DE19542232A1 - Ultraschalldurchflußmesser für flüssige oder gasförmige Medien - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Ultraschalldurchfluß­ messer für flüssige oder gasförmige Medien nach dem Ober­ begriff des Anspruchs 1.

Aus der WO 88/08516 ist ein Ultraschalldurchflußmesser be­ kannt, der aus zwei Befestigungseinheiten mit Ultraschall­ wandlern besteht, die in Abstand voneinander an einem Rohr, das von einem Meßmedium durchflossen wird, angebracht sind. Die zweite Befestigungseinheit ist in Strömungsrichtung hin­ ter der ersten so angeordnet, daß ein Ultraschallimpuls, der von einem Ultraschallwandler in der ersten Befestigungs­ einheit ausgesendet wird, durch das Medium hindurch auf einen Ultraschallwandler in der zweiten Befestigungseinheit trifft. Abwechselnd werden pulsförmige Ultraschallsignale stromab und stromauf übertragen. Durch den Mitführungseffekt im strömen­ den Medium ist die Signallaufzeit stromab kleiner als strom­ auf. Die Differenz beider Laufzeiten ist ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit. Mit der Kenntnis des Innenrohr­ querschnitts wird der aktuelle Volumenstrom ermittelt. Bei der Durchflußmessung korrosiver oder abrasiver Flüssigkeiten und Gase, welche beispielsweise in der chemischen Industrie häufig auftreten, kann es mit der Zeit zu Abtragungserschei­ nungen an der Innenwand des Rohres kommen. Die Änderung der Rohrwanddicke, sei es als Verringerung durch Abtragung oder als Erhöhung durch Ablagerungen, führt zu einer Änderung des Innenquerschnitts und somit zu einem entsprechenden Meßfeh­ ler. Zur Vermeidung dieses Fehlers ist in der ersten Befesti­ gungseinheit ein weiterer Ultraschallwandler zur Messung der Wanddicke des Rohres vorhanden. Da der Außendurchmesser des Rohres leicht meßbar ist, kann mit der Kenntnis der Wanddicke in einfacher Weise auf den Innenquerschnitt des Rohres ge­ schlossen werden. Zur Steuerung der bei der Ultraschalldurch­ fluß- und Wanddickenmessung erforderlichen Meßschritte ist eine Ansteuer- und Auswerteeinheit vorhanden, durch welche aus den Ultraschallsignalen die Wanddicke des Rohres und der Durchfluß berechnet werden. Nähere Einzelheiten zum Funk­ tionsprinzip sind der genannten internationalen Patentanmel­ dung zu entnehmen. Bei dem bekannten Ultraschalldurchflußmes­ ser nach dem Clamp-on-Verfahren wird mittels eines auf das Rohr aufgesetzten Ultraschallwandlers ein pulsförmiges aku­ stisches Signal in das Rohr gesendet, an der Grenzfläche Meß­ rohrwand/Medium reflektiert und vom Ultraschallwandler wieder empfangen. Die Wanddicke d ergibt sich bei senkrechter Durch­ schallung zu d = c(T) · t/2, mit T als Temperatur, c(T) als temperaturabhängige Schallausbreitungsgeschwindigkeit in der Wand und t als der gemessenen Laufzeit des Ultraschall­ signals. Nachteilig bei dem bekannten Ultraschalldurchfluß­ messer ist, daß die mit dem Clamp-on-Verfahren erreichbare Meßgenauigkeit für viele Anwendungen in der Prozeßtechnik nicht ausreicht, so daß das Verfahren nur in wenigen ausge­ wählten Fällen zum Einsatz kommt. Die Verwendung von wandler­ seitigen Vorlaufkörpern ist zudem nachteilig wegen der zu­ sätzlichen Störreflexionen, die an der Grenzfläche Vorlauf­ körper/Rohrmaterial entstehen. Insbesondere bei kleinen Wand­ dicken, die im Bereich der Schallwellenlänge im Rohrmaterial liegen, können sich diese Reflexionen mit der eigentlichen Reflexion an der Grenzfläche Rohrwand/Medium in einer Weise überlagern, welche die Wanddickenmessung stark verfälscht. Weiterhin ist beim Clamp-on-Verfahren nachteilig, daß auf­ grund der Ankopplung an ein normales Rohr häufig die Ober­ fläche durch Lack oder Korrosion verschmutzt ist. Auch die Rauhigkeit einer nicht speziell vorbereiteten Oberfläche führt dazu, daß eine dicke Schicht zur akustischen Kopplung zwischen Ultraschallwandler und Rohr aufgebracht werden muß. Damit ist zwangsläufig ein Verlust akustischer Energie ver­ bunden. Da normale Rohre üblicherweise eine gekrümmte Ober­ fläche aufweisen, kann diese auch nicht ohne weiteres plan­ geschliffen werden, um eine saubere, ebene Aufnahmestelle zu erhalten.

