DE19944411A1

DE19944411A1 - Ultraschall-Durchflußmesser

Info

Publication number: DE19944411A1
Application number: DE1999144411
Authority: DE
Inventors: Bernd Henning; Karsten Dierks; Stefan Prange
Original assignee: INST AUTOMATION und KOMMUNIKAT; Kundo Systemtechnik GmbH
Current assignee: INST AUTOMATION und KOMMUNIKAT; Kundo Systemtechnik GmbH
Priority date: 1999-09-16
Filing date: 1999-09-16
Publication date: 2001-04-12

Abstract

Ein Ultraschall-Durchflußmesser weist ein Meßrohr 1, zwei in der Wand des Meßrohres 1 angeordnete Ultraschallwandler 5, 5' sowie zwei ebenfalls in der Wand des Meßrohres 1 angeordnete Reflektoren 10, 10' für den Ultraschallstrahl 11 auf. Die Ultraschallwandler 5, 5' sowie die Reflektoren 10, 10' sind dabei derart angeordnet, daß der Verlauf des Ultraschallstrahls 11 innerhalb des Meßrohres 1 etwa Z-förmig ist. Der Meßkanal 7 im Meßrohr 1 weist dabei ein längliches Querschnittsprofil auf.

Description

Die Erfindung betrifft einen Ultraschall-Durchflußmesser nach dem Oberbegriff des An spruchs 1.

Das Grundprinzip der Ultraschall-Durchflußmengenmesser für Flüssigkeiten besteht darin, die Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit durch Messung der Ultraschall- Impulslaufzeiten in Strömungsrichtung und in Gegenrichtung mittels Piezo-Sende- und Empfangs-Kristallen durchzuführen. Die Differenz der beiden Impulslaufzeiten ist der Strö mungsgeschwindigkeit proportional.

Aus der EP 0 790 490 ist eine Volumenstrommeßeinrichtung mit direkter Schallführung, d. h. ohne Umlenkung des Ultraschallstrahles bekannt. Nachteilig bei dieser Meßeinrichtung ist, daß der Ultraschallwandler in den Strömungskanal eingebracht werden muß, was sowohl die Fluidströmung beeinflußt als auch den Druckverlust in der Meßeinrichtung vergrößert.

Mittels indirekter Schallführung ist es möglich, diesen Nachteil zu vermeiden. Dabei wird der Ultraschallstrahl in die Fluidströmung mittels Reflektoren umgelenkt. In der EP 0 897 101 erfolgt beispielsweise die Führung des Ultraschallstrahles symmetrisch und parallel zur Fluidströmung. Nachteilig ist hierbei, daß wiederum die in der Strömung angeordneten Re flektoren auch Strömungswiderstände darstellen, und die gemessene Schallaufzeit in und gegen die Strömungsrichtung weist eine starke Abhängigkeit vom Strömungsprofil (laminar oder turbulent) auf, sofern der Strömungskanal nicht vollständig und homogen mit dem Ul traschall beaufschlagt wird.

Aus den DE 39 41 544, DE 39 41 545, DE 39 41 546 sowie DE 40 10 148 sind Anordnun gen bekannt, bei welchen der Ultraschallstrahl mehrmals das Strömungsprofil in einem rechteckförmigen Strömungskanal schneidet, um so eine gute Mittelung über das Strö mungsprofil zu erhalten. Nachteilig ist dabei aber, daß die Mehrfachumlenkung zur sphäri schen Aufweitung des Schallstrahles (Intensitätsverlust) und zur Entstehung störender zu sätzlicher Schallwege (Notwendigkeit von Zusatzmaßnahmen zur Unterdrückung) führt. Die zusätzlichen Umlenkungen können einen unterschiedlichen Schallweg in und gegen Strö mungsrichtung weiterhin zur Folge haben (Nullpunktdrift). Das mehrfache Umlenken des Schallstrahles stellt aber auch an die präzise Ausrichtung der Reflektoren höchste Anforde rungen (Einfluß auf Nullpunktdrift).

