DE19652655C2 - Meßwertgeber für Ultraschalldurchflußmesser - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Meßwertgeber für einen Ultraschall­ durchflußmesser mit einem Gehäuse, mit einem von der zu messenden Flüssig­ keit durchströmten, zwei Verteilkammern mit seitlichem Zu- bzw. Ablauf verbin­ denden Meßrohr, wobei in den Verteilkammern Meßwandler im wesentlichen senkrecht zur Achse des Meßrohrs angeordnet sind, und wobei vor den Stirnen­ den des Messrohrs in den Verteilkammern Strömungsführungseinsätze angeord­ net sind.

Das Prinzip derartiger Ultraschalldurchflußmesser ist stets die Ausnutzung der Laufzeitunterschiede von Ultraschallwellen, die sich zum einen mit der Strömung und zum andern gegen die Strömung ausbreiten. Die verschiedenen Ultraschall­ durchflußmesser unterscheiden sich abgesehen von dem mechanisch unter­ schiedlichen Aufbau der Meßwertgeber darüber hinaus durch die besondere Art und Weise der Auswertung und Verarbeitung der sich durch die Laufzeitunter­ schiede ergebenden Signale.

Bei dieser Messung der Laufzeitunterschiede ist es notwendig, daß die zu mes­ sende Flüssigkeit, deren Durchflußvolumen über die Ultraschalldifferenzsignale bestimmt werden soll, durch eine Meßstrecke strömt, so daß die Strömungsrich­ tung im wesentlichen gleichgerichtet zur Schallausbreitungsrichtung steht. Bei der angesprochenen seitlichen Zu- und Abführung der Flüssigkeit zu und von den Verteilkammern ergibt sich dabei das Problem, diese Zu- und Abfuhr so auszu­ gestalten, daß keine unnötig hohen Strömungsverluste entstehen. Darüber hinaus ist es notwendig, das Schallsignal mit hohem Wirkungsgrad und möglichst ohne Überlagerung von Körperschallsignalen in die Meßstrecke einzukoppeln, was bei den bisherigen Lösungen meist zu großen Abmessungen im Schalleinkoppelraum und aufwendigen, nicht kostengünstig zu fertigenden Konstruktionen geführt hat. Durch die im Bereich der Verteilkammern meist stark von der Parallelausrichtung zur Schallausbreitungsrichtung abweichenden Strömungsrichtung ergeben sich nur kurze effektive Meßraumlängen, die im wesentlichen auf die Länge des ei­ gentlichen Meßrohrs beschränkt sind.

Zu einer Vergrößerung der effektiven Meßraumlänge, im wesentlichen auf die Länge des eigentlichen Meßrohrs, konnten dabei auch die Strömungsführungs­ einsätze eines Meßwertgebers der eingangs genannten Art, wie er beispielsweise aus der EP 0 741 283 A1 bekannt geworden ist, keinen Beitrag leisten. Die Strö­ mungsführungseinsätze bestehen dort aus durch Halterungsringe zum Haltern auf den Meßrohrenden zusammengehaltenen in radialen und axialen Ebenen ver­ laufenden Flügeln, wobei diese Flügel in unterschiedlicher Weise winkelversetzt um die Meßrohrachse angeordnet sind, um über den unterschiedlich großen Strömungswiderstand zwischen jeweils benachbarten Flügeln einen Ausgleich der unsymmetrischen Anströmung des Querschnitts des Meßrohrs zu erreichen. Es geht dort also darum, den Strömungsführungsein über den Querschnitt des Meß­ rohrs zu homogenisieren, nicht aber darum die Meßraumlänge zu verlängern, in­ dem bereits vor dem Meßrohr eine im wesentlichen der Strömungsgeschwindig­ keit im Meßrohr entsprechende Axialgeschwindigkeit der Flüssigkeit gegeben ist.

Entsprechend das Gleiche gilt auch für einen Strömungsführungseinsatz wie er in der EP 0 565 851 A1 beschrieben ist. Dort sind Keilstrukturen vorgesehen, die senkrecht zu den Wandlern angeordnet sind und die demzufolge Wirbel parallel zum Wandler ausbilden. Derartige Wirbel führen aber nicht zu Strömungskompo­ nenten, die eine gleichmäßigere axiale Durchströmung des gesamten Meßraums bewirken können.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Meßwertgeber für einen Ultraschalldurchflußmesser der eingangs genannten Art so auszugestalten, dass neben geringen Strömungsverlusten eine hohe effektive Meßstrecke bei einer vorgegebenen Gesamtlänge des Meßwertgebers zur Verfügung steht.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die einer ge­ zielten Strömungsumlenkung zum Erhalt einer zur Meßrohrachse parallelen Flüs­ sigkeitsströmung zwischen den Meßwandlern dienenden Strömungsführungsein­ sätze so ausgebildet sind, dass sich in ihnen Strömungswirbel ausbilden, deren achsseitige Flanken in Strömungsrichtung der Meßflüssigkeit drehen.

