DE19605652A1

DE19605652A1 - Verfahren zur Kalibrierung eines Durchflußmessers

Info

Publication number: DE19605652A1
Application number: DE19605652A
Authority: DE
Inventors: Winfried Dipl Phys Dr Ruswurm
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1996-02-15
Filing date: 1996-02-15
Publication date: 1997-08-21

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kalibrierung eines Durchflußmessers nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der WO 95/18958 ist ein derartiger Ultraschall-Durchflußmesser, bei dem das Laufzeitdifferenzverfahren angewendet wird, bekannt. Dabei schallen sich zwei Ultraschallwandler, die an einem Meßrohr in axialem Abstand zueinander angeordnet sind, gegenseitig über ein strömendes Medium Ultraschall impulse zu. Durch den Mitnahmeeffekt breitet sich in Strö mungsrichtung der Impuls entsprechend der Summe der Ausbrei tungsgeschwindigkeit im Medium und der in Richtung von Sende zu Empfangswandler wirkenden Komponente der Strömungs geschwindigkeit aus, gegen die Strömungsrichtung entsprechend der Differenz. Dadurch ergeben sich für beide Richtungen un terschiedliche Laufzeiten der Ultraschallimpulse. Die gemes senen Schallaufzeiten sind mit der jeweils effektiven Schall geschwindigkeit entsprechend den folgenden Formeln verknüpft:

c_down = c + ν cos α; c_up = c - ν cos α
c_down = L/t_down; c_up = L/t_up

mit
α Winkel, der zwischen der Ausbreitungsrichtung des Schallsignals und der Strömungsrichtung eingeschlossen wird,
ν Strömungsgeschwindigkeit des Meßmediums,
c Schallausbreitungsgeschwindigkeit im Medium,
L Länge des Schallwegs im Medium,
Index "down" für eine Messung stromabwärts und
Index "up" für eine Messung stromaufwärts.

Mit der folgenden kurzen Rechnung kann daraus eine Gleichung für die Strömungsgeschwindigkeit ν abgeleitet werden:

Unter Berücksichtigung des Strömungsquerschnitts, d. h. der Innenfläche F des Meßrohrs, und eines konstanten Korrektur faktors Korr, der u. a. wegen des nicht gleichmäßig über die Meßlänge verlaufenden Rohrquerschnitts eingeführt wird, wird der durch das Meßrohr fließende Volumenstrom berechnet zu:

An die Herstellung von Durchflußmeßgeräten aller Art, ins besondere von Ultraschall-Durchflußmeßgeräten für Flüssig keiten und Gase, schließt sich ein Arbeitsgang an, der die Meßwertabweichungen des produzierten Geräts im echten Meß betrieb gegenüber einem Standard feststellt und gegebenen falls korrigiert. Für diesen Arbeitsgang, auch Kalibrierung genannt, ist es notwendig, einen dafür geeigneten Prüfstand einzurichten und zu betreiben. Dazu gehören sowohl bei Gas wie auch bei Flüssigkeiten eine Einspannvorrichtung für den Prüfling, in diesem Fall das Durchflußmeßgerät, ein geeigne ter Aufbau zum Umpumpen des Mediums, je nach Durchflußmenge geeignete Vorratsbehälter, ein umfangreiches Rohrwerk, ein geeigneter Transfer-Standard oder ein Absolut-/Nahe-Absolut-Standard, beispielsweise eine Waage, ein Eichbehälter, eine Glocke oder ein Verdrängerkolben, sowie ein Meßwerterfas sungssystem und ein Rechner. Zur Kalibrierung wird das Medium mit einer durch die Referenz bestimmten Geschwindigkeit oder Menge durch den Prüfling geschickt und die Abweichung der An zeige experimentell bestimmt. Daraus wird eine Korrektur der Meßeigenschaften des Prüflings abgeleitet, z. B. durch Ein schreiben eines Korrekturfaktors in einen elektronischen Speicher oder durch Austauschen eines Zahnrades. Anschließend wird der Prüfling nochmals geprüft. Die Kalibrierung in einem derartigen Arbeitsgang ist mit einem hohen Zeit- und Kosten aufwand verbunden, insbesondere da der Prüfstand selbst hohe Investitions- und Betriebskosten verursacht. Diese Kalibrie rungskosten stellen einen großen Anteil der Herstellungs kosten eines Durchflußmeßgerätes dar und erhöhen somit den Gerätepreis.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Kalibrierung eines Durchflußmessers zu finden, mit dem der oben beschriebene Aufwand vermieden oder zumindest verringert werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe weist das neue Verfahren der ein gangs genannten Art die im kennzeichnenden Teil des An spruchs 1 genannten Merkmale auf. In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens beschrie ben.

