DE202020101838U1

DE202020101838U1 - Flow meter

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Publication number: DE202020101838U1
Application number: DE202020101838.8U
Authority: DE
Original assignee: Sick Engineering GmbH
Current assignee: Sick Engineering GmbH
Priority date: 2020-04-03
Filing date: 2020-04-03
Publication date: 2021-07-12
Anticipated expiration: 2030-04-04

Abstract

Durchflussmessgerät zur Messung des Durchflusses eines Fluids (18) mit- einem Messaufnehmer (112), der eine Rohrleitung (114) für das Fluid (18) aufweist,- zwei, in Längsrichtung (126) der Rohrleitung (114) beabstandete phased-array Ultraschallwandlereinheiten (120, 122), die Ultraschallsignale in verschiedene Winkel abstrahlen und empfangen können,- einer Steuer- und Auswerteeinheit (128) zur Ansteuerung der Ultraschallwandlereinheiten (120, 122) und Auswertung der empfangenen Ultraschallsignale und Bestimmen des Durchflusses unter Verwendung der Laufzeit der Ultraschallsignale auf den Messpfaden (124),- wobei die Ultraschallwandlereinheiten (120, 122) zwischen sich je nach Winkel der abgestrahlten Ultraschallsignale wenigstens zwei Messpfade (124-0, 124-1, 124-2, 124-3, 124-4, 124-5) definieren, auf denen die Ultraschallsignale von einer zur anderen Ultraschallwandlereinheit gelangen,- wobei wenigstens einer der Messpfade (124-1, 124-2, 124-3, 124-4, 124-5) wenigstens eine Reflexion (130) an einer Rohrwand (116) der Rohrleitung (114) aufweist und durch die Reflexion bzw. Reflexionen Pfadabschnitte (124-1a, 124-1b) definiert sind,- wobei die Ultraschallwandlereinheiten (120, 122) in einem Einbauwinkel (β) liegen, der zwischen 20° und 140° liegt.Flow meter for measuring the flow of a fluid (18) with a measuring sensor (112) which has a pipe (114) for the fluid (18), - two phased-array ultrasonic transducer units spaced in the longitudinal direction (126) of the pipe (114) (120, 122), which can emit and receive ultrasonic signals at different angles, - a control and evaluation unit (128) for controlling the ultrasonic transducer units (120, 122) and evaluating the received ultrasonic signals and determining the flow using the transit time of the ultrasonic signals the measuring paths (124), - the ultrasonic transducer units (120, 122) having at least two measuring paths (124-0, 124-1, 124-2, 124-3, 124-4, 124-5) between them, depending on the angle of the emitted ultrasonic signals ) on which the ultrasonic signals pass from one to the other ultrasonic transducer unit, - at least one of the measurement paths (124-1, 124-2, 124-3, 124-4, 124-5) at least one reflection (130) on a pipe wall (116) of the pipeline (114) and path sections (124-1a, 124-1b) are defined by the reflection or reflections, - the ultrasonic transducer units (120, 122) at an installation angle (β) between 20 ° and 140 °.

Description

Die Erfindung betrifft ein Durchflussmessgerät auf Ultraschallbasis.The invention relates to a flow measuring device based on ultrasound.