Aus der DE-PS 43 36 370 ist ein Ultraschalldurchflußmesser mit einem Meßrohr bekannt, das von dem Meßmedium durchflossen wird. Ein Paar von Ultraschallwandlern ist in Flußrichtung hintereinander an der Meßrohrwand so angeordnet, daß sie Ultraschallpulse senkrecht zur Flußrichtung in das Meßmedium ausstrahlen bzw. von diesem empfangen. Der Schallstrahl wird über Reflektoren, welche in die Meßrohrwand eingebracht sind, zwischen den beiden Ultraschallwandlern geführt. Die Funktion des Reflektors kann auch durch eine entsprechend geformte Meßrohrwand übernommen werden. Bei diesem bekannten Ultra­ schalldurchflußmesser ist vorteilhaft, daß aufgrund der Ver­ wendung eines speziellen Meßrohres eine gute akustische An­ kopplung der Ultraschallwandler an das Meßmedium gewährlei­ stet werden kann und daß das Meßsignal aufgrund einer spiral­ förmigen Führung des Schallstrahls einen integralen Wert für die Strömungsgeschwindigkeit über den Meßrohrquerschnitt lie­ fert. Die Meßgenauigkeit hängt somit nicht von der Art des Meßmediums und dem Strömungsprofil ab. Dieser Ultraschall­ durchflußmesser hat jedoch den Nachteil, daß geometrie­ abhängige Kalibrierfaktoren bei Veränderungen des Innenrohr­ querschnitts nicht nachgeführt werden und somit Meßfehler verursachen können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Ultraschall­ durchflußmesser für flüssige oder gasförmige Medien mit ver­ besserter Meßgenauigkeit zu schaffen, der auch für Meßrohre mit kleinem Querschnitt geeignet ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe weist der neue Ultraschalldurch­ flußmesser der eingangs genannten Art die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 genannten Merkmale auf. In den Unter­ ansprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen angegeben.

