Die Erfindung bezieht sich auf eine Durchflussmessvorrichtung
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Eine derartige Vorrichtung ist bekannt (DE 195 30 807 A1).
Dabei ist die zur Längsachse des Schallleitkörpers senkrech
te, zur Meßrohrlängsachse schräg verlaufende Stirnfläche des
Schallleitkörpers in die Ausnehmung hinein versetzt angeord
net, wodurch ein Totvolumen zwischen dieser Stirnfläche und
dem Meßrohr in der Ausnehmung gebildet wird. Zwar wird damit
ein senkrechter Eintritt des Schalls in das strömende Medium
erreicht, wodurch die Vorrichtung nach dem Snelliusschen Bre
chungsgesetz von dem Brechungsindex des strömenden Mediums,
auch von der Temperatur, unabhängig ist. Jedoch können sich
in diesem Totvolumen Gasblasen ansammeln, die zu einer vor
übergehenden Schwächung bzw. Unterbrechung des Schallstrahls
und damit zur Funktionsunfähigkeit der Vorrichtung führen
können.
Nach GB 2,279,146 A sind zur Bildung des schräg zur Messrohr
längsachse verlaufenden Schallstrahls die Schallwandler an
Schallleitkörpern vorgesehen, die mit der Innenwandung des
Messrohres fluchten. Damit werden, wie erwähnt, nach dem
Snelliusschen Brechungsgesetz vom Brechungsindex und damit
der Temperatur des strömenden Mediums abhängige Messergebnis
se erhalten.
Aus JP 61-93 914 A ist es bekannt, zur Messung der Strömung
von Flüssigkeiten hoher Temperatur lange Schallleitkörper in
schräg in das Messrohr ragenden Rohrstutzen anzuordnen.
Nach US 4,754,650 wird der Schallstrahl zur Verlängerung des
Schallweges an planparallelen Flächen an der Messrohrinnen
wand reflektiert, wobei eine Reflektionsfläche durch die
Stirnfläche einer Justierschraube gebildet wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Funktionssicherheit einer
Durchflussmessvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs
1 zu verbessern.
Dies wird erfindungsgemäß mit der im Anspruch 1 gekennzeich
neten Vorrichtung erreicht. In den Unteransprüchen sind vor
teilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung
wiedergegeben.
Nach der Erfindung tritt der Schallstrahl zwar ebenfalls
senkrecht durch die Grenzfläche des Schallleitkörpers mit dem
Medium, so daß das System nach dem Snelliusschen Brechungsge
setz unabhängig von dem Brechungsindex des strömenden Mediums
ist, auch von der Temperatur. Jedoch ist erfindungsgemäß die
se Grenzfläche treppenförmig ausgebildet, also mit einer
Vielzahl von zum Schallstrahl senkrecht verlaufenden Schall
durchtrittsflächen, wobei die Kanten der Treppe auf einer Ge
raden liegen, die mit der Meßrohrinnenwand fluchtet. Ein Tot
volumen, in dem sich Gasblasen ansammeln, die durch die Strö
mung auch nach längerer Zeit nicht mitgenommen werden, ist
damit beseitigt.
Damit wird ein messtechnisch stabiles System erhalten. Durch
den Schallleitkörper werden die Schallwandler gegenüber dem
Medium abgedichtet. Damit verhindert der Schallleitkörper bei
elektrisch leitenden Medien zugleich elektrische Störungen
der Schallwandler.
Energieverluste treten immer dort auf, wo zwei Medien mit un
gleichen elastischen Eigenschaften zusammenstoßen. Schallwel
len werden an Grenzflächen bei senkrechtem Einfall entweder
reflektiert oder bei Schrägeinfall gebeugt und reflektiert,
wobei gleichzeitig noch ein "Modenwandel" von transversal in
longitudinal oder umgekehrt stattfinden kann. Jede Verände
rung des physikalischen Zustandes einer Welle kostet Energie.