Für die Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit oder des Durchflusses auf Ultraschallbasis sind unterschiedliche Messprinzipien bekannt. Bei einem Dopplerverfahren wird die je nach Strömungsgeschwindigkeit unterschiedliche Frequenzverschiebung eines innerhalb des strömenden Fluid reflektierten Ultraschallsignals ausgewertet. Bei einem Differenzlaufzeitverfahren wird ein Paar Ultraschallwandler am Umfang der Rohrleitung mit einem gegenseitigen Versatz in Längsrichtung montiert, die quer zu der Strömung entlang des zwischen den Ultraschallwandlern aufgespannten Messpfades wechselseitig Ultraschallsignale aussenden und registrieren. Die durch das Fluid transportierten Ultraschallsignale werden je nach Laufrichtung durch die Strömung beschleunigt oder abgebremst. Die resultierende Laufzeitdifferenz wird mit geometrischen Größen zu einer mittleren Strömungsgeschwindigkeit des Fluids verrechnet. Mit der Querschnittsfläche ergibt sich daraus der Volumenstrom oder Durchfluss. Für genauere Messungen können auch mehrere Messpfade mit jeweils einem Paar Ultraschallwandler vorgesehen sein, um einen Strömungsquerschnitt an mehr als einem Punkt zu erfassen. Für eine hohe Messgenauigkeit bei unsymmetrischen Geschwindigkeitsverteilungen über dem Strömungsquerschnitt, sind mehrere Messpfade erforderlich, die nicht durch die Rohrachse verlaufen, so genannte nicht-diametrale Messpfade bzw. Sekantenpfade.Different measuring principles are known for determining the flow velocity or the flow on the basis of ultrasound. In a Doppler method, the frequency shift, which varies depending on the flow velocity, of an ultrasonic signal reflected within the flowing fluid is evaluated. In a differential transit time method, a pair of ultrasonic transducers is mounted on the circumference of the pipeline with a mutual offset in the longitudinal direction, which alternately emit and register ultrasonic signals transversely to the flow along the measuring path spanned between the ultrasonic transducers. The ultrasonic signals transported by the fluid are accelerated or decelerated by the flow, depending on the direction of travel. The resulting difference in transit time is calculated using geometric variables to form an average flow rate of the fluid. The volume flow or flow rate results from the cross-sectional area. For more precise measurements, several measurement paths, each with a pair of ultrasonic transducers, can be provided in order to detect a flow cross-section at more than one point. For a high measurement accuracy with asymmetrical velocity distributions over the flow cross-section, several measurement paths are required which do not run through the pipe axis, so-called non-diametrical measurement paths or secant paths.

Die zur Erzeugung des Ultraschalls eingesetzten Ultraschallwandler müssen den Ultraschall in das Fluid einkoppeln. Eine verbreitete Lösung besteht darin, die Ultraschallwandler mit direktem Kontakt zum Fluid in die Leitung hineinragen zu lassen. Die Nachteile sind eine Störung der Strömung und damit ungenaue Messergebnisse, ein direkter Kontakt mit dem Fluid und dessen Druck und Temperatur und mögliche Ablagerungen von Verunreinigungen aus dem Fluid.The ultrasonic transducers used to generate the ultrasound must couple the ultrasound into the fluid. A common solution is to let the ultrasonic transducers protrude into the line in direct contact with the fluid. The disadvantages are a disruption of the flow and thus inaccurate measurement results, direct contact with the fluid and its pressure and temperature, and possible deposits of impurities from the fluid.

Grundsätzlich sind auch Techniken bekannt, bei denen die Innenwand vollständig geschlossen bleibt, indem mittels der sogenannten Clamp-On-Montage Ultraschallwandler von außen an der Leitung befestigt werden und der Ultraschall dann nachteilig durch die Rohrwand in das Medium eindringen muss.In principle, techniques are also known in which the inner wall remains completely closed, in that ultrasonic transducers are attached to the line from the outside by means of so-called clamp-on assembly and the ultrasound then disadvantageously has to penetrate through the pipe wall into the medium.

