DE19549162A1 - Ultrasonic flow meter - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Ultraschall-Durchflußmes ser zur Messung der Durchströmung von Flüssigkeit oder Gas durch ein Meßrohr, das mit Ultraschall-Signalwand lern ausgerüstet ist, bei dem der Ultraschall von einer Rohrwand reflektiert wird, die mindestens eine fokus sierende Reflexionsfläche hat.The invention relates to an ultrasonic flow meter water to measure the flow of liquid or Gas through a measuring tube with ultrasonic signal wall lern is equipped, in which the ultrasound from a Pipe wall is reflected that has at least one focus has reflecting surface.
Aus der DE 39 41 544 A1 ist ein Ultraschallmeßgerät bekannt, bei dem Ultraschallwellen einen "W"-förmigen Strahlenweg zwischen zwei Signalwandlern durchlaufen. Die Schallwellen werden zuerst an der unteren Wand des Rohres, danach an der oberen Wand, und zuletzt wieder an der unteren Wand des Rohres reflektiert. Ein Teil der Schallwellen durchläuft einen Weg mit nur einer einzigen Reflexion an der unteren Wand des Rohres. Diese Schallwellen werden durch Anbringung eines Dämp fers an der unteren Wand gedämpft. DE 39 41 544 A1 is an ultrasonic measuring device known in the ultrasonic waves a "W" -shaped Traverse the beam path between two signal converters. The sound waves are first on the bottom wall of the Rohres, then on the top wall, and finally again reflected on the bottom wall of the tube. A part the sound waves pass through a path with only one single reflection on the bottom wall of the tube. These sound waves are generated by attaching a damper muffled on the lower wall.
Die EP 0 521 855 B1 beschreibt einen ähnlichen Durch flußmesser. Die Reflexionsflächen sind jedoch gekrümmt, so daß die Schallwellen fokussiert werden. Die untere Rohrwand hat eine defokussierende Reflexionsfläche zwischen den fokussierenden Flächen. Hierbei wird der Teil der Schallwellen, der in einem "V"-förmigen Weg das Meßrohr durchläuft, gedämpft. Aber auch mit diesen Maßnahmen wird das akustische Signal durch den Durch flußmesser stark gedämpft und der Empfangs-Signalwand ler erhält ein schwaches Signal, das von den Schall wellen überlagert ist, die dem "V"-förmigen Weg durch das Rohr gefolgt sind. Wenn der Signalwandler ein schwaches Signal empfängt, ist er störempfindlich. Dies gilt sowohl für mechanische Geräusche als auch für elektromagnetisches Rauschen.EP 0 521 855 B1 describes a similar procedure flow meter. However, the reflective surfaces are curved, so that the sound waves are focused. The lower one Pipe wall has a defocusing reflection surface between the focusing areas. Here the Part of the sound waves that are in a "V" -shaped path passes through the measuring tube, damped. But also with these The acoustic signal is taken by the measures flow meter heavily damped and the reception signal wall ler receives a weak signal from the sound waves is superimposed on the "V" -shaped path the pipe followed. If the transducer on receives a weak signal, it is sensitive to interference. This applies to both mechanical noise and electromagnetic noise.
Es ist der Zweck der Erfindung einen einfachen und billigen Ultraschall-Durchflußmesser anzugeben, der eine genaue und schnelle Messung durchführen kann.It is the purpose of the invention a simple and cheap ultrasonic flow meter to specify the can take an accurate and quick measurement.
Die Aufgabe kann bei einem Durchflußmesser der eingangs genannten Art erfindungsgemäß gelöst werden, wenn wenigstens eine fokussierende Reflexionsfläche in Form einer Ellipse gekrümmt ist, und die Signalwandler in den Brennpunkten der Ellipse angeordnet sind.The task can be at the beginning of a flow meter mentioned type can be solved according to the invention if at least one focusing reflection surface in the form an ellipse is curved, and the signal converters in the focal points of the ellipse are arranged.