Ultraschall-Durchflußmesser mit einer noch höheren Anzahl von Umlenkungen des Ultra schallstrahles sind in der EP 0 763 717 beschrieben, welche aber die gleichen, bereits oben genannten Nachteile aufweisen.

Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Ultraschall- Durchflußmesser mit höherer Meßgenauigkeit und Zuverlässigkeit sowie mit verbesserten Gebrauchseigenschaften insbesondere im Hinblick auf Gebrauchslagenunabhängigkeit sowie fließrichtungsunabhängige Messung zu schaffen.

Die technische Lösung ist gekennzeichnet durch die Merkmale im Kennzeichen des Anspruchs 1.

Die Grundidee des erfindungsgemäßen Ultraschall-Durchflußmessers besteht darin, einen insbesondere rechteckig ausgebildeten, homogenen Ultraschallstrahl mittels eines dem sendenden Ultraschallwandler gegenüberliegenden Reflektor mit definiertem Winkel in den Strömungskanal zu lenken und diesen zur Erfassung bzw. Mittelung des Strömungsprofils schräg zu durchstrahlen, wonach an dem gegenüberliegenden Ende des Strömungskanals der Ultraschallstrahl wiederum auf einen Reflektor trifft, welcher das Signal zum gegenüber liegenden Ultraschallwandler reflektiert. Dadurch wird die Anzahl der Umlenkungen auf ein Minimum begrenzt, weil die Häufigkeit, wie oft das Strömungsprofil geschnitten wird, kaum einen Einfluß auf die Qualität der Messung hat. Somit verbessert eine mehrfache Umlen kung des Ultraschallstrahles weder den Meßeffekt noch die repräsentativere Erfassung des Strömungsprofils. Weil bei diesen mehrfachen Umlenkungen die akustischen Schallaus breitungsbedingungen durch die Schallaufweitung und die mehrmaligen Reflexionen kom plizierter werden, werden diese Nachteile bei dem erfindungsgemäßen Strahlenverlauf vermieden.

Der Vorteil der Weiterbildung gemäß Anspruch 2 besteht darin, daß der Strömungswider stand innerhalb des Meßrohres durch die Ultraschallwandler nicht vergrößert wird.

Damit korrespondiert die Weiterbildung gemäß Anspruch 3, wonach die Ultraschallwandler orthogonal zur Strömungsrichtung angeordnet sind, so daß diese keinen Strömungswider stand bilden. Somit bildet die orthogonale Einleitung des Ultraschallstrahles sowie die ein fache Umlenkung über die Reflektoren den Vorteil, keine zusätzlichen Widerstände in den Strömungskanal setzen zu missen. Die dazugehörigen kreisrunden Ultraschallwandler er zeugen ein radialsymmetrisches, homogenes Schallfeld. Kontaktierungen (auch an Um kontakten) können so ausgerichtet werden, daß mittels der Reflektoren nur der homogene Schallfeldanteil ausgeschnitten und zur Schalltransmission genutzt wird.

Der Vorteil der Weiterbildung gemäß Anspruch 4 besteht darin, daß man einen rechteckig ausgebildeten, homogenen Ultraschallstrahl erhält. Somit wird durch die Gestaltung der Reflektoren ein möglichst homogener Schallstrahl aus dem Schallfeld des sendenden Ul traschallwandlers in den Strömungskanal gelenkt, welcher das Strömungsprofil repräsenta tiv schneidet. Dabei erfolgt die Anordnung der Reflektoren in der Meßeinrichtung so, daß der Druckverlust über der Meßeinrichtung insbesondere bei großen Volumenströmen mini mal bleibt. Mittels der rechteckig ausgeformten bzw. wirkenden Reflektoren wird - wie aus geführt - eine direkte und homogene, rechteckförmige Schallstrahlführung durch den Strö mungskanal im Sinne eines "idealen" Schnittes erreicht. Dabei wird das Strömungsprofil sowohl vertikal als auch horizontal gemittelt. Die kreisrunden Wandler erzeugen das bereits beschriebene radialsymmetrische homogene Schallfeld, wobei die Ausrichtung der Reflek toren derart realisiert werden kann, daß nur der homogene Schallfeldanteil ausgeschnitten und zur Schalltransmission genutzt wird.

