DE19823165A1

DE19823165A1 - Spulenkörperförmiger Rohrabschnitt mit quadratischem oder rechteckigem Querschnitt für anklemmbare Meßwandler und Verfahren zur Strömungsmessung

Info

Publication number: DE19823165A1
Application number: DE19823165A
Authority: DE
Inventors: Douglas S Baumoel; Joseph Baumoel
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-06-04
Filing date: 1998-05-23
Publication date: 1998-12-10
Also published as: US6026693A; CN1201141A

Description

Hintergrund der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft Vorrichtungen und Verfahren zur Strömungsmessung, und insbesondere Vorrichtungen und Verfahren zur Strömungsmessung, die Ultraschallenergie verwenden, um die Durchflußmenge zu bestimmen.

Es sind Durchflußmesser bekannt, die Ultraschall-Meßwandler bzw. Ultraschall-Transducer verwenden, insbesondere nicht eindringende, anklemmbare Meßwandler. Zum Beispiel stellt die Controlotron Corporation in Hauppauge, New York, Durchflußmesser her, die Meßwandler besitzen, welche an Rohre von Rohrleitungen angeklemmt werden, um die Durchflußmenge innerhalb der Rohrleitung zu bestimmen ohne in diese einzudringen. Bei diesen Durchflußmessertypen werden Ultraschall-Meß wandler an die Rohrwandung geklemmt. Ein Ultraschallsignal wird in die Rohrleitungswandung übertragen, gelangt in das Fluid und durchläuft das Fluid quer zur Rohrleitung. Die Laufzeitdifferenz zwischen der stromaufwärtigen und der stromabwärtigen Laufzeit der Schallenergie, die diagonal durch das Fluid in der Rohrleitung weitergeleitet wird, wird dann verwendet, um die Strömungsgeschwindigkeit nach bekannten Grundsätzen zu bestimmen. Vergleiche hierzu zum Beispiel die US-PS 4,232,548 und US-PS 5,453,944. Insbesondere wird die Strömungsgeschwindigkeit durch die folgende Formel bestimmt: VF = KΔt/TL, wobei VF die Strömungsgeschwindigkeit, K ein Eichmaßfaktor in Einheiten von Volumen/Zeit und Δt die gemessene Laufzeitdifferenz zwischen der stromaufwärtigen Laufzeit und der stromabwärtigen Laufzeit und TL die gemessene mittlere Stromaufwärts- und Stromabwärts-Laufzeit sind.

Solche Meßwandler können mit einem Breitstrahl-Strahlengang arbeiten, wie in der US-PS 3,987,674 offenbart ist. Breitstrahl-Meßwandler sind auf die Resonanzfrequenz und die Phasengeschwindigkeit des Rohres abgestimmt, und zwar durch geeignete Wahl des Winkels, unter welchem der Meßwandler in bezug auf die Rohrachse montiert ist, und durch geeignete Wahl des Materials des Meßwandlerkörpers. Im wesentlichen ist es notwendig, den Winkel und ein Material für den Meßwandlerkörper auszuwählen, der eine Longitudinalschwingungs-Schallgeschwindigkeit aufweist, die geringer als die Scherschwingungsgeschwindigkeit des Rohr- oder Leitungsmaterials ist. Dies ist notwendig, damit die Phasengeschwindigkeit der Ultraschallenergie in dem Meßwandlergehäuse eingestellt werden kann, um an die Scherschwingungsgeschwindigkeit des Rohres angepaßt zu sein.

Wie nach Stand der Technik bekannt ist, können die Meßwandler an gegenüberliegenden Teilen der Rohrleitungswandung angeordnet sein. Sie können aber auch auf derselben Seite der Rohrleitung angeordnet sein, wobei sie die Reflexionen vom gegenüberliegenden Wandteil ausnützen.

Es ist auch bekannt, daß sich dann, wenn ein Fluid durch ein Rohr hindurchströmt, die Reynolds-Zahl N_R auf das Profil des Fluids in dem Rohr auswirkt. Mit Profil ist das Profil des Geschwindigkeitsvektors über den Querschnittsbereich des Rohres gemeint. Es ist bekannt, daß unter Bedingungen eines Stationärzustandes die Geschwindigkeit in der Mitte allgemein höher als die Geschwindigkeit nahe der Wandungen des Rohres ist. Auch ist bekannt, daß je höher die Reynolds-Zahl ist, desto glatter ist das Strömungsprofil. Solche Faktoren, wie der Durchmesser des Rohres, die Viskosität und die Durchflußmenge gehen alle in die Bestimmung der Reynolds-Zahl N_R ein.

Die Reynolds-Zahl bestimmt auch den Übergang, der als Übergang von der laminaren Strömung zur turbulenten Strömung bekannt ist. Typischerweise tritt der Übergang für Reynolds-Zahlen zwischen 2000 und 4000 auf.

Ein Problem bei dem Strömungsprofil im Stationärzustand besteht darin, daß die Bestimmung der volumetrischen Durchflußmenge nicht unabhängig von der Reynolds-Zahl ist. Sofern nicht die Gaußschen Quadratur-Seh nensummierungs-Verfahren, die Fachleuten bekannt sind, angewendet werden, ist es schwierig, die korrekte Durchflußmenge zu erhalten, weil die Durchflußmenge von der Reynolds-Zahl abhängig ist. Um die Durchflußmenge genau zu bestimmen, ist es nützlich, das Gaußsche Quadratur-Seh nensummierungs-Verfahren anzuwenden, weil dieses Verfahren die Bestimmung der Durchflußmenge von der Reynolds-Zahl relativ unabhängig macht.

Das Gaußsche Quadratur-Sehnensummierungs-Verfahren wird typischerweise angewendet, um die Durchflußmenge zu bestimmen, wenn die Fluidströmung kein glattes Profil zeigt. Wenn kein glattes Strömungsprofil vorhanden ist, kann dieses Verfahren angewendet werden, um die wahre Durchflußmenge für die Strömungsmessung auf der Basis der Ausgangssignale von Ultraschall-Meßwandlern zu bestimmen. Es ist dann nicht notwendig, wenn das Strömungsprofil glatt ist. Um die Durchflußmenge genau zu bestimmen, ist vorzuziehen, daß die gesamte Strömung innerhalb des Rohres von der Ultraschallenergie ausgestrahlt sein sollte. Wenn mehr als ein Meßwandler verwendet wird, um die Strömung auszustrahlen, müssen die Ergebnisse von der Mehrzahl der Meßwandler in geeigneter Weise summiert werden. Angenommen, daß die Ultraschall-Meßwandler, die verwendet werden, um die Durchflußmenge zu bestimmen, das Strömungsprofil innerhalb des Rohres vollkommen ausstrahlen, ist es möglich, das Gaußsche Quadratur-Seh nensummierungs-Verfahren anzuwenden, um die korrekte Durchflußmenge zu bestimmen, wenn kein glattes Profil vorhanden ist. Dieses Summierungsverfahren wird benötigt, weil das Schaffen einer chordalen Ausstrahlung in einem runden Rohr das Einsetzen von Meßwandlern in den Strömungsfluß notwendig macht, was zu ungleichen Sehnenlängen und ungleich abgetasteten Volumina führt. Falls das Strömungsprofil fast glatt ist, ist die Gaußsche Quadratur-Sehnensummierung nicht unbedingt notwendig, aber falls sie angewendet wird, gleicht sie die Form des Profils aus. Alternativ kann die Durchflußmenge durch einfache Mittelwertbildung über eine Anzahl von parallelen Wegen, die von den Meßwandlern ausgestrahlt werden, erreicht werden. Aber dies ist nur für Wege gleicher Länge und gleichen Volumens möglich.

Die Anwendung des Gaußschen Quadratur-Sehnensummierungs-Verfahren ist ziemlich komplex und verlangt eine individuelle Verarbeitung der Daten jedes Weges. Es wäre vorteilhaft, die Durchflußmenge genau bestimmen zu können ohne auf diese Technik zugreifen zu müssen.