Das Verhältnis zwischen dem Schalldruck der reflektierten
Welle pr und dem Druck der einfallenden Welle pe wird als Re
flexionsfaktor R bezeichnet.
Das Verhältnis von durchgelassener Welle pd zu einfallender
Welle pe wird als Durchlässigkeitsfaktor D bezeichnet.
Entscheidend für die Größen R und D sind die Schallwellenwi
derstände oder Schallimpedanz: Z1 = ρ1.c1 und Z2 = ρ2.c2.
So ist Z1 gleich 46 für Edelstahl und Z2 gleich 1,5 für Was
ser.
Bei Energieverlusten wird in relativen Größen gerechnet.
So ist der Betrag des reflektierten Schalldruckes
Der Betrag der reflektierten Amplitude liegt also nur um
0,5 dB (< 5%) unter dem Betrag der einfallenden, so dass eine
fast ideale Reflexion vorliegt.
Demgegenüber hat die durchgelassene Welle in Wasser einen
Schalldruck, der etwa 24 dB unter dem Schalldruck der einfal
lenden Welle in Edelstahl liegt.
Die relative Energiebilanz verschlechtert sich noch zuneh
mend, wenn man chemisch-technische Flüssigkeiten, wie Lö
sungsmittel-Gemische betrachtet, die folgende typischen Werte
besitzen: c = 1200 m/s, ρ = 0,8 g/cm3 und damit Z ≈ 1 MPa/m.
Treffen Schallwellen an schräge Grenzflächen, kommt es noch
zu weiteren Effekten aufgrund des Brechungsgesetzes nach
Snellius:
sowie Wellenumwandlungseffekten, welche je nach Auftreffwin
kel temperaturabhängig sind, weil die Schallgeschwindigkeit
temperaturabhängig ist.
Besonders wichtig für die Ortung von Reflektoren nach dem
Doppler-Prinzip ist aber die Tatsache, daß mit dem Brechungs
gesetz nur die Ausbreitungsrichtung der gebrochenen Schall
welle, nicht aber ihre Amplitude ermittelt werden kann. Au
ßerdem tritt stets eine lineare Polarisation auf. Die Ampli
tude ist für die Bestimmung der Partikelgröße wichtig. Die
Ortung von sehr kleinen Reflektoren in einem Medium (mit kei
nem ΔZ) ist also dann wirkungsvoll und zuverlässig, wenn mit
einem Schallleitkörper mit entsprechender konstruktiver Ge
staltung Schalldruck ohne "Streueffekte" gerichtet in das zu
bestimmende Medium eingeleitet bzw. daraus empfangen werden
kann. Für das Laufzeitverfahren, ebenso wie für das verwandte
"Sing around"-Prinzip eröffnet sich die Möglichkeit, Messun
gen mit Flüssigkeiten bzw. Medien durchzuführen, die bisher
nicht gemessen werden konnten. Beispielsweise waren Medien,
die Dämpfungen von größer 10 dB/cm bei einer Frequenz von
1 MHz aufweisen, bisher weder einer Bestimmung der Strömungs
geschwindigkeit noch einer Partikeldetektion zugänglich.
Im Gegensatz dazu konnte mit MID-Durchflussmessern (magne
tisches induktives Prinzip nach Faraday) - allerdings mit
Elektroden, also nicht berührungslos - die Strömungsgeschwin
digkeit gemessen werden, aber nur für elektrisch leitfähige
Flüssigkeiten und keine Partikel. Demgegenüber ist die erfin
dungsgemäße Vorrichtung auch zur Bestimmung von nicht leitfä
higen Medien geeignet, wobei im Gegensatz zu den herkömmli
chen Ultraschall-Durchflussmessgeräten der Einsatz auf neue,
bisher nicht zugängliche Medien erweitert wird, insbesondere
kompressible Flüssigkeiten, Öle, hochgesättigte Suspensionen
und Dispersionen, Klebstoffe mit Ausgasungseffekten, wie ana
erobe Kleber und dgl.
