DE19633558A1 - Ultrasonic method of flow measurement for fluids - Google Patents

Ultrasonic method of flow measurement for fluids

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Abstract

The method employs a measurement tube (1) on which are positioned at least two ultrasonic transducers (4, 5) which beam to and receive from at least one measurement path (3), ultrasonic pulses (2). From the echo time of the pulses the mean flow speed of the medium is determined and from that the flow. From a Doppler shift of the ultrasonic pulses (8) reflected along the measurement path by the inhomogeneities (7) contained in the medium and the echo time of these pulses a flow profile of the medium is determined. From the profile a correction is applied to the value of the mean flow speed.

Description

Die Erfindung betrifft ein Ultraschall-Durchflußmeßverfahren für strömende Medien, mit Hilfe eines Meßrohres und mit Hilfe mindestens zweier am Meßrohr angebrachter, Ultraschallimpulse auf mindestens einen Meßpfad abstrahlender und vom Meßpfad empfangender Ultraschallwandler, bei welchem die mittlere Strömungsgeschwindig­ keit des Mediums durch das Meßrohr aus der Laufzeit der Ultraschallimpulse über den Meßpfad und aus der mittleren Strömungsgeschwindigkeit der Durchfluß be­ stimmt wird.The invention relates to an ultrasonic flow measuring method for flowing media, with the help of a measuring tube and with the help of at least two attached to the measuring tube, Ultrasound pulses emitting at least one measuring path and from the measuring path receiving ultrasonic transducer, in which the mean flow rate speed of the medium through the measuring tube from the transit time of the ultrasonic pulses the measurement path and the flow rate from the mean flow rate is true.

Der Einsatz von Ultraschall-Durchflußmessern hat in zunehmendem Maße bei der be­ trieblichen Durchflußmessung von Flüssigkeiten und Gasen, zusammengefaßt strö­ mende Medien, Bedeutung gewonnen. Die Durchflußmessung erfolgt - wie bei ma­ gnetisch-induktiven Durchflußmessern - "berührungslos", d. h. ohne störende Ein­ bauten in der Strömung, die stets Verwirbelungen und einen erhöhten Druckverlust zur Folge haben.The use of ultrasonic flow meters has been increasing in the be drive flow measurement of liquids and gases, summarized strö media, importance gained. The flow measurement takes place - as with ma magnetic-inductive flow meters - "non-contact", d. H. without annoying on built in the flow, always swirling and an increased pressure loss have as a consequence.

Bei Ultraschall-Durchflußmessern unterscheidet man hinsichtlich des Meßverfahrens vor allem zwischen dem Laufzeit-Verfahren und dem Doppler-Verfahren, beim Lauf­ zeit-Verfahren zwischen dem direkten Laufzeitdifferenz-Verfahren, dem Impulsfolge­ frequenz-Verfahren und dem Phasenverschiebungs-Verfahren (vgl. H. Bernard "Ul­ traschall-Durchflußmessung" in "Sensoren, Meßaufnehmer", herausgegeben von Bon­ fig/Bartz/Wolff im expert verlag, ferner die VDI/VDE-RICHTLINIE 2642 "Ultraschall-Durch­ flußmessung von Flüssigkeiten in voll durchströmten Rohrleitungen").A distinction is made in the case of ultrasonic flowmeters with regard to the measuring method especially between the runtime method and the Doppler method, during the run time method between the direct transit time difference method, the pulse train frequency method and the phase shift method (cf. H. Bernard "Ul ultrasonic flow measurement "in" Sensors, sensors ", published by Bon fig / Bartz / Wolff in the expert publisher, furthermore the VDI / VDE-GUIDELINE 2642 "Ultrasound-through flow measurement of liquids in fully flowed pipelines ").

Zum apparativen Aufbau eines Ultraschall-Durchflußmessers der in Rede stehenden Art gehören funktionsnotwendig einerseits ein Meßrohr, das in der Regel zusammen mit einer Einlaufstrecke und einer Auslaufstrecke die Meßstrecke darstellt, und ande­ rerseits mindestens zwei in Strömungsrichtung gegeneinander versetzt angeordnete Ultraschallwandler, die auch als Meßköpfe bezeichnet werden. Dabei ist Ultraschall­ wandler sehr allgemein zu verstehen. Zunächst gehören zu den Ultraschallwandlern einerseits Ultraschallsender, also Meßköpfe zur Erzeugung und zur Abstrahlung von Ultraschallsignalen, andererseits Ultraschallempfänger, also Meßköpfe zum Empfang von Ultraschallsignalen und zur Umwandlung der empfangenen Ultraschallsignale in elektrische Signale. Zu den Ultraschallwandlern gehören aber auch Meßköpfe, die Ul­ traschallsender und Ultraschallempfänger in sich vereinigen, die also sowohl der Er­ zeugung und der Abstrahlung von Ultraschallsignalen als auch dem Empfang von Ul­ traschallsignalen und der Umwandlung der empfangenen Ultraschallsignale in elektri­ sche Signale dienen.For the apparatus construction of an ultrasonic flow meter of the one in question Kind functionally necessary on the one hand a measuring tube, which is usually together represents the measuring section with an inlet section and an outlet section, and others on the other hand at least two staggered in the flow direction Ultrasonic transducers, which are also referred to as measuring heads. There is ultrasound to understand transducers very generally. First of all belong to the ultrasonic transducers on the one hand ultrasonic transmitters, ie measuring heads for generating and emitting Ultrasonic signals, on the other hand ultrasonic receivers, i.e. measuring heads for reception of ultrasonic signals and for converting the received ultrasonic signals into electrical signals. Ultrasonic transducers also include measuring heads, the ul combine the sonic transmitter and the ultrasound receiver, which means both the Er  generation and the emission of ultrasound signals as well as the reception of Ul trasound signals and the conversion of the received ultrasound signals into electri serve signals.

