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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung einer Durchflussgeschwindigkeit eines Fluids, insbesondere einer Flüssigkeit, durch ein Volumen, gemäß dem Schutzanspruch 1.
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Durchflussgeschwindigkeiten von Fluiden, insbesondere Flüssigkeiten in Volumina, beispielsweise Rohrleitungen oder Kanälen können mittels Ultraschallmesstechnik ermittelt werden. In der Regel werden hierzu Ultraschallpulse von einem Sensor ausgesandt und von demselben Sensor oder einem zweiten Sensor empfangen. Aus typischen Größen, beispielsweise der Laufzeit des Ultraschalls auf dem Messpfad mit der Strömung und entgegen der Strömung kann die Strömungsgeschwindigkeit bestimmt werden.
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Eine derartige Vorrichtung hat jedoch eine begrenzte Messgenauigkeit.
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Ausgehend hiervon liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung mit einer gegenüber dem Stand der Technik verbesserten Messgenauigkeit anzugeben.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen angegeben.
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Demnach wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe durch eine Vorrichtung zur Messung einer Durchflussgeschwindigkeit eines Fluids, insbesondere einer Flüssigkeit, durch ein Volumen, gelöst, die Folgendes aufweist:
- - das Volumen, wobei das Volumen einen Fluideintritt und einen Fluidaustritt und mehrere zwischen dem Fluideintritt und dem Fluidaustritt angeordnete Volumenabschnitte aufweist, sowie
- - zwei oder mehr Ultraschall-Sensoren bzw. Messstrecken zum Messen einer Durchflussgeschwindigkeit eines Fluids wobei die zwei oder mehr Ultraschall-Sensoren bzw. Messstrecken ausgebildet sind, um die Durchflussgeschwindigkeit jeweils in einem dem jeweiligen Ultraschall-Sensor bzw. der jeweiligen Messstrecke zugeordneten Volumenabschnitt des Volumens zu messen, wobei die jeweils einem Ultraschall-Sensor bzw. einer Messstrecke zugeordneten Volumenabschnitte des Volumens seriell, d.h. strömungstechnisch gesehen nacheinander (unmittelbar nacheinander oder aber auch durch Trennvolumina getrennt) angeordnet sind.
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Eine Vorrichtung mit den vorstehend genannten Merkmalen führt zu einer erhöhten Messgenauigkeit und einer erhöhten Redundanz.
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In einer möglichen Ausführungsform ist wenigstens einer der zwei oder mehr Ultraschall-Sensoren bzw. wenigstens eine der zwei oder mehr Messstrecken derart angeordnet, dass er/sie die Durchflussgeschwindigkeit des Fluids in einer Durchströmungsrichtung des ihm/ihr zugeordneten Volumenabschnitts misst, wobei wenigstens ein anderer der zwei oder mehr Ultraschall-Sensoren bzw. wenigstens eine andere der zwei oder mehr Messstrecken derart angeordnet ist, dass er/sie die Durchflussgeschwindigkeit des Fluids entgegen einer Durchströmungsrichtung des ihm/ihr zugeordneten Volumenabschnitts misst. Dadurch lässt sich die Messgenauigkeit weiter erhöhen und/oder die Berechnung der Durchflussgeschwindigkeit vereinfachen.
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In einer möglichen Ausführungsform ist wenigstens einer der zwei oder mehr Ultraschall-Sensoren, sind insbesondere alle der zwei oder mehr Ultraschall-Sensoren derart angeordnet und ausgebildet, dass der jeweilige Ultraschall-Sensor die Durchflussgeschwindigkeit des Fluids wahlweise in einer Durchströmungsrichtung des ihm zugeordneten Volumenabschnitts oder entgegen einer Durchströmungsrichtung des ihm zugeordneten Volumenabschnitts misst. Dadurch kann beispielsweise jeder Ultraschall-Sensor eine Messung in der Durchströmungsrichtung und eine Messung entgegen der Durchströmungsrichtung durchführen und so kann die Durchflussgeschwindigkeit einerseits auf Basis einer Messung eines ersten Ultraschall-Sensors in der Durchströmungsrichtung und eines zweiten Ultraschall-Sensors entgegen der Durchströmungsrichtung ermittelt werden, also auch (beispielsweise zu Kontrollzwecken) auf Basis einer Messung des ersten Ultraschall-Sensors in der Durchströmungsrichtung und entgegen der Durchströmungsrichtung als auch auf Basis einer Messung des zweiten Ultraschall-Sensors in der Durchströmungsrichtung und entgegen der Durchströmungsrichtung. Dies erhöht die Redundanz der Messung und ermöglicht eine präzise Messung.
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In einer optionalen Ausgestaltung ist wenigstens einer der zwei oder mehr Ultraschall-Sensoren, sind insbesondere alle der zwei oder mehr Ultraschall-Sensoren ein Time-of-Flight-Sensor /Time-of-Flight-Sensoren bzw. ist wenigstens eine der zwei oder mehr Messstrecken, sind insbesondere alle der zwei oder mehr Messstrecken eine Time-of-Flight-Messstrecke /Time-of-Flight-Messstrecken. Dies sorgt für eine hohe Präzision der Messung bei relaiv niedrigen Kosten für die Vorrichtung und relativ niedrigem Berechnungsaufwand zur Geschwindigkeitsbestimmung.
