kreisförmigem Querschnitt mit Hilfe von Ultraschallsignalen.The invention relates to an arrangement for measuring the Flow velocity in tubes with circular Cross section using ultrasound signals.
Eine solche Anordnung wird vorzugsweise überall dort angewendet, wo die Durchflußgeschwindigkeit eines strömenden Mediums, vorzugsweise eines Gases oder einer Flüssigkeit in einer Rohrleitung erfaßt werden soll.Such an arrangement is preferably everywhere there applied where the flow rate of a flowing medium, preferably a gas or a liquid can be detected in a pipeline should.
In der Vergangenheit wurden zur Strömungsmessung häu fig Strömungsmesser mit Blende oder Turbinenradzähler als Strömungsmesser eingesetzt. Diese Strömungs messer sind sehr materialintensiv und damit mit hohen Herstellungskosten verbunden. Außerdem sind diese Anordnungen in ihrer Reaktionszeit sehr träge. Bei den akustischen Strömungsmeßgeräten dagegen sieht dies anders aus, weil der Materialaufwand unabhängig vom Rohrdurchmesser ist.In the past, flow measurement was common fig flow meter with orifice or turbine wheel counter used as a flow meter. This flow knives are very material-intensive and therefore high Manufacturing costs associated. Besides, these are Arrangements very slow in their response time. In contrast, the acoustic flowmeters see this is different because the cost of materials is independent of the pipe diameter.
Zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit mit Hilfe von Ultraschallsignalen werden die sogenannte Laufzeit differenzmessung mit der Phasendifferenzmessung als Spezialfall und die direkte Laufzeitmessung mit dem Sing-around-Verfahren angewendet.To measure the flow velocity using Ultrasonic signals become the so-called runtime difference measurement with the phase difference measurement as Special case and the direct runtime measurement with the Sing-around method applied.
Die direkte Laufzeitmessung arbeitet mit Ultraschall impulsen, die von einem Sender ausgesendet werden und, nachdem sie entlang einer Strömungsstrecke gelaufen sind, von einem Empfänger empfangen werden. Jeder empfangene Impuls löst dabei einen neuen Sendeimpuls aus.The direct transit time measurement works with ultrasound impulses emitted by a transmitter and, after running along a flow path are received by a receiver. Everyone the received pulse triggers a new transmit pulse out.
Bedingt durch das Eigenschwingverhalten von Sender und Empfänger ist die Erfassung der Impulsflanken zum Zweck der Laufzeitmessung mit erhöhtem Aufwand verbunden.Due to the natural vibration behavior of the transmitter and Receiver is the acquisition of the pulse edges to Purpose of the runtime measurement with increased effort connected.
Weiterhin ist es bekannt, die Phasenverschiebung, die ein von einem Sender ausgehendes Ultraschallsignal bis zu seinem Empfang während seiner Laufzeit durch das strömende Medium zu messen.It is also known the phase shift an ultrasonic signal from a transmitter to for its reception during its term by the to measure flowing medium.
Die Entfernung zwischen Sender und Empfänger, die das Signal zurücklegt, wird als Meßpfad bezeichnet, wobei zur genauen Messung mehrere Meßpfade notwendig sind. Die Durchflußmessung mittels der Ultraschallaufzeit methode liefert die längs eines akustischen Pfades gemittelte Strömungsgeschwindigkeit. Der K-Faktor lie fert den Zusammenhang zwischen der längs eines Pfades gemittelten und der über den Rohrquerschnitt gemittelten Geschwindigkeit der Strömung. Letztere Größe ist für die Durchflußmessung von Bedeutung. Für die Bestimmung des K-Faktors ist die Reynoldszahl und das Strömungsprofil Grundlage. Das Strömungsprofil ist im Bereich des Überganges von laminarer zu turbulenter Strömung aus hydrodynamischen Gründen nicht sicher vorhersagbar. Des weiteren ist die Reynoldszahl von der Dichte und der dynamischen Viskosität, die ausreichend genau bestimmt werden muß, abhängig. Aus der genannten Problematik hinsichtlich der Bestimmung des K-Faktors ergeben sich bei der Durchflußmessung mit nur einem akustischen Pfad Meßunsicherheiten. Ein weiterer Einfluß auf Meßfehler stellt ein asym metrisches Strömungsprofil dar, das unter anderem nach Krümmern auftritt.The distance between the sender and the receiver that the Signal traversed is called the measurement path, where several measurement paths are necessary for the exact measurement. The flow measurement using the ultrasound time method delivers along an acoustic path average flow velocity. The K factor was establishes the connection between the along one Path averaged and that of the pipe cross section averaged velocity of the flow. Latter Size is important for the flow measurement. For the determination of the K factor is the Reynolds number and the flow profile basis. The flow profile is in the area of the transition from laminar to turbulent Flow not safe for hydrodynamic reasons predictable. Furthermore, the Reynolds number is from the density and dynamic viscosity that must be determined with sufficient accuracy, depending. Out the mentioned problem with regard to the determination of the K factor results from the flow measurement measurement uncertainties with only one acoustic path. Another influence on measurement errors is an asym metric flow profile, which, among other things, according to Elbow occurs.