Ein weiteres Problem bei Ultraschall-Durchflußmessern nach Stand der Technik besteht darin, daß am Empfangsmeßwandler unerwünschte "Rausch"- Signale im Rohr empfangen werden, die die Flüssigkeit in dem Rohr nicht durchquert haben, aber statt dessen durch die Rohrwandung hindurch zum Empfangsmeßwandler gelangt sind. Einige dieser unerwünschten Rohr-Rausch signale können beseitigt werden, falls sie zu einer zum Flüssigkeitssignal unterschiedlichen Zeit eintreffen oder asynchron sind. Andere können nicht beseitigt werden, da sie ungefähr zur selben Zeit wie das durch die Flüssigkeit im Rohr hindurchlaufende Empfangssingal auftreten können. Dies führt somit zu einer unerwünschten Verstümmelung des gewünschten Empfangssignals und zu einer möglicherweise unrichtigen zeitlichen Bestimmung und folglich zu einer unrichtigen Durchflußmenge.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung das bzw. die es anzuklemmbaren Ultraschall-Meßwandlern erlaubt, die volumetrische Durchflußmenge in einem Rohr zu bestimmen.

Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung, das bzw. die die Bestimmung der Durchflußmenge unabhängig von der Reynolds-Zahl und ohne notwendiges Zugreifen auf die Gaußsche Quadratur-Sehnensummierung erlaubt.

Die vorliegende Erfindung gibt einen spulenkörperförmigen Abschnitt zum Einsetzen in ein Rohr an, welcher das Strömungsprofil des Fluids innerhalb des Rohres ausreichend glättet, so daß Ultraschall-Meßwandler die Durchflußmenge genau messen können, ohne notwendigerweise die Gaußsche Quadratur-Sehnensummierung oder andere Strömungsprofil-Kom pensationsverfahren zu benötigen.

Die vorliegende Erfindung gibt weiterhin eine Vorrichtung und ein Verfahren an, durch die bzw. das anzuklemmbare Ultraschall-Meßwandler den Strömungsbereich vollkommen ausstrahlen können. Sie gibt weiterhin eine Vorrichtung und ein Verfahren an, durch die bzw. das anklemmbare Meßwandler alternativ an dem Rohr vorgesehen sein können, um eine Anzahl paralleler Ultraschallenergie-Strahlen von zu erzeugen, um die Strömung innerhalb des Rohres derart auszustrahlen, daß eine Parallelsummierung anstelle der Gaußschen Sehnensummierung einzelner Wege möglich ist.

Die Erfindung berücksichtigt auch das Beseitigen unerwünschter Rauschsignale, die normalerweise durch die Rohrwandung hindurchwandern und welche das gewünschte Empfangssignal, das durch die Flüssigkeit in dem Rohr hindurchwandert, verstümmeln können.

Die Erfindung berücksichtigt auch eine genaue Eichung von Durchflußmessern in Rohrleitungen und vereinfacht das Vermögen, durch Korrelationsverfahren die Durchflußmenge zu bestimmen.

Gemäß einem Grundgedanken umfaßt die Erfindung eine Vorrichtung zum Einsetzen in ein Rohr, die für die Befestigung eines Ultraschall-Meßwandlers für die Strömungsmessung angepaßt ist, wobei die Vorrichtung zwei Anschlußstücke, die angepaßt sind, um in ein Rohr einzukoppeln und einen mittleren Abschnitt, der zwischen die zwei Anschlußstücke eingekoppelt ist, aufweist. Die zwei Anschlußstücke weisen zentrale Öffnungen zum Durchströmen eines Fluids durch das Rohr auf. Die mittleren Abschnitte sind hohl, um ein Fluid aus dem Rohr durch diese hindurchströmen zu lassen, und sie stehen durch die Öffnungen in den Anschlußstücken hindurch mit dem Rohr in Verbindung. Der mittlere Abschnitt weist einen Querschnitt mit zumindest zwei im wesentlichen ebenen gegenüberliegenden Teilen auf. Der zentrale Abschnitt weist eine im wesentlichen ebene Außenfläche auf, die angepaßt ist, um zumindest ein Paar sendender und empfangender Ultraschall-Meßwandler für die Strömungsmessung daran zu befestigen.

Vorzugsweise hat der mittlere Abschnitt einen im wesentlichen quadratischen oder rechteckigen Querschnitt, obwohl es nur notwendig ist, daß zwei gegenüberliegende Teile dort im wesentlichen eben sind, wo Schallenergie auf die Teile auftrifft.

Gemäß einem weiteren Grundgedanken umfaßt die Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung der volumetrischen Durchflußmenge eines Fluids innerhalb eines Rohres, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Ein Element wird in das Rohr eingekoppelt, wobei das Element einen hohlen Abschnitt für die Fluidströmung aus dem Rohr durch dieses hindurch und zur Verbindung mit dem Rohr aufweist. Der hohle Abschnitt weist einen Querschnitt mit zumindest zwei im wesentlichen ebenen gegenüberliegenden Teilen auf. Zumindest ein Paar sendender und empfangender Ultraschall-Meß wandler für die Strömungsmessung werden an einer äußeren, im wesentlichen ebenen Oberfläche des hohlen Abschnitts befestigt. Das Fluid, das in dem hohlen Abschnitt strömt, wird mit Schallenergie von dem Paar sendender und empfangender Meßwandler ausgestrahlt, und die volumetrische Durchflußmenge wird auf der Basis von Daten berechnet, die von dem zumindest einen Paar sendender und empfangender Meßwandler abgefragt werden.

Gemäß noch einem weiteren Grundgedanken der Erfindung umfaßt die Erfindung ein Verfahren zum Glätten des Strömungsprofils eines Fluids, das innerhalb eines Rohres strömt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Ein Element wird in das Rohr eingekoppelt, wobei das Element einen hohlen Abschnitt für die Fluidströmung aus dem Rohr durch dieses hindurch und zur Verbindung mit dem Rohr aufweist. Der hohle Abschnitt weist einen Querschnitt auf, der zumindest zwei im wesentlichen ebene, gegenüberliegende Teile aufweist.

Gemäß noch einem weiteren Grundgedanken umfaßt die Erfindung ein Verfahren zum Minimieren unerwünschter Schallsignale, die durch eine Rohrwandung in einer Ultraschall-Strömungsmessungsvorrichtung hindurchwandern, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Ein Element wird in das Rohr eingekoppelt, wobei das Element einen hohlen Abschnitt für die Fluidströmung aus dem Rohr durch dieses hindurch und zur Verbindung mit dem Rohr aufweist. Der hohle Abschnitt weist einen Querschnitt auf, der im wesentlichen rechte Ecken hat.

Es wird auch ein Verfahren und eine Vorrichtung beschrieben, um unerwünschte Rauschsignale, die in den Rohrwandungen wandern, abzuschwächen, und ein Verfahren zur Eichung von Strömungsmeßsystemen.

Andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen deutlicher.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird nun in der folgenden detaillierten Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlicher beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Einsetzen in eine Rohrleitung;

Fig. 2 eine Seitenansicht der Vorrichtung der Fig. 1 in teilweisem Längsschnitt;

Fig. 2A eine perspektivische Seitenansicht entlang der Linien 2A-2A der Fig. 2;

Fig. 2B eine perspektivische Ansicht entlang der Linien 2B-2B der Fig. 2;

Fig. 2C eine Seitenansicht entlang der Linien 2A-2A der Fig. 2;

Fig. 2D eine Draufsicht entlang der Linien 2B-2B der Fig. 2;

Fig. 2E eine Seitenquerschnittsansicht eines Flansches der Vorrichtung der Erfindung;

Fig. 3 eine Seitenansicht der Vorrichtung der Fig. 2, die der Erklärung des Betriebs der Vorrichtung dient;

Fig. 4 eine Draufsicht auf eine typische Vorrichtung der Fig. 1;

Fig. 5 eine schematische Darstellung, die zeigt, wie die erfindungsgemäße Vorrichtung durch Glätten des Strömungsprofils arbeitet;

Fig. 6 eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die den Aufbau im Inneren der Vorrichtung zeigt, der dazu dient, sicherzustellen, daß das Strömungsprofil in der Vorrichtung im wesentlichen glatt ist;

Fig. 7 eine Querschnittsansicht entlang der Linien 7-7 der Fig. 6, die die hinzugefügte Ausrichtstruktur für das Strömungsprofil zeigt, die Strömungswirbel durch zusätzliches Momentenhomogenisieren verursachen;

Fig. 8 ein Zeitdiagramm, das Sende- und Empfangssignale zeigt, die der Erklärung dienen, wie die Erfindung eine Form von "Rohrrauschen" minimiert;

Fig. 9A-9D Beispiele anderer Querschnitte der Vorrichtung der Erfindung;

Fig. 10 eine schematische Seitenansicht der Vorrichtung der Erfindung, die eine Struktur zum Abschwächen des Rohrrauschens enthält

Fig. 11 eine perspektivische Ansicht der Dämpfungsstruktur der Fig. 10;

Fig. 11A eine perspektivische Ansicht einer alternativen Dämpfungsstruktur;

Fig. 12 eine Querschnittsansicht einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 13 eine Draufsicht auf die bevorzugte Ausführungsform der Fig. 12;

Fig. 14 einen Querschnitt durch eine Abwandlung der bevorzugten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 15 eine Querschnittsansicht einer weiteren Abwandlung der bevorzugten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 16 eine seitliche Draufsicht auf einen Meßwandler gemäß der vorliegenden Erfindung, die eine Labyrinthstruktur zeigt, welche zum Dämpfen und Abschwächen innerer Reflexionen von Ultraschallsignalen, die vom Schwingkristall des Meßwandlers erzeugt werden, dient;

Fig. 17 eine vereinfachte perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines Meßwandlers gemäß Fig. 16; und

Fig. 18 eine alternative Ausführungsform des Meßwandleraufbaus.

Detaillierte Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung

Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen zeigt Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung weist einen "Spulenkörper"-Abschnitt 10 zum Einsetzen in ein Rohr auf, welcher zur Befestigung von anklemmbaren Ultraschall-Meßwandlern, die mit dem Bezugszeichen 20 versehen schematisch gezeigt sind, dienen kann. Die Meßwandler können insbesondere Breitstrahl-Meßwandler des in der US-PS 3,987,674 beschriebenen Typs sein. Der Spulenkörperabschnitt beinhaltet ein erstes und ein zweites Anschlußstück, zum Beispiel Flansche 30 und 40 zum Befestigen in dem Rohr, wobei jeder Befestigungselemente aufweist, im gezeigten Fall Schraubenlöcher 42, um die Flansche in die Rohrleitung einzukoppeln. Die Flansche 30 und 40 umfassen jeweils Öffnungen 36 und 46 für den Durchgang des Fluids in dem Rohr. Die Öffnungen sind an den äußeren Flanschflächen 37, 47 derart bemessen, daß sie dieselbe Größe aufweisen wie der Durchmesser des Rohres, in welches der Spulenkörperabschnitt 10 eingesetzt ist.

Alternativ kann der Spulenkörperabschnitt 10 der Erfindung anstelle von verschraubten Flanschen 30 und 40 in einer Rohrleitung angeschweißt sein und geeignete Schweißkonstruktions-Verbindungsteile aufweisen.

Die zwei Flansche oder Schweißanschlußstücke 30 und 40 sind durch ein Element 50, das vorzugsweise einen quadratischen oder rechteckigen Querschnitt aufweist, miteinander verbunden. Vorzugsweise ist der Querschnitt an den Ecken leicht abgerundet. Alternativ kann das Element 50 einen Querschnitt haben, der von einer quadratischen oder rechteckigen Form abweicht, solange gegenüberliegende Teile in der Richtung der Ultraschallsignale von den Meßwandlern im wesentlichen eben sind. Zum Beispiel wäre ein trapezförmiger oder polygonaler Querschnitt akzeptabel. Vergleiche hierzu Fig. 9A bis 9D als Beispiele für geeignete Querschnitte.

An der Innenfläche 39, 49 eines jeden Anschlußstücks 30, 40, das mit dem Element 50 verbunden ist, hat die Öffnung 36, 46 die Form (d. h. quadratisch oder rechteckig) des Elements 50, das eine geringere Nettofläche als die Rohrleitung aufweist, normalerweise in einem Verhältnis der Fläche eines Quadrats, das in einem Kreis einbeschrieben ist, zur Fläche des Kreises. Vergleiche hierzu Fig. 2C.

Die Flansche 30, 40 sind vorzugsweise mit einer Ausnehmung 31, 41 auf der Seite 39, 49 versehen, die den Querschnitt des Elements 50 besitzt, so daß das Element 50 in der Ausnehmung aufgenommen wird. Das Element 50 ist dann vorzugsweise an die Elemente 30 und 40 angeschweißt.

Die Öffnungen 36, 46 haben vorzugsweise eine quasi kegelförmig-konische Form (Fig. 2A) und verjüngen sich zur quadratischen oder rechteckigen Querschnittsöffnung des Elements 50 (Fig. 2B). Deshalb wandert bei Einkoppeln des Spulenkörperabschnitts in eine Rohrleitung das Fluid aus der Rohrleitung, die einen im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt aufweist, in das Element 50, das einen vorzugsweise rechteckigen oder quadratischen Querschnitt aufweist. Wie nachfolgend beschrieben, verursacht der Übergang vom runden Querschnitt zum rechteckigen oder quadratischen Querschnitt geringerer Nettofläche des Elements 50 ein Glätten des Strömungsprofils. Zusätzlich kann eine Wirbelerzeugungsvorrichtung vorgesehen werden, um das Glätten des Strömungsprofils, wie nachfolgend beschrieben, zu unterstützen.

Wie in den Fig. 1-3 und 2A-2E gezeigt, sind die Öffnungen 36, 46 in den Anschlußstücken 30, 40 zumindest teilweise konisch geformt und gehen vom runden Querschnitt des Rohres zum vorzugsweise quadratischen oder rechteckigen Querschnitt geringerer Nettofläche des Elements 50 über. Dieser Übergangsbereich unterstützt ebenfalls die Minimierung des Fluiddruckabfalls. In der gezeigten Ausführungsform geht das Fluid, das durch ein Anschlußstück 30, 40 strömt, im Prinzip von einer konisch geformten Öffnung in eine quadratische oder rechteckige Öffnung über, die auf der Achse des Kegels zentriert ist, und umgekehrt für das entgegengesetzte Anschlußstück.

Wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt, können die Schwingkristalle 20 des Ultraschall-Meßwandlers am Meßwandlerblock 51 montiert sein, der an einer ebenen Oberfläche 52 des Abschnitts 50 befestigt ist. Dies erlaubt auf herkömmliche Weise, wie in Fig. 3 gezeigt ist, eine im wesentlichen volle Ausstrahlung mit Schallenergie über die gesamte Strömung innerhalb des Elements 50 hinweg. Wie in den Fig. 1-3 gezeigt, sind beispielsweise drei Paare von Schwingkristallen von Ultraschall-Meßwandlern angebracht, die drei gleiche parallele Strahlen 60A, 60B und 60C für im wesentlichen vollständige Ausstrahlung der Strömung innerhalb des Abschnitts 50 mit Strahlen von im wesentlichen gleichen Fluidvolumina vorsieht. Alternativ kann ein durchgehender Meßwandler-Schwingkristall verwendet werden. Die drei parallelen Strahlen 60A, 60B und 60C sind durch die abwechselnd diagonal schattierten Bereiche der Fig. 3 gezeigt. Obwohl drei Paare von Meßwand ler-Schwingkristallen gezeigt worden sind, kann einer oder eine unterschiedliche Anzahl mehrerer Meßwandler-Paare verwendet werden.