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Die Vorrichtung kann eine Steuerung oder Regelung aufweisen, wobei die Steuerung oder Regelung einen Messhäufigkeits- bzw. Abtastraten-Geber zur Ausgabe einer variablen, insbesondere einer variierenden Messhäufigkeit bzw. Abtastrate für wenigstens einen der wenigstens zwei Ultraschall-Sensoren bzw. wenigstens eine der zwei oder mehr Messstrecken, insbesondere alle der zwei oder mehr Ultraschall-Sensoren bzw. alle der zwei oder mehr Messstrecken aufweist. Durch eine variable oder variierende Messhäufigkeit ist es möglich, Messungen, die der jeweiligen Situation angepasst sind, durchzuführen. In diesem Gedanken ist es umfasst, die Messhäufigkeit bzw. Abtastrate im Vorab einzustellen und diese dann in der jeweiligen Anwendung konstant zu belassen, so dass eine entsprechende Vorrichtung universell in verschiedenen Anwendungen einsetzbar ist oder aber auch, die Messhäufigkeit in einer Anwendung der Vorrichtung von einer Messung zu einer anderen oder aber auch innerhalb einer Messung zu variieren, um insbesondere sich ändernde Strömungsgeschwindigkeiten von Fluiden sicher und zuverlässig erfassen zu können.
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Die Steuerung oder Regelung kann ferner einen Zufallsgenerator zur Bestimmung einer zufälligen Messhäufigkeit bzw. Abtastrate aufweisen, welcher mit dem Messhäufigkeits- bzw. Abtastraten-Geber in Kommunikation steht oder Bestandteil des Messhäufigkeits- bzw. Abtastraten-Gebers ist. Durch eine zufällige Bestimmung der Messhäufigkeit bzw. Abtastrate kann insbesondere dem vorgebeugt werden, dass die Messung der Strömungsgeschwindigkeit durch eine insbesondere bewusst herbeigeführte oder aber auch zufällige gepulste Erhöhung und/oder Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit des Fluids verfälscht wird. Dies wäre beispielsweise bei einer Verbrauchsbestimmung über die Strömungsgeschwindigkeit eine Möglichkeit, verfälschte Verbrauchsdaten zu vermeiden.
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In einer möglichen Ausführungsform weist wenigstens einer, weisen insbesondere alle der zwei oder mehr Ultraschall-Sensoren bzw. wenigstens eine, insbesondere alle der zwei oder mehr Messstrecken zwei piezokeramische Elemente auf. Somit ist eine sichere Messung, insbesondere auf einer Time-of-Flight-Basis sichergestellt.
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Die Vorrichtung kann ausgebildet sein, um die Durchflussgeschwindigkeit in jedem der einem der jeweiligen Ultraschall-Sensoren bzw. Messstrecken zugeordneten Volumenabschnitte des Volumens gleichzeitig zu messen. Dadurch erhöht sich die Messgenauigkeit insbesondere bei einer gleichzeitigen Messung in und gegen die Durchflussrichtung und Latenzzeiten werden verringert.
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Die Vorrichtung kann optional dazu ausgebildet sein, um eine Messung von wenigstens zwei, insbesondere jedes der zwei oder mehr Ultraschall-Sensoren zeitgleich zu beginnen, wobei optional alle Messungen, insbesondere alle Burst-Signale, die von den Sensoren ausgesandt werden, zeitgleich beginnen bzw. ausgesandt werden, oder um eine Messung von wenigstens zwei, insbesondere jedes der zwei oder mehr Ultraschall-Sensoren zeitverschoben, insbesondere zeitverschoben nacheinander zu beginnen, wobei optional wenigstens zwei Messungen, insbesondere alle Messungen, weiterhin insbesondere zwei oder alle Burst-Signale, die von den Sensoren ausgesandt werden, zeitlich überlappen.
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Die Vorrichtung weist optional einen Messvorgang- bzw. Abtastvorgang-Initiierer auf, der jeweils einen Messvorgang bzw. einen Abtastvorgang initiiert, wobei der Messvorgang- bzw. Abtastvorgang-Initiierer mit wenigstens einem/einer, insbesondere allen der zwei oder mehr Ultraschall-Sensoren bzw. Messstrecken in Kommunikation steht, um einen Messvorgang bzw. einen Abtastvorgang an dem jeweiligen Ultraschall-Sensor bzw. der jeweiligen Messstrecke zu initiieren, insbesondere gleichzeitig zu initiieren. Auch dies sorgt für eine gute Messgenauigkeit.
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Das Volumen oder Teile desselben können röhrenförmig ausgebildet sein.
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In einer möglichen Ausführungsform weist die Vorrichtung drei oder mehr Ultraschall-Sensoren bzw. Messstrecken zur Erhöhung der Redundanz auf.
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Die Vorrichtung kann einen Frequenzgeber, der zur Vorgabe von mehreren unterschiedlichen Frequenzen ausgebildet ist, oder mehrere Frequenzgeber, die jeweils zur Vorgabe einer von den anderen Frequenzgebern unterschiedlichen Frequenz ausgebildet sind aufweisen, wobei der oder die Frequenzgeber in Kommunikation mit den zwei oder mehr Ultraschall-Sensoren bzw.Piezo-Transducern angeordnet ist (sind) und ausgebildet ist (sind), um dem jeweiligen Ultraschallsensor eine unterschiedliche Frequenz für von ihm auszugebende Burst-Signale vorzugeben.
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Die Erfindung wird im Folgenden mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen anhand einer bevorzugten Ausführungsform beispielhaft beschrieben. In den Zeichnungen zeigen
- 1 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Schnittdarstellung in Seitenansicht mit einer Detailansicht eines darin Anwendung findenden piezokeramischen Elements;
- 2 eine schematische perspektivische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
- 3 ein Beispiel für eine Messung, die mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung durchgeführt wird;
- 4 ein weiteres Beispiel für eine Messung, die mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung durchgeführt wird;
- 5 eine integrierte Schaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung; und
- 6 bis 8 Beispiele für Messungen, die mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung durchgeführt werden.