Wie oben beschrieben, kommt es nämlich entscheidend darauf
an, daß die ausgesandte physikalische Eigenart der Schallwel
le unverfälscht und möglichst intensiv auf den Empfänger
trifft.
Nachstehend sind die Schallgeschwindigkeit (c), Dichte (ρ),
Schallimpedanz (Z) und (teilweise) die Dämpfung (D) für eini
ge Stoffe angegeben.
Der Schallleitkörper besteht vorzugsweise aus einem Material,
das eine Schallimpedanz aufweist, die höchstens das 15fache,
vorzugsweise höchstens das 10fache der Schallimpedanz der
Flüssigkeit oder des sonstigen das Messrohr durchströmenden
Mediums beträgt. Damit wird eine hohe Energieeinkopplung und
demzufolge hohe Leistung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
gewährleistet.
Das Material des Schallleitkörpers sollte allerdings auch ei
nen hohen E-Modul von wenigstens 10 GPa, vorzugsweise wenig
stens 20 GPa aufweisen.
Als besonders geeignetes Material für den Schallleitkörper
hat sich Glaskohlenstoff herausgestellt. Glaskohlenstoff be
sitzt eine Schallimpedanz von etwa 7 MPas/m, d. h. wenn das
das Messrohr durchströmende Medium, z. B. Wasser, eine Schal
limpedanz von 1,5 MPas/m hat, liegt die Schallimpedanz von
Glaskohlenstoff nur um etwa das Fünffache darüber. Zudem
weist Glaskohlenstoff einen hohen E-Modul von 35 GPa auf.
Glaskohlenstoff ist eine Kohlenstofform mit glasartigem
Bruchbild (vgl. Z. Werkstofftech. 15, 331-338 (1984)). Gege
benenfalls kann erfindungsgemäß z. B. auch Quarzglas verwendet
werden oder Glaskeramik.
Glaskohlenstoff besitzt allerdings elektrisch leitende Eigen
schaften. Demgemäß kann es bei Verwendung von Glaskohlenstoff
als Schallleitkörper notwendig werden, zwischen dem Schall
leitkörper und dem Schallwandler einen dünnen elektrischen
Isolator, z. B. aus Kunststoff, beispielsweise Acrylkunst
stoff, oder Keramik oder Glas, anzubringen, oder der Schall
leitkörper wird auf "Ground" gelegt. Dann liegt auch die
Flüssigkeit auf "Massepotential".
Demgegenüber ist, wenn das Medium Wasser eine Schallimpedanz
von 1,5 MPas/m hat, aus der Sicht der Energiebilanz und der
Beibehaltung physikalisch gleichartiger Schalldruckwellen,
beispielsweise Stahl als Schallleitkörper ungeeignet, ebenso
Aluminiumoxid-Keramik mit einer Schallimpedanz von 32 MPas/m.
Damit werden Flüssigkeiten messbar, die bisher einer Ultra
schall-Durchflussmessung nicht zugänglich waren, insbesondere
hochdämpfende, hochviskose, kompressible Flüssigkeiten, sowie
Suspensionen oder Dispersionen mit einem hohen Partikelgehalt
von z. B. 50 Gew.-% und mehr. So ist die erfindungsgemäße Vor
richtung beispielsweise in der Papierindustrie zur Durch
flussmessung der Flüssigkeiten für den Papiervorstrich oder -
hauptstrich einsetzbar, oder zur Durchflussmessung von Lacken
und Beschichtungsmittel und zugleich zur Detektion von Parti
keln, die Fehlstellen in der Oberfläche erzeugen.
Bei üblichen, also nicht hochdämpfenden Flüssigkeiten kann
wegen ihrer hohen Empfindlichkeit mit der erfindungsgemäßen
Vorrichtung der Schallweg kürzer und damit das Messrohr im
Durchmesser kleiner ausgebildet werden. Damit ist eine Minia
turisierung der Messvorrichtung möglich.