Durch die erfindungsgemäßen Strömungsführungseinsätze wird vermieden, daß im Bereich der Verteilkammern Strömungsverhältnisse vorliegen, bei denen die Strömungsrichtung im wesentlichen auch quer zur Verbindungsachse der Wand­ ler, die mit der Achse des Meßrohrs zusammenfällt, gerichtet ist, wodurch in die­ sem Bereich dann nennenswerte Effekte hinsichtlich der Laufzeitunterschiede von mit und gegen die Strömungsachse gerichteten Ultraschallwellen gar nicht erziel­ bar sind. Durch die erfindungsgemäßen Strömungsführungseinsätze setzt die zur Ultraschallwellenrichtung parallele Strömung bereits nahe der Wandleroberfläche ein und reicht auch bis in die Nähe der anderen Wandleroberfläche, wodurch ein Großteil der axialen Längen der Verteilkammern ebenfalls als wirksame Meßstre­ cke zur Verfügung steht.

Diese besondere Strömungsführung läßt sich in Weiterbildung der Erfindung sehr einfach dadurch erreichen, daß jeder Strömungsführungseinsatz wenigstens ei­ nen vom Rohrende und vom Meßwandler beabstandeten Keilring mit außenlie­ gender Kante aufweist, dessen Innendurchmesser gleich oder vorzugsweise grö­ ßer als der Innendurchmesser des Meßrohrs ist, und der durch in achsparallelen Ebenen verlaufende Stege gehaltert ist.

Das seitlich einströmende Wasser verteilt sich zunächst in der Verteilkammer und strömt dann den Keilring oder ggf. auch mehrere beabstande solcher Keilringe von außen an, wobei durch die zum jeweiligen Meßwandler hin gerichtete äußere Schrägfläche eine gezielte Strömungsführung zum Meßwandler hin erfolgt. Dies führt zu Strömungswirbeln an der meßwandlerseitigen Kante des Keilrings mit ei­ ner Orientierung derart, daß die achsseitigen Flanken dieser Wirbel in Strö­ mungsrichtung der Meß-Flüssigkeit drehen und somit im zentralen Meßbereich des Meßrohrs und der anschließenden Verteilkammer achsparallele Strömungs­ verhältnisse gegeben sind. Die in achsparallelen Ebenen verlaufenden relativ dünnen Stege, von denen auch nur sehr wenige, vorzugsweise drei, vorgesehen sind, behindern den Flüssigkeitseinlauf und die gezielte Flüssigkeitsführung prak­ tisch überhaupt nicht.

In Weiterbildung der Erfindung kann dabei vorgesehen sein, daß jeder Stromfüh­ rungseinsatz eine Aufsteckhülse zum Aufstecken auf das Meßrohr sowie vor­ zugsweise auch einen Abstützring am freien, vorzugsweise trichterförmig erweiter­ ten gegenüberliegenden Ende aufweist, der im Gehäuse abgedichtet den Meß­ wandler umgibt. Trotz der relativ filigranen und damit strömungsgünstigen Ausbil­ dung der Strömungsführungseinsätze ergibt diese zweiseitige Abstützung eine ausreichende Stabilität und Schwingungsarmut und daraus resultierend eine günstige reproduzierbare Strömungsführung.

Die Aufsteckhülse kann dabei gleichzeitig zur klemmenden Halterung des Meß­ rohrs im Gehäuse dienen. In Verbindung mit einer Ausbildung, bei der die Stege innen als an den Stirnkanten des Meßrohrs anliegende Aufsteckbegrenzungen über die Innenfläche der Aufsteckhülse überstehen, ergibt sich damit eine exakte Positionierung des Meßrohrs im Gehäuse genau mittig zwischen den beiden ein­ ander gegenüberstehenden Meßwandlern.

Eine weitere Verbesserung der Einströmung der Flüssigkeit von der seitlichen Zuleitung in die Parallelausrichtung zur Schallausbreitungsrichtung ergibt sich in weiterer Ausgestaltung der Erfindung dadurch, daß die Aufsteckhülse eine glatt in die vorzugsweise gerundete Stirnkante des Meßrohrs übergehende strömungsfüh­ rende Schrägabkantung aufweist.