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In den Zeichnungen sind mögliche Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 zur Messung einer Durchflussgeschwindigkeit eines Fluids, insbesondere einer Flüssigkeit, durch ein Volumen 12 dargestellt. Die Vorrichtung 10 weist das Volumen12 auf, welches von dem Fluid, dessen Durchflussgeschwindigkeit zu messen ist, in einer Strömungs- bzw. Durchflussrichtung durchströmt wird. Das Volumen weist einen Fluideintritt 14 und einen Fluidaustritt 16 auf. Die Strömungs- bzw. Durchflussrichtung ist durch Pfeile 18 und 20 angedeutet, welche die Strömungs- bzw. Durchflussrichtung als sich vom Fluideintritt 14 zum Fluidaustritt 16 hin erstreckend definieren.
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Das Volumen 12 weist in den in 1 und Fig, 2 dargestellten Ausführungsformen jeweils drei (in alternativen Ausführungsformen auch zwei oder mehr als drei,allgemein also mehrere) zwischen dem Fluideintritt 14 und dem Fluidaustritt 16 angeordnete Volumenabschnitte 12-1 (erster Volumenabschnitt), 12-2 (zweiter Volumenabschnitt) und 12-3 (dritter Volumenabschnitt) auf. Der erste bis dritte Volumenabschnitt 12-1, 12-2 und 12-3 sind in der in 1 dargestellten Ausführungsform in der Strömungs- bzw. Durchflussrichtung unmittelbar nacheinander folgend zwischen dem Fluideintritt 14 und dem Fluidaustritt 16 angeordnet.
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In der in 2 dargestellten Ausführungsform sind der erste bis dritte Volumenabschnitt 12-1, 12-2 und 12-3 in der Strömungs- bzw. Durchflussrichtung ebenfalls nacheinander folgend angeordnet, jedoch nicht unmittelbar nacheinander folgend angeordnet. In der in 2 dargestellten Ausführungsform weist das Volumen 12 neben den drei Volumenabschnitten 12-1, 12-2 und 12-3 ein erstes und ein zweites Volumenabschnitt-Trennvolumen 12-12 und 12-23 auf, wobei die jeweiligen Teilvolumina des Volumens 12 betrachtet in Strömungs- bzw. Durchflussrichtung in der Reihenfolge erster Volumenabschnitt 12-1, erstes Volumenabschnitt-Trennvolumen 12-12, zweiter Volumenabschnitt 12-2, zweites Volumenabschnitt-Trennvolumen 12-23 und dritter Volumenabschnitt 12-3 angeordnet sind.
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Die drei Volumenabschnitte 12-1, 12-2 und 12-3 sind in der in 1 beschriebenen ersten Ausführungsform übereinander angeordnet (denkbar ist alternativ hierzu beispielsweise auch eine Anordnung nebeneinander oder in einer zur Vertikalen oder Horizontalen geneigten Ebene übereinander denkbar). In der zweiten Ausführungsform sind der erste Volumenabschnitt 12-1 und der zweite Volumenabschnitt 12-2 in einer Ebene nebeneinander angeordnet, während der dritte Volumenabschnitt 12-3 in einer parallel darüber-oder darunterliegenden Ebene versetzt zu dem ersten und zweiten Volumenabschnitt 12-1 und 12-2 angeordnet ist. Das erste Volumenabschnitt-Trennvolumen 12-12 ist senkrecht zu der Ebene zwischen dem ersten und zweiten Volumenabschnitt 12-1 und 12-2 angeordnet. Das zweite Volumenabschnitt-Trennvolumen 12-23 ist senkrecht zu der Ebene zwischen dem zweiten und dritten Volumenabschnitt 12-2 und 12-3 angeordnet.
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Das Volumen 12 ist röhrenförmig ausgebildet, insbesondere sind die drei Volumenabschnitte 12-1, 12-2 und 12-3, sowie auch die in der zweiten Ausführungsform vorhandenen Volumenabschnitt-Trennvolumina 12-12 und 12-23 röhrenförmig ausgebildet. Die drei Volumenabschnitte 12-1, 12-2 und 12-3, sowie auch die in der zweiten Ausführungsform vorhandenen Volumenabschnitt-Trennvolumina 12-12 und 12-23 weisen allesamt denselben Innendurchmesser auf. In alternativen Ausführungsformen wären auch unterschiedliche Innendurchmesser denkbar.
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Die Vorrichtung 10 weist in den in 1 und 2 beschriebenen Ausführungsformen drei Messstrecken bzw. Ultraschall-Sensoren auf, welche jeweils durch ein piezokeramisches Element (in der Folge auch piezokeramischer Sensor genannt) 22-1 bis 22-6 an deren Beginn und deren Ende begrenzt werden. Der erste Messstrecke ist dem ersten Volumenabschnitt 12-1 zugeordnet und wird durch einen ersten piezokeramischen Sensor 22-1 und einen zweiten piezokeramischen Sensor 22-2 begrenzt, die Bestandteile des ersten Ultraschall-Sensors sind. Die zweite Messstrecke ist dem zweiten Volumenabschnitt 12-2 zugeordnet und wird durch einen dritten piezokeramischen Sensor 22-3 und einen vierten piezokeramischen Sensor 22-4 begrenzt, die Bestandteile des zweiten Ultraschall-Sensors sind. Die dritte Messtrecke ist dem dritten Volumenabschnitt 12-3 zugeordnet und wird durch einen fünften piezokeramischen Sensor 22-5 und einen sechsten piezokeramischen Sensor 22-6 begrenzt, die Bestandteile des dritten Ultraschall-Sensors sind. Die piezokeramischen Sensoren 22-1 bis 22-6 sind in einer jeweiligen Volumenwand angeordnet, alternativ auch an der Außenseite der jeweiligen Volumenwand angeordnet. Jede Messstrecke ist zum Messen der Durchflussgeschwindigkeit eines sie durchströmenden Fluids und somit der Durchflussgeschwindigkeit des den jeweiligen zugeordneten Volumenabschnitt 12-1 bis 12-3 durchströmenden Fluids vorgesehen.