Die Laufzeit eines Ultraschallsignals auf dem Meßpfad von dem sendenden Ultra­ schallwandler zu dem empfangenden Ultraschallwandler in einer Flüssigkeit ergibt sich aus der Schallgeschwindigkeit und der Strömungsgeschwindigkeit (Mitführung). Daraus ist das in Rede stehende Prinzip der Ultraschall-Durchflußmessung nach dem Laufzeit-Verfahren abgeleitet. Es werden z. B. beim Laufzeitdifferenzverfahren in der Flüssigkeit Ultraschallsignale wechselweise oder gleichzeitig stromauf und stromab gesendet. Wegen der unterschiedlichen Ausbreitungsgeschwindigkeit erreichen die Signale bei gleich langem geometrischen Meßpfad stromab und stromauf die Emp­ fänger nach unterschiedlichen Laufzeiten. Die Zeitdifferenz zwischen diesen unter­ schiedlichen Laufzeiten ist ein Maß für die mittlere Strömungsgeschwindigkeit in dem durch die Ultraschallwandler gebildeten Meßpfad. Bei den bekannten Laufzeit-Ver­ fahren wird der Durchfluß durch das Meßrohr bestimmt, in dem der aus der Messung resultierende Wert für die mittlere Strömungsgeschwindigkeit mit einer Geschwindig­ keitskonstanten und dem Querschnitt des Meßrohrs multipliziert wird. Die Ge­ schwindigkeitskonstante repräsentiert die Abweichung von der entlang des Meß­ pfads bestimmten mittleren Strömungsgeschwindigkeit und der mittleren Geschwin­ digkeit über dem gesamten Querschnitt des Meßrohres. Diese Geschwindigkeitskon­ stante wird bei den bekannten Ultraschall-Durchflußmeßverfahren entweder anhand der Reynoldszahl berechnet oder alternativ mit Hilfe einer Eichung oder anhand der mittleren Strömungsgeschwindigkeit entlang verschiedener Meßpfade experimentell ermittelt (vgl. Abschnitt 4.1.4.3 auf Seite 16 der VDI/VDE-RICHTLINIE 2642 "Ultra­ schall-Durchflußmessung von Flüssigkeiten in voll durchströmten Rohrleitungen").The transit time of an ultrasound signal on the measuring path from the sending Ultra sound transducer to the receiving ultrasonic transducer in a liquid from the speed of sound and the flow velocity (entrainment). From this is the principle in question of ultrasonic flow measurement according to the Runtime procedure derived. There are e.g. B. in the transit time difference method in the Liquid ultrasonic signals alternately or simultaneously upstream and downstream sent. Because of the different propagation speeds, the Signals with the same long geometric measuring path downstream and upstream of the emp catchers after different terms. The time difference between these below different running times is a measure of the mean flow velocity in the measurement path formed by the ultrasonic transducers. With the known runtime ver driving the flow through the measuring tube is determined in which the from the measurement resulting value for the mean flow velocity at a speed constant and the cross-section of the measuring tube is multiplied. The Ge Velocity constant represents the deviation from that along the measurement paths determined mean flow rate and mean speed across the entire cross-section of the measuring tube. This speed con In the known ultrasonic flow measuring method, constant is either based on the Reynolds number, or alternatively using a calibration or using the Experimental mean flow velocity along different measurement paths determined (see section 4.1.4.3 on page 16 of the VDI / VDE DIRECTIVE 2642 "Ultra Sound flow measurement of liquids in pipelines with full flow ").