Die Strömungsführungseinsätze bestehen bevorzugt aus ultraschallweichem, d. h. die Ultraschallwellen nicht oder nur wenig absorbierendem Material, so daß auf diese Art und Weise keine Schalleistungsverluste auftreten können. Um Störun­ gen von am Gehäuse reflektierten und beispielsweise zwischen Meßrohr und Ge­ häuse passierenden Ultraschallwellen, bei denen sich ja ebenfalls durch die un­ terschiedlichen Wege Laufzeitunterschiede ergeben, zu vermeiden, kann dabei in Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, daß die Auswerteelektronik eines Ultraschalldurchflußmessers mit einem erfindungsgemäßen Meßwertgeber derart ausgebildet ist, daß die Laufzeitmessungen der sich in und gegen die Strömungs­ richtung ausbreitenden Ultraschallwellen zur Ausblendung solcher Reflexionswel­ len in vorgegebenen Zeitfenstern erfolgt.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Meßwertgeber für einen Ultraschalldurchflußmesser,

Fig. 2 einen vergrößerten Schnitt durch einen der Strömungsführungsein­ sätze,

Fig. 3 eine Seitenansicht eines Strömungsführungseinsatzes, und

Fig. 4 einen vergrößerten Teilschnitt durch die Verteilkammer zum Einleiten der Flüssigkeit in den Meßwertgeber, wobei der Strömungsverlauf mit angedeutet ist.

Im Gehäuse 1 des in den Zeichnungen dargestellten Meßwertgebers ist ein Meß­ rohr 2 mit im wesentlichen gerundeten Stirnenden 3 gehaltert, wobei die gerunde­ ten Stirnenden 3 in Verteilkammern 4 und 5 enden, die mit einem seitlichen Flüs­ sigkeitszulauf 6 und einem seitlichen Flüssigkeitsablauf 7 versehen sind. Zwi­ schen den Stirnenden 3 des Meßrohrs 2 und den jeweiligen Meßwandlern 8 und 9, die senkrecht im wesentlichen koaxial zur Meßrohrachse 10 an den Enden der Verteilkammern 4 und 5 angeordnet sind, sind erfindungsgemäß Strömungsfüh­ rungseinsätze 11 angeordnet, die jeweils mit Aufsteckhülsen 12 zum Aufstecken auf die Enden des Meßrohrs 2 versehen sind. Die Strömungsführungseinsätze 11 enthalten im dargestellten Ausführungsbeispiel jeweils einen Keilring 13 mit au­ ßenliegender Kante 14, dessen Innendurchmesser größer ist als der Innendurch­ messer der Aufsteckhülse 12. Der Keilring ist dabei so ausgerichtet, daß seine Schrägfläche 14, die im wesentlichen radial von außen von der Flüssigkeit in der Verteilkammer angeströmt wird, schräg zum jeweiligen Meßwandler 8, 9 gerichtet ist. Durch diese Keilringe 13 der Strömungsführungseinsätze bilden sich Wirbel 15 aus, deren achsseitige Flanken 17 in Strömungsrichtung der Meßflüssigkeit dre­ hen, so daß eine im wesentlichen zur Schallausbreitungsrichtung zwischen den Ultraschallwandlern 8 und 9 parallele Flüssigkeitsströmung gebildet wird, die in dem für die Messung besonders wesentlichen Zentrum, also im Bereich der Mitte­ lachse, nahezu von einem der Meßwandler bis zum anderen reicht. Dadurch er­ gibt sich eine sehr große effektive Meßstrecke.