Falls das gesamte Strömungsprofil von der Schallenergie im wesentlichen ausgestrahlt ist, und die ausgestrahlten Volumina gleich sind, dann können die unabhängigen Strömungsmessungen der einzelnen Meßwandler-Paare summiert werden, um die Strömungsgeschwindigkeit zu bestimmen. Falls nur ein einziger Schwingkristall verwendet wird, wird alternativ das resultierende Mittelwert-Empfangssignal verwendet. Kompensationsverfahren können dann notwendig werden, um das Strömungsprofil auszugleichen.

Im Gegensatz dazu ist es bei einem runden Rohrquerschnitt schwierig, Strahlen zu erhalten, die gleiche Volumina ausstrahlen. Ein einfaches Summieren der Strömungsmessungen von den einzelnen Meßwandlern kann nicht durchgeführt werden. Dann ist es notwendig, das komplexere Gaußsche Quadratur-Sehnensummierungs-Verfahren anzuwenden.

Wie in Fig. 2 gezeigt, strahlt jeder der Meßwandler 20 eines Meßwandler-Paa res einen Teil der Strömung in einer im wesentlichen diagonalen Linie 21 aus, um dadurch eine Reflexion am anderen Meßwandler des Paares zu schaffen und die Laufzeit zu bestimmen. Wie Fachleuten bekannt ist, kann der Empfangs-Meßwandler auch an der gegenüberliegenden Wandung montiert sein, wenn nicht die Reflexion von der gegenüberliegenden Wandung ausgenützt wird. Die Meßwandler sollten vom Breitstrahltyp sein, wie in der US-PS 3,987,674 des Anmelders beschrieben ist.

Wie in Fig. 5 gezeigt, glättet der Spulenkörperabschnitt 10 gemäß der vorliegenden Erfindung das Geschwindigkeits- oder Strömungsprofil, wodurch eine genaue Bestimmung der volumetrischen Durchflußmenge ermöglicht wird, ohne notwendigerweise die Gaußsche Quadratur-Sehnensummierung zu benötigen. Wie anhand eines typischen Rohres mit kreisrundem Querschnitt dargestellt, tritt ein Fluid vom Behälter 70 in das Rohr 80 ein, wodurch sich schließlich ein durch die gebogenen Linien 90 gezeigtes Strömungsprofil entwickelt. Dies ist ein bekanntes Prinzip und wird durch die den Fachleuten bekannten Faktoren verursacht, die zum Beispiel Reibungskräfte aufgrund der Rohrwandungen umfassen. Im wesentlichen ist das Strömungsprofil derart, daß die Geschwindigkeit in der Mitte des Rohres größer ist als die Geschwindigkeit nahe der Rohrwandungen.

Dieses Strömungsprofil verursacht Probleme bei der Bestimmung der wahren volumetrischen Durchflußmenge. Falls ein vollständiges Ausstrahlen der Rohrleitung, d. h. genug Meßwandler vorgesehen sind, derart daß die Strömung von Ultraschallenergie vollständig ausgestrahlt ist, und unter der Annahme eines nicht glatten Strömungsprofils, und falls die Sehnen nicht die gleiche Länge und das gleiche Volumen haben - unter der Annahme eines runden Rohres, ist es möglich, eine genaue Messung der Strömungsrate bei Anwenden der Gaußschen Quadratur-Sehnensummierung zu erhalten. Typischerweise ist das Strömungsprofil nicht glatt. Die Gaußsche Quadratur- Sehnensummierung ist nur dann nicht notwendig, wenn das Strömungsprofil glatt oder nahezu glatt ist. Die Gaußschen Quadratur-Sehnensummierungs-Ver fahren ist Fachleuten bekannt. Die vorliegende Erfindung gibt eine Einrichtung zur Minimierung oder zum Beseitigen der Notwendigkeit an, das Gaußschen Quadratur-Sehnensummierungs-Verfahren selbst für nicht glatte Strömungsprofile anzuwenden.

Ohne tatsächlich in das Rohr einzudringen ist es schwierig angeklemmte Ultraschall-Meßwandler auf Rohre mit kreisrundem Querschnitt anzuwenden, um die Strömung in dem Rohr vollkommen auszustrahlen, weil es schwierig ist, aufgrund des kreisrunden Querschnitts des Rohres vollkommen parallele Strahlengänge von Ultraschall-Energiestrahlen zu schaffen. Es ist notwendig, das Rohr mit parallelen Strahlengängen von Schallenergiestrahlen auszustrahlen, um die Durchflußmenge genau zu bestimmen.

Die vorliegende Erfindung gibt eine einfache Einrichtung für die genaue Bestimmung der volumetrischen Durchflußmenge an. Die vorliegende Erfindung gibt eine praktische Einrichtung an, um Schallmeßwandler für die vollständige oder teilweise (chordale) Ausstrahlung der Rohrströmung anzuordnen. Wie in den Zeichnungen gezeigt, werden zum Beispiel drei Meßwandler-Paare verwendet, um die Rohrströmung vollkommen auszustrahlen. Die Befestigung ist einfach, da das Element 50 ebene Oberflächen, zum Beispiel die Oberfläche 52 aufweist. Die ebene Oberfläche 52 des Abschnitts 50 erlaubt es, daß die Meßwandler 20 so befestigt sind, um den Strömungsquerschnitt mit parallelen Strahlengängen vollkommen auszustrahlen. Darüber hinaus macht der Übergang vom runden Querschnitt zum vorzugsweise quadratischen oder rechteckigen Querschnitt das Strömungsprofil im wesentlichen glatt, wie in Fig. 5 gezeigt ist. Weil das Strömungsprofil im wesentlichen glatt ist, ist es folglich nicht allgemein notwendig, das Gaußsche Quadratur-Sehnensummierungs-Verfahren anzuwenden, um die Signale von der Mehrzahl von Ultraschall-Meßwandlern zu verwenden, die zusammen den Querschnitt der Rohrleitung vollkommen ausstrahlen, um die korrekte volumetrische Durchflußmenge zu bestimmen. Weil das Strömungsprofil im wesentlichen glatt ist, ist es auch nicht notwendig, nichtlineare Strömungsprofil-Kompensationsverfahren wie bei normalen runden Leitungen anzuwenden.

Obwohl die vorliegende Erfindung das Strömungsprofil wesentlich glättet, wie in Fig. 5 schematisch gezeigt ist, ist es auch möglich, zusätzliche Strömungsprofil-Glättvorrichtungen hinzuzufügen, zum Beispiel gebogene Rillen oder Nuten 100, wie sie in Fig. 6 und in Draufsicht in Fig. 4 gezeigt sind. Diese helfen, das Strömungsprofil durch Erzeugen eines Wirbels in der Fluidströmung zu glätten. Diese Strömungsprofil-Glättvorrichtungen stellen sicher, daß das Strömungsprofil innerhalb des Spulenkörperabschnitts wesentlich glatter ist. Der Übergang vom konischen zum quadratischen oder rechteckigen Querschnitt der Anschlußstücke 30, 40 selbst trägt zur Wirbelerzeugung bei, was somit dazu führt, das Glätten des Strömungsprofils zu verstärken. Insbesondere die leicht abgerundeten Ecken 33, 43 der Übergangsflansche 30, 40, die an der Schnittfläche des quadratischen oder rechteckigen Querschnitts mit dem Kegel erzeugt werden, erzeugen selber Wirbel, wenn das Fluid durch die konischen Flächen in die Ecken 33, 43 geleitet wird, und Homogenisieren das Moment des eintretenden Fluids, um ein glattes Profil zu erzeugen.

Dementsprechend gibt die Erfindung eine Möglichkeit an, das Strömungsprofil zu glätten. Dies macht die Bestimmung der Durchflußmenge möglich, ohne die Gaußschen Quadratur-Sehnensummierungs- und Strömungsprofil- Kompensations-Verfahren anzuwenden. Zusätzlich schaffen die ebenen Oberflächen des Elements 50, das einen rechteckigen oder quadratischen Querschnitt aufweist, eine geeignete Einrichtung zum Anordnen von anzuklemmbaren Ultraschall-Meßwandlern, die ein vollständiges Ausleuchten des Strömungsprofils innerhalb des Spulenkörperabschnitts mit parallelen Schallstrahlengängen erlaubt, was eine genaue Bestimmung der Durchflußmenge ermöglicht.