Aus der Doktorarbeit „Development of piezoelectric and electrodynamic flexural transducers for air-coupled ultrasonics“ von Tobias Eriksson, Univ. of Warwick, Sept. 2016 , herunterladbar unter https://pugwash.lib.warwick.ac.uk/record=b3084015-S15 ist der Einsatz von sogenannten „phased-array“ Ultraschallwandlereinheiten bekannt. Ein „phased-array“ besteht aus einzelnen, in einem Array angeordneten Ultraschallwandlern, die zusammen in Überlagerung ein Ultraschallsignal abgeben, dessen Abstrahlrichtung durch Änderung der einzelnen Phasen der einzelnen Ultraschallwandler änderbar ist. Diese „phased-array“ Ultraschallwandlereinheiten werden in Öffnungen eines Strömungskanals eingesetzt und sind dann möglichst bündig mit der Rohrwand und können je nach Ansteuerung Ultraschallsignale in verschiedene Winkel abstrahlen. Wie in der Doktorarbeit ausgeführt, kann dadurch ein einziges Paar von phased-array-Ultraschallwandlereinheiten mehrere Paare von traditionellen Ultraschallwandlern ersetzen, wie dies in 1.1 der Doktorarbeit dargestellt ist. From the doctoral thesis "Development of piezoelectric and electrodynamic flexural transducers for air-coupled ultrasonics" by Tobias Eriksson, Univ. of Warwick, Sept. 2016 , downloadable from https://pugwash.lib.warwick.ac.uk/record=b3084015-S15, the use of so-called “phased-array” ultrasonic transducer units is known. A “phased array” consists of individual ultrasonic transducers arranged in an array, which together emit an ultrasonic signal in superposition, the direction of which can be changed by changing the individual phases of the individual ultrasonic transducers. These “phased-array” ultrasonic transducer units are inserted into openings in a flow channel and are then as flush as possible with the pipe wall and, depending on the control, can emit ultrasonic signals at different angles. As stated in the thesis, this allows a single pair of phased-array ultrasonic transducer units to replace multiple pairs of traditional ultrasonic transducers, as shown in FIG 1 .1 of the doctoral thesis is presented.

Eine Anwendung solcher phased-array Ultraschallwandlereinheiten ist beispielsweise auch offenbart in Kang, Lei, Feeney, Andrew, Su, Riliang, Lines, David, Jäger, Axel, Wang, Han, Arnaudov, Yavor Emilov, Ramadas, Sivaram Nishal, Kupnik, Mario and Dixon, Steve M. (2017) Two-dimensional flexural ultrasonic phased-array for flow measurement. In: 2017 IEEE International Ultrasonics Symposium (IUS), Washington, DC, USA, 6-9 Sep 2017. Published in: 2017 IEEE International: Ultrasonics Symposium (IUS) ISSN 1948-5727. Hier werden die phased-array Ultraschallwandlereinheiten verwendet, um den Verwehungseffekt bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten zu kompensieren.An application of such phased-array ultrasonic transducer units is also disclosed, for example, in Kang, Lei, Feeney, Andrew, Su, Riliang, Lines, David, Jäger, Axel, Wang, Han, Arnaudov, Yavor Emilov, Ramadas, Sivaram Nishal, Kupnik, Mario and others Dixon, Steve M. (2017) Two-dimensional flexural ultrasonic phased-array for flow measurement. In: 2017 IEEE International Ultrasonics Symposium (IUS), Washington, DC, USA, 6-9 Sep 2017. Published in: 2017 IEEE International: Ultrasonics Symposium (IUS) ISSN 1948-5727. Here the phased-array ultrasonic transducer units are used to compensate for the drifting effect at high flow velocities.

Allerdings werden in Zusammenhang mit phased-array Ultraschallwandlereinheiten nur diametrale Messpfade, die durch die Rohrachse verlaufen, offenbart. Bei nicht axialsymmetrischen Strömungsprofilen ergeben diametrale Messpfade ungenaue Messwerte, da das Strömungsprofil nur unzureichend über den Querschnitt erfasst wird.However, in connection with phased-array ultrasonic transducer units, only diametrical measurement paths that run through the pipe axis are disclosed. In the case of non-axially symmetrical flow profiles, diametrical measurement paths result in inaccurate measured values, since the flow profile is only insufficiently recorded over the cross-section.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung zur Messung des Durchflusses eines Fluids bereitzustellen, mit der insbesondere die vorgenannten Nachteile vermieden werden können, also unter Verwendung von Sekantenpfaden eine hohe Messgenauigkeit mit guter Signalqualität zu liefern.Based on this prior art, the object of the invention is to provide an improved device for measuring the flow of a fluid, with which the aforementioned disadvantages in particular can be avoided, that is to say to provide high measurement accuracy with good signal quality using secant paths.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Durchflussmessgerät zur Messung des Durchflusses eines Fluids durch eine Rohrleitung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.This object is achieved by a flow measuring device for measuring the flow of a fluid through a pipeline having the features of claim 1.