Die Halterung der Keilringe - anstelle des einen gezeigten Keilrings 13 könnten ggf. auch weitere davon beabstandete Keilringe vorgesehen sein - erfolgt über wenige im wesentlichen in achsparallelen Ebenen verlaufende Stege 19, die am freien Ende über einen Abstützring 20 miteinander verbunden sind, der sich, den jeweiligen Meßwandler umgebend, im Gehäuse 1 über eine Dichtung 26 abstützt. Die Aufsteckhülse 12 bildet einerseits eine Klemmverbindung zum umgebenden Gehäuse 1, wobei jeweils ein Ringbund 21 einen Aufsteckanschlag für einen Ge­ genbund 22 des Gehäuses 1 bildet. Die Stege 19 stehen innen über die Innenflä­ che 23 der Aufsteckhülse 12 als Aufsteckbegrenzungsnasen 24 über. Durch diese besondere Ausbildung der Strömungsführungseinsätze ergibt sich eine Konstruk­ tion, bei der das Meßrohr 2 frei im Gehäuse 1 gehaltert ist. Die abgerundeten Stirnkanten 3 dienen einer Minimierung des Strömungswiderstandes und einer Verhinderung von Schallreflexionen, wobei das Meßrohr bevorzugt aus glasfaser­ verstärktem Kunststoff (PES) bestehen soll, der eine hohe Körperschalldämpfung für Ultraschallwellen aufweist und damit Randlaufeffekte des Ultraschallsignals verhindern kann. Die Aufsteckhülse 12 der Strömungsführungseinsätze 11 ist mit einer Abschrägung 25 versehen, die bevorzugt so ausgebildet ist, daß sie glatt in die gerundete Stirnkante 3 des Meßrohrs 2 übergeht. Diese schräggestellte Stirn­ kante 25 dient in gleicher Weise wie die schräggestellte Fläche 14 des Keilrings 13 zur Strömungsführung unter Ausbildung von Strömungswalzen, wie es weiter oben im einzelnen beschrieben worden ist.

Claims (10)

1. Meßwertgeber für einen Ultraschalldurchflußmesser mit einem Gehäuse, mit einem von der zu messenden Flüssigkeit durchströmten, zwei Verteil­ kammern mit seitlichem Zu- bzw. Ablauf verbindenden Meßrohr, wobei in den Verteilkammern Meßwandler im wesentlichen senkrecht zur Achse des Meßrohrs angeordnet sind, und wobei vor den Stirnenden des Meßrohrs in den Verteilkammern Strömungsführungseinsätze angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die einer gezielten Strömungsumlenkung zum Erhalt einer zur Meßrohrachse parallelen Flüssigkeitsströmung zwischen den Meßwandlern (8, 9) dienenden Strömungsführungseinsätze (11) so ausge­ bildet sind, daß sich in ihnen Strömungswirbel (15) ausbilden, deren achs­ seitige Flanken (17) in Strömungsrichtung der Meß-Flüssigkeit drehen.

2. Meßwertgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Strö­ mungsführungseinsatz (11) wenigstens einen vom Rohrende und vom Meßwandler beabstandeten Keilring (13) mit außenliegender Kante (14) und mit einem Innendurchmesser, der gleich oder größer ist als der Innen­ durchmesser des Meßrohrs, aufweist, der durch in achsparallelen Ebenen verlaufende Stege (19) gehalten ist.

3. Meßwertgeber nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß je­ der Strömungsführungseinsatz (11) eine Aufsteckhülse (12) zum Aufste­ cken auf das Meßrohr (2) aufweist.

4. Meßwertgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen Abstützring (20) am freien, vorzugsweise trichterförmig erweiterten Ende des Strömungsführungseinsatzes (11), der im Gehäuse (1) abge­ dichtet den Meßwandler (8, 9) umgibt.

5. Meßwertgeber nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufsteckhülse (12) das Meßrohr (2) klemmend im Gehäuse (1) haltert.

6. Meßwertgeber nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeich­ net, daß die Stege (19) innen als an den Stirnkanten (3) des Meßrohrs (2) anliegende Aufsteckbegrenzungen über die Innenfläche (23) der Aufsteck­ hülse (12) überstehen.

7. Meßwertgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeich­ net, daß die Aufsteckhülse (12) eine vorzugsweise glatt in die gerundete Stirnkante (3) des Meßrohrs (2) übergehende strömungsleitende Schräg­ abkantung (25) aufweist.

8. Meßwertgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeich­ net, daß die Strömungsführungseinsätze (11) aus ultraschallweichem Mate­ rial bestehen.

9. Meßwertgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeich­ net, daß das Meßrohr (2) aus einem glasfaserverstärkten Kunststoff (PES) mit hoher Körperschalldämpfung für die Ultraschallwellen besteht.

10. Ultraschalldurchflußmesser mit einem Meßwertgeber nach einem der An­ sprüche 1 bis 9, sowie mit einer Auswerteelektronik, die die Laufzeitdiffe­ renzen von in und gegen die Flüssigkeitsströmung laufenden Ultraschall­ wellen mißt und auswertet, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufzeitmes­ sung der sich in und gegen die Strömungsrichtung ausbreitenden Ultra­ schallwellen zur Ausblendung von Reflexionen in vorgegebenen Zeitfens­ tern erfolgt.