Darüber hinaus gibt die Erfindung eine geeignete Einrichtung zum Anklemmen von Ultraschall-Meßwandlern aufgrund der ebenen Außenflächen des Elements 50 an.

Weil das Strömungsprofil innerhalb des Spulenkörperabschnitts 10 der Erfindung im wesentlichen glatt ist, ist, wie dargelegt, die Notwendigkeit, die Gaußsche Quadratur-Sehnensummierung anzuwenden, minimiert oder beseitigt, und die Notwendigkeit für Strömungsprofil-Kompensations-Verfahren ist minimiert. Um sicherzustellen, daß das Strömungsprofil im wesentlichen glatt ist, können zusätzliche Strömungsprofil-Glättstrukturen, wie in den Fig. 6 und 7 gezeigt, verwendet werden, wodurch sichergestellt ist, daß das Strömungsprofil im wesentlichen glatt ist und wodurch eine akkurate Bestimmung der Durchflußmenge ohne allgemeine Notwendigkeit einer Gaußschen Quadratur-Sehnensummierung erlaubt wird.

In der Praxis wird zumindest ein Meßwandler-Paar an der Oberfläche 52 des Spulenkörperabschnitts 50 der Erfindung angeordnet, um die Strömung innerhalb des Abschnitts 50 vollkommen auszustrahlen. Jeder der Ultraschall-Meß wandler wird abgerufen, wie nach Stand der Technik bekannt ist, um die stromaufwärtige/stromabwärtige Laufzeitdifferenz und die mittlere Laufzeit für die Bestimmung der Durchflußmenge zu bestimmen. Jeder der Meßwandlerausgangswerte kann durch einen Mehrkanal-Durchflußmesser unabhängig gemessen werden, wie Fachleuten bekannt ist. Alternativ können Einkanal-Durchflußmesser verwendet werden und gleichzeitig die Mehrfach-Meß wandler abgerufen werden. Eine einfache parallele Meßwandler-Summierung wird dann angewendet, um mit Genauigkeit die gesamte Durchflußmenge zu bestimmen.

Die Gaußsche Quadratur-Sehnensummierung, die Fachleuten bekannt ist, ist nicht notwendig, um die volumetrische Durchflußmenge wegen des im wesentlichen glatten Strömungsprofils des innerhalb des Abschnitts 50 strömenden Fluids zu bestimmen. Wegen des im wesentlichen glatten Strömungsprofils des Fluids innerhalb des Spulenkörperabschnitts der Erfindung sind Strömungskompensationsverfahren auch nicht notwendig. Sie können jedoch angewendet werden, falls das Strömungsprofil in irgendeiner Weise nicht glatt ist.

Fig. 8 dient der Erklärung eines zusätzlichen Vorteils der Erfindung. Wenn ein Sendepuls T_x von einen Sende-Meßwandler 20 ausgesendet wird, wird ein Empfangssignal T_RL, das die Flüssigkeit in der Rohrleitung durchläuft, bei einem Empfangs-Meßwandler 20 irgendein Zeitintervall später empfangen. Dies ist das Signal, das verwendet wird, um die Laufzeit zu bestimmen. Jedoch empfängt der Empfangs-Meßwandler auch gewisse unbestimmte Schallrauschsignale, die anstatt die Flüssigkeit zu durchlaufen durch die Rohrwandung hindurchwandern. Ein erstes dieser "Rohrrausch"-Signale ist T_RPN1, das ein Signal ist, das von dem Sende-Meßwandler direkt durch die Rohrleitungswandung hindurch zum Empfangs-Meßwandler wandert. Dieses Signal, das in Fig. 8 gezeigt ist, kann ignoriert und somit beseitigt werden, weil es allgemein einige Zeit vor T_RL empfangen wird. Jedoch wandert ein anderes Rohrleitungswandungs-Rauschsignal T_RPN2 schraubenförmig auf der Umfangsfläche um eine runde Rohrleitungswandung. Dieses Signal könnte nahe dem Zeitpunkt oder während der Zeit, wenn das gewünschte Signal T_RL durch den Empfangs-Meßwandler empfangen wird, empfangen werden. Dies ist schematisch in Fig. 8 gezeigt. In Fig. 8 ist T_RPN2 gezeigt, wie es kurz vor T_RL empfangen worden ist. Jedoch kann es gleichzeitig mit T_RL empfangen werden und in T_RL versteckt sein. Dieses unerwünschte Signal kann zu einer Verstümmelung von T_RL und zu einer untauglichen Bestimmung der Ankunftszeit von T_RL führen, und führt somit zu Berechnung einer unrichtigen Laufzeit und dadurch unrichtigen Fluid-Strömungsgeschwindigkeit. Es kann auch zu einer Drift in den Meßergebnissen führen.

Da das Element 50 keinen runden Querschnitt aufweist, wird gemäß der Erfindung das Rauschsignal T_RPN2 im wesentlichen beseitigt, da die Ausbreitung dieses Signal in einem schraubförmigen Weg im wesentlichen gestoppt oder an den Ecken des quadratischen oder rechteckigen Elements 50 minimiert wird.

Die Fig. 10, 11 und 11A zeigen einen zusätzlichen Aufbau zum Abschwächen des Rohr-Rauschsignals. Eine Dämpfungsvorrichtung 53 ist vorgesehen, die am Element 50 befestigt ist. Die Dämpfungsvorrichtung 53 dämpft jegliche Rohr-Rauschsignale, die durch das Rohrmaterial hindurchwandern. Fig. 11 zeigt ein Beispiel der Dämpfungsvorrichtung 53. Wie gezeigt weist die Vorrichtung eine Metallkonstruktion 53A auf, die an einem Befestigungsblock 53B montiert ist. Die Metallkonstruktion 53A und der Befestigungsblock 53B bestehen vorzugsweise aus einem Metall ähnlich dem Metall des Elements 50. Sie können jedoch aus einem unterschiedlichen Metall oder einem unterschiedlichen Material, wie etwa einem geeigneten Kunststoffmaterial bestehen. Das Element 53A kann eine Mehrzahl von Löchern 53C aufweisen, die in geeigneter Weise in das Element 53A gebohrt sind. Die Löcher sind mit einem viskosen Dämpfungsmaterial, zum Beispiel einer viskosen Flüssigkeit oder Halbflüssigkeit, wie etwa einer Klebemasse, Teer oder einer Dämpfungsschmiere, zum Beispiel Krytox, gefüllt. Die Funktion des Elements 53 ist es, jegliche Rauschsignale, die von dem Element 50 in das Element 53 hinein übertragen werden, zu absorbieren, zu reflektieren und dadurch zu dämpfen. Das akustisch dämpfende Material in den Bohrungen 53C hilft somit, die Amplitude des am Empfangsmeßwandler empfangenen Rauschsignals zu reduzieren, indem es als ein Schallabyrinth dient.

Ein alternativer Aufbau ist in Fig. 11A gezeigt. Bei diesem Aufbau wird ein Schallabyrinth durch eine Mehrzahl von Schlitzen 53D erzeugt, in denen ein Schall absorbierendes und/oder reflektierendes Material angeordnet ist. Dies erzeugt ein reflektierendes Labyrinth, so daß Schallenergie, die in den Raum zwischen den Schlitzen 53D hinein reflektiert wird, mehrfach von den Schlitzen weg reflektiert wird, wobei jedesmal das Signal gedämpft wird.

Gemäß der Erfindung ist der Meßwandler vorzugsweise ein Breitstrahl-Meß wandler des Typs, wie der in der US-PS 3,987,674 beschriebene. Um den Spulenkörperabschnitt gemäß der Erfindung voll auszunutzen, insbesondere Fehler zweiter Ordnung bei der Messung der Schallausbreitungsgeschwindigkeit zu minimieren, ist es vorzuziehen, das in der gleichzeitig anhängigen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen (203-55) und dem Titel "Method and Apparatus For Determining Ultrasonic Pulse Arrival in Fluid Using Phase Correlation" beschriebene Korrelationsverfahren anzuwenden.