Die Weiterbildung gemäß Anspruch 5 schlägt vor, daß in dem Meßrohr ein profilierter Meß kanal ausgebildet ist. Der Vorteil dieses profilierten Meß- bzw. Strömungskanals besteht darin, daß durch eine entsprechende Profilgebung optimale Bedingungen hinsichtlich der Ausbreitung des Ultraschallstrahls realisiert werden können.

Der Vorteil der Weiterbildung in Anspruch 6 besteht darin, daß durch die höhere Fließge schwindigkeit der Meßeffekt vergrößert wird.

Der Vorteil der Weiterbildung in Anspruch 7 besteht darin, daß durch einen entsprechend geformten Einsatz optimale Bedingungen innerhalb eines Rohres geschaffen werden kön nen. Die Einbauten innerhalb der Meßeinrichtung können dabei vollständig in Form eines Kunststoffeinsatzes ausgeführt sein, wobei dieser Kunststoffeinsatz den entsprechend ge formten Strömungskanal definiert sowie die fest dazu angeordneten Reflektoren aufnimmt. Auch fixiert der Einsatz die montierten Ultraschallwandler innerhalb der Meßeinrichtung in ihrer Lage. Somit dient der Kunststoffeinsatz der Aufnahme aller Komponenten (Strömungskanal, Reflektoren etc.) sowie dient der einfachen Montage und Fixierung der Funktionselemente im Innern der Meßzelle.

Die Weiterbildungen der Ansprüche 8 und 9 haben den Vorteil der technisch einfachen An ordnung der Reflektoren und der Ultraschallwandler.

Eine bevorzugte Weiterbildung in der Ausbildung des Meßkanals schlägt Anspruch 10 vor. Die Grundidee besteht darin, den Meßkanal nicht rotationssymmetrisch auszubilden. Der Vorteil des länglichen Querschnittsprofils besteht in der Gewährleistung einer unbeeinfluß ten Schallführung im Meßkanal sowie einer Minderung störender, unerwünschter Reflexio nen im Strömungskanal. Vorzugsweise ist dabei die Höhe des Meßkanals wesentlich größer als dessen Breite ausgeführt, wobei das Verhältnis größer als 3 sein kann. Somit wird durch die besondere Ausbildung des Strömungskanals zielgerichtet die Entstehung und Ausbrei tung unerwünschter bzw. störender Schallwellenanteile weitestgehend unterdrückt. Hier durch kann die zuverlässige Auswertung der Meßsignale gewährleistet werden. Somit wer den durch die besondere Gestaltung der Meßzelle parasitäre (unerwünschte) Schallwege durch die Profilierung des Strömungskanals vermieden. Ein Höhen-Breiten-Verhältnis grö ßer als 1 bietet den Vorteil, daß die absolute Laufzeit des Signals geringfügig vergrößert wird (nicht der Meßeffekt) und bessere Schalleitungsbedingungen (Winkel der Totalreflexi on) bei Einhaltung eines Mindestquerschnittes (geringer Gesamtdruckverlust) gewährleistet ist.

Eine Weiterbildung hiervon schlägt Anspruch 11 vor. Um das Strömungsprofil direkt und einmalig zu schneiden, muß die Breite des Strömungskanals längs des direkten Schallpfa des konstant sein, woraus sich die Verwendung planparalleler Seitenflächen gemäß dieser Weiterbildung ergibt. Unerwünschte Schallwege an den oberen und unteren Seiten des Strömungskanals können durch die runde Formung umgelenkt und durch Interferenz ge schwächt bzw. zeitlich verzögert werden.

Der Vorteil der Weiterbildung gemäß Anspruch 12 besteht darin, daß die mit Metall verse henen Seitenflächen des Strömungskanals die akustische Schalleitung verbessern sowie Reibungsverluste vermindern. Zur technischen Realisierung können die Seitenwände mit einer Edelstahloberfläche oder mit einer Edelstahlplatte versehen sein. Somit verbessern die Metallflächen an den Seitenwänden die Führung der akustischen Wellen innerhalb des Strömungskanals, wobei der größere Impedanzunterschied zwischen Fluid und Kanalober fläche den Winkel der Totalreflexion vergrößert. Andererseits wird die Erzeugung uner wünschter Schallwellenmoden beispielsweise innerhalb des Strömungskanals unterdrückt.