Die Erfindung hat den Vorteil, daß mit geringem Aufwand eine Verbesserung der Meßgenauigkeit erzielt wird. Die Wanddicke des Meßrohres kann periodisch in vorgegebenen Zeitabständen gemessen werden. Dazu kann einer der Ultraschallwandler be­ nutzt werden, die ohnehin für die Ultraschalldurchflußmessung nach dem Prinzip der Laufzeitmessung vorhanden sind. Vorteil­ haft erfolgt die Wanddickenmessung mit einem weiteren Ultra­ schallwandler, der ebenfalls nach dem Laufzeitprinzip arbei­ tet und auf diese Messung optimiert ist. Für die Laufzeit­ messung zur Wanddicken- und zur Durchflußmessung können im wesentlichen dieselben elektronischen Schaltungskomponenten genutzt werden. Die Kenntnis der Rohrwanddicke kann zum einen zu Überwachungszwecken, beispielsweise zur Ausgabe einer Alarmmeldung bei Unterschreitung einer aus Sicherheitsgründen vorgegebenen Mindestwanddicke, bei der die Druckfestigkeit des Meßrohres nicht mehr gewährleistet ist, und zum anderen zur automatischen Nachführung der vom Innenquerschnitt des Rohres abhängigen Durchflußkalibrierwerte herangezogen wer­ den. Damit wird eine verbesserte Meßgenauigkeit und eine hö­ here Prozeßsicherheit erreicht. Zudem kann neben der Meßgröße des Durchflusses auch die gemessene Wanddicke als Prozeßgröße ausgegeben werden, so daß beide Meßaufgaben innerhalb eines einzigen Geräts mit geringem Mehraufwand kombiniert sind. Da ein speziell für den Ultraschalldurchflußmesser geschaffenes Meßrohr verwendet wird, können vorbereitete, ebene Aufnahme­ stellen für die Ultraschallwandler an diesem Meßrohr geschaf­ fen werden, die eine gute akustische Ankopplung gewährlei­ sten. Dabei können auch bei Rohren mit kleineren Querschnit­ ten, bei denen im Clamp-on-Verfahren nur kleine Ultraschall­ wandler aufgesetzt werden können, durch geeignete Wahl der Querschnittsform des Meßrohrs, beispielsweise bei einem quadratischen Querschnitt, große ebene Aufnahmestellen für große Ultraschallwandler mit besseren Abstrahleigenschaften benutzt werden. Dadurch werden ebenso die Meßergebnisse ver­ bessert wie durch den integrierten Aufbau, der mit einem Meß­ rohr möglich ist. Die Ultraschallwandler sind in dasselbe Ge­ häuse integrierbar, in dem sich auch die Ansteuer- und Aus­ werteeinheit befindet und dessen eine Seitenwand durch das Meßrohr gebildet wird. Verschmutzung oder Korrosion des Roh­ res können sich somit nicht negativ auf die Meßeigenschaften auswirken. Komponenten zum Andrücken der Ultraschallwandler an das Meßrohr können in den Aufbau des Ultraschallwandlers integriert werden und müssen nicht extern, wie es beim Clamp-on-Verfahren erforderlich ist, am Rohr befestigt wer­ den. Wenn das Gerät besonderen Anforderungen, beispielsweise des Explosionsschutzes, genügen soll, können diese ohne be­ sondere Schwierigkeiten erfüllt werden, da alle Komponenten des Ultraschalldurchflußmessers wie auch der Wanddicken­ messung in einem einzigen Gehäuse integrierbar sind. Zur Schadensfrüherkennung kann ein Alarmsignal bei Unterschreiten einer Mindestdicke der Rohrwand durch den Ultraschalldurch­ flußmesser selbst ausgegeben werden oder dieser liefert die Wanddicke als Prozeßgröße, die in einer übergeordneten Pro­ zeßsteuerung auf Toleranzeinhaltung überwacht wird.

Anhand der Zeichnungen, in denen Ausführungsbeispiele der Er­ findung dargestellt sind, werden im folgenden die Erfindung sowie Ausgestaltungen und Vorteile näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Schnittbild durch einen Ultraschalldurchfluß­ messer mit integrierter Wanddickenmessung,

Fig. 2 ein Schnittbild durch einen Ultraschallwandler mit Vorlaufkörper zur Wanddickenmessung,

Fig. 3 ein Zeitdiagramm der Schallpulse des Ultraschall­ wandlers nach Fig. 2,

Fig. 4 einen Ultraschallwandler mit Meßkörper zur Wand­ dickenmessung,

Fig. 5 einen Ultraschallwandler mit Isolierscheibe,

Fig. 6 eine Anordnung mit zwei Ultraschallwandlern zur Wanddickenmessung und

Fig. 7 ein elektrisches Funktionsschaltbild eines Ultra­ schalldurchflußmessers.