Zusätzlich zu den vorstehend beschriebenen Vorteilen weist der beschriebene Rohrspulenkörperabschnitt einen zusätzlichen Vorteil auf. Wenn man die Möglichkeit hat, Ultraschall-Meßwandler für die Strömungsmessung an der Anklemm-Spulenkörperanordnung der Erfindung zu installieren und jene Anordnung tatsächlichen Strömungstests in einem Kalibrierlabor zu unterwerfen, kann man bestimmen, in welchem Maße die ausgegebenen Kalibrierfaktoren unterschiedliche Durchflußmengen für Strömungsmessungssysteme, die im praktischen Einsatz installiert werden sollen, aufweisen. Strömungsmessungssysteme, die durch die Controlotron Corp. hergestellt werden, haben eine Mehrpunkt-Kalibrierungsfähigkeit. Dies bedeutet, daß bei unterschiedlichen Durchflußmengen ein verschiedener Kalibrierungsfaktor eingestellt werden kann, um jeder Nichtlinearität Rechnung zu tragen, die in jedem Abschnitt des Meßinstruments auftreten kann. Eine Einstellungsdatei kann erzeugt und in dem Strömungsmeßsystem basierend auf den gemessenen Kalibrierungsfaktoren gespeichert werden. Diese Einstellungsdatei kann auch auf ein Speichermedium, zum Beispiel eine Platte geladen werden. Die Platte kann mit der Maschine verschickt werden, so daß der Benutzer jene Daten, die dem Spulenkörperabschnitt zugeordnet sind, an welchem die Kalibiierung festgelegt ist, in jeden Strömungscomputer laden kann.

Alternativ kann ein Strömungscomputer einem Kunden mit den darin enthaltenen Daten im Paket mit einem Strömungsrohr mit dem Spulenkörperabschnitt der Erfindung zur Verfügung gestellt werden. Auf diese Weise erhält jeder Kunde einen Durchflußmesser mit einem Kalibrierungs-Zer tifikat. Die Kalibrierung bleibt selbst für verschiedene Flüssigkeiten genau, weil die Maschine die vielen Flüssigkeiten durch die sich ändernde gemessene Schall-Ausbreitungsgeschwindigkeit erkennt. Die Kalibrierung hängt von der Reynolds-Zahl ab, nicht von der Geschwindigkeit. Dadurch behält die Maschine automatisch ihre Kalibrierung bei, selbst wenn sich die Flüssigkeiten ändern. Eine Kalibrierungs-Klassifizierung kann mit jeder Maschine erbracht werden. Dies ist für den Benutzer in einigen Branchen, in denen eine Kalibrierungs-Klassifizierung benötigt wird, sehr nützlich. Dies ist mit einem Anklemmsystem, das in der Praxis installiert wird, nicht möglich, weil in der Praxis eine Kalibrierung durch den Hersteller nicht kontrollierbar ist. Zum Beispiel ist es nicht möglich, sicherzustellen, daß Kunden die korrekten Parameter eingeben. Aber im Falle des Anklemm-Spulenkörperabschnitts oder der Strömungsröhre können alle Faktoren kontrolliert werden, und deshalb ist der Hersteller in der Lage, die Kalibrierung eines Strömungsmeßsystems basierend auf den Ergebnissen bei der Verwendung jenes Systems mit dem beschriebenen Spulenkörperabschnitt zu bescheinigen.

Jedes Strömungsmeßsystem kann dadurch kalibriert werden, daß ein bekanntes Volumen oder eine bekannte Masse durch die Anordnung der Erfindung bei bekannten Durchflußmengen hindurchgeleitet wird. Die gemessenen Durchflußmengen können mit den bekannten Durchflußmengen und den Kalibrierungsfaktoren für die erhaltenen verschiedenen Durchflußmengen verglichen werden. Ein Kalibrierungs-Zertifikat kann somit für jedes Strömungsmeßgerät erstellt werden, das dem Kunden zusammen mit dem Spulenkörperabschnitt der Erfindung geliefert wird.

Die Fig. 12-15 zeigen verschiedene Versionen einer bevorzugten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung. Obwohl die vorher beschriebenen Ausführungsformen das Prinzip der Erfindung beim Glätten des Strömungsventils zeigt, hat man herausgefunden, daß es wegen des rechteckigen oder quadratischen Querschnitts des Spulenkörperabschnitts gemäß der Erfindung notwendig ist, die Struktur mit rechteckigem oder quadratischem Querschnitt zu verstärken, um Drücken stand zu halten, denen man in typischen fluidführenden Rohren begegnet. Insbesondere wegen des quadratischen oder rechteckigen Querschnitts ist der Spulenkörperabschnitt Belastungen ausgesetzt, denen man normalerweise in Rohren mit kreisrundem Querschnitt nicht begegnet. In der typischen Rohrleitung mit rundem Querschnitt neigen alle Belastungen dazu Zugspannungen zu sein. Im Gegensatz dazu können die Belastungen in einem Element mit quadratischem oder rechteckigem Querschnitt, das dem inneren Druck einer strömenden Flüssigkeit unterworfen ist, dazu neigen, die ebenen Flächen in ihrer Form zu biegen oder anderweitig zu verformen. Dies hat eine negative Auswirkung auf die Genauigkeit der Bestimmung der Strömungsmessungen zur Folge, weil die Abstände und somit die Strömungswege sich abhängig vom Druck verändern. Eine Lösung dieses Problems besteht darin, die Querschnitte der ebenen Flächen dicker zu machen. Jedoch hat dies den Nachteil, daß sich das Rauschen verstärkt, das direkt durch das Rohr, anstatt durch die Flüssigkeit hindurch übertragen wird. Dies verursacht Probleme bei der Bestimmung der Ankunftszeit des empfangenen Flüssigkeitssignals, weil die Rauschsignale in einem Element mit dickerem Querschnitt weniger abgeschwächt werben. Darüber hinaus dämpft der dickere Querschnitt die Ultraschallsignale, die in die Flüssigkeit hinein gesendet werden sollen.

Folglich bietet es keine adäquate Lösung, die Dicke des Querschnitts des Spulenkörperabschnitts einfach größer zu machen.

Gemäß der Erfindung besteht die Lösung dieses Problems darin, einen Ausschnitt oder eine Führungsbahn oder eine Mehrzahl solcher Ausschnitte oder Führungsbahnen in der ebenen Fläche des Spulenkörperabschnitts vorzusehen, in welchem bzw. in welchen die Sende- und Empfangs-Meß wandler angeordnet werden können. Insbesondere werden Mehrfach-Füh rungsbahnen vorgesehen, in welche die Mehrzahl von Meßwandlern angeordnet werden kann.

Wenn man sich nun den Fig. 12 und 13 zuwendet, ist dort ein Beispiel einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung gezeigt, wobei drei Paare von Ultraschall-Send- und Empfangs-Meßwandlern verwendet werden. Die Erfindung kann auf jede Anzahl von Meßwandler-Paaren angewendet werden. Unter Bezugnahme auf die Fig. 12 und 13 weist der Spulenkörperabschnitt mit einem rechteckigen oder quadratischen Querschnitt vier zusammengeschweißte Elemente 100, 102, 104 und 106 auf. Das Element 106 nimmt eine Mehrzahl von Meßwandlern 108A, 108B und 108C an einem Ende des Spulenkörperabschnitts und 108A', 108B' und 108C' am anderen Ende auf. Das Element 106 des Spulenkörperabschnitts ist mit einer Mehrzahl von Führungsbahnen versehen, die zum Beispiel in die Oberfläche maschinell eingearbeitet sind, und zwar eine für jeden Meßwandler 108A, 108B und 108C und 108A', 108B' und 108C'. Die Führungsbahnen sind mit 110A, 110B, 110C, 110A', 110B', 110C' bezeichnet. Die Fig. 12 zeigt einen Schnitt entlang der Schnittlinie 12-12 der Fig. 13.