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Die erste und die dritte Messstrecke bzw. die Ultraschall-Sensoren in Form der piezokeramischen Sensoren 22-1 bis 22-6 sind derart ausgebildet bzw. angeordnet, dass die Durchflussgeschwindigkeit des Fluids von den jeweiligen Ultraschall-Sensoren 22-1, 22-2 und 22-5, 22-6 in der Durchströmungsrichtung des jeweiligen zugeordneten Volumenabschnitts 12-1 und 12-3 gemessen wird. Die zweite Messstrecke bzw. der zweite Ultraschall-Sensor ist derart angeordnet, dass die Durchflussgeschwindigkeit des Fluids von dem zweiten Ultraschall-Sensor entgegen der Durchströmungsrichtung des zugeordneten Volumenabschnitts 12-2 gemessen wird.
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Alternativ ist es möglich, dass eine oder mehrere der Messstrecken bzw. die Ultraschall-Sensoren in Form der piezokeramischen Sensoren 22-1 bis 22-6 derart ausgebildet bzw. angeordnet sind, dass die Durchflussgeschwindigkeit des Fluids von den jeweiligen Ultraschall-Sensoren 22-1, 22-2und 22-3, 22-4 und 22-5, 22-6 in der Durchströmungsrichtung des jeweiligen zugeordneten Volumenabschnitts 12-1 und 12-3 gemessen und entgegen der Durchströmungsrichtung des zugeordneten Volumenabschnitts 12-2 beispielsweise nacheinander gemessen wird, wobei vorzugsweise wenigstens einer der Ultraschall-Sensoren 22-1, 22-2und 22-3, 22-4 und 22-5, 22-6 eine Messung in der Durchströmungsrichtung durchführt, während wenigstens ein anderer der Ultraschall-Sensoren 22-1, 22-2und 22-3, 22-4 und 22-5, 22-6 zeitgleich oder zeitlich versetzt, vorzugsweise zeitlich überlappend eine Messung entgegen der Durchströmungsrichtung durchführt.
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In den in 1 und 2 beschriebenen Ausführungsformen erfolgt die Messung der Durchflussgeschwindigkeit mittels des Time-of-Flight-Prinzips, d.h. Laufzeit-Prinzips. Hierzu sind alle der Ultraschall-Sensoren , d.h. alle der piezokeramischen Sensoren 22-1 bis 22-6 Time-of-Flight-Sensoren. Somit sind alle Messstrecken Time-of-Flight-Messstrecken. Alternativ hierzu könnte eine(r) oder könnten mehrere der Messstrecken bzw. Ultraschallsensoren auf dem Sing-around-Prinzip oder dem Ultraschalldoppler-Prinzip basiert sein.
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Die Vorrichtung weist eine Regelung 24 (vgl. hierzu 2, alternativ ist auch eine Steuerung denkbar), die einen Messhäufigkeits- bzw. Abtastraten-Geber 26 zur Ausgabe einer variierenden Messhäufigkeit bzw. Abtastrate für alle der piezokeramischen Sensoren 22-1 bis 22-6 bzw. Messstrecken aufweist. Die Regelung 24 weist ferner einen Zufallsgenerator 28 zur Bestimmung einer zufälligen Messhäufigkeit bzw. Abtastrate auf, welcher mit dem Messhäufigkeits- bzw. Abtastraten-Geber 26 in Kommunikation steht (in alternativen Ausführungsformen Bestandteil des Messhäufigkeits- bzw. Abtastraten-Gebers sein kann). Dadurch ist eine maximale Variabilität der Messung sichergestellt. Die Messung kann an alle Anforderungen des Durchflussgeschwindigkeitsprofils angepasst werden bzw. auf Änderungen der Durchflussgeschwindigkeit reagieren. Um die Messung manipulationssicherer zu gestalten kann die Messhäufigkeit unter Steuerung der Regelung 24 zeitweise oder auch ständig durch den Zufallsgenerator 28 bestimmt werden.
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Die Vorrichtung 10 ist ausgebildet, um die Durchflussgeschwindigkeit in jedem der Volumenabschnitte 12-1, 12-2 und 12-3 gleichzeitig zu messen. Auch hierfür ist die Regelung 24 zu einer entsprechenden Verfahrensführung ausgelegt und ausgebildet. Zur Realisierung der gleichzeitigen Messungen weist die Vorrichtung 10 einen Messvorgang- bzw. Abtastvorgang-Initiierer 30 auf, der jeweils einen Messvorgang bzw. einen Abtastvorgang initiiert. Hierzu steht der Messvorgang- bzw. Abtastvorgang-Initiierer 30 mit den piezokeramischen Sensoren 22-1 bis 22-6 bzw. Messstrecken in Kommunikation, um einen Messvorgang bzw. einen Abtastvorgang an dem jeweiligen Ultraschall-Sensor bzw. der jeweiligen Messstrecke gleichzeitig zu initiieren. Alternativ hierzu können die einzelnen Messvorgänge bzw. Abtastvorgänge auch zeitversetzt erfolgen. Auch hierzu dient der Messvorgang- bzw. Abtastvorgang-Initiierer 30 in Verbindung mit der Regelung 24.
