DE19543331C2 - Verfahren zum Bestimmen des Volumenstroms eines durch ein Rohr strömenden, insbesondere gasförmigen Mediums - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen des Vo­ lumenstroms eines durch ein Rohr strömenden, insbesondere gas­ förmigen Mediums, wobei
Schall, insbesondere Ultraschall, entlang eines Schallpfa­ des durch das Medium geleitet wird und
die Schallaufzeit gemessen und aus dieser unter Einbezie­ hung des Rohrquerschnitts sowie eines vom Volumenstrom abhängi­ gen, gespeicherten Kalibrierfaktors der Volumenstrom bestimmt wird.

Ein derartiges Verfahren ist aus der DE 93 90 174.7 bekannt.

Ferner ist aus der DE 32 39 770 C2 ein Verfahren zur Bestimmung des Volumenstroms eines durch ein Rohr strömenden Mediums bekannt, wobei Ultraschall entlang eines Schallpfades durch das Medium geleitet, die Schallaufzeit gemessen und aus dieser unter Einbeziehung des Rohrquerschnitts der Volumenstrom bestimmt wird.

Solche Verfahren basieren auf dem in der Literatur oftmals als "Mitführeffekt" bezeichneten physikalischen Effekt, daß sich in einem strömenden Medium Schall mit einer Geschwindig­ keit ausbreitet, die von dem Anteil der Strömungsgeschwindig­ keit des Mediums in Ausbreitungsrichtung des Schalls abhängt. Mißt man die Schallaufzeit im strömenden Medium entlang eines Schallpfades, so kann man Rückschlüsse auf die Strömungsge­ schwindigkeit des Mediums senkrecht zum Rohrquerschnitt und damit auf das pro Zeiteinheit durch das Rohr strömende Volumen ziehen. Hätte die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums an jedem beliebigen Punkt des Querschnitts überall dieselbe Normalkom­ ponente senkrecht zum Querschnitt, so ergäbe sich der Volumenstrom aus der einfachen Multiplikation dieser Strömungsge­ schwindigkeit mit der Querschnittsfläche des Rohres.

Aufgrund der immer vorhandenen Reibung zwischen Strömungs­ medium und Rohrinnenwand tritt dieser Idealfall jedoch in der Praxis nicht auf. Die Strömung wird vielmehr an unterschied­ lichen Punkten des Querschnitts des Rohres unterschiedliche Geschwindigkeiten, genauer gesagt unterschiedliche Geschwin­ digkeitsvektoren aufweisen. Im Fall einer laminaren Strömung sind die Geschwindigkeitsvektoren parallel zueinander und senk­ recht zum Querschnitt gerichtet und weisen im Zentrum des Quer­ schnitts höhere Beträge auf als an dessen Rand. Im Fall einer turbulenten Strömung besitzen die Geschwindigkeitsvektoren an unterschiedlichen Punkten des Querschnitts nicht nur unter­ schiedliche Beträge, sondern auch unterschiedliche Richtungen. Der Schallpfad, entlang dessen die Schallaufzeit gemessen wird, verläuft also niemals exakt in einer Strömungsschicht, in der alle Strömungsgeschwindigkeitsvektoren den gleichen Betrag und die gleiche Richtung haben. Die Strömungsgeschwin­ digkeitsvektoren werden die Schallgeschwindigkeit also unter­ schiedlich stark beeinflussen, so daß aus der gemessenen Schallaufzeit nicht ohne weiteres auf die tatsächliche mittlere Geschwindigkeit des Mediums geschlossen werden kann. Diese unterschiedliche Beeinflussung der Schallgeschwindigkeit ent­ lang des Schallpfades soll durch Einbeziehung des Kalibrierfak­ tors ausgeglichen werden. Der Kalibrierfaktor variiert mit dem Volumenstrom.

In der Praxis wurden die Kalibrierfaktoren bisher experi­ mentell bestimmt. Zur Erzielung reproduzierbarer Ergebnisse wurde dabei in der Regel mit einer ausgebildeten Strömung gear­ beitet, d. h., mit einer entsprechend langen Einlaufstrecke. Eine solche Einlaufstrecke ist am praktischen Einsatzort fast nie vorhanden und dort auch durch selbst aufwendige Umbauarbei­ ten häufig nicht herzustellen. Unter diesen Umständen entspra­ chen die Einsatzbedingungen nicht den Kalibrierbedingungen, so daß Fehlmessungen auftraten, und zwar von Fall zu Fall unter­ schiedliche Fehlmessungen.