Jeder Meßwandler 108A, 108B und 108C und die entsprechenden Meßwandler auf der anderen Seite sind in ihre jeweiligen Führungsbahnen eingepaßt und vorzugsweise entlang der Führungsbahn in der Richtung des gezeigten Pfeiles zu einer der Mehrzahl von Positionen bewegbar, die das beste Leistungsergebnis bieten. Da das Element 106 durch diese Führungsbahnen 110A, 110B und 110C, und 110A', 110B', 110C' geschwächt worden ist und somit dazu neigt, sich wegen des Druckes innerhalb des Spulenkörperabschnitts als Folge der lokalisierten Schwächungen aufgrund dieser Führungsbahnen aufwärts zu biegen, ist eine Struktur oberhalb des Elements 106 vorgesehen, um die Verformung des Elements 106 zu verhindern. Diese Konstruktion weist ein sich senkrecht erstreckendes Element 112 auf, das an dem Element 106, vorzugsweise durch Schweißen, angebracht ist. Die Elemente 100, 102, 104 und 106 sind vorzugsweise auch miteinander durch ein geeignetes Schweißverfahren verbunden. Die sich senkrecht erstreckenden Elemente 112 sind an einem Element 114 befestigt, das im allgemeinen parallel zum Element 106 ist und das an jedem der Elemente 112 durch geeignete Verfahren, zum Beispiel Schweißen oder wie gezeigt, durch Schrauben befestigt werden kann. Wie in Fig. 13 gezeigt, kann das Element 112 eine Mehrzahl von Befestigungslöchern 116 beinhalten, welche vorgesehen sind, um das Befestigen des Elements 114 durch Schrauben 118 an dem Element 112 an dem geeigneten Ort zu ermöglichen, wie er durch die Anordnung der Meßwandler 108A, 108B und 108C bestimmt ist, und ebenso für die andere Seite des Spulenkörperabschnitts. Jeder Meßwandler 108A, 108B und 108C und die Meßwandler auf der anderen Seite des Spulenkörperabschnitts werden durch eine geeignete Befestigungsvorrichtung, zum Beispiel einen Klemmbolzen 120 festgehalten und in Position fixiert. Der Klemmbolzen kann gegen eine geschützte Fläche des jeweiligen Meßwandlers nach unten angezogen werden, um ihn in Position zu halten.

Die Wirkung des Aufbaus der vorliegenden Erfindung besteht darin, zu verhindern, daß sich das Element 106 deformiert oder biegt. In Wirklichkeit bilden die Elemente 112 und 114 eine l-Träger-Konstruktion, die die Verformung des Elements 106 wegen des inneren Drucks in dem Spulenkörperabschnitt verhindert. Wie in Fig. 13 gezeigt, muß sich das Element 112 nur entlang der Führungsbahnen 110A, 110B und 110C und ebenso auf der anderen Seite des Spulenkörperabschnitts ausdehnen. Das Element 114 kann einen lokalisierten Bereich oberhalb der Meßwandler abdecken. Alternativ kann es breiter wie gezeigt ausgeführt sein, so daß es im wesentlichen die gesamte Länge des sich senkrecht erstreckenden Elements 112 abdeckt.

Fig. 14 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung für ein einzelnes Paar von Meßwandlern. Wie gezeigt erstreckt sich das Element 112 entlang einer Führungsbahn 110, in der ein Meßwandler 108 angeordnet ist. Ein Element 114 ist an dem Element 112 befestigt, um die geeignete Festigkeit für das Element 106 zu schaffen.

Fig. 15 zeigt eine andere Ausführungsform der Erfindung, die zwei Meßwandler 108 verwendet. Ein einzelnes Element 112 ist zwischen den Meßwandlern 108 angeordnet und an einem parallelen Element 114 befestigt. Wie in jeder der Fig. 12, 14 und 15 gezeigt, kann ein geeignetes Gehäuse 121, das Elemente 122, 123 und 124 aufweist, vorgesehen sein, um die Meßwandler und die Haltekonstruktion für das Element 106 abzudecken.

Die Fig. 16 und 17 zeigen eine Ausführungsform des Meßwandlers gemäß der vorliegenden Erfindung, welche es ermöglicht, innere Reflexionen longitudinaler und modengewandelter Ultraschall-Schersignalen, die durch den in einem Schwingkristallgehäuse 202 angeordneten Meßwandler-Schwing kristall 200 erzeugt werden, zu reduzieren und zu absorbieren. Der Schwingkristall 200 ist auf einem Meßwandlerblock 204 vorgesehen. Der Meßwandlerblock 204 hat eine geneigte Oberfläche 206, auf der der Schwingkristall 200 befestigt ist. Die Oberfläche ist unter einem geeignetem Winkel angeordnet, um die Übertragung von Ultraschallsignalen in einem geeignetem Winkel (typischerweise ungefähr 590 für eine longitudinale Schall-Aus breitungsgeschwindigkeit von 241,3 m/s (9500 in/sec)) in eine Rohrwandung hinein, an der der Meßwandler angeordnet ist, zu erlauben. Entlang der Oberseite des Meßwandlerblocks 204 ist eine Mehrzahl von Schlitzen 208 vorgesehen. Vgl. Fig. 17. In diesen Schlitzen ist ein viskoses und Ultraschallenergie reflektierendes/absorbierendes Material, wie etwa Teer, Klebstoff oder Kunststoffmaterial, das in geeignetem Maße schallabsorbierend und/oder schallreflektierend ist, angeordnet. Wie in Fig. 17, die eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform des Meßwandlers gemäß der Fig. 16 ist, gezeigt ist, werden sowohl die Reflexionen der Schnittstelle Meßwandlerblock/Rohrwandung von Signalen mit longitudinalem Mode als auch modengewandelte Ultraschall-Schersignale, wie durch die Pfeile 210 (Reflexion bei longitudinalem Mode) und 212 (Reflexion bei Scher-Mode) gezeigt, in das durch die Schlitze 208 gebildete Labyrinth geleitet. Wie gezeigt, werden die Signale durch das schallabsorbierende/reflektierende Material, das in den Schlitzen 108 enthalten ist, reflektiert und erzeugen eine Mehrzahl von Reflexionen mit vergrößerter bei jeder Reflexion auftretender Dämpfung. Jedes Signal, das aus dem Labyrinth entweicht, wird wesentlich abgeschwächt, so daß das Signal eine minimale Auswirkung hat, wenn es wieder in das Rohr eintritt. Folglich haben die durch die reflektierten Ultraschallsignale verursachten Rauschsignale nur eine geringe Wirkung auf das durch den Empfangsmeßwandler empfangene Signal.

Fig. 18 zeigt eine alternative Ausführungsform, wobei die Schlitze 208A nicht von einer Seite zur anderen des Meßwandlerblocks 204 verlaufen. Dies ist eine bevorzugte Anordnung, die verhindert, daß das viskose Material, insbesondere falls es ein fließfähiges viskoses Material ist, aus den Schlitzen 208 an den Seiten austritt. Jedoch benötigen die Schlitze 208A eine teurere maschinelle Bearbeitung als die Schlitze 208 der Fig. 16 und 17, die von einer Seite zur anderen verlaufen. In der Anordnung der Fig. 16 und 17, in denen die Schlitze von einer Seite zur anderen verlaufen, ist es, falls das viskose Material in den Schlitzen fließfähig ist, notwendig, eine geeignete Seitenwandung vorzusehen, um die Schlitze 208 an den Seiten abzuriegeln. In jeder Ausführungsform kann ein geeignetes Abdeckelement 214 vorgesehen sein, gegen das der Klemmbolzen 120 gesichert werden kann.