Das erfindungsgemäße Durchflussmessgerät umfasst

- einen Messaufnehmer, der eine Rohrleitung für das Fluid aufweist,
- zwei, in Längsrichtung der Rohrleitung beabstandete phased-array Ultraschallwandlereinheiten, die Ultraschallsignale in verschiedene Winkel abstrahlen und empfangen können,
- eine Steuer- und Auswerteeinheit zur Ansteuerung der Ultraschallwandlereinheiten und Auswertung der empfangenen Ultraschallsignale und Bestimmen des Durchflusses unter Verwendung der Laufzeit der Ultraschallsignale auf den Messpfaden,
- wobei die Ultraschallwandlereinheiten zwischen sich je nach Winkel der abgestrahlten Ultraschallsignale wenigstens zwei Messpfade definieren, auf denen die Ultraschallsignale von einer zur anderen Ultraschallwandlereinheit gelangen,
- wobei wenigstens einer der Messpfade wenigstens eine Reflexion an einer Rohrwand der Rohrleitung aufweist und durch die Reflexion bzw. Reflexionen Pfadabschnitte definiert sind. Ein Pfadabschnitt ist also immer der Teil eines Messpfades, auf dem sich der Ultraschall ungehindert geradlinig ausbreiten kann.

The flow measuring device according to the invention comprises

- a measuring sensor which has a pipeline for the fluid,
- two phased arrays spaced apart in the longitudinal direction of the pipeline Ultrasonic transducer units that can emit and receive ultrasonic signals at different angles,
- a control and evaluation unit for controlling the ultrasonic transducer units and evaluating the received ultrasonic signals and determining the flow using the transit time of the ultrasonic signals on the measuring paths,
- wherein the ultrasonic transducer units define between them, depending on the angle of the emitted ultrasonic signals, at least two measurement paths on which the ultrasonic signals pass from one to the other ultrasonic transducer unit,
- wherein at least one of the measurement paths has at least one reflection on a pipe wall of the pipeline and path sections are defined by the reflection or reflections. A path section is always that part of a measurement path on which the ultrasound can propagate in a straight line without hindrance.

Erfindungsgemäß liegen die Ultraschallwandlereinheiten in einem Einbauwinkel, der zwischen 20° und 140° liegt.According to the invention, the ultrasonic transducer units are at an installation angle which is between 20 ° and 140 °.

Unter Einbauwinkel ist der Winkel zwischen den beiden Ultraschallwandlereinheiten zu verstehen, der sich ergibt, wenn man in Längsrichtung der Rohrleitung schaut und die relative Lage der Ultraschallwandlereinheiten auf dem Rohrumfang zueinander anschaut. Einem Einbauwinkel von 180° würde einer diametralen Montage entsprechen. Einem Einbauwinkel von 0° entspricht der Anordnung wie sie in 1.1 der eingangs erwähnten Doktorarbeit gezeigt ist.The installation angle is to be understood as the angle between the two ultrasonic transducer units that results when looking in the longitudinal direction of the pipeline and looking at the relative position of the ultrasonic transducer units on the pipe circumference. An installation angle of 180 ° would correspond to a diametrical installation. An installation angle of 0 ° corresponds to the arrangement as shown in 1 .1 of the doctoral thesis mentioned at the beginning is shown.

Mit der erfindungsgemäßen Anordnung sind verschiedene Messpfade mit nur zwei Ultraschallwandlereinheiten möglich, wobei diese Messpfade, bzw. die Pfadabschnitte dieser Messpfade, in sinnvollen und unterschiedlichen Bereichen des Querschnitts liegen, so dass der Fluss über den Querschnitt der Rohrleitung besser erfasst wird.With the arrangement according to the invention, different measurement paths with only two ultrasonic transducer units are possible, these measurement paths, or the path sections of these measurement paths, being in sensible and different areas of the cross section, so that the flow over the cross section of the pipeline is better recorded.