Die Weiterbildung gemäß Anspruch 13 hat den Vorteil, daß unerwünschte Schallwege bzw. Schallreflexionen an den oberen und unteren abgerundeten Flächen unterdrückt werden, welche gemäß der Weiterbildung aus einem akustisch absorbierenden Material bestehen oder mit einem akustisch absorbierenden Material ausgekleidet sind. Diese Flächen absor bieren somit möglichst viel Schallenergie und können beispielsweise aus PVDF, PTFE oder dgl. bestehen. Damit wird erreicht, daß nur der direkte Schallstrahl zur Auswertung gelangt.

Die Weiterbildung gemäß Anspruch 14 schließlich hat den Vorteil, daß ein abrupter Quer schnittssprung vermieden wird. Somit werden vorteilhafte strömungstechnische Bedingun gen gewährleistet. Der stetige Übergang der effektiven Querschnitte im Ein- und Auslauf des Strömungskanals verhindert die Entstehung von partiellem Unterdruck bei hohen Strö mungsgeschwindigkeiten und begrenzt den Gesamtdruckverlust über die Meßeinrichtung. Weitere Vorteile liegen in der Verringerung der Bildung von Ablagerungen sowie die Unab hängigkeit der Einbaulage.

Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Ultraschall-Durchflußmessers wird nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. In dieser zeigt:

Fig. 1 einen senkrechten Längsschnitt durch den Ultraschall- Durchflußmesser;

Fig. 2 einen horizontalen Längsschnitt durch den Ultraschall- Durchflußmesser;

Fig. 3 einen Querschnitt durch den Ultraschall-Durchflußmesser.

Der Ultraschall-Durchflußmesser weist ein zylindrisches Meßrohr 1 mit Endgewinden 2 im Bereich des Einlaufs 3 sowie des Auslaufs 4 auf. In der Mantelfläche dieses Meßrohres 1 befinden sich zwei Ultraschallwandler 5, 5', und zwar sind sie mit Abstand bezüglich der Längserstreckung des Meßrohres 1 diametral einander gegenüberliegend angeordnet. Die beiden Ultraschallwandler 5, 5' können beispielsweise in den Mantel des Meßrohres 1 ein geschraubt sein.

Im Innern des Meßrohres 1 befindet sich ein Einsatz 6 aus Kunststoff. Ausgehend vom Einlauf 3 bzw. vom Auslauf 4 verjüngt sich der Querschnitt dieses Einsatzes 6 stetig zu ei nem Meßkanal 7, dessen Querschnittsform insbesondere in Fig. 3 erkennbar ist. Der Quer schnitt des Meßkanals 7 ist dabei länglich ausgebildet, wobei die Höhe sehr viel größer ist als die Breite. Die in Fig. 3 erkennbaren (senkrechten) Langseiten 8, welche die Seiten wände des Meßkanals 7 definieren, sind planparallel zueinander ausgerichtet. Die Schmal seiten oben und unten sind demgegenüber halbkreisförmig ausgebildet.

Zu Beginn und am Ende des Meßkanals 7 weist der Einsatz 6 jeweils Reflektoren 10, 10' auf, welche - wie in Fig. 2 erkennbar ist - als Rechtecke ausgebildet sind. Dabei ist dem Ultraschallwandler 5 exakt diametral gegenüberliegend, d. h. senkrecht zur Achse A des Meßrohres 1 der eine Reflektor 10 und entsprechend diametral gegenüberliegend zu dem Ultraschallwandler 5' der andere Reflektor 10' angeordnet.

Der Meßkanal 7 ist im Bereich der Längsseiten 8 mit einer Metalloberfläche versehen, wäh rend die halbrunden Schmalseiten 9 mit einem schallabsorbierenden Material versehen sind.