Die Reflexionsfläche hat also im Längsschnitt entlang der Rohrerstreckung zumindest abschnittsweise die Form einer Ellipse. Hierbei kann erreicht werden, daß alle Teile eines Schallbündels die gleiche Strecke zurück legen, und es entsteht ein reines Signal. Das Schall bündel, das von einem der Brennpunkte der Ellipse ausgeht, wird in den anderen Brennpunkt der Ellipse reflektiert und konzentriert. Dies verursacht eine Verstärkung des empfangenen Signals, das hierbei weni ger störempfindlich wird. The reflection surface thus has a longitudinal section along the pipe extension, at least in sections, the shape an ellipse. It can be achieved that all Parts of a sound beam back the same distance and there is a pure signal. The sound bundle that from one of the focal points of the ellipse goes out, is in the other focus of the ellipse reflected and focused. This causes one Gain of the received signal, which is less eng becomes sensitive to interference.
Die Signalwandler können in einer Signalwandlerebene angeordnet sein, die seitwärts gegenüber der Achse des Meßrohres verschoben ist. Hierbei kann das gleiche Ergebnis sowohl bei Messung von turbulenter als auch laminarer Strömung im Meßrohr erreicht werden.The signal converters can be in one signal converter level be arranged laterally opposite the axis of the Measuring tube is moved. The same can be done here Result both when measuring turbulent as well laminar flow can be achieved in the measuring tube.
Die Erfindung kann dadurch weitergebildet werden, daß der Ultraschall mehrmals von der Rohrwand reflektiert wird und einen "W"-förmigen Strahlenweg durchläuft. Hierbei kann eine angemessene Zeitdifferenz für die Messung mit und gegen den Strom erreicht werden, auch wenn das Meßrohr einen kleinen inneren Durchmesser hat.The invention can be further developed in that the ultrasound is reflected several times from the pipe wall and passes through a "W" -shaped beam path. This can be a reasonable time difference for the Measurement can be achieved with and against the current, too if the measuring tube has a small inner diameter.
Der Durchflußmesser kann mehrere ellipsenförmige Schallspiegel haben, wobei die Ellipsen gemeinsame Brennpunkte auf den Reflexionsflächen haben. Hierdurch kann der Durchflußmesser mit vielen Reflexionen zwi schen den Rohrwänden ausgebildet sein. Schallspiegel sind Reflexionsflächen für die Ultraschallwellen, die auch besonders gute Reflexionseigenschaften für die Ultraschallwellen aufweisen können. Bei abwechselnder Bündelung und Streuung des Ultraschalls können Messun gen über eine lange Meßstrecke ohne kritischen Verlust der Signalstärke erfolgen. Es kann ein effektiver Durchflußmesser in einem Rohr mit einem kleinen Quer schnitt aufgebaut werden. Ein langer Signalweg im Medium bedeutet, daß niedrige Strömungsgeschwindigkei ten gemessen werden können.The flow meter can be several elliptical Have sound levels, with the ellipses common Have focal points on the reflection surfaces. Hereby can the flow meter with many reflections between be formed between the tube walls. Sound level are reflection surfaces for the ultrasonic waves that also particularly good reflection properties for the May have ultrasonic waves. With alternating Bundling and scattering of ultrasound can measure over a long measuring distance without critical loss the signal strength. It can be an effective one Flow meter in a tube with a small cross be built up. A long signal path in the Medium means that the flow rate is low ten can be measured.
Der Durchflußmesser kann mit mindestens zwei ellipsen förmigen Schallspiegeln ausgebildet sein, wobei die Ellipsen einen gemeinsamen Brennpunkt auf der gegen überliegenden Wand des Rohres haben und die anderen Brennpunkte sich auf den Signalwandleroberflächen befinden. Hierbei kann der gemeinsame Brennpunkt mit besonderen Reflexionseigenschaften ausgebildet sein. Die Dämpfung des Ultraschallsignals wird geringer. The flow meter can have at least two ellipses shaped sound mirrors, the Ellipses a common focus on the opposite have overlying wall of the tube and the others Focuses on the transducer surfaces are located. Here, the common focus with special reflection properties. The attenuation of the ultrasound signal is reduced.
Die schallspiegelnden Flächen können vorteilhaft gegen einander und den Signalwandlern gegenüber geneigt sein. Hierbei kann der Schallweg aus der Signalwandlerebene herausgespiegelt werden.The sound reflecting surfaces can advantageously be used against be inclined towards each other and the transducers. Here, the sound path from the signal converter level be mirrored out.