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In 3 ist ein Beispiel einer Messung dargestellt, in der Burst-Signale durch die jeweiligen piezokeramischen Sensoren 22-1, 22-4 und 22-5 gleichzeitig ausgegeben werden. Die von den piezokeramischen Sensoren 22-1 und 22-5 ausgegebenen Burst-Signale dienen dabei einer Messung der Durchflussgeschwindigkeit des Fluids in der Durchströmungsrichtung des jeweiligen zugeordneten Volumenabschnitts 12-1 und 12-3. Das von dem piezokeramischen Sensor 22-4 ausgegebene Burst-Signal dient einer Messung der Durchflussgeschwindigkeit des Fluids entgegen der Durchströmungsrichtung des zugeordneten Volumenabschnitts 12-2. Die von den piezokeramischen Sensoren 22-2, 22-3 und 22-6 detektierten Messsignale dienen der Berechnung des Laufzeitunterschieds der Messignale in der Durchströmungsrichtung (von den piezokeramischen Sensoren 22-2, und 22-6 detektierte Messsignale) und des Messignals/der Messsignale entgegen der Durchströmungsrichtung (von dem piezokeramischen Sensor 22-23 detektierte(s) Messsignal(e)). Dadurch kann die Durchflussgeschwindigkeit des Fluids ermittelt werden.
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In 4 ist ein Beispiel einer alternativen Messung dargestellt, in der Burst-Signale durch die jeweiligen piezokeramischen Sensoren 22-1, 22-4 und 22-5 zeitverschoben ausgegeben werden, wobei die Messungen und die Burst-Signale einander zeitlich überlappen.
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Die beiden vorstehend beschriebenen Messungen werden erst durch die erfindungsgemäße Konstruktion ermöglicht, da in den erfindungegemäßen Vorrichtungen keine Interferenzen zwischen den Messungen in der Durchströmungsrichtung und entgegen der Durchströmungsrichtung auftreten.
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Die Vorrichtung 10 weist, um eine hohe Redundanz sicherzustellen, die beschriebenen drei Messstrecken auf. In alternativen Ausführungsformen kann zu einer weiteren Erhöhung der Redundanz eine Anordnung mit vier oder mehr als vier Messstrecken und entsprechenden Ultraschall-Sensoren erfolgen.
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Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 sind gut für Messungen in Extrem-Bereichen, beispielsweise im Niedrigfluss-Bereich (0 - 6000 ml/min), für Messungen unter pulsierenden Bedingungen (Pulsbreiten unter einer Millisekunde) und für hochpräzise Durchflussmessungen geeignet. Die Vorrichtung 10 kann eine genaue und schnelle Messung (insbesondere durch die gleichzeitige Messung in und entgegen der Durchflussrichtung und durch die hohe Anzahl der Messstrecken) gewährleisten, um den Durchfluss zu kontrollieren, insbesondere um kurzzeitige Erhöhungen oder Verringerungen der Durchflussgeschwindigkeit sicher erfassen zu können. Durch die Variabilität der Abtast-(Mess-)Frequenz ist es möglich, Durchflusspulse auch wenn Sie nur eine kurze Zeit dauern, sicher zu erfassen.
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Einer der grundlegenden Vorteile der Ultraschallmessung bei dieser Art von Anwendung ist, dass sie aufgrund der fehlenden beweglichen Elemente nicht empfindlich auf Vibrationen reagiert. Ultraschallmessungen können in einem Modus durchgeführt werden, der nur eine niedrige Leistung voraussetzt, was den Stromverbrauch reduziert und ein kleineres Energiebudget ermöglicht. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Geräte nicht so sperrig sind wie bei anderen Messprinzipien, beispielsweise mechanischen Messungen.
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Diese Art der Anwendung von kurz gepulsten Durchflussmessungen, wie sie in der Vorrichtung 10 realisiert wird bzw. werden kann, dient nicht ausschließlich hochpräzisen kontinuierlichen Durchflussmessungen, auch wenn sie hierfür vorzüglich geeignet ist, sondern weist eine Messgeschwindigkeit auf, die auch höchste Durchflüsse, insbesondere aber auch Durchflüsse, die zeitlich stark variieren, bestimmen kann.
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Wie bereits erwähnt, sind mehrere Arten von Ultraschallmessungen für eine erfindungsgemäße Vorrichtung denkbar, insbesondere Messungen basierend auf Doppler-Effekt, Laufzeit bzw. Time-of-Flight oder basierend auf dem Sing-around-Verfahren. Messungen mit Doppler-Effekt erfordern in der Regel teure Sensoren, die sehr genau sind. Das Sing-around-Verfahren kann präzise Messungen liefern, bedingt aber eine relativ lange Messzeit in einer Richtung und dann in der anderen Richtung.
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Für eine präzise Messung im Niedrigdurchfluss-Bereich mit dem Ultraschall-Laufzeit-Prinzip ist es vorteilhaft, einen relativ langen Messweg zu schaffen - was entweder durch eine entsprechend angepasste Volumenlänge, beispielsweise Rohrlänge oder durch eine Anordnung von reflektierenden Elementen erreicht werden kann.
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Der Messabstand beträgt in erfindungsgemäßen Vorrichtungen 10 in den beschriebenen Ausführungsformen jeweils 120 bzw. 130 mm, in alternativen Ausführungsformen zwischen 100mm und 150mm, wodurch je nach Fluid bzw. Medium eine Laufzeit von 60 µs bis 120 µs oder mehr in einer Richtung bedingt wird.
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Durch die Verwendung von zwei oder mehr in Reihe geschalteten Messstrecken, die synchronisiert, insbesondere gleichzeitig, betrieben werden können, um eine momentane Durchflussrate zu erhalten (gleichzeitige Messung in Durchflussrichtung und entgegen der Durchflussrichtung an zwei Messzonen), kann die Abtastfrequenz vervielfacht werden. Dies bedeutet, dass die Messung nur in einem Zyklus erfolgt, was Abtastfrequenzen bis zu 10 kHz ermöglicht. Aufgrund dieser Abtastfrequenz müssen nicht richtig erfassbare Impulse in der Durchflussrate kürzer als 0,2 ms sein.