Sowohl die analytische als auch die experimentelle Bestimmung der Geschwindig­ keitskonstante sind nicht dazu geeignet, den in der Regel komplizierten Strömungs­ verhältnissen innerhalb des Meßrohres vollständig Rechnung zu tragen. Dies wie­ derum führt zu einer, z. B. im Vergleich zum magnetisch-induktiven Durchflußmeßver­ fahren, erheblich reduzierten Meßgenauigkeit. Demgegenüber steht die Tatsache, daß Ultraschall-Durchflußmeßgeräte einen weiteren Einsatzbereich haben als magnetisch­ induktive Durchflußmeßgeräte, die eine Mindestleitfähigkeit des zu messenden strö­ menden Mediums voraussetzen. So können z. B. mit magnetisch-induktiven Durch­ flußmeßgeräten keine Öle gemessen werden. Somit ist die Erhöhung der Meß­ genauigkeit von Ultraschall-Durchflußmessern von besonderem Interesse.Both the analytical and the experimental determination of the speed rate constant are not suitable for the usually complicated flow conditions within the measuring tube must be fully taken into account. This how therefore leads to a z. B. compared to the electromagnetic flowmeter drive, significantly reduced accuracy. This contrasts with the fact that Ultrasonic flowmeters have a wider range of applications than magnetic inductive flow meters, which have a minimum conductivity of the current to be measured  medium required. So z. B. with magnetic-inductive through flow meters no oils can be measured. Thus, the increase in measurement Accuracy of ultrasonic flow meters of particular interest.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, durch eine bessere Berücksichti­ gung der Strömungsverhältnisse im Meßrohr eine Erhöhung der Meßgenauigkeit bei Ultraschall-Durchflußmessern zu gewährleisten.The invention is therefore based on the object by better consideration supply of the flow conditions in the measuring tube increases the measuring accuracy To ensure ultrasonic flow meters.

Erfindungsgemäß ist die zuvor hergeleitete und aufgezeigte Aufgabe dadurch gelöst, daß aus einer Doppler-Verschiebung der an in dem strömenden Medium enthaltenen Inhomogenitäten entlang des Meßpfads reflektieren Ultraschallimpulse und der Lauf­ zeit der reflektierten Ultraschallimpulse ein Strömungsprofil des strömenden Mediums bestimmt wird und anhand des so gewonnenen Strömungsprofils der Wert für die mittlere Strömungsgeschwindigkeit korrigiert wird. Das Dopplermeßverfahren, wel­ ches auf dem Dopplereffekt beruht, wird hier als bekannt vorausgesetzt, - ergänzend wird verwiesen auf Abschnitt 6.1.5 der Literaturstelle H. Bernard "Ultraschall-Durch­ flußmessung", aaO, und die Abschnitte 3.3 und 4.2 der VDI/VDE-RICHTLINIE 2642 "Ultraschall-Durchflußmessung von Flüssigkeiten in voll durchströmten Rohrleitun­ gen". Als Reflektoren dienen bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die in aller Regel in einem strömenden Medium von Hause aus enthaltenen akustisch wirksamen In­ homogenitäten, wie etwa kleinere Festkörper oder Gaseinschlüsse. Werden die Ultra­ schallimpulse an diesen mitströmenden Inhomogenitäten reflektiert, so weisen die re­ flektierten Ultraschallimpulse aus dem Dopplereffekt resultierende Frequenzverschie­ bungen auf. Wertet man diese Frequenzverschiebungen in Verbindung mit den Lauf­ zeiten aus, so gelangt man zu einem Strömungsprofil des strömenden Mediums ent­ lang des Meßpfads. Dieses Strömungsprofil dient anschließend erfindungsgemäß zur Korrektur der mittleren Strömungsgeschwindigkeit und führt somit aufgrund der in­ dividuellen Berücksichtigung des aktuellen Strömungsprofils zu erheblich erhöhten Meßgenauigkeiten.According to the invention, the previously derived and shown problem is solved by that from a Doppler shift of the contained in the flowing medium Inhomogeneities along the measurement path reflect ultrasonic pulses and the run time of the reflected ultrasound pulses a flow profile of the flowing medium is determined and on the basis of the flow profile thus obtained the value for the mean flow velocity is corrected. The Doppler measurement method, wel ches based on the Doppler effect is assumed to be known here, - supplementary reference is made to section 6.1.5 of the reference H. Bernard "Ultrasound-Through flow measurement ", loc. cit., and sections 3.3 and 4.2 of the VDI / VDE DIRECTIVE 2642 "Ultrasonic flow measurement of liquids in fully flowed pipelines gen ". As a rule, the reflectors used in the method according to the invention are acoustically effective In contained in a flowing medium from home homogeneities, such as smaller solids or gas inclusions. Become the Ultra sound impulses are reflected at these accompanying inhomogeneities, so the right inflected ultrasound pulses resulting from the Doppler effect frequency shift exercises on. If one evaluates these frequency shifts in connection with the run times, one arrives at a flow profile of the flowing medium long of the measurement path. This flow profile is then used according to the invention for Correction of the average flow velocity and thus leads to the in individual consideration of the current flow profile to significantly increased Measuring accuracy.