Ein Ultraschalldurchflußmesser mit integrierter Wanddicken­ messung besteht gemäß Fig. 1 aus einem Meßrohr 1, das mit zwei in Fließrichtung des Meßmediums hintereinander angeord­ neten Ultraschallwandlern 2 und 3 versehen ist. An der Wand- Innenseite des Meßrohres 1 vorhandene Reflektoren sind in Fig. 1 nicht dargestellt. Möglichkeiten zu ihrer Gestaltung sind der bereits angeführten DE-PS 43 36 370 zu entnehmen. Ein Ultraschallwandler 4 zur Wanddickenmessung ist als sepa­ rates Sensorelement innerhalb eines Verbindungsstückes 5 zwi­ schen dem Meßrohr 1 und einem Gehäuse 6 angeordnet, in dem sich eine hier nicht gezeigte Ansteuer- und Auswerteeinheit befindet. Für eine gute akustische Ankopplung des Ultra­ schallwandlers 4 an das Meßrohr 1 können beide durch eine Klebung untrennbar miteinander verbunden werden. Der Ultra­ schallwandler 4 ist in diesem Fall fester Bestandteil des Meßrohres 1. In der in Fig. 1 gezeigten Variante wird dage­ gen der Ultraschallwandler 4 durch einen Klemmring 7 im Ver­ bindungsstück 5 gegen die Außenwand des Meßrohres 1 gedrückt. Da der Ultraschallwandler 4 und der Klemmring 7 im Verbin­ dungsstück 5, das auch als Teil des Gehäuses 6 betrachtet werden kann, integriert sind, erhält man einen gekapselten Einbau, der kein gesondertes Gehäuse für den Ultraschall­ wandler 4 der Wanddickenmessung erfordert und somit modular, kostengünstig, explosionssicher und druckfest ausgelegt wer­ den kann. Durch das feste Andrücken des Ultraschallwandlers 4 mit dem Klemmring 7 wird ebenfalls eine gute akustische An­ kopplung an das Meßrohr 1 erreicht. Die Aufnahmestelle für den Ultraschallwandler 4 an der Außenwand des Meßrohrs 1 kann beispielsweise an kritischen Bereichen des Meßrohres vorbe­ stimmt werden. Sie ist eben ausgeführt und so bearbeitet, daß eine optimale akustische Kopplung möglich ist. Dies wirkt sich positiv auf die Meßgenauigkeit aus. Da das Meßrohr 1 einen quadratischen Innenquerschnitt aufweist, läßt sich die Wanddickenmessung auch bei kleinen Nennwerten mit hoher Ge­ nauigkeit realisieren. Der Ultraschallwandler 4 zur Wand­ dickenmessung ist vorzugsweise im Bereich der Symmetrieachsen des Meßrohrs 1, bei diesem Ausführungsbeispiel mit einem quadratischen Meßrohr 1, mittig auf einer ebenen Oberfläche mit senkrecht zu dieser verlaufender Schallausbreitungs­ richtung aufgesetzt. Bei runden Meßrohren beträgt das Ver­ hältnis von Meßrohrdurchmesser zum Durchmesser des Ultra­ schallwandlers der Wanddickenmessung vorzugsweise mehr als 5. Der Meßwert der Wanddicke wird als Eingangsgröße für einen in der Auswerteeinheit abgelegten Korrekturalgorithmus zur Nach­ führung der Kalibrierwerte des Ultraschalldurchflußmessers verwendet. Es können mehrere Ultraschallwandler zur Wand­ dickenmessung über den Umfang und die Länge des Meßrohres verteilt angeordnet sein, wobei die Aktivierung der einzelnen Meßstellen von der Ansteuer- und Auswerteeinheit gesteuert wird. Vorteilhaft ist an der Ansteuer- und Auswerteeinheit eine Schnittstelle vorhanden, an welche vom Anwender ein zu­ sätzlicher, externer Ultraschallwandler zur Wanddickenmessung angeschlossen werden kann. Dieser Ultraschallwandler kann zur Überwachung des Rohrs, in welches das Meßrohr zur Ultra­ schalldurchflußmessung eingesetzt ist, dienen. Wenn der Wand­ dickenmeßwert eines der vorhandenen Ultraschallwandler eine vorgegebene Mindestwanddicke unterschreitet, wird von der Ansteuer- und Auswerteeinheit ein Alarmsignal erzeugt. Da­ durch ist eine Schadensfrüherkennung möglich, und die An­ lagensicherheit wird erheblich verbessert. Über Leitungen 8, 9 und 10 sind die Ultraschallwandler 2, 3 bzw. 4 mit der An­ steuer- und Auswerteeinheit verbunden.