Die Erfindung hat den Vorteil, daß keinerlei Prüfstand für eine Durchflußmessung erforderlich ist. Der Volumenfluß

wird bestimmt aus den beiden Laufzeiten und der Kalibrie rungskonstante Kal, die sich für einen Ultraschall-Durchflußmesser aus der Querschnittsfläche F, der Ultraschall-Lauflänge L, einem durch L und F bestimmbaren Winkel α und der empirisch für den jeweiligen Ausführungstyp zu ermittelnden Korrekturgröße Korr bestimmt. Er ist unabhängig von der Schallgeschwindigkeit c, der Temperatur und dem Druck des Mediums. Da sich die Konstante prinzipiell aus rein geometri schen Größen zusammensetzt, ist es möglich, diese rechnerisch aus gemessenen Dimensionen des Meßrohrs zusammenzusetzen. An stelle der bisherigen Kalibrierung auf einem Prüfstand werden nun die Abmessungen des jeweiligen Meßrohrs vermessen und an schließend zu einem Kalibrierfaktor in "trockener" Art und Weise verrechnet. Begünstigt wird dieses Vorgehen durch die Tatsache, daß besonders Ultraschallmeßrohre mittels sehr gut reproduzierbarer Herstellverfahren, beispielsweise in Präzi sionskunststoffspritzguß oder durch metallisches Kaltverfor men, gefertigt werden. Dadurch ergeben sich geringe Toleran zen. Dimensionsabweichungen wirken sich nur auf die Kalibrie rungskonstante aus, die erfindungsgemäß durch Berechnung aus den Abmessungen bestimmt wird.

Anhand

Fig. 1, die einen Längsschnitt durch einen Ultraschall-Durchflußmesser als Prinzipskizze zeigt, und

Fig. 2, in welcher der Querschnitt eines Meßrohrs dargestellt ist, werden im folgenden die Erfindung sowie Ausgestaltungen und Vorteile näher erläutert.