Weiterhin muß das Meßergebnis unabhängig von der Sekundärströmung, die die Geschwindigkeitskomponente senkrecht zur Hauptströmung ist, sein.Furthermore, the measurement result must be independent of the Secondary flow which is the velocity component is perpendicular to the main flow.
In EP 0 268 314 wird das Problem durch Verwendung von Meßpfaden mit jeweils 2 Ultraschallwandlern gelöst. Die Ultraschallmeßwandler sind parallel zur Rotorachse in einer Ebene angeordnet. Diese Lösung ist bedingt durch die große Anzahl von Ultraschallwandlern sehr kostenintensiv. Darüber hinaus ist bei geringen Durchmessern des Rohres die Anordnung von 10 Ultra schallmeßwandlern nicht mehr möglich.In EP 0 268 314 the problem is solved by using Measurement paths solved with 2 ultrasonic transducers each. The ultrasonic transducers are parallel to the rotor axis arranged in one plane. This solution is conditional due to the large number of ultrasonic transducers expensive. In addition, at low Diameters of the tube the arrangement of 10 ultra sound transducers no longer possible.
In US 4 103 551 wird eine Lösung beschrieben, bei der nur ein einziger Meßpfad verwendet wird, der in der Weise angeordnet ist, daß für symmetrische Strömungsprofile, die laminar oder turbulent sein können, sich die über den Querschnitt gemittelte Geschwindigkeit ergibt, wobei jedoch asymmetrische und verwirbelte Strömungen zu Meßfehlern führen.In US 4 103 551 a solution is described in which only a single measurement path is used, which in the Is arranged so that for symmetrical flow profiles, which can be laminar or turbulent the speed averaged over the cross section results, however, asymmetrical and turbulent Currents lead to measurement errors.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ultra schallmeßeinrichtung anzugeben, die mit Hilfe der Laufzeitmethode der Ultraschallsignale die Strömungs geschwindigkeit von symmetrischen und asymmetrischen Strömungen, wie sie speziell hinter Krümmungen auftreten, sicher und kostengünstig zu ermitteln, wobei besonders im Über gangsbereich von laminarer zu turbulenter Strömung das Strömungsprofil mit hoher Sicherheit und Genauigkeit bestimmt werden soll.The invention has for its object an Ultra sound measuring device specify that with the help of Runtime method of the ultrasonic signals the flow speed of symmetrical and asymmetrical Currents, as they occur especially behind curvatures, to determine safely and inexpensively, especially in the over range from laminar to turbulent flow Flow profile with high security and accuracy should be determined.
Dabei ist es besonders wichtig, mit einer möglichst geringen Anzahl von Meßpfaden bzw. Meßwandlern alle notwendigen Informationen zu erhalten, um den genauen Durchfluß in Abhängigkeit vom vorhandenen Strömungs profil zu ermitteln. Die Meßergebnisse der einzelnen Meßpfade sollen nicht durch die Sekundärströmung beeinflußt werden.It is particularly important to use one if possible small number of measuring paths or transducers all to get necessary information to get the exact Flow depending on the existing flow to determine the profile. The measurement results of each Measurement paths should not be through the secondary flow to be influenced.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch Verwendung des an sich bekannten Verfahrens zur Bestimmung der Laufzeit eines Ultraschallsignals in und entgegen der Strömungsrichtung in Kombination mit einer speziellen Anordnung, die aus 6 Ultraschallwandlern besteht, gelöst.According to the invention, the object is achieved by using the known method for determining the Transit time of an ultrasonic signal in and against the Flow direction in combination with a special one Arrangement consisting of 6 ultrasonic transducers, solved.