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Die Vorrichtung 10, insbesondere die Regelung 24 der Vorrichtung 10 kann eine integrierte Schaltung 32 aufweisen, wie beispielsweise aus 5 ersichtlich ist. Die integrierte Schaltung 32 weist mehrere Anschlüsse 34-1 bis 34-6 und diesen zugeordnete Kanäle auf, welche den in der Vorrichtung 10 vorhandenen Ultraschall-Sensoren, d.h. den piezokeramischen Elementen bzw. piezokeramischen Sensoren 22-1 bis 22-6 zugeordnet sind. Die integrierte Schaltung kann alternativ mehr oder weniger Anschlüsse und jeweils zugeordnete Kanäle aufweisen, vorzugsweise ist die Anzahl der Anschlüsse 34-1 bis 34-6 und Kanäle gleich zu der Anzahl der piezokeramischen Sensoren 22-1 bis 22-6, so dass jedem piezokeramischen Sensor 22-1 bis 22-6 bzw. jedem sensorisch aktiven Element jedes Ultraschall-Sensors ein Anschluss und ein Kanal zugeordnet ist. Über die Anschlüsse 34-1 bis 34-6 können Burst-Signale ausgegeben und Messsignale empfangen werden.
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Die integrierte Schaltung 32 hat mehrere Eingänge für Frequenzgeber, die unterschiedliche Frequenzen vorgeben, d.h. Frequenzgeber unterschiedlicher Frequenz, um unterschiedliche Frequenzen für die von den Ultraschall-Sensoren auszugebenden Burst-Signale (Steuer-Pulse) zuzuführen, die die integrierte Schaltung 32 dann wiederum über die Anschlüsse 34-1 bis 34-6 zu den Ultraschall-Sensoren in Form der piezokeramischen Sensoren 22-1 bis 22-6 ausgibt. Alternativ hierzu wäre auch ein Frequenzgeber mit variabler Frequenzausgabe denkbar. Eine Verwendung unterschiedlichen Frequenzen kann Randbedingungen der Messungen wie beispielsweise Temperatur und Druck des strömenden Fluids bzw. der Umgebung kompensieren.
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Beispiele für Messungen, die wie auch die Messung in 3 durch die Regelung 24 bzw. durch die integrierte Schaltung 32 durchgeführt werden können, sind in den 6 bis 8 dargestellt, hier beispielhaft für n Ultraschall-Sensoren (was einer Anzahl von 2n piezokeramischen Elementen bzw. Sensoren entspricht). Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen ist n=3.
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In 6 ist eine Messung mit n Kanälen dargestellt, analog zu 3 ist der Signalverlauf über der Zeit dargestellt. Der Zeitpunkt des Starts jeder Messung für einen Kanal, in amderen Worten gesagt der Zeitpunkt des Starts jedes Messkanals kann in der bzw. durch die integrierte Schaltung 32 vorbestimmt bzw. konfiguriert werden und die Kanäle können gepaart werden. Hier sind die Kanäle 1 und 2, 3 und 4, sowie 5 und 6 jeweils gepaart. Die gepaarten Kanäle können gleichzeitig in konfigurierbaren Messrichtungen, d.h. in der Durchströmungsrichtung (in den Figuren als „upstream“ bezeichnet) oder entgegen der Durchströmungsrichtung mit einem für jede Gruppe individuell programmierten Zeitversatz (in der Fig. als „Offset“ bezeichnet gezündet werden, d.h. das jeweilige Burst-Signal kann gleichzeitig in konfigurierbaren Richtungen mit einem für jede Gruppe individuell programmierten Zeitversatz ausgesandt werden. Es ist aus 4 ferner erkennbar, dass für jeden Kanal abwechselnd eine Messung in der Durchströmungsrichtung (upstream) und entgegen der Durchströmungsrichtung (downstream“) durchgeführt wird.
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Ein weiteres Beispiel ist in 7 dargestellt, wobei aus dieser Figur ersichtlich ist, dass in einer beispielhaften Messung das Burst-Signal für jeden Kanal (Sensor) gleichzeitig gezündet bzw. ausgesandt wird. In diesem sog. synchronen Messmodus werden alle Kanäle in der gleichen Richtung gleichzeitig gezündet und dann mit einem vorbestimmbaren bzw. programmierbaren Zeitversatz in der anderen Richtung allesamt gleichzeitig gezündet. Alle Kanäle sind in einer Gruppe (Kanalgruppe) gruppiert und werden mit einem programmierbaren Zeitversatz in die gleiche Richtung gezündet.
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Ein weiteres Beispiel ist in 8 dargestellt, welches dem Messprinzip der 4 entspricht. Aus dieser Figur ist ersichtlich, dass im sog. seriellen Messmodus die Kanäle in einer Sequenz mit einem Zeitversatz zwischen den Kanälen gezündet werden. Die Kanäle, die in Serie mit Zeitversatz gezündet werden, sind vorbestimmbar bzw. programmierbar, und die Richtung ist für jeden von ihnen ist ebenso vorbestimmbar bzw. konfigurierbar.
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Die integrierte Schaltung 32 weist in der beschriebenen Ausführungsform eine Arithmetik- und Logik-Einheit (ALU) auf. Die ALU kann so konfiguriert werden, dass sie eine spezifische Kalibrierung für die Messmodi (Messmodus serialisierte angepasste Kanäle, Messmodus Simultanmodus, Messmodus serialisierter Modus) berechnet.
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Die Kanäle der integrierten Schaltung 32 werden elektronisch kompensiert, um sie aufeinander abzustimmen.
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Die hier beschriebene integrierte Schaltung 32 verwendet eine Multi-Hit-Time-of-Flight-Technologie, jede Messung hat mehrere Messtreffer, d.h. die Messung erfolgt nur in einem Zyklus, was eine hohe Abtastfrequenz ermöglicht.