Eine Einbeziehung der Einsatzbedingungen in die Kalibrie­ rung setzte voraus, daß bei der Kalibrierung die Einsatzbedin­ gungen tatsächlich eingestellt wurden. Dies führte dazu, daß der ohnehin erhebliche meßtechnische Aufwand sich verviel­ fachte, und zwar individuell für jedes einzelne zu kalibrie­ rende Meßgerät.

Davon ausgehend, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, bei welchem aufwendige experimentelle Bestimmungen der Kalibrierfaktoren nicht nötig sind und welches sich insbesondere zur Anwendung in verschiedenen Zählern - unabhängig von den jeweiligen Einsatz­ bedingungen - eignet.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist das Verfahren nach der Erfin­ dung dadurch gekennzeichnet, daß
für eine Mehrzahl vorgegebener Volumenströme unter Berück­ sichtigung der Rohrkonfiguration und der Einbaubedingungen die jeweiligen Strömungsgeschwindigkeitsfelder auf der Höhe des Schallpfades vollständig dreidimensional numerisch simuliert werden,
aus den simulierten Strömungsgeschwindigkeitsfeldern die zugehörigen theoretischen Schallaufzeiten ermittelt werden,
die theoretischen Schallaufzeiten zur Bildung der Kali­ brierfaktoren mit den vorgegebenen Volumenströmen ins Verhält­ nis gesetzt werden,
die Kalibrierfaktoren in Zuordnung zu den zugehörigen theo­ retischen Schallaufzeiten gespeichert werden und
eine reale Schallaufzeit gemessen und mit den gespeicherten theoretischen Schallaufzeiten zur Auswahl des passenden Kali­ brierfaktors verglichen wird.

Dabei ist zu berücksichtigen, daß aus der DE 43 20 295 A1 ein Verfahren zum Bestimmen des Volumenstroms eines durch ein Rohr strömenden Mediums bekannt ist, wobei Ultraschall entlang eines Schallpfades durch das Medium geleitet, die Schallaufzeit gemessen und aus dieser unter Einbeziehung des Rohrquerschnitts der Volumenstrom bestimmt wird und wobei ferner für eine Mehr­ zahl vorgegebener Volumenströme unter Berücksichtigung der Rohrkonfiguration und der Einbaubedindungen die jeweiligen Strömungsgeschwindigkeitsfelder numerisch simuliert werden.

Die von der vorliegenden Erfindung angewendete vollständige dreidimensionale numerische Simulation der Strömungsgeschwin­ digkeitsfelder in Abhängigkeit vom Volumenstrom stellt eine Rechenmethode dar, die es ermöglicht, den Einfluß der Form des Rohrquerschnitts und der übrigen Einbaubedingungen auf die Strömung exakt zu berücksichtigen, selbst wenn starke Strö­ mungsstörungen hervorgerufen werden. Hieraus ergibt sich eine sehr genaue Bestimmung der gemittelten theoretischen Strö­ mungsgeschwindigkeiten in Schallpfadrichtung, aus der die theo­ retischen Schallaufzeiten resultieren.

Letztere werden mit den jeweiligen vorgegebenen Volumen­ strömen zur Bestimmung der Kalibrierfaktoren ins Verhältnis gesetzt. Hierbei kann es sich um eine direkte Beziehung zwi­ schen den theoretisch Schallaufzeiten und den zugehörigen vor­ gegebenen Volumenströmen handeln. Die realen Schallaufzeiten können sodann mit diesen Kalibrierfaktoren direkt multipliziert werden, um die realen Volumenströme zu bestimmen. Ferner besteht die Möglichkeit, aus den vorgegebenen Volumenströmen die theoretischen mittleren Strömungsgeschwindigkeiten senkrecht zum Rohrquerschnitt abzuleiten und diese mit den theoretischen Schallaufzeiten ins Verhältnis zu setzen. Bei der Multiplika­ tion einer realen Schallaufzeit mit einem derart ermittelten Kalibrierfaktor ergibt sich sodann die reale mittlere Strö­ mungsgeschwindigkeit senkrecht zum Rohrquerschnitt, die zur Bestimmung des realen Volumenstroms noch mit dem Rohrquer­ schnitt zu multiplizieren ist. Weitere Möglichkeiten bestehen darin, bei der Bestimmung der Kalibrierfaktoren nicht von der theoretischen Schallaufzeit auszugehen, sondern von der hieraus abgeleiteten theoretischen mittleren Strömungsgeschwindigkeit senkrecht zum Rohrquerschnitt. In jedem Falle stellt der Kali­ brierfaktor eine Beziehung dar zwischen dem vorgegebenen Volu­ menstrom und der über die numerische Simulation ermittelten theoretischen Schallaufzeit. Die Kalibrierfaktoren werden also mit großer Genauigkeit ermittelt, was der Genauigkeit der Volumstrombestimmung zugute kommt.