Gemäß der Erfindung, wie sie in den Fig. 12-15 gezeigt ist, wird vorzugsweise, eine Mehrzahl von Meßwandlerpaaren vorgesehen. Wegen der durch die Tragekonstruktion für das Element 106 ermöglichte Genauigkeit sendet jedes Meßwandlerpaar ein Ultraschall-Signal über eine Weglänge, die genau dieselbe ist. Folglich ist es nur notwendig, die Meßwandler elektrisch parallel anzuschließen. Weil jeder Meßwandler die Strömung in einem durch genau dieselbe Sehne definierten Querschnitt ausstrahlt, kann auf diese Weise eine gemeinsame Sehnensummierung anstelle der komplexeren Gaußschen Sehnensummierung angewendet werden, welche dann notwendig ist, wenn die Weglängen nicht gleich und die Länge der Sehnen unterschiedlich ist, zum Beispiel wie es der Fall in einem runden Rohr ist.

Gemäß der Erfindung ist es auch bevorzugt, die Meßwandlerpaare auf dieselbe Seite des Rohres zu setzen, wobei die Reflexion von der anderen Seite des Rohres ausgenützt wird. Der Grund dafür besteht darin, daß die Anzahl von Wegen effektiv zweimal die Anzahl von Meßwandlerpaaren ist, d. h. jeder Weg umfaßt eine Reflexion zurück. Auf diese Weise korrigiert das System inhärent Nichtlinearitäten des Strömungsweges.

Gemäß der Erfindung kann eine Mehrzahl von Spulenkörperabschnitten für Rohre unterschiedlicher Größe entwickelt werden, zum Beispiel für Rohre mit einem Durchmesser von 5,08 cm (2 Inch) bis 60,96 cm (24 Inch). Unterschiedliche Spulenkörperabschnitte, die eine unterschiedliche Länge aufweisen und für jeden der verschiedenen Rohrdurchmesser innerhalb dieses Bereichs geeignet sind, können entwickelt werden. Je größer der Durchmesser des Rohres ist, desto größer wird normalerweise die Anzahl der benötigten Meßwandler. Zum Beispiel ist für ein 5,08 cm-(2 Inch)-Rohr mit einem Außendurchmesser von 6,033 cm (2,375 Inch) ein einzelnes Meßwandlerpaar geeignet. Für größere Rohre, zum Beispiel ein 20,32 cm-(8 Inch)-Rohr mit einem Außendurchmesser von 21,908 cm (8,625 Inch) können drei Meßwandlerpaare notwendig sein. Für noch größere Rohre, zum Beispiel ein 60,96 cm-(24 Inch)-Rohr können fünf Meßwandler notwendig sein. In jedem Fall ist es möglich, sowohl die Schallanforderungen durch Plazieren der Meßwandler in vertieften Führungsbahnen in der ebenen Oberfläche des Spulenkörperabschnitts als auch gleichzeitig die benötigten Druckhandhabungserfordernisse dadurch zu befriedigen, daß eine geeignete Konstruktion, die die sich senkrecht erstreckenden Elemente 112 und die Parallelstrahlelemente 114, wie sie abhängig von der Anzahl der Meßwandler notwendig sind, vorsieht.

Obwohl die vorliegende Erfindung in bezug auf bestimmte Ausführungsformen beschrieben worden ist, werden andere Variationen und Modifikationen und andere Anwendungen Fachleuten deutlich. Deshalb sollte die vorliegende Erfindung nicht durch die spezifische Beschreibung sondern nur durch die beigefügten Ansprüche beschränkt sein.

Claims

1. Vorrichtung zum Einsetzen in ein Rohr (80), die für die Befestigung eines Ultraschall-Meßwandlers (20) für die Strömungsmessung angepaßt ist, wobei die Vorrichtung folgendes aufweist:
zwei Anschlußelemente (30, 40), die angepaßt sind, um in ein Rohr (80) einzukoppeln; und
einen mittleren Abschnitt (50), der zwischen den zwei Anschlußelementen (30, 40) eingekoppelt ist, wobei die zwei Anschlußelemente (30, 40) zentrale Öffnungen für ein durch das Rohr (80) hindurchströmendes Fluid aufweisen, der mittlere Abschnitt (50) für die Fluidströmung aus dem Rohr (80) hohl ist und durch die Öffnungen (36, 46) in den Anschlußelementen (30, 40) mit dem Rohr (80) in Verbindung steht, der mittlere Abschnitt (50) einen Querschnitt hat, der mindestens zwei im wesentlichen ebene gegenüberliegende Teile aufweist;
wobei der mittlere Abschnitt (50) eine im wesentlichen eben Außenfläche aufweist, die für die Montage mindestens eines Paares von Ultraschall aussendenden und empfangenden Strömungsmessungs-Meßwandlern angepaßt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des mittleren Abschnitts (50) im wesentlichen quadratisch oder rechteckig ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Übergangsbereich an jedem Ende des mittleren Abschnitts (50), wodurch die zentralen Öffnungen (36, 46) in den zwei Anschlußelementen (30, 40) in der Form von einem runden Querschnitt des Rohres (80) zum Querschnitt des mittleren Abschnitts (50) übergehen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede zentrale Öffnung (36, 36) des Anschlußelements (30, 40) eine konische Form aufweist, die von einem runden Querschnitt des Rohres (80) zum Querschnitt des mittleren Abschnitts (50) übergeht.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Abschnitt (50) eine kleinere Querschnittsfläche als die zentrale Öffnung (36, 46) des Anschlußelements (30, 40), das an das Rohr (80) angrenzt, aufweist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Abschnitt (50) es mindestens einem Paar von Ultraschall aussendenden und empfangenden Meßwandlern (20), die an diesen montiert sind, erlaubt, das in dem mittleren Abschnitt strömende Fluid im wesentlichen vollständig mit Schallenergie auszustrahlen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Paare von Ultraschall aussendenden und empfangenden Meßwandlern (20) angepaßt sind, für die vollständige Ausstrahlung der Fluidströmung im mittleren Abschnitt (50) mit mehreren parallelen Schallenergiestrahlen (60A, 60B, 60C) auf dem mittleren Abschnitt (50) befestigt zu sein.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Abschnitt (50) bewirkt, daß das Strömungsprofil des durch das Rohr (80) hindurchtretenden Fluids im wesentlichen geglättet wird.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Abschnitt (50) ein Signal im wesentlichen beseitigt, das von einem aussendenden Meßwandler (20) zu einem empfangenden Meßwandler (20) umfangsmäßig spiralförmig durch die Rohrwandung eines runden Rohres (80) hindurch übertragen wird.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen vertieften Schlitz (110) in der ebenen Oberfläche des mittleren Abschnitts zur Aufnahme jedes Meßwandlers (108) aufweist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch ein Element (112), das sich senkrecht von der ebenen Oberfläche des mittleren Abschnitts angrenzend und parallel zum Schlitz (110) zur Verstärkung der ebenen Oberfläche gegen Druck von einem im mittleren Abschnitt fließenden Fluids erstreckt.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch ein zu der ebenen Oberfläche im wesentlichen paralleles Element (114), das mit dem sich senkrecht erstreckenden Element (112) für eine weitere Verstärkung der ebenen Oberfläche gegen Verformung wegen des Drucks eines in dem mittleren Abschnitt strömenden Fluids gekoppelt ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das sich senkrecht erstreckende Element (112) mehrere Befestigungsstellen zum Befestigen des parallelen Elements (114) an einer der Mehrzahl von Stellen entsprechend der Stelle in dem Schlitz aufweist, an der der Meßwandler angeordnet ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch mehrere Schlitzen (110A, 110B, 110C, 110A', 110B', 110C'), die jeweils für einen jeweiligen Meßwandler (108A, 108B, 108C, 108A', 108B', 108C') eines Meßwandler-Paares vorgesehen ist und die nebeneinander angeordnet sind, ein sich senkrecht erstreckendes Element (112), das zwischen benachbarten Schlitzen (110A, 110B, 110C, 110A', 110B', 110C') angeordnet ist, ein paralleles Element (114), das oberhalb des sich senkrecht erstreckenden Elements (112) angeordnet ist, und die sich senkrecht erstreckenden Elemente (112) miteinander verbindet.