Die Funktionsweise des Ultraschall-Durchflußmessers ist wie folgt:

Der Ultraschallwandler 5 sendet ein Ultraschallsignal senkrecht zur Achse A in Richtung Reflektor 10 aus. Der Reflektor 10 reflektiert das Ultraschallsignal, so daß dieses den Meß kanal 7 in der dargestellten Weise schräg durchstrahlt. Der Ultraschallstrahl 11 trifft dann auf den Reflektor 10' und wird von dort wiederum senkrecht zur Achse A auf den Ultra schallwandler 5' geleitet.

Wie in Fig. 2 erkennbar ist, sind die Ultraschallwandler 5, 5' kreisrund ausgebildet. Durch die Reflexion am rechteckigen Reflektor 10 wird ein rechteckig ausgebildeter, homogener Ultraschallstrahl 11 ausgeblendet, welcher das Strömungsprofil repräsentativ schneidet.

Bezugszeichenliste

1

Meßrohr

2

Endgewinde

3

Einlauf

4

Auslauf

5

,

5

' Ultraschallwandler

6

Einsatz

7

Meßkanal

8

Langseite

9

Schmalseite

10

,

10

' Reflektor

11

Ultraschallstrahl
A Achse

Claims

1. Ultraschall-Durchflußmesser
mit einem Meßrohr (1),
mit zwei in der Wand des Meßrohres (1) angeordneten Ultraschallwandlern (5, 5') sowie
mit zwei ebenfalls in der Wand des Meßrohres (1) angeordneten Reflektoren (10, 10') für den Ultraschallstrahl (11),
dadurch gekennzeichnet,
daß die beiden Ultraschallwandler (5, 5') längs des Meßrohres (1) versetzt an diametral einander gegenüberliegenden Seiten des Meßrohres (1)
sowie die beiden Reflektoren (10, 10') den beiden Ultraschallwandlern (5, 5') jeweils ge genüberliegend ebenfalls längs des Meßrohres (1) versetzt an diametral einander ge genüberliegenden Seiten des Meßrohres (1) derart angeordnet sind,
daß der Verlauf des Ultraschallstrahls (11) innerhalb des Meßrohres (1) etwa Z-förmig ist.

2. Ultraschall-Durchflußmesser nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallwandler (5, 5') bündig mit der Innenwand des Meßrohres (1) ab schließen.

3. Ultraschall-Durchflußmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallwandler (5, 5') den Ultraschallstrahl (11) senkrecht bezüglich der Achse (A) des Meßrohres (1) aussenden bzw. empfangen.

4. Ultraschall-Durchflußmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektoren (10, 10') als Rechtecke ausgebildet sind oder als Rechtecke wirken.

5. Ultraschall-Durchflußmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Meßrohr (1) ein profilierter Meßkanal (7) ausgebildet ist.

6. Ultraschall-Durchflußmesser nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Meßkanals (7) kleiner ist als der Nennquerschnitt der Rohrlei tung.

7. Ultraschall-Durchflußmesser nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkanal (7) durch einen im Innern des Meßrohres (1) angeordneten Einsatz (6) gebildet ist.

8. Ultraschall-Durchflußmesser nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektoren (10, 10') fest am Einsatz (6) angeordnet sind.

9. Ultraschall-Durchflußmesser nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz (6) die Ultraschallwandler (5, 5') in ihrer Lage fixiert.

10. Ultraschall-Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkanal (7) ein längliches Querschnittsprofil aufweist, wobei die Ultraschall wandler (5, 5') sowie die Reflektoren (10, 10') an den Schmalseiten (9) angeordnet sind.

11. Ultraschall-Durchflußmesser nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,
daß das Querschnittsprofil des Meßkanals (7) zueinander parallele Langseiten (8) auf weist und
daß die Schmalseiten (9) konkav abgerundet, insbesondere halbkreisförmig abgerun det sind.

12. Ultraschall-Durchflußmesser nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Langseiten (8) des Meßkanals (7) aus Metall bestehen.

13. Ultraschall-Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmalseiten (9) des Meßkanals (7) schallabsorbierend ausgebildet sind.

14. Ultraschall-Durchflußmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Einlauf (3) und der Auslauf (4) des Meßkanals (7) eine stetige Querschnitts veränderung aufweisen.