Der Ultraschall-Durchflußmesser kann so ausgebildet sein, daß von einem ersten Signalwandler ausgesandter Ultraschall erst einen flachen Schallspiegel trifft, der um einen ersten Winkel gegenüber der Signalwandler ebene gedreht ist, danach von der ellipsenförmigen, schallspiegelnden Oberfläche reflektiert wird, die in einen anderen Winkel gegenüber der Signalwandlerebene gedreht ist, und dann von dem flachen Schallspiegel zurück zur Signalwandlerebene reflektiert wird, bevor der Ultraschall den zweiten Signalwandler erreicht. Hierbei können Ultraschallwellen in dem gesamten Rohr durchmesser erreicht werden. Auf diese Weise erhält man die gleiche Wirkung wie bei Mehrspurenmessung mit nur einem Signalwandlersatz.The ultrasonic flow meter can be designed in this way be that emitted by a first signal converter Ultrasound first hits a flat sound level, which is at a first angle to the transducer plane is rotated, then from the elliptical, sound reflecting surface that is reflected in a different angle to the signal converter level is rotated, and then from the flat sound mirror is reflected back to the transducer level before the ultrasound reaches the second signal converter. This can cause ultrasonic waves in the entire pipe diameter can be reached. This way you get the same effect as with multi-track measurement with only a signal converter set.
Die Signalwandler können bevorzugterweise auf der gleichen Seite des Meßrohres angeordnet sein, wobei sie gegeneinander um einen Winkel verdreht sind. Hierbei können die Ultraschallwellen ebenfalls dazu gebracht werden den Rohrdurchmesser auszufüllen.The signal converters can preferably on the be arranged the same side of the measuring tube, being are rotated against each other by an angle. Here can also cause the ultrasonic waves to do so will fill in the pipe diameter.
Der Ultraschall-Durchflußmesser kann vorzugsweise so ausgebildet sein, daß die Signalwandler vom Medienstrom zurückgezogen auf einem Schattenrohr sitzen, das der Ultraschall vor Kontakt mit dem Medienstrom durch strömt. Hierbei kann eine Dämpfung und Streuung der Schallwellen, die die Wand des Schattenrohres treffen, erreicht werden. Dadurch wird erreicht, daß Schall wellen, die einen "V"-förmigen Weg durchlaufen, redu ziert werden, so daß Meßfehler verschwinden. The ultrasonic flow meter can preferably do so be trained that the signal converter from the media stream retired sitting on a shadow pipe that the Ultrasound before contact with the media flow flows. Attenuation and scattering of the Sound waves that hit the wall of the shadow pipe, can be achieved. This ensures that sound waves that go through a "V" -shaped path, redu be decorated so that measurement errors disappear.
Das Schattenrohr kann innen Reflexionsflächen haben, die den Ultraschall streuen. Hierbei kann der Teil des Schallstrahles, der die Rohrwand trifft, in verschiede ne Richtungen zerstreut werden. Hierbei werden die Schallwellen in ein Geräuschsignal umgewandelt, das die Messungen im Rohr nicht stört.The shadow tube can have reflective surfaces on the inside scatter the ultrasound. Here, the part of Sound beam that hits the pipe wall in different ne directions are scattered. Here, the Sound waves are converted into a sound signal that the Measurements in the pipe do not interfere.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Sie zeigen:The invention is described below with reference to the drawings explained in more detail. They show:
Fig. 1 Einen Längschnitt durch eine mögliche Ausfüh rungsform der Erfindung, Fig. 1 a longitudinal section through a possible exporting approximately of the invention,
Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine andere mögliche Ausführungsform, Fig. 2 is a longitudinal section through another possible embodiment,
Fig. 3 einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäß ausgebildetes Rohr, Fig. 3 shows a cross section through a pipe formed according to the invention,
Fig. 4 einen Schnitt durch eine mögliche Ausführungs form des Schattenrohrs und Fig. 4 shows a section through a possible embodiment form of the shade tube and
Fig. 5 einen Schnitt durch eine alternative Ausbil dungsform der Erfindung. Fig. 5 shows a section through an alternative training form of the invention.
Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch ein Meßrohr 1 mit zwei Ultraschall-Signalwandlern 2, 3. Diese können magnetostriktiv, elektromagnetisch oder elektrostriktiv sein. Die Signalwandler können piezoelektrisch ausge bildet sein. Das Ultraschallsignal von den Signalwand lern 2, 3 wird in einem Schallspiegel 4 reflektiert, gegenüber dem die Signalwandler seitlich versetzt angeordnet sind. Der Schallspiegel 4 ist als ein Rota tions-Ellipsoid ausgebildet, hat also im Längsschnitt des Meßrohres 1 abschnittsweise die Form einer Ellipse, und die Signalwandler 2, 3 sind in den Brennpunkten 7, 8, der Ellipse bzw. des durch Rotation der Ellipse erzeugten Ellipsoids vorgesehen. Fig. 1 shows a longitudinal section through a measuring tube 1, with two ultrasonic transducers 2, 3. These can be magnetostrictive, electromagnetic or electrostrictive. The signal converter can be formed out piezoelectric. The ultrasound signal from the signal wall learn 2 , 3 is reflected in a sound mirror 4 , against which the signal converter are laterally offset. The sound mirror 4 is designed as a rotation ellipsoid, so in sections in the longitudinal section of the measuring tube 1 it has the shape of an ellipse, and the signal converters 2 , 3 are in the focal points 7 , 8 , the ellipse or the ellipsoid generated by rotation of the ellipse intended.
Das Ultraschallsignal wird von einem der Signalwandler 2, 3 ausgesandt, die in dem einen Brennpunkt 7 vorgese hen sind. Das Ultraschallsignal wird vom Schallspiegel 4 in dem anderen Brennpunkt 8 reflektiert, wo das Signal von dem anderen Signalwandler 2, 3 empfangen wird. Beide Brennpunkte 7, 8 sind außerhalb des Quer schnitts des Meßrohres 1 angeordnet.The ultrasonic signal is emitted by one of the signal converters 2 , 3 , which are hen in the one focal point 7 . The ultrasound signal is reflected by the sound mirror 4 in the other focal point 8 , where the signal is received by the other signal converter 2 , 3 . Both focal points 7 , 8 are arranged outside the cross section of the measuring tube 1 .
Fig. 2 zeigt einen Längsschnitt durch eine andere Ausbildungsform der Erfindung. Das Meßrohr 1 hat wie auf der Fig. 1 zwei Signalwandler 2, 3, die in einem Schattenrohr 6, 7 im Abstand vom Medienstrom vorgesehen sind. Der Schallspiegel 4, der als Rotations-Ellipsoide ausgebildet ist, ist hier an der Oberseite des Rohres auf derselben Seite wie die Signalwandler 2, 3 gezeigt. Im Boden des Rohres ist ein flacher Schallspiegel 9 vorgesehen. Die Signalwandler 2, 3 werden von Einsätzen 10, 11 festgehalten, die im Meßrohr 1 festgeschraubt sind. Die Signalwandler 2, 3 sind von Membranen 12, 13 vor Kontakt mit dem Medium geschützt. Die Membranen 12, 13 sind zwischen den Einsätzen 10, 11 und einer An lagefläche im Meßrohr 1 eingespannt. Die Dichtung zwischen den Einsätzen 10, 11 und dem Meßrohr 1 erfolgt mittels O-Ringen 14, 15. Es ist eine Aussparung 16 gezeigt, die für einen Temperaturfühler verwendet werden kann. Zwischen den Signalwandlern 2, 3 ist ein Gehäuse 17 gezeigt, das einen elektronischen Schalt kreis enthalten kann, der Ultraschallimpulse erzeugen und eine Signalbehandlung des empfangenen Ultraschall signals vornehmen kann. Der Elektronikschaltkreis kann ein Display für die Anzeige von Meßparametern enthal ten. Eine Tastatur gibt einem Benutzer die Möglichkeit, zwischen verschiedenen Anzeigen auf dem Display zu wechseln. Fig. 2 shows a longitudinal section through another embodiment of the invention. As in FIG. 1, the measuring tube 1 has two signal converters 2 , 3 , which are provided in a shadow tube 6 , 7 at a distance from the media stream. The sound mirror 4 , which is designed as a rotational ellipsoid, is shown here on the top of the tube on the same side as the signal converters 2 , 3 . A flat sound mirror 9 is provided in the bottom of the tube. The signal converters 2 , 3 are held by inserts 10 , 11 which are screwed into the measuring tube 1 . The signal converters 2 , 3 are protected by membranes 12 , 13 from contact with the medium. The membranes 12 , 13 are clamped between the inserts 10 , 11 and a contact surface in the measuring tube 1 . The seals between the inserts 10 , 11 and the measuring tube 1 are made by means of O-rings 14 , 15 . A recess 16 is shown which can be used for a temperature sensor. Between the signal transducers 2 , 3 , a housing 17 is shown, which can contain an electronic circuit that can generate ultrasonic pulses and signal treatment of the received ultrasonic signal. The electronic circuit can contain a display for the display of measurement parameters. A keyboard gives a user the opportunity to switch between different displays on the display.