Die genaue Lösung ist im Hauptanspruch wiedergegeben und wird durch die Unteransprüche weiter präzisiert. Die erfindungsgemäße Anordnung zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit weist 3 Meßpfade mit je 2 Ultraschallwandlern auf. The exact solution is given in the main claim and continues through the subclaims specified. The arrangement for Determination of the flow velocity has 3 Measurement paths with 2 ultrasonic transducers each.
Ein erster Meßpfad mit der Länge L1, bestehend aus einem ersten und einem vierten Ultraschallwandler, die eine Ebene bilden, die die Rohrachse schneidet und den Rohrquerschnitt in je zwei Bereiche gleicher Fläche teilt. Das Ultraschallsignal, das der erste oder vierte Ultraschallwandler sendet, wird an der gegen überliegenden Wand reflektiert. Da der Meßpfad in der Ebene parallel zur Rohrachse liegt, sind die gemes senen Laufzeiten (in bzw. entgegen der Strömungsrichtung) nicht durch die Sekundärströmung beeinflußt.A first measuring path with the length L1, consisting of a first and a fourth ultrasonic transducer, the form a plane that intersects the pipe axis and the Pipe cross section in two areas of the same area Splits. The ultrasound signal that the first or fourth ultrasonic transducer is sent to the counter overlying wall reflected. Since the measurement path in the Plane parallel to the pipe axis, are measured their terms (in or against the Flow direction) not through the secondary flow influenced.
Am Rohr sind zwei weitere Ultraschallwandlerpaare angeordnet, die jeweils einen weiteren Meßpfad bilden. Der zweite Meßpfad, bestehend aus einem zweiten und einem dritten Ultraschallwandler, spannt eine Ebene auf, die die Rohrachse in einem Winkel alpha schnei det. Der zweite und dritte Ultraschallwandler sind oberhalb, der durch den, aus dem ersten und vierten Ultraschallwandler gebildeten Pfad, definierten Ebene angeordnet. Der dritte Meßpfad wird aus einem fünften und sechsten Ultraschallwandler gebildet und schneidet die Rohrachse ebenfalls unter dem Winkel alpha. Der fünfte und sechste Ultraschallwandler sind unterhalb, der durch den aus dem ersten und vierten Ultraschall wandler gebildeten Meßpfad, definierten Ebene angeord net.There are two more pairs of ultrasonic transducers on the tube arranged, each forming a further measurement path. The second measurement path, consisting of a second and a third ultrasonic transducer spans a plane that intersect the pipe axis at an angle alpha det. The second and third ultrasonic transducers are above, through the, from the first and fourth Ultrasound transducer formed path, defined level arranged. The third measurement path becomes a fifth and sixth ultrasonic transducers are formed and cut the pipe axis also at the angle alpha. Of the fifth and sixth ultrasonic transducers are below, by the from the first and fourth ultrasound transducer-formed measurement path, defined level arranged net.
Besonders vorteilhaft ist die Verwendung der erfin dungsgemäßen Lösung zur Bestimmung der gemittelten Strömungsgeschwindigkeiten längs der Meßpfade bei der Ermittlung des Durchflusses von Fluiden durch Rohre mit kreisförmigem Querschnitt. Insbesondere ist die erfindungsgemäße Anordnung für die Messung des Durchflusses durch Rohre mit geringem Durchmesser geeignet, wobei eine hohe Genauigkeit durch die besondere Anordnung der Meßpfade erzielt wird. Weiterhin ist der Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung ohne Ein- und Auslauf möglich. Die besondere Anordnung der drei Meßpfade erlaubt eine kostengünstige Fertigung, da nur eine geringe Anzahl von Ultraschallwandler verwendet wird.The use of the inventions is particularly advantageous solution according to the invention for determining the averaged Flow velocities along the measuring paths at the Determination of the flow of fluids through pipes with circular cross section. In particular, the Arrangement according to the invention for measuring the Flow through small diameter pipes suitable, with high accuracy due to the special arrangement of the measurement paths is achieved. Furthermore, the use of the invention Device possible without inlet and outlet. The a special arrangement of the three measuring paths allows one cost-effective production, since only a small number used by ultrasonic transducers.
Die erfindungsgemäße Lösung wird anhand eines Ausfüh
rungsbeispieles näher erläutert:
Im einzelnen zeigen:The solution according to the invention is explained in more detail using an exemplary embodiment:
In detail show:
Fig. 1 Rohrleitung im Querschnitt mit Anordnung der Ultraschallwandler, Fig. 1 tube in cross section with the ultrasonic transducer assembly,
Fig. 2 Rohrleitung im Längsschnitt mit Anordnung der Ultraschallmeßwandler. Fig. 2 pipeline in longitudinal section with arrangement of the ultrasonic transducer.