Vorzugsweise ist die erfindungsgemäße Vorrichtung daher als
etwa zigarettenschachtelgroßer Messkopf mit einer Durchgangs
bohrung ausgebildet, an die das eine bzw. andere Ende des
Messrohres angeschlossen ist. Knapp daneben befindet sich die
Elektronik des Messwertaufnehmers.
Der Messkopf kann dazu aus einem Messkopfkörper z. B. aus
Kunststoff, beispielsweise einem Fluorpolymeren, wie PVDF be
stehen oder aus Edelstahl. Die Durchgangsbohrung kann an ih
ren Enden jeweils mit einem Innengewinde versehen sein, in
das das Messrohr eingeschraubt ist.
Nachstehend ist die Erfindung anhand der Zeichnung beispiel
haft näher erläutert. Darin zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Messkopf;
Fig. 2 eine schematische Ansicht auf den Messkopf von vorne
gemäß den Pfeilen II-II in Fig. 1, jedoch mit winkel
versetzten Schallwandlern und in vergrößerter Wieder
gabe;
Fig. 2a
und 2b einen Längsschnitt durch das Messrohr an der plattge
preßten Reflexionsfläche entlang der Linie IIa-IIa
(also von oben gesehen) bzw. IIb-IIb (also von der
Seite gesehen) in Fig. 2; und
Fig. 3 eine Variante der Reflexionsfläche an der Messrohr
innenwand, die vor der Messung auf die vorwiegende
Strömungsgeschwindigkeit der Messung radial verstell
bar ist.
Der Messkopf 1 nach Fig. 1 ist zur Ultraschall-Laufzeit
messung ausgebildet. Dazu ist ein Messrohr 2 mit einem Ultra
schall-Sendewandler 3 und einem Ultraschall-Empfangswandler 4
versehen. Die beiden Wandler 3, 4 sind gegeneinander gerich
tet, d. h. der Sendewandler 3 ist in Strömungsrichtung der
Flüssigkeit gemäß dem Pfeil 5 gerichtet, während der Emp
fangswandler 4 gegen die Strömungsrichtung 5 gerichtet ist.
Ferner sind die Wandler 3, 4 in einem solchen Abstand vonein
ander angeordnet, dass der Schallstrahl 6, der an einer Re
flexionsfläche 7 an der Messrohrinnenwand reflektiert wird,
zwischen dem Sendewandler 3 und dem Empfangswandler 4 einen
V-förmigen Verlauf besitzt.
Es versteht sich, dass der schräg zur Messrohrlängsachse 8
verlaufende Schallstrahl 6 auch zweimal oder noch öfter an
der Messrohrinnenwand reflektiert, also z. B. bei einer zwei
maligen Reflexion auch einen W-förmigen oder Z-förmigen Ver
lauf aufweisen kann, oder z. B. einen VW-förmigen Verlauf.
Die Schallwandler 3, 4, die jeweils als plättchenförmige Pie
zoelemente ausgebildet sind, sind jeweils auf der äußeren
Stirnseite eines stiftförmigen Schallleitkörpers 10, 11 ange
ordnet, der aus einem Material mit einer Schallimpedanz be
steht, die höchstens das 15fache der Schallimpedanz der in
dem Messrohr 2 strömenden Flüssigkeit beträgt. Vorzugsweise
bestehen die Schallleitkörper 10, 11 aus Glaskohlenstoff.
Zum Durchtritt des Schallstrahls 6 vom Sendeschallwandler 3
durch den Schallleitkörper 10 in die Flüssigkeit im Messrohr
2 bzw. von der Flüssigkeit im Messrohr 2 durch den Schall
leitkörper 11 in den Empfangsschallwandler 4 ist das Messrohr
2 am inneren Ende der Schallleitkörper 10, 11 mit einer fen
sterförmigen Ausnehmung 12, 13 versehen.