Auch bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ergibt sich teilweise kein über einen aus­ reichend weiten Bereich der Strömungsgeschwindigkeit linearer Zusammenhang zwischen der anhand des Verfahrens bestimmten mittleren Strömungsgeschwindig­ keit und der Strömungsgeschwindigkeit über den Querschnitt des Meßrohres. Eine Linearisierung dieses Zusammenhanges läßt sich nur herstellen, indem die Korrektur der mittleren Strömungsgeschwindigkeit zusätzlich anhand bei einer Eichung ge­ wonnener Daten, etwa anhand strömungsprofil- oder geschwindigkeitsabhängiger Kennzahlen bzw. Kennlinien-Felder, vorgenommen wird.In the method according to the invention, too, there is sometimes no result from one sufficiently wide range of flow velocity linear relationship between the mean flow rate determined using the method speed and the flow velocity over the cross section of the measuring tube. A  Linearization of this relationship can only be established by the correction the mean flow velocity additionally based on a calibration data obtained, for example based on flow profile or speed-dependent Key figures or characteristic curve fields.

Eine besonders zweckmäßige Ausgestaltung erfährt die vorliegende Erfindung da­ durch, daß die an Inhomogenitäten reflektierten Ultraschallimpulse in veränderlichen Zeitfenstern nach Aussenden des Ultraschallimpulses ausgewertet werden. Die Aus­ gestaltung stellt eine besonders einfache Möglichkeit dar, um das gewünschte Strö­ mungsprofil über den Querschnitt des strömenden Mediums zu gewinnen. Der in Frage kommende Bereich für die Zeitfenster ergibt sich bei dem vorliegenden Verfah­ ren ohne zusätzlichen Aufwand aus der Gesamtlaufzeit für die Ultraschallimpulse über den Meßpfad.The present invention is particularly expedient by the fact that the ultrasound pulses reflected from inhomogeneities are in variable Time windows can be evaluated after sending the ultrasound pulse. The out design is a particularly simple way to achieve the desired current gain profile over the cross section of the flowing medium. The in The question of the area for the time window arises in the present method Renew without additional effort from the total runtime for the ultrasonic pulses over the measurement path.

Die minimale Größe der sichtbaren Inhomogenitäten in dem strömenden Medium wird bei dem vorliegenden Verfahren durch die Wellenlänge der einen Ultraschallimpuls bildenden Ultraschallwellen bestimmt. Je geringer die Wellenlänge bzw. je größer die Frequenz umso kleinere Inhomogenitäten "sieht" der Ultraschallimpuls. Ergibt die Messung, daß zur Bestimmung des Strömungsprofils nicht ausreichend reflektierte Ul­ traschallimpulse empfangen werden, so kann dies dadurch behoben werden, daß die Trägerfrequenz der Ultraschallimpulse erhöht wird und somit auch kleinere Inhomo­ genitäten "sichtbar" werden.The minimum size of visible inhomogeneities in the flowing medium becomes in the present method by the wavelength of an ultrasonic pulse forming ultrasonic waves. The lower the wavelength or the larger the Frequency the smaller the inhomogeneities the ultrasound pulse “sees”. Returns the Measurement that Ul. Not sufficiently reflected to determine the flow profile trasound impulses are received, this can be remedied by the fact that the Carrier frequency of the ultrasonic pulses is increased and thus also smaller inhomo genes become "visible".

Ein dem zuletzt beschriebenen Effekt gegenläufiger Effekt ist der, daß die Dämpfung der Ultraschallimpulse in dem strömenden Medium mit erhöhter Trägerfrequenz der Ultraschallimpulse zunimmt. Stellt man also bei einer Messung fest, daß zwar eine aus­ reichende Anzahl von Inhomogenitäten zur Bestimmung des Strömungsprofils vor­ handen ist, jedoch die einzelnen reflektierten Ultraschallimpulse eine für eine genaue Auswertung zu geringe Amplitude aufweisen, so ist es vorteilhaft, in diesem Fall die Trägerfrequenz der Ultraschallimpulse zu reduzieren und somit die Dämpfung zu vermindern, was wiederum zu einer erhöhten Amplitude der reflektierten Ultraschall­ impulse führt. An opposite effect to the last described effect is that the damping the ultrasonic pulses in the flowing medium with increased carrier frequency Ultrasound pulses increase. So if you find out during a measurement that one is off sufficient number of inhomogeneities to determine the flow profile is present, however, the individual reflected ultrasound pulses are one for accurate If the evaluation is too low in amplitude, it is advantageous in this case to To reduce the carrier frequency of the ultrasonic pulses and thus the attenuation decrease, which in turn leads to an increased amplitude of the reflected ultrasound leads impulses.  