Der Ultraschall wird von einem der Signalwandler 2, 3 ausgesandt, die in einem der Brennpunkte 7, 8 des ellipsoidenförmigen Schallspiegels vorgesehen sind. Der Ultraschall wird erst von dem flachen Schallspiegel 9 gegen den ellipsenförmigen Schallspiegel 4 reflektiert. Von hier aus wird der Ultraschall wieder gegen den flachen Schallspiegel 9 zurückgespiegelt. Hier wird der Ultraschall wieder gespiegelt und trifft danach den anderen Brennpunkt 7, 8 auf dem anderen Signalwandler 2, 3.The ultrasound is emitted by one of the signal converters 2 , 3 , which are provided in one of the focal points 7 , 8 of the ellipsoidal sound mirror. The ultrasound is only reflected by the flat sound mirror 9 against the elliptical sound mirror 4 . From here, the ultrasound is reflected back against the flat sound level 9 . Here the ultrasound is reflected again and then hits the other focal point 7 , 8 on the other signal converter 2 , 3 .
Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch ein Meßrohr 1, wie es auf der Fig. 2 gezeigt ist. Der flache Schallspiegel 9 ist um einen Winkel 21 gegenüber der Querachse 20 des Meßrohres gedreht oder geneigt. Der rotationsellipsoid förmige Schallspiegel ist um einen anderen und größe ren Winkel gegenüber der Querachse 20 des Meßrohr gedreht oder geneigt. Die Signalwandlerebene 19 ist gegenüber der Mittellinie 18 des Meßrohres seitwärts verschoben. Fig. 3 shows a cross section through a measuring tube 1 , as shown in Fig. 2. The flat sound mirror 9 is rotated or inclined at an angle 21 with respect to the transverse axis 20 of the measuring tube. The ellipsoidal-shaped sound mirror is rotated or inclined by a different and larger angle relative to the transverse axis 20 of the measuring tube. The signal converter level 19 is shifted sideways with respect to the center line 18 of the measuring tube.
Ultraschall wird von einem Brennpunkt 7 der Ellipsoide in Richtung auf den ebenen Schallspiegel 9 ausgesendet, der um den Winkel 21 gedreht ist. Von hier aus wird der Ultraschall in eine schräge Richtung gegen den ellip soidförmigen Schallspiegel 4 reflektiert. Der Ultra schall wird gestreut und füllt den gesamten Querschnitt des Rohres 1 aus. Bei Reflexion am ellipsoidförmigen Schallspiegel 4 wird der Ultraschall konzentriert und über den flachen Schallspiegel 9 zu einem Brennpunkt 8 auf der Signalwandleroberfläche zurückgesandt.Ultrasound is emitted from a focal point 7 of the ellipsoids in the direction of the flat sound mirror 9 , which is rotated through the angle 21 . From here, the ultrasound is reflected in an oblique direction against the ellipsoidal sound mirror 4 . The ultra sound is scattered and fills the entire cross section of the tube 1 . When reflected on the ellipsoidal sound mirror 4 , the ultrasound is concentrated and sent back to a focal point 8 on the signal converter surface via the flat sound mirror 9 .