In Fig. 2 ist ein Aufbau eines Ultraschallwandlers zur Wand­ dickenmessung mit einem Vorlaufkörper 11 dargestellt. Eigent­ licher Ultraschallwandler ist eine Piezokeramikscheibe 12, die mit dem Vorlaufkörper 11 zur akustischen Kopplung fest verbunden ist. Der Vorlaufkörper 11 seinerseits ist mit der Wand eines Meßrohrs 13 durch eine Klebeschicht 14 akustisch gekoppelt. Die Rückseite der Piezokeramikscheibe 12 ist mit einem sogenannten Backing 15 versehen, das zur Schalldämpfung und Entkopplung der Piezokeramikscheibe 12 von der übrigen Umgebung des Ultraschallwandlers dient. Durch den Vorlauf­ körper 11 wird der Schallaufweg erhöht. Auf diese Weise wird gewährleistet, daß das Empfangssignal außerhalb der Abkling­ zeit des Sendevorgangs an der Piezokeramikscheibe 12 ein­ trifft. Das Verhältnis von Schallaufweg zur Schallwellenlänge sollte für eine gute Meßgenauigkeit größer als 2 sein. An­ stelle des Vorlaufkörpers 11 kann auch eine lokale Erhöhung oder Verdickung an der Meßrohrwand vorgesehen werden. Ein Vorlaufkörper 11 oder eine derartige Verdickung ist also nur sinnvoll, wenn der Schallaufweg in der Wand des Meßrohrs 13 kurz ist und um einen Schallaufweg 16 zu einem gesamten Schallaufweg 17 vergrößert werden sollte.

Fig. 3 zeigt qualitativ ein Zeitdiagramm der am Ort der Piezokeramikscheibe 12 (Fig. 2) auftretenden Schallimpulse. Nach einem Sendeimpuls 18 trifft zunächst, um die Zeit t1 verzögert, ein Echo 19 bei der Piezokeramikscheibe 12 ein, das von der Grenzfläche zwischen Vorlaufkörper 11 und Wand des Meßrohrs 13 herrührt. Eine Zeit t2 nach dem Sendeimpuls 18 vergeht, bis ein Echo 20 von der Grenzfläche Meßrohrinnen­ wand/Meßmedium empfangen wird. Ausgewertet wird die Laufzeit­ differenz t2-t1 zwischen den beiden Echos 19 und 20, welche die Wanddicke widerspiegelt. Es gilt:

d = (t2-t1) · c(T)/2

mit
d - Wanddicke und
c(T) - Schallgeschwindigkeit im Meßrohr.

Die Schallgeschwindigkeit c(T) kann im Rahmen der Geräte­ kalibrierung bestimmt werden; durch Messung der Temperatur T kann die Temperaturabhängigkeit der Schallgeschwindigkeit korrigiert werden.

Bei dem Ultraschallwandler zur Wanddickenmessung nach Fig. 4 ist ein Meßkörper 21 nach Art eines Stopfens in eine Öffnung einer Wand eines Meßrohrs 22 eingesetzt. Der Meßkörper 21 schließt bündig mit der Innenwand des Meßrohrs 22 ab. An der Außenseite ragt er kragenförmig über den Öffnungsdurchmesser hinaus und setzt auf der Außenwand des Meßrohrs 22 auf. Durch eine umlaufende Schweißnaht 23 ist der Meßkörper 21 mit dem Meßrohr 22 fest verbunden und die Öffnung druckdicht abge­ schlossen. An der Oberseite des Meßkörpers 21 ist eine Piezo­ keramikscheibe 24 akustisch angekoppelt. Damit eine für das Meßrohr 22 repräsentative Messung der Wanddicke erhalten wird, bestehen Meßkörper 21 und Meßrohr 22 vorzugsweise aus demselben Material oder haben zumindest vergleichbare abra­ sive Eigenschaften. Da die Höhe des Meßkörpers 21 größer als die Dicke des Meßrohrs 22 ist, wird auch bei dieser Ausfüh­ rungsform eines Ultraschallwandlers eine Verlängerung des Schallaufwegs erreicht, die sich, wie bereits für das Ausfüh­ rungsbeispiel nach Fig. 2 beschrieben wurde, vorteilhaft auf die Meßgenauigkeit auswirkt.

Fig. 5 zeigt einen Aufbau eines Ultraschallwandlers, bei welchem eine Piezokeramikscheibe 25 durch eine Isolierscheibe 26, beispielsweise eine Scheibe aus keramischem Material, die dünner als die Piezokeramikscheibe 25 ist, von der Wand eines Meßrohrs 27 galvanisch entkoppelt wird. Diese galvanische Entkopplung ist von Vorteil, wenn die Piezokeramikscheibe 25 auf ihrer Unterseite eine Elektrode aufweist, die ohne eine Isolierscheibe 26 mit dem Meßrohr 27 kurzgeschlossen wäre. Da in einem Ultraschalldurchflußmesser mehrere derartige Ultra­ schallwandler am Meßrohr 27 angebracht sind, würde über das elektrisch leitende Meßrohr 27 eine Schleife entstehen, die die untere Elektrode der Ultraschallwandler und eventuell weitere am Rohr befindliche Meßumformer galvanisch miteinan­ der verbindet. Dies würde zu Störungen des Meßsignals führen, die somit durch die Isolierscheibe 26 verhindert werden.