Ein Ultraschall-Durchflußmesser besteht gemäß Fig. 1 im we sentlichen aus zwei Ultraschallwandlern 1 und 2, die an einem Meßrohr 3 angebracht sind und sich alternierend Schallimpulse zusenden. Die Betriebsart der beiden Ultraschallwandler 1 und 2 wird durch eine Ansteuer- und Auswerteeinheit 4 vorgegeben, die über eine Leitung 5 beispielsweise einen elektrischen Impuls zur Anregung des Ultraschallwandlers 1 ausgibt und über eine Leitung 6 ein Empfangssignal des Ultraschallwand lers 2 erhält. Eine Leitung 7 dient zur Übertragung der von der Ansteuer- und Auswerteeinheit 4 anhand der Laufzeitdiffe renzen berechneten Durchflußmeßwerte an ein übergeordnetes Meßwerterfassungssystem. Über diese Leitung 7 wird zur Kali brierung des Ultraschall-Durchflußmessers eine Kalibrier konstante oder auch eine vollständige Kalibrierkurve der Ansteuer- und Auswerteeinheit 4 übermittelt und dort in einem Speicher abgelegt. Diese werden im Betrieb des Durchflußmes sers bei der Berechnung der Durchflüsse aus den Laufzeit differenzen berücksichtigt. Innerhalb des Mediums, von dem das Meßrohr 3 mit einer Strömungsgeschwindigkeit ν durchflos sen wird, pflanzt sich der Ultraschall im wesentlichen auf einem W-förmigen Weg 8 fort, dessen Gesamtlänge L von der Geometrie des Meßrohrs 3 abhängt. Zwischen dem Weg 8 und der Strömungsrichtung des Mediums wird jeweils ein Winkel α ein geschlossen. Demzufolge ist es erforderlich, zur Kalibrierung eines Ultraschall-Durchflußmessers für das jeweilige Meßrohr 3 die Größen Laufweg L, Fläche F des Innenquerschnitts und Winkel α zu bestimmen. Bei einem rechteckigen Querschnitt des Meßrohrs 3 gemäß Fig. 2 kann die Fläche F des Innenrohrquer schnitts näherungsweise als Produkt der beiden Kantenlängen a und b berechnet werden. Die Dimensionen können mechanisch, z. B. durch Ausmessen mit einer Mikrometerschraube, optisch mittels Laser, bildgebender Verfahren mit Bildauswertung oder akustisch durch Ultraschallmessungen an der Meßrohrwand, aber auch akustisch durch den eigentlichen Ultraschallweg im Meß rohr bestimmt werden. Es ist darauf zu achten, daß die Meß genauigkeit für den geforderten Zweck hinreichend ist, d. h., daß sie genauer als die Fertigungstoleranzen ist, damit der beim Kalibriervorgang gewonnene Kalibrierfaktor genauer als der ohnehin aufgrund der Fertigungstoleranzen einstellbare Faktor sein kann.

Bei runden Meßrohren kann die Querschnittsfläche F durch Ver messen des Rohrdurchmessers mit anschließender Flächenberech nung oder durch direkte Flächenbestimmung mittels bildgeben der Verfahren bestimmt werden. Bei dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel mit einem rechteckigen Meßrohr 3 müssen dagegen die Kantenlängen a und b separat bestimmt und zur Fläche verrechnet werden. Auch eine direkte Flächenbestimmung mittels bildgebender Verfahren ist möglich. Diese setzt vor aus, daß der Meßrohrquerschnitt einer solchen Messung, z. B. infolge eines geradlinigen Strömungswegs im Durchflußmesser, zugänglich ist. Ist diese Voraussetzung nicht gegeben, so kann noch beispielsweise durch akustische Methoden, insbeson dere einer Wanddickenmessung, auf die inneren Kantenlängen a und b durch Bestimmung der Wanddicke und der äußeren Kanten längen A und B geschlossen werden.

Die Lauflänge L des Ultraschalls auf dem Weg 8 (Fig. 1) kann einerseits aus den Querschnittsabmessungen des Meßrohrs 3 und dem Abstand der Ultraschallwandler 1 und 2 aufgrund der be kannten Form des Wegs 8 berechnet werden. Der Abstand der Ultraschallwandler 1 und 2 ist dabei mit optischen oder me chanischen Meßeinrichtungen zu ermitteln. Andererseits ist es möglich, die Lauflänge L direkt aus der Ultraschall-Laufzeitmessung im Meßrohr 3 zu gewinnen. Dazu wird das Meßrohr 3 mit einem geeigneten Medium mit sehr gut bekanntem Schall geschwindigkeitsverhalten befüllt und auf eine vorgebbare Temperatur gebracht. Dabei muß die Schallgeschwindigkeit des Mediums genau bekannt sein. Anhand der einfachen Formel

L = c · t

kann damit aus der sehr genau bestimmbaren Ultraschall-Laufzeit bei ruhendem Medium die Lauflänge L mit hoher Genauig keit bestimmt werden. In vorteilhafter Weise kann mit diesem Vorgang durch intrinsische Laufzeitmessung auch die Nullfluß kalibrierung des Ultraschall-Durchflußmessers erfolgen. Dabei wird der systematische Unterschied zwischen Laufzeitmessungen stromauf und stromab bei ruhendem Medium erfaßt und daraus Kalibrierwerte für den späteren Betrieb des Ultraschall-Durchflußmessers abgeleitet. Der Winkel α als effektiver Win kel zwischen Laufweg 8 des Ultraschallsignals und Strömungs richtung des Meßmediums ist aus den übrigen geometrischen Ab messungen Abstand der Ultraschallwandler 1 und 2 sowie Kan tenlänge b der Höhe des Meßrohrs 3 abzuleiten.