Dadurch, daß der ganze Querschnitt mit Ultraschall ausgefüllt wird, kann ein Durchflußmesser aufgebaut werden, der die verschiedenen Bewegungsgeschwindigkei ten im Durchflußprofil berücksichtigt. Der Durchfluß messer kann bei laminarer und auch turbulenter Durch strömung korrekt messen.Because the whole cross section with ultrasound a flow meter can be set up the different speeds of movement considered in the flow profile. The flow knife can be used with laminar and also turbulent through measure flow correctly.
Fig. 4 zeigt einen Schnitt durch eine mögliche Aus führungsform eines Schattenrohres. Das Schattenrohr 6 ist mit Reflexionsflächen 22 auf der Innenseite des Rohres gezeigt. Ultraschall von einem Signalwandler 2 wird gestreut und ein Teil des Ultraschalls wird die innere Oberfläche des Schattenrohres 6 treffen. Von hier ausgehende Reflexionen können die Messungen da durch beeinflussen, daß die Ultraschallwellen einem anderen Weg zwischen den Signalwandlern folgen. Die alternative Strecke kann kürzer oder länger als die gewünschte sein. Die Konsequenz der unerwünschten Wellen ist, daß sie entweder früher oder später als das korrekte Signal ankommen. Das Ergebnis ist eine un präzise Messung. Fig. 4 shows a section through a possible imple mentation form of a shadow pipe. The shadow tube 6 is shown with reflection surfaces 22 on the inside of the tube. Ultrasound from a signal converter 2 is scattered and part of the ultrasound will hit the inner surface of the shadow tube 6 . Reflections emanating from here can influence the measurements by the fact that the ultrasonic waves follow a different path between the signal converters. The alternative route can be shorter or longer than the desired route. The consequence of the unwanted waves is that they either arrive earlier or later than the correct signal. The result is an inaccurate measurement.
Bei Ausbildung der Innenseite des Schattenrohres 6 mit zufälligen oder unregelmäßig ausgerichteten Reflexions flächen 22 wird der auf die Rohrwand treffende Teil des Ultraschalls in verschiedene Richtungen gestreut. Hierbei wird der Ultraschall in Geräusche umgewandelt, die in verschiedene Richtungen ausgestrahlt werden. Das Geräusch mischt sich mit existierendem Geräusch im Meßrohr, und der Einfluß auf den Empfangs-Signalwandler verschwindet.When forming the inside of the shadow tube 6 with random or irregularly oriented reflection surfaces 22 , the part of the ultrasound hitting the tube wall is scattered in different directions. Here, the ultrasound is converted into noises that are emitted in different directions. The noise mixes with existing noise in the measuring tube and the influence on the received signal converter disappears.
Fig. 5 zeigt einen Schnitt durch eine alternative Ausbildungsform der Erfindung. Hier sind zwei ellip soidförmige Schallspiegel 23, 24 mit einem gemeinsamen Brennpunkt 27 gezeigt. Die anderen Brennpunkte 26, 28 der Ellipsoiden liegen auf der Oberfläche der Signal wandler. Fig. 5 shows a section through an alternative embodiment of the invention. Two elliptical-shaped sound mirrors 23 , 24 with a common focal point 27 are shown here. The other focal points 26 , 28 of the ellipsoids lie on the surface of the signal converter.
Die Reflexionsfläche 27, an der die Schallwellen fokus siert sind, kann aus Material mit guten Reflexions eigenschaften ausgebildet sein. Es können Löcher im Meßrohr gebohrt sein, und die Reflexionsflächen 27 können auf einem Einsatz montiert sein, der das Loch ausfüllt. Die gebohrten Löcher können mit einem Gewinde versehen sein und Schrauben mit polierten Endflächen können eingeschraubt werden, so daß der fokussierte Ultraschall auf den Stirnseiten der Schrauben reflek tiert wird.The reflection surface 27 , on which the sound waves are focused, can be formed from material with good reflection properties. Holes can be drilled in the measuring tube and the reflection surfaces 27 can be mounted on an insert which fills the hole. The drilled holes can be threaded and screws with polished end faces can be screwed in so that the focused ultrasound is reflected on the end faces of the screws.
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