Eine Wanddickenmessung kann gemäß Fig. 6 auch mit einem Paar von Ultraschallwandlern 29 und 30 durchgeführt werden, wobei der Ultraschallwandler 29 als Sender und der Ultraschallwand­ ler 30 als Empfänger betrieben wird. Sie sind nebeneinander schräg zur Wand eines Meßrohrs 31 in einer Weise angeordnet, daß die Amplitude des empfangenen Ultraschallsignals bei der Ausgangswanddicke maximal wird. Dieser Aufbau ist zwar auf­ wendiger als der Aufbau der vorher beschriebenen Ausführungs­ beispiele, es wird jedoch erreicht, daß mit dem Empfangswand­ ler 30 bereits auswertbare Empfangssignale gewonnen werden können, wenn die Abklingzeit des Sendevorgangs im Sendewand­ ler 29 noch nicht abgeschlossen ist.

Elektronische Komponenten eines Ultraschalldurchflußmessers mit integrierter Wanddickenmessung sind im wesentlichen eine Durchflußmeßeinheit 32, eine Wanddickenmeßeinheit 33, die in Fig. 7 jeweils mit durchbrochenen Linien eingezeichnet sind, und eine für beide gemeinsame Ansteuer- und Auswerteeinheit. In einer anderen Ausführungsform können selbstverständlich eine Durchflußmeßeinheit und eine Wanddickenmeßeinheit auch autark arbeiten und die Meßergebnisse in einer gemeinsamen Auswerteeinheit verrechnet werden. Nachteilig wären dann allerdings die hohen Kosten für zwei vollständig separate Meßaufnehmer sowie der erhöhte Installationsaufwand beim An­ wender. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind daher Durchflußmeßeinheit 32 und Wanddickenmeßeinheit 33 in einem Meßumformer integriert. Die Durchflußmeßeinheit 32 arbeitet nach dem Laufzeitdifferenzprinzip. Sie weist zwei Ultra­ schallwandler 34 und 35 auf, die durch einen Kommutator 36 abwechselnd als Sender und Empfänger betrieben werden. Zur Signalaufbereitung ist im Sendezweig ein Impulsformer 37 und ein Verstärker 38 vorhanden. Im Empfangszweig wird das Signal der Ultraschallwandler zunächst einem Eingangsverstärker 39 und dann einem Schmitt-Trigger 40 zugeführt. Die Wanddicken­ messung wird in der Wanddickenmeßeinheit mit einem Ultra­ schallwandler 41 durchgeführt, der im Puls-Echo-Betrieb ar­ beitet. Diesem sind daher sowohl ein Sendezweig mit einem Im­ pulsformer 42 und einem Verstärker 43 als auch ein Empfangs­ zweig mit einem Begrenzer 44, einem Eingangsverstärker 45 und einem Schmitt-Trigger 46 aufgeschaltet. In der Ansteuer- und Auswerteeinheit gibt ein Mikrocontroller 47 programmgesteuert Impulse auf eine Leitung 48, die wahlweise durch einen Um­ schalter 49 dem Sendezweig der Durchflußmeßeinheit 32 oder der Wanddickenmeßeinheit 33 zugeleitet werden. Für den Kommu­ tator 36 gibt der Mikrocontroller 47 gleichzeitig auf einer Leitung 54 ein Richtungssignal vor. Für den wahlweisen Emp­ fang von der Durchflußmeßeinheit 32 oder der Wanddickenmeß­ einheit 33 ist ein Umschalter 50 vorgesehen, der ebenfalls vom Mikrocontroller 47 gesteuert wird und das jeweilige Emp­ fangssignal über ein Tor 51, das vom Mikrocontroller 47 für ein programmierbares Zeitfenster geöffnet wird, einer Zeit­ meßeinheit 52 zuführt. An den Mikrocontroller 47, in dem aus den von der Zeitmeßeinheit 52 ermittelten Zeiten die Wand­ dicke und der Durchfluß berechnet werden, ist eine Einrich­ tung 53 zur Anzeige der Meßwerte und zur Alarmausgabe ange­ schlossen. Die Meßwerte können dem Anwender separat zur Ver­ fügung gestellt sowie miteinander kombiniert werden, wobei diese Kombination u. a. der kontinuierlichen Nachführung von Durchflußkalibrierwerten dient. Die Wanddickenmessung erfolgt in vorgegebenen Zeitabständen, z. B. in Pausen der Durchfluß­ messung. Da sich die Wanddicke erheblich langsamer verändert als der zu messende Durchfluß, ist die durch den Mikro­ controller 47 vorgegebene Anzahl der Durchflußmeßzyklen we­ sentlich größer als die Anzahl der Wanddickenmeßzyklen und beträgt beispielsweise das Zehntausendfache. Die Ultraschall­ wandler 34 und 35 der Durchflußmeßeinheit 32 unterscheiden sich vom Ultraschallwandler 41 der Wanddickenmeßeinheit 33 in der Ultraschallfrequenz, die vorzugsweise bei der Wanddicken­ messung größer ist. Die zeitliche Länge, Amplitude und Form des elektrischen Anregungssignals für die Ultraschallwandler 34, 35 und 41 ist entsprechend den unterschiedlichen Wandler­ eigenschaften so angepaßt, daß sich ein Ultraschallsignal mit optimalem Amplituden-Bandbreite-Produkt ergibt.