Zwischen den Schallwandlern bzw. Piezoplättchen 3, 4 ist,
falls erforderlich, eine Isolierschicht 14, 15 vorgesehen,
z. B. aus Acryl, Keramik u. ä., um den Schallleitkörper 10, 11
von dem Piezoplättchen 3, 4 elektrisch zu isolieren.
Zur Aufnahme der Schallleitkörper 10, 11 sind auf dem Mess
rohr Reiter oder ein kompakter Aufnahmekörper 16, 17 befe
stigt, die jeweils mit einer Bohrung versehen sind, in denen
die Schallleitkörper 10, 11 angeordnet sind. Um das Messrohr
2 nach außen abzudichten, sind die Schallleitkörper 10, 11 in
den Bohrungen durch O-Ringe oder dgl. Dichtmittel 18, 19,
z. B. durch Fluorkohlen- bzw. Fluorkohlenwasserstoff-Polymere,
wie Polytetrafluorethylen, abgedichtet, z. B. eingeklebt, ein
gepreßt oder eingesintert.
Das Messrohr 1 kann beispielsweise aus Stahl, Glas oder Glas
kohlenstoff bestehen.
Um eine Schallbrechung nach Snellius (und weitere Störeffek
te) an der Grenzfläche zwischen dem Schallleitkörper 10, 11
und der Flüssigkeit im Messrohr 2 zu verhindern, tritt der
Schallstrahl 6 durch diese Grenzfläche senkrecht hindurch.
Wenn die Schallleitkörper 10, 11 eine zu ihrer Längsachse
senkrechte, also zum Piezoelement 3 bzw. 4 parallele Stirn
fläche als Grenzfläche zur Flüssigkeit aufweisen, wird da
durch allerdings ein Totvolumen zwischen dieser Grenzfläche,
der Bohrung in dem Aufnahmekörper 16, 17 und dem Messrohr 2
gebildet. In diesem Totvolumen können sich Gasblasen ansam
meln, die zu einer vorübergehenden Schwächung bzw. Unterbre
chung des Schallstrahls 6 und damit zur Funktionsunfähigkeit
der Vorrichtung führen können.
Um dies zu verhindern, ist gemäß Fig. 1 die Grenzfläche zwi
schen den Schallleitkörpern 10, 11 und der Flüssigkeit im
Messrohr 1 mit treppenförmig angeordneten Schalldurchtritts
flächen 21, 22, . . . versehen, die zum Schallstrahl 6 senkrecht
verlaufen, wobei die Kanten der Treppe mit der Innenwandung
des Messrohres 2 fluchten.
Das Messrohr 2 weist vorzugsweise einen runden oder einen
ovalen und insbesondere einen kreisförmigen Durchmesser auf.
Gegenüber Messrohren mit viereckigem oder prismatischem Quer
schnitt hat ein runder Querschnitt den Vorteil, dass keine so
ungleiche Herabsetzung der Strömungsgeschwindigkeit in den
Ecken erfolgen kann. Gegenüber einem prismatischen Quer
schnitt wird damit einerseits das Strömungsprofil-Verhältnis
verbessert und zudem werden Ablagerungen in Ecken verhindert.
Für einen kleinen Messfehler kommt es besonders darauf an,
daß man im Bereich gleicher Strömungsgeschwindigkeit mißt,
und zwar unabhängig von der unterschiedlichen Größe der Strö
mungsgeschwindigkeit.
Die zur Messrohrlängsachse 8 planparallele Reflexionsfläche 7
kann durch eine plattgepresste Stelle des Messrohres 2 gebil
det werden (vgl. Fig. 2, 2a, 2b). Das heißt, bei einem Mess
rohr aus Stahl kann beispielsweise in das Rohr ein Amboß-
Körper mit einer planen Gegenfläche eingeführt und das Rohr
an dieser Stelle mit einem Pressstempel von außen flachge
drückt werden. Es genügt, daß diese Stelle einige Quadratmil
limeter groß ist. Ein weiterer Vorteil ist, daß weniger para
sitäre Schallwellen auftreten.