Ausgehend von einem Ultraschall-Durchflußmesser für strömende Medien zur Ver­ wirklichung des erfindungsgemäßen Verfahrens, mit einem Meßrohr und mit mindes­ tens zwei am Meßrohr angebrachten, Ultraschallimpulse auf einen ersten Meßpfad abstrahlenden und vom ersten Meßpfad empfangenden Ultraschallwandler, wobei die mittlere Strömungsgeschwindigkeit des Mediums durch das Meßrohr aus der Lauf­ zeitdifferenz der Ultraschallimpulse über denn Meßpfad und aus der mittleren Strö­ mungsgeschwindigkeit der Durchfluß bestimmbar ist, ist die erfindungsgemäße Lehre dadurch realisiert, daß mindestens zwei weitere am Meßrohr angebrachte, Ultraschall­ impulse auf einen zweiten Meßpfad abstrahlende und vom Meßpfad empfangende Ultraschallwandler vorgesehen sind und der erste Meßpfad und der zweite Meßpfad in unterschiedlichen Richtungen durch das Meßrohr verlaufen. Besonders vorteilhaft ist diese Ausgestaltung, da sie gewährleistet, daß auch unsymmetrische Strömungs­ profile bei der Bestimmung des Durchflusses Berücksichtigung finden.Starting from an ultrasonic flow meter for flowing media to Ver Realization of the method according to the invention, with a measuring tube and with at least tens two ultrasonic pulses attached to the measuring tube on a first measuring path radiating and receiving from the first measurement path ultrasonic transducer, the average flow velocity of the medium through the measuring tube from the barrel time difference of the ultrasonic pulses over the measuring path and from the mean current the flow rate can be determined, is the teaching of the invention realized in that at least two further ultrasound attached to the measuring tube emitting impulses onto a second measuring path and receiving from the measuring path Ultrasonic transducers are provided and the first measurement path and the second measurement path run through the measuring tube in different directions. Particularly advantageous is this configuration, since it ensures that asymmetrical flow profiles when determining the flow rate.

Als besonders geeignet hat sich die Maßnahme erwiesen, daß der erste Meßpfad und der zweite Meßpfad um die Achse des Meßrohres verdreht sind und einen Winkel größer 0° und kleiner 180° - vorzugsweise von 90° - einschließen. Selbstverständlich ist auch eine weitere Mehrzahl von Meßpfaden durch entsprechende Anordnung von Ultraschallwandlern möglich, um etwaige Strömungsunsymmetrien noch besser abzufangen.The measure that the first measurement path and the second measuring path is rotated about the axis of the measuring tube and an angle Include greater than 0 ° and less than 180 ° - preferably 90 °. Of course is also a further plurality of measurement paths by appropriate arrangement possible from ultrasonic transducers to make any flow asymmetries even better intercept.

Im einzelnen gibt es nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, den erfindungsgemäßen Ultraschall-Durchflußmesser auszugestalten und weiterzubilden; dies gilt insbesonde­ re in bezug auf die Verwertung des gewonnenen Strömungsprofils im Rahmen einer Eichung. Dazu wird verwiesen einerseits auf die den Patentansprüchen 1 und 7 nachgeordneten Patentansprüche, andererseits auf die Beschreibung von bevorzug­ ten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt,In particular, there are a multitude of possibilities for the invention To design and develop ultrasonic flow meters; this applies in particular re with regard to the utilization of the flow profile obtained in the context of a Calibration. For this purpose, reference is made, on the one hand, to claims 1 and 7 subordinate claims, on the other hand to the description of preferred th embodiments in connection with the drawing. In the drawing shows

Fig. 1 eine Funktionsskizze eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungs­ gemäßen Lehre, Fig. 1 is a functional diagram of a first embodiment of the teaching according to the Invention,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch das Meßrohr mit einer schematischen Darstel­ lung der Bereiche unterschiedlicher Strömungsgeschwindigkeiten bei laminarer Strömung und einen Meßpfad gemäß einem ersten Ausfüh­ rungsbeispiel der erfindungsgemäßen Lehre und Fig. 2 shows a longitudinal section through the measuring tube with a schematic presen- tation of the areas of different flow velocities in laminar flow and a measuring path according to a first embodiment of the teaching of the invention and

Fig. 3 einen Längsschnitt durch das Meßrohr mit einer schematischen Darstel­ lung der Bereiche unterschiedlicher Strömungsgeschwindigkeiten bei laminarer Beströmung und zwei sich in einem Winkel von 90° kreuzen­ de Meßpfaden gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der erfin­ dungsgemäßen Lehre. Fig. 3 is a longitudinal section through the measuring tube with a schematic presen- tation of the areas of different flow velocities with laminar flow and two intersecting at an angle of 90 ° de measuring paths according to a second embodiment of the inventive teaching.