An der Meßrohrwand kann ein Temperatursensor angeordnet wer­ den, dessen Meßwert zur Korrektur des Durchflußmeßwertes so­ wie zur Nachführung des Wertes der Schallgeschwindigkeit in der Meßrohrwand verwendet wird. Dieser ist in den Zeichnungen der Übersichtlichkeit wegen nicht dargestellt. Das Programm des Mikrocontrollers 47 enthält eine Plausibilitätsprüfung für die Messung der Wanddicke, welche den zeitlichen Verlauf der Wanddickenänderung bewertet.

Für die Bestimmung der Schallaufzeit in der Wand des Meßrohrs kann die Zeitdifferenz zwischen aufeinanderfolgenden Mehr­ fachechos ausgewertet werden.

Die Wanddickenmessung kann prinzipiell auch mit einem der Wandler, welche für die Durchflußmessung genutzt werden, er­ folgen. Dabei wird die Grenzflächenreflexion an der medien­ seitigen Abstrahlfläche des Topfbodens ausgewertet. Voraus­ setzung ist allerdings, daß die Topfbodendicke wesentlich größer als die für die Wanddickenmessung verwendete Wellen­ länge des Ultraschallsignales ist. Falls notwendig, kann für die Wanddickenmessung die Anregungsfrequenz des Ultraschall­ wandlers gegenüber derjenigen für die Durchflußmessung erhöht werden, beispielsweise durch Anregung einer Oberwelle der Piezokeramikscheibe.

Die in den erfindungsgemäßen Ultraschalldurchflußmesser inte­ grierte Wanddickenmessung liefert eine zusätzliche Informa­ tion zum Zustand einer prozeßtechnischen Anlage, die sich insbesondere auf die Betriebskosten auswirkt. Wartungsaufwen­ dungen werden verringert, da eine Optimierung der Wartungs­ intervalle in Abhängigkeit der gemessenen Wanddicken erfolgen kann. Dabei wird die zusätzliche Meßfunktion in einem ohnehin vorhandenen Gerät integriert und erfordert kaum erhöhte An­ schaffungs- und Installationsaufwendungen.

Claims (19)

1. Ultraschalldurchflußmesser für flüssige oder gasförmige Medien

• - mit zumindest zwei Ultraschallwandlern (2, 3, 4), die an ein von dem Meßmedium durchflossenes Rohr (1) angebracht sind,
• - mit einer Ansteuer- und Auswerteeinheit, durch welche die Ultraschallwandler (2, 3, 4) als Sender und/oder als Emp­ fänger betrieben werden und durch welche aus den Ultra­ schallsignalen die Wanddicke des Rohres (1) und der Durch­ fluß berechnet werden,

dadurch gekennzeichnet,

• - daß zur Anbringung der Ultraschallwandler (2, 3, 4) ein Meßrohr (1) mit Aufnahmestellen für die Ultraschallwandler (2, 3, 4) als Bestandteil des Ultraschalldurchflußmessers vorhanden ist, auf welche zumindest die Ultraschallwandler (4) zur Wanddickenmessung eben aufgesetzt sind.

2. Ultraschalldurchflußmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Über- oder Unterschreiten eines vorgegebenen Grenzwert es der Wanddicke ein Meldesignal er­ zeugt wird.

3. Ultraschalldurchflußmesser nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit der Wanddicke ein Korrekturfaktor bestimmt wird, der bei der Berechnung des Durchflusses berücksichtigt wird.

4. Ultraschalldurchflußmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Wanddicken­ messungen in Pausen der Ultraschalldurchflußmessungen, zumin­ dest aber in vorgebbaren maximalen Zeitabständen durchgeführt werden.

5. Ultraschalldurchflußmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Ultra­ schallwandler (34, 35) für die Ultraschalldurchflußmessung und zumindest ein weiterer Ultraschallwandler (41) für die Wanddickenmessung vorhanden sind, die über Schalter (49, 50) wahlweise mit der Ansteuer- und Auswerteeinheit verbindbar sind.

6. Ultraschalldurchflußmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wand des Meßrohrs (1) abschnittsweise eben ist.

7. Ultraschalldurchflußmesser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Meßrohrs (1) im wesentlichen quadratisch ist.

8. Ultraschalldurchflußmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Wanddicken­ messung ein Ultraschallwandler (4, 41) nacheinander als Sen­ der und Empfänger betrieben wird, der auf die Außenwand des Meßrohres (1) aufgesetzt ist, so daß er Ultraschallwellen in radialer Richtung zur Meßrohrinnenwand sendet.

9. Ultraschalldurchflußmesser nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Wanddicken­ messung ein Paar von Ultraschallwandlern (29, 30) vorhanden ist, von denen der eine als Sender und der andere als Empfän­ ger betrieben wird und die in der Weise spiegelbildlich ge­ neigt auf der Außenseite der Meßrohrwand (31) angeordnet sind, daß eine an der Meßrohrinnenwand reflektierte Ultra­ schallwelle des Senders auf den Empfänger trifft.

10. Ultraschalldurchflußmesser nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Wanddicke des Meßrohrs an den Aufnahmestellen für die Ultraschallwandler der Wanddickenmessung lokal erhöht ist.

11. Ultraschalldurchflußmesser nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß in der Meßrohrwand (22) eine Aussparung vorgesehen ist, in welche als Aufnahme­ stelle für den Ultraschallwandler der Wanddickenmessung ein als Wanddickenmeßstrecke dienender Körper (21) eingesetzt ist, der aus dem gleichen Material wie das Meßrohr (22) be­ steht und bündig mit der Meßrohrinnenwand abschließt.

12. Ultraschalldurchflußmesser nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verlängerung der Wanddickenmeßstrecke auf die Außenwand des Meßrohrs (13) ein Vorlaufkörper (11) als Aufnahmestelle für den Ultra­ schallwandler aufgesetzt ist.

13. Ultraschalldurchflußmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Ultra­ schallwandler piezoelektrische Wandler verwendet werden, die an den Aufnahmestellen galvanisch vom Meßrohr (27) getrennt sind.

14. Ultraschalldurchflußmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Ultraschall­ wandler zur Wanddickenmessung an mehreren Stellen des Meß­ rohres vorhanden sind.

15. Ultraschalldurchflußmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schnitt­ stelle zum Anschluß eines externen Ultraschallwandlers zur Wanddickenmessung vorhanden ist.

16. Ultraschalldurchflußmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ultra­ schallwandler zur Wanddickenmessung mit dem Meßrohr, z. B. durch Kleben, fest verbunden ist.

17. Ultraschalldurchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ultraschall­ wandler (4) zur Wanddickenmessung durch eine Klemmvorrichtung (7) an die Aufnahmestelle gedrückt wird.

18. Ultraschalldurchflußmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ultra­ schallwandler (4) zur Wanddickenmessung im Gehäuse der An­ steuer- und Auswerteeinheit integriert ist.