In den Fig. 1 und 2 sind die erfindungsgemäße Anordnung der Ultraschallwandler am Rohrdurchmesser aufgezeigt. Die Ultraschallwandler sind am Rohr so angeordnet, daß die akustischen Impulse unter einem bestimmten Winkel beta in das Rohr eintreten. Die Ultraschallsignale breiten sich durch das strömende Medium zur gegenüberliegenden Rohrwand aus und werden von dort zum anderen Ultraschallwandler des gleichen Meßpfades reflektiert. Zur Ermittlung der Strömungs geschwindigkeit werden die Laufzeiten der gesendeten Ultraschallsignale im zweiten und dritten Meßpfad P2, P3 gemessen. Zum Messen der Laufzeiten des Ultra schallsignals des zweiten und dritten Meßpfades P2, P3 in Uhrzeigersinn, senden der zweite und fünfte Ultra schallwandler 2, 5 jeweils ein akustisches Signal aus, die durch den dritten bzw. sechsten Meßwandler 3, 6 empfangen werden.In Figs. 1 and 2, the inventive arrangement of the ultrasonic transducers are shown on pipe diameter. The ultrasonic transducers are arranged on the tube so that the acoustic pulses enter the tube at a certain angle. The ultrasonic signals propagate through the flowing medium to the opposite tube wall and are reflected from there to the other ultrasonic transducer on the same measuring path. To determine the flow rate, the transit times of the transmitted ultrasound signals are measured in the second and third measuring paths P2, P3. To measure the transit times of the ultrasonic signal of the second and third measuring paths P2, P3 clockwise, the second and fifth ultrasonic transducers 2 , 5 each send out an acoustic signal which are received by the third and sixth transducers 3 , 6 , respectively.
Bei den beiden zuletztgenannten akustischen Meßpfaden wird das gesendete Ultraschallsignal ebenfalls an der gegenüberliegenden Rohrwandung reflektiert. Die Länge des zweiten und dritten akustischen Meßpfades ist gleich lang. Werden die Laufzeiten beider Meßpfade in Strömungsrichtung gemessen, so senden der zweite und fünfte Ultraschallwandler 2, 5 Ultraschallsignale aus. Das durch den zweiten und fünften Ultraschall wandler 2, 5 erzeugte Signal läuft im Uhrzeigersinn.In the latter two acoustic measurement paths, the transmitted ultrasound signal is also reflected on the opposite tube wall. The length of the second and third acoustic measurement paths is the same length. If the transit times of both measurement paths are measured in the direction of flow, the second and fifth ultrasound transducers 2 , 5 emit ultrasound signals. The signal generated by the second and fifth ultrasound transducers 2 , 5 runs clockwise.
Bei Bestimmung der Laufzeiten gegen die Strömungs richtung senden der dritte und sechste Ultraschallwandler 3, 6 entgegen dem Uhrzeigersinn. Da die Laufzeiten in und entgegen der Strömungsrichtung beim erstem Meßpfad P1 durch Verwirbelung nicht beein flußt werden, lassen sich die Laufzeitdifferenzen des zweiten und dritten Meßpfades P2, P3 zum ersten Meßpfad P1 in Beziehung setzen, um die Stärke der Verwirbelung zu bestimmen. Nimmt man einen Wirbel an, der sich im Uhrzeigersinn dreht, so werden durch dessen Geschwindigkeitsbeitrag die Laufzeiten für die akustischen Ultraschallsignale des zweiten und dritten Meßpfades P2, P3 in Strömungsrichtung verkürzt bzw. gegen die Strömungsrichtung verlängert.When determining the transit times against the flow direction, the third and sixth ultrasonic transducers 3 , 6 send counterclockwise. Since the running times in and against the flow direction in the first measuring path P1 are not influenced by swirling, the running time differences of the second and third measuring paths P2, P3 can be related to the first measuring path P1 in order to determine the strength of the swirling. Assuming a vortex that rotates clockwise, the running times for the acoustic ultrasonic signals of the second and third measuring paths P2, P3 are shortened in the flow direction or extended against the flow direction by its speed contribution.