Lange Einlaufstrecken sind bei dem Verfahren ebenso nicht mehr erforderlich wie komplizierte Schallpfade, mit denen verschiedentlich versucht wurde, Meßfehler aufgrund gestörter Strömungen auszugleichen. Zeit- und kostenintensive experimen­ tielle Untersuchungen werden dadurch weitgehend überflüssig, und Kalibrierungen auch über einen weiten Volumenstrombereich können ohne wesentlichen Aufwand durchgeführt werden. Welche Volumenströme der Simulation vorgegeben werden, hängt von dem jeweiligen Einsatzzweck ab, wobei sich das Verfahren sowohl zum Einsatz im Haushaltsbereich eignet, in dem nur geringe Volumen­ ströme zu erwarten sind, als auch im industriellen Bereich. Wieviele verschiedene Volumenströme der Simulation zugrundege­ legt werden, und damit wieviele verschiedene Kalibrierfaktoren ohne Interpolation zur Verfügung stehen, kann vom Anwender in Abhängigkeit von der gewünschten Genauigkeit frei gewählt werden. Dabei kann der Fachmann die Intervalle zwischen den einzelnen vorgegebenen Volumenströmen in dem Bereich, in dem sich in dem jeweiligen Zähler eine laminare Strömung ausbildet und sich die Kalibrierfaktoren nur wenig ändern, relativ groß wählen, während er im turbulenten Strömungsbereich und insbe­ sondere im Übergangsbereich zwischen laminarer und turbulenter Strömung kleinere Intervalle wählen wird.

Bei einer bevorzugten Durchführungsform des Verfahrens wird der Schallpfad von zwei Schallwandlern definiert, die alternie­ rend als Schallsender und als Schallempfänger betrieben werden. Dies hat den Vorteil, daß die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Schalls im ruhenden Medium nicht bekannt sein muß. Ausschlagge­ bend ist hier die Schallaufzeitdifferenz.

Im Rahmen des Erfindungsgedankens sind zahlreiche Abwand­ lungen und Weiterbildungen möglich, die sich z. B. auf die Anordnung des Schallpfades und die Wahl der simulierten Volu­ menströme beziehen. Auch ist es möglich, mit dem Verfahren zunächst verschiedene Schallpfade zu simulieren, bevor mit der Herstellung kostenintensiver Prototypen begonnen wird, da zur Berechnung der notwendigen Kalibrierfaktoren lediglich die Meßgerätegeometrie und die Einbausituation bekannt sein müssen. Dies erlaubt es, den Einfluß von Strömungsstörungen auf das Ultraschallmeßgerät quantitativ zu berechnen und so ein Maß für die Meßgenauigkeit für unterschiedliche Schallpfadanordnungen genau zu ermitteln.

Claims (2)

1. Verfahren zum Bestimmen des Volumenstroms eines durch ein Rohr strömenden Mediums, wobei Schall entlang eines Schallpfades durch das Medium geleitet wird und die Schallaufzeit gemessen und aus dieser unter Einbe­ ziehung des Rohrquerschnitts sowie eines vom Volumenstrom abhängigen, gespeicherten Kalibrierfaktors der Volumenstrom bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet,
daß
für eine Mehrzahl vorgegebener Volumenströme unter Berücksichtigung der Rohrkonfiguration und der Einbaubedin­ gungen die jeweiligen Strömungsgeschwindigkeitsfelder auf der Höhe des Schallpfades vollständig dreidimensional nume­ risch simuliert werden,
aus den simulierten Strömungsgeschwindigkeitsfeldern die zugehörigen theoretischen Schallaufzeiten ermittelt werden,
die theoretischen Schallaufzeiten zur Bildung der Kali­ brierfaktoren mit den vorgegebenen Volumenströmen ins Ver­ hältnis gesetzt werden,
die Kalibrierfaktoren in Zuordnung zu den zugehörigen theoretischen Schallaufzeiten gespeichert werden und
eine reale Schallaufzeit gemessen und mit den gespei­ cherten theoretischen Schallaufzeiten zur Auswahl des pas­ senden Kalibrierfaktors verglichen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schallpfad von zwei Schallwandlern definiert wird, die alternierend als Schallsender und Schallempfänger be­ trieben werden.