Wie in Fig. 3 dargestellt, kann die Reflexionsfläche 7 aber
auch durch die Stirnfläche eine Justierschraube 25 gebildet
werden, die in eine Buchse 26 an dem Messrohr 2 flüssigkeits
dicht eingeschraubt ist. Damit kann die Reflexionsfläche 7 so
justiert werden, dass der Schallstrahl 6 mit optimaler Ener
gie vom Sendeschallwandler 3 zum Empfangsschallwandler 4 ge
strahlt wird. Insbesondere bei höheren Strömungsgeschwindig
keiten kann damit durch Nachjustierung der Reflexionsfläche 7
dem Effekt entgegengewirkt werden, dass die schnell strömende
Flüssigkeit den Schallstrahl 6 sozusagen "wegweht". Die radi
al verstellbare Reflexionsfläche kann vor der Messung auf die
vorwiegende Strömungsgeschwindigkeit oder während der Messung
eingestellt werden.
Die zur Messrohrlängsachse 8 radiale Stellung der Reflexions
fläche 7 der Justierschraube 25 beeinflußt den Reflexionswin
kel β und damit das mittige Eintreffen des Schallstrahles 6
im Empfänger 4. Bei sehr großen Strömungsgeschwindigkeiten
wird der Schallstrahl 6 verweht. Die Folge ist, daß die Am
plitude am Empfänger klein ist und gegebenenfalls gegen Null
geht. Die radiale Verstellung in Abhängigkeit von der Strö
mungsgeschwindigkeit bildet dazu eine Abhilfe.
Eine Änderung der Strömungsgeschwindigkeit zwischen laminarer
und turbulenter Strömung ist insbesondere im inneren Quer
schnittsbereich des Messrohres 2 festzustellen, und zwar in
nerhalb des Querschnittsbereich 27, also um den Messrohrmit
telpunkt herum, also zwischen der Messrohrlängsachse 8 und
etwa dem Radius r/3 des Messrohres 2. Bei r ≧ 0,67 ist dies
nicht mehr der Fall.
Wie Fig. 2 zu entnehmen, verläuft daher der Schallstrahl 6
nicht durch die Messrohrlängsachse 8 und auch außerhalb des
Innenquerschnittsbereich 27 des Messrohres 2, sondern wegen
des Durchmessers des Schallstrahls vorzugsweise bei r = 0,6
bis 0,8.
Dazu sind die Schallwandler 3, 4 zur Messrohrlängsachse 8 um
den Winkel α versetzt zueinander angeordnet. Der Schallstrahl
6 fällt damit in einem Winkel (α/2) zu der zur Reflexionsflä
che 7 senkrechten Rohrmittellängsebene 28 auf die Reflexions
fläche 7 (Fig. 2). Dieser Winkel ist selbstverständlich nicht
der gleiche Winkel wie in Fig. 2a und b.
Wenn die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Messung eines Flüs
sigkeitsstroms nach dem Ultraschall-Doppler-Prinzip ausgebil
det ist, ist, wie in Fig. 1 gestrichelt dargestellt, ein wei
terer Empfangsschallwandler 4' an einem Schallleitkörper 11'
vorgesehen, und zwar im gleichen Querschnittsbereich des
Messrohres 1, in dem der Sendeschallwandler 3 angeordnet ist,
wobei der Empfangsschallwandler 4' ebenso wie der Sende
schallwandler 3 in Strömungsrichtung 5 ausgerichtet ist. Bei
einem Reflektorteilchen 29 wird, wie in Fig. 1 gestrichelt
dargestellt, die reflektierte Strahlung 6' vom Empfangs
schallwandler 4' empfangen. Dieses Empfangssignal ist ca.
500-1000mal stärker, als bei den alten Konstruktionen.