Die Laufzeitdifferenzen des zweiten und dritten Meß pfades P2, P3 sind somit vergrößert und werden mit der auf die Länge L1 des ersten Meßpfades P1 umgerechnete Laufzeit verglichen.The transit time differences of the second and third measurement Paths P2, P3 are thus enlarged and are with the converted to the length L1 of the first measuring path P1 Compare term.
Beim Vorliegen eines asymmetrischen Strömungsprofiles bewirkt die besondere Meßpfadanordnung, die aus den zweiten und dritten bzw. fünften und sechsten Ultra schallwandlern 2, 3, 5, 6 gebildet werden, die Bestimmung des Durchflusses über die gemittelte Strömungsgeschwindigkeit.In the presence of an asymmetrical flow profile, the special measuring path arrangement, which is formed from the second and third or fifth and sixth ultrasonic transducers 2 , 3 , 5 , 6 , determines the flow rate via the average flow rate.
BezugszeichenlisteReference list
P1 erster Meßpfad
P2 zweiter Meßpfad
P3 dritter Meßpfad
1 erster Ultraschallwandler
2 zweiter Ultraschallwandler
3 dritter Ultraschallwandler
4 vierter Ultraschallwandler
5 fünfter Ultraschallwandler
6 sechster Ultraschallwandler
L1 Länge des ersten Meßpfades
L2 Länge des zweiten Meßpfades
L3 Länge des dritten MeßpfadesP1 first measurement path
P2 second measurement path
P3 third measurement path
1 first ultrasonic transducer
2 second ultrasonic transducers
3 third ultrasonic transducers
4 fourth ultrasonic transducer
5 fifth ultrasonic transducer
6 sixth ultrasonic transducers
L1 Length of the first measurement path
L2 length of the second measurement path
L3 Length of the third measurement path
Claims (3)
daß die erfindungsgemäße Anordnung aus 6 Ultra schallwandlern (1, 2, 3, 4, 5, 6) besteht, wobei jeweils zwei Ultraschallwandler einen Meßpfad (P1, P2, P3) bilden,
daß der erste Meßpfad (P1) aus einem ersten und einem vierten Ultraschallwandler (1, 4) gebildet wird und der erste Meßpfad (P1) parallel zur Rohr achse liegt und den Rohrquerschnitt in je zwei Be reiche gleicher Fläche teilt,
daß der zweite Meßpfad (P2) aus einem zweiten und einem dritten Ultraschallwandler (2, 3) gebildet wird und der zweite Meßpfad (P2) die Rohrachse in einem Winkel alpha schneidet und die beiden Ultra schallwandler (2, 3) oberhalb der von dem ersten und dem vierten Ultraschallwandler (1, 4) aufgespannten Ebene liegen,
daß der dritte Meßpfad (P3) aus einem fünften und einem sechsten Ultraschallwandler (5, 6) gebildet wird und der dritte Meßpfad (P3) die Rohrachse ebenfalls in einem Winkel alpha schneidet und die beiden Ultraschallwandler (5, 6) unterhalb der von dem ersten und dem vierten Ultraschallwandler (1, 4) aufgespannten Ebene liegen.1. Arrangement for determining the speed of flow of a fluid in pipes with a circular cross section by means of ultrasound consisting of ultrasound transducers distributed over the circumference of the tube, two ultrasound transducers each being coupled to one another by a measuring path and reflecting the signal emitted by an ultrasound transducer on the inner tube wall and received by the other ultrasound transducer of the measurement path by using the known method for determining the transit time of an ultrasound signal in and against the flow direction in combination with a special arrangement of the ultrasound transducers used, characterized in that
that the arrangement according to the invention consists of 6 ultrasonic transducers ( 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 ), two ultrasonic transducers each forming a measuring path (P1, P2, P3),
that the first measuring path (P1) is formed from a first and a fourth ultrasonic transducer ( 1 , 4 ) and the first measuring path (P1) is parallel to the pipe axis and divides the pipe cross section into two areas of the same area,
that the second measuring path (P2) is formed from a second and a third ultrasonic transducer ( 2 , 3 ) and the second measuring path (P2) intersects the tube axis at an angle alpha and the two ultrasonic transducers ( 2 , 3 ) above that of the first and the fourth ultrasound transducer ( 1 , 4 ) spanned plane,
that the third measuring path (P3) is formed from a fifth and a sixth ultrasonic transducer ( 5 , 6 ) and the third measuring path (P3) also intersects the tube axis at an angle alpha and the two ultrasonic transducers ( 5 , 6 ) below that of the first and the fourth ultrasound transducer ( 1 , 4 ) spanned plane.
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