Die in Fig. 1 dargestellte Funktionsskizze eines ersten Ausführungsbeispiel zeigt ein Meßrohr 1 und zwei am Meßrohr 1 angebrachte, Ultraschallimpulse 2 auf einen Meß­ pfad 3 abstrahlende und vom Meßpfad 3 empfangende Ultraschallwandler 4, 5. Der in Fig. 1 grau hinterlegte Bereich 6 simbolisiert die Geschwindigkeitsverteilung einer laminaren Strömung innerhalb des Meßrohres 1. Gemäß den bekannten Laufzeit-Ver­ fahren wird die mittlere Strömungsgeschwindigkeit des Mediums in dem Meßrohr 1 aus der Laufzeit der Ultraschallimpulse 2 über den Meßpfad 3 bestimmt. Da verschie­ dene Laufzeit-Verfahren bekannt sind, sind in Fig. 1 lediglich die von dem Ultra­ schallwandler 4 zum Ultraschallwandler 5 gesendeten Ultraschallimpulse 2 darge­ stellt. Alternierend oder gleichzeitig werden auch Ultraschallimpulse von dem Ultra­ schallwandler 5 zum Ultraschallwandler 4 ausgesandt. Aus den hieraus bestimmten Laufzeiten der Ultraschallimpulse 2 über den Meßpfad 3 wird nach bekannten Ver­ fahren die mittlere Strömungsgeschwindigkeit des Mediums durch das Meßrohr 1 be­ stimmt und anschließend aus dieser mittleren Strömungsgeschwindigkeit der Durch­ fluß des Mediums errechnet.The function diagram of a first embodiment shown in Fig. 1 shows a measuring pipe 1 and two on the measuring tube 1 mounted, ultrasonic pulses 2 to a measurement path 3 radiating and receiving from the measurement path 3 the ultrasonic transducer 4, 5. The area 6 with a gray background in FIG. 1 symbolizes the velocity distribution of a laminar flow within the measuring tube 1 . According to the known transit time Ver, the average flow velocity of the medium in the measuring tube 1 is determined from the transit time of the ultrasonic pulses 2 via the measuring path 3 . Since various runtime methods are known, only the ultrasound pulses 2 sent by the ultrasound transducer 4 to the ultrasound transducer 5 are shown in FIG. 1. Alternatingly or simultaneously, ultrasonic pulses are also emitted from the ultrasonic transducer 5 to the ultrasonic transducer 4 . From the resulting transit times of the ultrasonic pulses 2 via the measuring path 3 , the average flow rate of the medium through the measuring tube 1 is determined according to known Ver and then the mean flow rate of the flow of the medium is calculated.

In Fig. 1 ist weiter eine akustisch wirksame Inhomogenität 7 dargestellt, die sich mit der Strömung des Mediums mitbewegt und an der ein, hier von dem Ultraschallwand­ ler 4 ausgesandter Ultraschallimpuls 8 reflektiert wurde. Dieser reflektierte Ultraschall­ impuls 8 erfährt bei seiner Reflexion eine zweifache Dopplerverschiebung, so daß sich seine Trägerfrequenz proportional zu der Geschwindigkeit der Inhomogenität 7 von der Trägerfrequenz des ursprünglichen Ultraschallimpulses 2 unterscheidet. Wird dieser reflektierte Ultraschallimpuls 8 von dem Ultraschallwandler 4 registriert und die Trägerfrequenz ausgewertet, so läßt sich aus dem Abstand zwischen der Aussendung des Ultraschallimpulses 2 und dem Empfang des reflektierten Ultraschallimpulses 8 durch den Ultraschallwandler 4 die Geschwindigkeit der Inhomogenität 7 und damit sowohl die Geschwindigkeit des Mediums als auch die Position der Inhomogenität 7 innerhalb des Meßrohres 1 bestimmen. Werden nun mehrere solcher an Inhomogeni­ täten reflektierte Ultraschallimpulse 8 empfangen und ausgewertet, so läßt sich an­ hand der somit gesammelten Daten das Strömungsprofil des strömenden Mediums entlang des Meßpfads 3 bestimmen. Dieses Strömungsprofil läßt analytisch oder an­ hand von aus einer Eichung gewonnenen Kenndaten eine Korrektur des sich aus der Laufzeit der Ultraschallimpulse 2 über den Meßpfad 3 ergebenden mittleren Strö­ mungsgeschwindigkeit des Mediums abhängig von dem Strömungsprofil innerhalb des Meßrohres 1 zu.In Fig. 1, an acoustically effective inhomogeneity 7 is also shown, which moves with the flow of the medium and on which an ultrasound pulse 8 , emitted here by the ultrasound transducer 4 , was reflected. This reflected ultrasound pulse 8 undergoes a double Doppler shift when it is reflected, so that its carrier frequency is proportional to the speed of inhomogeneity 7 and differs from the carrier frequency of the original ultrasound pulse 2 . If this reflected ultrasound pulse 8 is registered by the ultrasound transducer 4 and the carrier frequency is evaluated, the speed of the inhomogeneity 7 and thus both the speed of the medium can be determined from the distance between the transmission of the ultrasound pulse 2 and the reception of the reflected ultrasound pulse 8 by the ultrasound transducer 4 and also determine the position of the inhomogeneity 7 within the measuring tube 1 . If several such ultrasound pulses 8 reflected at inhomogeneities are received and evaluated, the flow profile of the flowing medium along the measurement path 3 can be determined on the basis of the data thus collected. This flow profile can be used analytically or on the basis of characteristic data obtained from a calibration to correct the flow rate of the medium resulting from the transit time of the ultrasonic pulses 2 via the measuring path 3, depending on the flow profile within the measuring tube 1 .