In der Serienfertigung von Ultraschall-Durchflußmessern kann jedes Meßrohr eine individuelle Kennung, z. B. durch einen Barcode, erhalten. Die wie oben beschriebenen Meßdaten werden nach und nach bestimmt und dem jeweiligen Meßrohr zugeordnet in einer Datenbank hinterlegt. Nach Bestimmung aller Werte berechnet ein Fertigungsleitrechner die jeweilige Kalibrier konstante und legt sie durch Datenübermittlung in der An steuer- und Auswerteeinheit 4 des jeweiligen Ultraschall-Durchflußmessers elektronisch ab.

Dennoch empfiehlt es sich, in Form von Stichproben den erhal tenen Kalibrierfaktor auf einem konventionellen Prüfstand zu verifizieren.

Die so erzeugbare Kalibriergenauigkeit reicht aus, um Ultraschall-Durchflußmeßgeräte mit einer für die meisten Anwendun gen genügenden Genauigkeit auszuliefern. Durch den Verzicht, jeden Durchflußmesser auf einem konventionellen Prüfstand zu prüfen, wird ein erheblicher Kostenvorteil wirksam. Für Spe zialfälle können Meßrohre jedoch weiter auf einem konventio nellen Prüfstand auf extreme Genauigkeiten kalibriert werden.

Das beschriebene Verfahren ist geeignet, neben der Kalibrie rung von Ultraschall-Durchflußmeßgeräten auch die Kalibrie rung von Durchflußmeßgeräten zu erleichtern, die auf anderen Meßverfahren basieren. Voraussetzung ist, daß der Kalibrier faktor mit hinreichender Genauigkeit auf separat meßbare und zugängliche Größen, wie z. B. mechanische Abmessungen oder elektrische Größen, zurückführbar ist. Bei Durchflußmessern nach dem Coriolis-Prinzip beispielsweise sind zur Ermittlung eines Kalibrierfaktors u. a. die exakte Krümmung, die Bogen länge sowie Innen- und Außendurchmesser des Meßrohres zu be stimmen.

Claims

1. Verfahren zur Kalibrierung eines Durchflußmessers mit ei nem Meßrohr (3), an welchem zur Durchflußmessung im Betrieb des Durchflußmessers eine physikalische, von der Durchfluß geschwindigkeit (ν) abhängige Größe (t_down, t_up) gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Geometrie des Meßrohrs (3) erfaßt und anhand der ermittelten geometrischen Größen (a, b, L, α) ein Kali brierfaktor (Kal) berechnet wird, der in dem Durchfluß messer hinterlegt wird und zur Bestimmung des Durchflusses mit der gemessenen physikalischen Größe verrechenbar ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Geometrie mit mechanischen oder optischen Mitteln erfaßt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß bei einem Ultraschall-Durchflußmesser nach dem Laut zeitdifferenzverfahren die zur Durchflußmessung im Betrieb des Ultraschall-Durchflußmessers gemessenen physikalischen Größen die Laufzeiten stromab- und stromaufwärts (t_down, t_up) gesendeter Ultraschallimpulse sind.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lauflänge (L) der Ultraschallimpulse für eine vor gegebene Form des Ultraschallwegs (8), z. B. V- oder W-förmig, aus dem gemessenen Querschnitt des Meßrohrs (3) und dem gemessenen Abstand der beiden Ultraschallwandler (1, 2) am Meßrohr (3) berechnet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lauflänge (L) der Ultraschallimpulse ermittelt wird, indem das Meßrohr (3) mit einem Meßmedium mit be kannter Schallgeschwindigkeit (c) befüllt, bei ruhendem Meßmedium die Laufzeiten der Ultraschallimpulse gemessen und die Lauflänge (L) aus Schallgeschwindigkeit (c) und Laufzeiten (t_down, t_up) berechnet wird.