Dabei haben die Erfinder herausgefunden, dass es besonders vorteilhaft ist, wenn der Einbauwinkel insbesondere zwischen 30° und 50° liegt.The inventors have found that it is particularly advantageous if the installation angle is in particular between 30 ° and 50 °.

Besonders vorteilhaft ist, wenn für die Pfadabschnitte gilt, das r/R zwischen 0,3 und 0,65 liegt, wobei R der Rohrdurchmesser ist und r der kürzeste Abstand eines Pfadabschnittes zum Mittelpunkt ist. Dann liegen die Messpfade mit ihren Pfadabschnitten besonders günstig, um die Strömung sinnvoll abzutasten. Sie liegen außermittig aber auch nicht zu nahe am Rand. Die Pfade liegen dann auch näherungsweise auf Gaußschen Knoten. Das ist vorteilhaft, denn im Gaußschen Knoten ändert sich das Strömungsprofil nicht mit der Geschwindigkeit des Fluids. Insgesamt ergibt das eine höhere Messgenauigkeit.It is particularly advantageous if r / R is between 0.3 and 0.65 for the path sections, where R is the pipe diameter and r is the shortest distance of a path section to the center point. Then the measuring paths with their path sections are particularly favorable in order to sensibly scan the flow. They are off-center but not too close to the edge. The paths then also lie approximately on Gaussian nodes. This is advantageous because in the Gaussian node the flow profile does not change with the speed of the fluid. Overall, this results in a higher measurement accuracy.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung liegen nicht mehr als fünf Reflexionen pro Messpfad vor. Messpfade mit mehr als fünf Reflexionen liefern keinen Mehrwert, denn viele der möglichen Messpfade mit mehr als fünf Reflexionen sind nicht sinnvoll verwendbar, da deren Pfadabschnitte beispielsweise entlang des Randes des Rohres gelegen sind oder zu sehr in der Mitte liegen und daher fast schon diametral verlaufen.In an advantageous development of the invention, there are no more than five reflections per measurement path. Measurement paths with more than five reflections do not provide any added value, because many of the possible measurement paths with more than five reflections cannot be used sensibly, as their path sections are, for example, located along the edge of the pipe or are too much in the middle and therefore run almost diametrically.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung im Einzelnen erläutert. In der Zeichnung zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Durchflussmessgeräts nach dem Stand der Technik;
2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Durchflussmessgeräts in Rohrlängsrichtung gesehen;
3 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Durchflussmessgeräts aus 2 quer zur Rohrlängsrichtung gesehen;
4 eine schematische Ansicht eines phased-array Ultraschallwandlers;
5 Darstellungen von Messpfaden in Rohrlängsrichtung gesehen;
6 eine Ansicht wie 2.

In the following, the invention is explained in detail on the basis of exemplary embodiments with reference to the drawing. In the drawing show:

1 a schematic representation of a flow measuring device according to the prior art;
2 a schematic representation of a flow measuring device according to the invention seen in the pipe longitudinal direction;
3 a schematic representation of the flow measuring device according to the invention 2 seen transversely to the longitudinal direction of the pipe;
4th a schematic view of a phased-array ultrasonic transducer;
5 Representations of measuring paths viewed in the longitudinal direction of the pipe;
6th a view like 2 .

In 1 ist ein Durchflussmessgerät 10 nach dem Stand der Technik dargestellt zur allgemeinen Erläuterung der Funktion eines gattungsgemäßen Durchflussmessgeräts. Das Durchflussmessgerät 10 umfasst einen Messaufnehmer 12, der eine Rohrleitung 14 für das Fluid mit einer Rohrwand 16 aufweist. Das durch die Rohrleitung 14 strömende Fluid, ein Gas oder eine Flüssigkeit, ist in 1 mit einem breiten Pfeil 18 dargestellt und strömt in z-Richtung entlang einer Längsrichtung 26 der Rohrleitung 14.In 1 is a flow meter 10 shown according to the prior art for the general explanation of the function of a generic flow measuring device. The flow meter 10 includes a sensor 12th holding a pipeline 14th for the fluid with a pipe wall 16 having. That through the pipeline 14th flowing fluid, a gas or a liquid, is in 1 with a broad arrow 18th shown and flows in the z-direction along a longitudinal direction 26th the pipeline 14th .