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Ist eine gleichzeitige Messung in Durchströmungsrichtung und entgegen der Durchströmungsrichtung mit einem einzigen Kanal, d.h. in einer Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik erforderlich, so treffen die Signale im Medium aufeinander und verfälschen sich gegenseitig, was zu ungenauen Messungen führt.
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Die erfindungsgemäße Lösung verwendet mehrere Kanäle, die gepaart werden können, um je nach Konfiguration in die gleiche Richtung oder in verschiedene Richtungen gezündet zu werden. Die Kanäle können synchronisiert oder seriell mit einem programmierbaren Zeitversatz gezündet werden.
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Die vorstehen beschriebene integrierte Schaltung 32 bietet die Flexibilität, jeden Kanal auf eine gewählte Art und Weise, Richtung, Zeitversatz und Kalibrierung basierend auf der gewählten Messtechnik zu konfigurieren.Neben dem Vorrichtungsaspekt, der eine erfindungsgemäße Vorrichtung 10 angibt, ist es ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung, eine Regelung oder Steuerung für eine Vorrichtung 10 anzugeben, die die vorstehend beschriebenen Messungen durchühren kann. Dieser Aspekt umfasst u.a.
- (a) eine integrierte Schaltung 32 aufweisend wenigstens zwei Kanäle bzw. Messkanäle, wobei jeder Kanal für einen Anschluss eines Ultraschall-Sensors vorgesehen ist, welcher zur Messung einer Durchflussgeschwindigkeit eines Fluids, insbesondere einer Flüssigkeit, durch ein Volumen 12 ausgebildet ist.
- (b) eine integrierte Schaltung 32 nach (a), wobei die integrierte Schaltung 32 ausgebildet ist, um jeweils zwei oder mehr Kanäle zu gruppieren.
- (c) eine integrierte Schaltung 32 nach (a) oder (b), wobei die integrierte Schaltung 32 ausgebildet ist, um ein Startsignal für eine Messung für einen Kanal bzw. zugeordneten Ultraschall-Sensor auszugeben bzw. bereitzustellen.
- (d) eine integrierte Schaltung 32 nach (a) oder (b) oder (c), wobei die integrierte Schaltung 32 ausgebildet ist, um ein Messrichtungssignal für einen Kanal bzw. zugeordneten Ultraschall-Sensor auszugeben.
- (e) eine integrierte Schaltung 32 nach (a) oder (b) oder (c) oder (d), wobei die integrierte Schaltung 32 ausgebildet ist, um einen Zeitversatz für verschiedene Messungen bzw. Kanäle oder Kanalgruppen zu bestimmen.
- (f) eine integrierte Schaltung 32 nach (a) oder (b) oder (c) oder (d) oder (e), wobei die integrierte Schaltung 32 ausgebildet ist, um ein Startsignal für eine Messung für wenigstens zwei Kanäle bzw. zugeordnete Ultraschall-Senoren gleichzeitig auszugeben bzw. bereitzustellen.
- (g) eine integrierte Schaltung 32 nach (a) oder (b) oder (c) oder (d) oder (e), wobei die integrierte Schaltung 32 ausgebildet ist, um ein Startsignal für eine Messung für wenigstens zwei Kanäle bzw. zugeordnete Ultraschall-Senoren zeitversetzt auszugeben bzw. bereitzustellen.
- (h) eine integrierte Schaltung 32 nach (a) oder (b) oder (c) oder (d) oder (e) oder (f) oder (g), wobei die integrierte Schaltung 32 ausgebildet ist, um die Kanäle der integrierten Schaltung 32 elektronisch zu kompensieren, um sie aufeinander abzustimmen.
- (i) eine integrierte Schaltung 32 nach (a) oder (b) oder (c) oder (d) oder (e) oder (f) oder (g) oder (h), wobei die integrierte Schaltung 32 mehrere Eingänge aufweist, welche für eine Kommunikation mit einem oder mehreren Frequenzgeber(n) ausgebildet sind, der (die) unterschiedliche Frequenzen vorgibt (vorgeben), um unterschiedliche Frequenzen für die von den Ultraschall-Sensoren auszugebenden Burst-Signale vorzusehen oder wobei die integrierte Schaltung 32 einen oder mehrere Frequenzgeber aufweist, der (die) ausgebildet ist (sind), um unterschiedliche Frequenzen vorzugeben, um unterschiedliche Frequenzen für die von den Ultraschall-Sensoren auszugebenden Burst-Signale vorzusehen.
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Neben den oben ausgeführten apparativen Aspekten ist es ein weiterer Gedanke der vorliegenden Erfindung, entsprechende Verfahren anzugeben. Es sind dies im Einzelnen:
- 1. Verfahren zum Messen einer Durchflussgeschwindigkeit eines Fluids, insbesondere einer Flüssigkeit, durch ein Volumen (12) mittels Ultraschall, aufweisend:
- (a) Messen einer Durchflussgeschwindigkeit des Fluids in einem ersten Volumenabschnitt (12-1) mit einem ersten Ultraschall-Sensor (22-1, 22-2) und
- (b) Messen einer Durchflussgeschwindigkeit des Fluids in einem zweiten Volumenabschnitt (12-2) mit einem zweiten Ultraschall-Sensor (22-3, 22-4), wobei die dem jeweiligen Ultraschall-Sensor (22-1 und 22-2, 22-3 und 22-4) zugeordneten Volumenabschnitte (12-1, 12-2) des Volumens (12) seriell bzw. nacheinanderfolgend angeordnet sind.