In Fig. 2 der Zeichnung ist der bereits in Fig. 1 der Zeichnung veranschaulichte Sachverhalt noch einmal aus einer anderen Perspektive dargestellt. Hier ist ein Quer­ schnitt durch das Meßrohr 1 dargestellt, in welchem der Meßpfad 3 von rechts oben nach links unten im Meßrohr 1 verläuft. Wie man anhand von Fig. 2 erkennt, durch­ dringt der Meßpfad 2 bei diesem Verlauf eine Vielzahl von Strömungsschichten unter­ schiedlicher Geschwindigkeit, wobei hier der Fall einer laminaren Strömung darge­ stellt ist. Die Geschwindigkeit des strömenden Mediums nimmt konzentrisch von in­ nen nach außen ab. Entsprechend ergibt sich eine unterschiedliche, auf dem Doppler­ effekt beruhende Frequenzverschiebung an in unterschiedlichen Schalen strömenden Inhomogenitäten. Wie bereits erläutert, läßt sich aus der Laufzeit der reflektierten Ul­ traschallimpulse 8 der Abstand der Inhomogenität von einem Ultraschallwandler fest­ stellen, so daß bekannt ist, in welcher "Schale" sich die Inhomogenität befindet, wo­ raus sich in Verbindung mit der Dopplerverschiebung das Strömungsprofil ergibt.In FIG. 2 of the drawing, the facts already illustrated in FIG. 1 of the drawing are shown again from a different perspective. Here is a cross section through the measuring tube 1 is shown, in which the measuring path 3 runs from top right to bottom left in the measuring tube 1 . As can be seen from FIG. 2, the measurement path 2 penetrates a plurality of flow layers at different speeds in this course, with the case of a laminar flow being shown here. The velocity of the flowing medium decreases concentrically from inside to outside. Accordingly, there is a different frequency shift based on the Doppler effect on inhomogeneities flowing in different shells. As already explained, the distance of the inhomogeneity from an ultrasound transducer can be determined from the transit time of the reflected ultrasound pulses 8 , so that it is known in which "shell" the inhomogeneity is located, where the flow profile results in connection with the Doppler shift .

Das der Fig. 3 zugrundeliegende zweite Ausführungsbeispiel eines Ultra­ schall-Durchflußmessers zur Verwirklichung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist zwei weitere, am hier nicht explizit dargestellten Meßrohr angebrachte, Ultraschallimpulse auf einen zweiten Meßpfad 9 abstrahlende und vom Meßpfad 9 empfangende Ultra­ schallwandler auf. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel sind der erste Meß­ pfad 3 und der zweite Meßpfad 9 um die Achse des Meßrohres 1 um einen Winkel von 90° verdreht. Durch diese Ausgestaltung ist gewährleistet, daß auch unsymmetri­ sche Strömungsprofile erfaßt werden können, deren Einfluß auf die mittlere Strö­ mungsgeschwindigkeit sich anhand des Strömungsprofils entlang eines einzigen Meßpfades nicht ausreichend korrigieren ließe. Je nach erwünschter Genauigkeit und erwarteter Kompliziertheit der Strömungsverhältnisse läßt sich die Anzahl der Meß­ pfade selbstverständlich auch über zwei Meßpfade hinaus erweitern.The underlying embodiment of FIG. 3 of an ultrasonic flow meter for implementing the method according to the invention has two further ultrasound transducers emitting ultrasonic pulses on a second measuring path 9 and receiving from the measuring path 9 . In the embodiment shown here, the first measuring path 3 and the second measuring path 9 are rotated about the axis of the measuring tube 1 by an angle of 90 °. This configuration ensures that asymmetrical flow profiles can also be detected, the influence of which on the mean flow rate could not be sufficiently corrected on the basis of the flow profile along a single measurement path. Depending on the desired accuracy and expected complexity of the flow conditions, the number of measuring paths can of course also be extended beyond two measuring paths.