- 2. Verfahren nach 1., ferner aufweisend
- (c) Messen einer Durchflussgeschwindigkeit des Fluids in einem dritten Volumenabschnitt (12-3) mit einem dritten Ultraschall-Sensor (22-5, 22-6),
wobei der dem dritten Ultraschall-Sensor (22-5, 22-6) zugeordnete Volumenabschnitt (12-3) des Volumens (12) stromabwärts des ersten und zweiten Volumenabschnitts (12-1, 12-2) angeordnet ist. - 3. Verfahren nach 2., ferner aufweisend
- (d) Messen einer Durchflussgeschwindigkeit des Fluids in einem oder mehreren weiteren Volumenabschnitt(en) mit einem oder mehreren weiteren Ultraschall-Sensor(en), wobei jedem weiteren Volumenabschnitt ein Ultraschall-Sensor des einen oder der mehreren weiteren Ultraschall-Sensors (Ultraschall-Sensoren) zugeordnet ist,
wobei der (die) weitere(n) Volumenabschnitt(e) stromabwärts des dritten Volumenabschnitts (12-3) seriell bzw. nacheinanderfolgend angeordnet sind. - 4. Verfahren nach einem von 1. bis 3., wobei wenigstens einer der Ultraschall-Sensoren (22-1 bis 22-6) die Durchflussgeschwindigkeit des Fluids in einer Durchströmungsrichtung des ihm zugeordneten Volumenabschnitts (12-1 bis 12-3) misst und wobei wenigstens ein anderer der Ultraschall-Sensoren (22-1 bis 22-6) die Durchflussgeschwindigkeit des Fluids entgegen einer Durchströmungsrichtung des ihm zugeordneten Volumenabschnitts (12-1 bis 12-3) misst.
- 5. Verfahren nach einem von 1. bis 4., wobei
wenigstens einer der Ultraschall-Sensoren (22-1 bis 22-6), insbesondere alle der Ultraschall-Sensoren (22-1 bis 22-6) mittels eines Time-of-Flight-Verfahrens misst (messen) bzw. wenigstens einer der Ultraschall-Sensoren (22-1 bis 22-6), insbesondere alle der Ultraschall-Sensoren (22-1 bis 22-6) (ein) Time-of-Flight-Sensor ist (sind).
- 6. Verfahren nach einem von 1. bis 5., wobei
wenigstens einer der Ultraschall-Sensoren (22-1 bis 22-6), insbesondere alle der Ultraschall-Sensoren (22-1 bis 22-6) mit einer variablen, insbesondere variierenden Messhäufigkeit bzw. Abtastrate betrieben wird (werden) bzw. misst (messen).
- 7. Verfahren nach einem von 1. bis 6., wobei
wenigstens einer der Ultraschall-Sensoren (22-1 bis 22-6), insbesondere alle der Ultraschall-Sensoren (22-1 bis 22-6) mit einer zufälligen Messhäufigkeit bzw. Abtastrate betrieben wird (werden) bzw. misst (messen).
- 8. Verfahren nach einem von 1. bis 7., wobei
wenigstens zwei der Ultraschall-Sensoren (22-1 bis 22-6), insbesondere alle der Ultraschall-Sensoren (22-1 bis 22-6) die Durchflussgeschwindigkeit in dem dem jeweiligen Ultraschall-Sensor (22-1 bis 22-6) zugeordneten Volumenabschnitt (12-1 bis 12-3) des Volumens (12) zeitgleich beginnen.
- 9. Verfahren nach einem von 1. bis 7., wobei
wenigstens zwei der Ultraschall-Sensoren (22-1 bis 22-6), insbesondere alle der Ultraschall-Sensoren (22-1 bis 22-6) die Durchflussgeschwindigkeit in dem dem jeweiligen Ultraschall-Sensor (22-1 bis 22-6) zugeordneten Volumenabschnitt (12-1 bis 12-3) des Volumens (12) zeitverschoben, insbesondere zeitverschoben nacheinander beginnen, wobei wenigstens zwei Messungen, insbesondere alle Messungen, weiterhin insbesondere zwei oder alle Burst-Signale, die von den Sensoren ausgesandt werden, zeitlich überlappen.
- 10. Verfahren nach einem von 1. bis 9., wobei
einem oder mehreren, insbesondere allen der Ultraschall-Sensoren (22-1 bis 22-6) eine unterschiedliche Frequenz für von ihm auszugebende Burst-Signale vorgegeben wird. Obwohl die Erfindung anhand von Ausführungsformen mit festen Merkmalskombinationen beschrieben wird, umfasst sie jedoch auch die denkbaren weiteren vorteilhaften Kombinationen, wie sie insbesondere, aber nicht erschöpfend, durch die Unteransprüche angegeben sind. Sämtliche in den Anmeldungsunterlagen offenbarten Merkmale werden als erfindungswesentlich beansprucht, soweit sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Vorrichtung 10 zur Messung einer Durchflussgeschwindigkeit eines Fluids
- 12
- Volumen
- 12-1
- erster Volumenabschnitt
- 12-2
- zweiter Volumenabschnitt
- 12-3
- dritter Volumenabschnitt
- 12-12
- erstes Volumenabschnitt-Trennvolumen
- 12-23
- zweites Volumenabschnitt-Trennvolumen
- 14
- Fluideintritt
- 16
- Fluidaustritt
- 18
- Pfeil
- 20
- Pfeil
- 22-1
- erster piezokeramischer Sensor
- 22-2
- zweiter piezokeramischer Sensor
- 22-3
- dritter piezokeramischer Sensor
- 22-4
- vierter piezokeramischer Sensor
- 22-5
- fünfter piezokeramischer Sensor
- 22-6
- sechster piezokeramischer Sensor
- 24
- Regelung
- 26
- Messhäufigkeits- bzw. Abtastraten-Geber
- 28
- Zufallsgenerator
- 30
- Messvorgang- bzw. Abtastvorgang-Initiierer
- 32
- integrierte Schaltung
- 34-1
- Anschluss
- 34-2
- Anschluss
- 34-3
- Anschluss
- 34-4
- Anschluss
- 34-5
- Anschluss
- 34-6
- Anschluss