Claims (8)

1. Ultraschall-Durchflußmeßverfahren für strömende Medien, mit Hilfe eines Meßroh­ res und mit Hilfe mindestens zweier am Meßrohr angebrachter, Ultraschallimpulse auf mindestens einen Meßpfad abstrahlender und vom Meßpfad empfangender Ultra­ schallwandler, bei welchem die mittlere Strömungsgeschwindigkeit des Mediums durch das Meßrohr aus der Laufzeit der Ultraschallimpulse über den Meßpfad und aus der mittleren Strömungsgeschwindigkeit der Durchfluß bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß aus einer Doppler-Verschiebung der an in dem strömenden Medium enthaltenen Inhomogenitäten entlang des Meßpfads reflektierten Ultra­ schallimpulse und der Laufzeit der reflektierten Ultraschallimpulse ein Strömungs­ profil des strömenden Mediums bestimmt wird und anhand des so gewonnenen Strömungsprofils der Wert für die mittlere Strömungsgeschwindigkeit korrigiert wird.1. Ultrasonic flow measuring method for flowing media, with the help of a Meßroh res and with the help of at least two attached to the measuring tube, ultrasonic pulses emitting at least one measuring path and receiving from the measuring path ultrasonic transducer, in which the mean flow rate of the medium through the measuring tube from the running time of Ultrasonic pulses via the measuring path and the mean flow velocity of the flow is determined, characterized in that from a Doppler shift of the inhomogeneities contained in the flowing medium along the measuring path reflected ultrasonic pulses and the transit time of the reflected ultrasonic pulses determine a flow profile of the flowing medium and the value for the mean flow velocity is corrected on the basis of the flow profile obtained in this way. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrektur der mittle­ ren Strömungsgeschwindigkeit anhand bei einer Eichung gewonnener Daten durch­ geführt wird.2. The method according to claim 1, characterized in that the correction of the means flow rate based on data obtained during calibration to be led. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die an Inhomo­ genitäten reflektierten Ultraschallimpulse in veränderlichen Zeitfenstern nach aus­ senden des Ultraschallimpulses ausgewertet werden.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the Inhomo ultrasound pulses reflected in changing time windows sending the ultrasonic pulse can be evaluated. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Be­ reich für die Zeitfenster aus der Laufzeit für die Ultraschallimpulse über den gesamten Meßpfad bestimmt wird.4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the loading rich for the time window from the running time for the ultrasonic pulses over the entire Measuring path is determined. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei ei­ ner zu geringen Anzahl von an Inhomogenitäten reflektierten Ultraschallimpulsen die Trägerfrequenz der Ultraschallimpulse erhöht wird.5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that at egg too small a number of ultrasound pulses reflected from inhomogeneities Carrier frequency of the ultrasonic pulses is increased. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei ei­ ner zu geringen Amplitude der an Inhomogenitäten reflektierten Ultraschallimpulse die Trägerfrequenz der Ultraschallimpulse reduziert wird. 6. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that at egg The amplitude of the ultrasound pulses reflected from inhomogeneities is too low the carrier frequency of the ultrasonic pulses is reduced.   7. Ultraschall-Durchflußmesser für strömende Medien zur Verwirklichung des Verfah­ rens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit einem Meßrohr (1) und mit mindestens zwei am Meßrohr (1) angebrachten, Ultraschallimpulse (2) auf einen ersten Meßpfad (3) abstrahlenden und vom ersten Meßpfad (3) empfangenen Ultraschallwandler (4, 5), wobei die mittlere Strömungsgeschwindigkeit des Mediums durch das Meßrohr (1) aus der Laufzeitdifferenz der Ultraschallimpulse (2) über den Meßpfad (3) und aus der mittleren Strömungsgeschwindigkeit der Durchfluß bestimmbar ist, dadurch ge­ kennzeichnet, daß mindestens zwei weitere, am Meßrohr (1) angebrachte Ultraschall­ impulse auf einen zweiten Meßpfad (9) abstrahlende und vom zweiten Meßpfad (9) empfangende Ultraschallwandler vorgesehen sind und der erste Meßpfad (3) und der zweite Meßpfad (9) in unterschiedlichen Richtungen durch das Meßrohr (1) verlau­ fen.7. Ultrasonic flow meter for flowing media for realizing the procedural method according to one of claims 1 to 6, with a measuring tube ( 1 ) and with at least two on the measuring tube ( 1 ) attached, ultrasonic pulses ( 2 ) on a first measuring path ( 3 ) radiating and ultrasonic transducers ( 4 , 5 ) received by the first measuring path ( 3 ), the mean flow velocity of the medium through the measuring tube ( 1 ) being determinable from the transit time difference of the ultrasonic pulses ( 2 ) via the measuring path ( 3 ) and the mean flow velocity , characterized in that at least two further ultrasound transducers, which emit pulses on a measuring tube ( 1 ) and emit a second measuring path ( 9 ) and are received by the second measuring path ( 9 ), and the first measuring path ( 3 ) and the second measuring path ( 9 ) leave in different directions through the measuring tube ( 1 ). 8. Ultraschall-Durchflußmesser nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Meßpfad (3) und der zweite Meßpfad (9) um die Achse des Meßrohres (1) ver­ dreht sind und einen Winkel größer 0° und kleiner 180° - vorzugsweise von 90° - einschließen.8. Ultrasonic flow meter according to claim 7, characterized in that the first measuring path ( 3 ) and the second measuring path ( 9 ) about the axis of the measuring tube ( 1 ) are rotated ver and an angle greater than 0 ° and less than 180 ° - preferably from Include 90 °.
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