Weiter weist das Durchflussmessgerät 10 zwei Ultraschallwandler 20 und 22 auf, die zwischen sich in der Rohrleitung 14 einen Messpfad 24 definieren. Die Ultraschallwandler 20 und 22 sind in Strömungsrichtung z versetzt angeordnet, also sie sind in Längsrichtung 26 der Rohrleitung 14 beabstandet. Dadurch liegt der Messpfad 24 nicht orthogonal zur Strömungsrichtung z, sondern in einem Winkel α. Jede der Ultraschallwandlereinheiten 20 und 22 kann als Sender oder Empfänger arbeiten und wird von einer Steuer- und Auswerteeinheit 28 gesteuert.Next, the flow meter 10 two ultrasonic transducers 20th and 22nd on that between them in the pipeline 14th a measurement path 24 define. The ultrasonic transducers 20th and 22nd are arranged offset in the flow direction z, so they are in the longitudinal direction 26th the pipeline 14th spaced. Thereby the measuring path lies 24 not orthogonal to the direction of flow z, but at an angle α. Each of the ultrasonic transducer units 20th and 22nd can work as a transmitter or receiver and is controlled by a control and evaluation unit 28 controlled.

Aus dem Winkel α und dem Rohrdurchmesser D ergibt sich die Länge L des Messpfades 24 im fluiden Medium. Ultraschallsignale, die als Ultraschallwellenpakete auf dem Messpfad 24 in entgegengesetzte Richtungen ausgesandt und empfangen werden, haben also einmal eine Komponente in Richtung der Strömungsrichtung z und ein anders Mal entgegen der Strömungsrichtung z und werden somit mit der Strömung 18 beschleunigt bzw. entgegen der Strömung 18 abgebremst. Die Strömungsgeschwindigkeit v des Fluids 18 berechnet sich in diesem Laufzeitverfahren nach $v = \frac{t_{2} - t_{1}}{2 * t_{2} * t_{1}} * \frac{L}{cos (α)}$

worin t₂ und t₁ die Schalllaufzeiten bezeichnen, die von den abgestrahlten Ultraschallwellenpaketen benötigt werden, um den Messpfad 24 stromauf- bzw. stromabwärts zurückzulegen und in der Steuer- und Auswerteeinheit 28 erfasst werden. Mit dem Rohrquerschnitt und der Strömungsgeschwindigkeit v des Fluids 18 lässt sich dann der Durchfluss berechnen.The length L of the measuring path results from the angle α and the pipe diameter D 24 in the fluid medium. Ultrasonic signals, which as ultrasonic wave packets on the measuring path 24 are sent and received in opposite directions, thus once have a component in the direction of the flow direction z and another time against the flow direction z and are thus with the flow 18th accelerated or against the current 18th braked. The flow velocity v of the fluid 18th is calculated in this run-time method

v = \frac{t_{2} - t_{1}}{2 * t_{2} * t_{1}} * \frac{L.}{cos (α)}

where t ₂ and t ₁ denote the sound propagation times that are required by the emitted ultrasonic wave packets to travel the measuring path 24 to be covered upstream or downstream and in the control and evaluation unit 28 are recorded. With the pipe cross-section and the flow velocity v of the fluid 18th the flow can then be calculated.

Nach diesem Prinzip arbeitet auch das erfindungsgemäße Durchflussmessgerät 110, das in 2 und 3 sehr schematisch dargestellt ist. Es weist ebenso einen Messaufnehmer 112 mit Rohrleitung 114 sowie zwei Ultraschallwandlereinheiten 120 und 122 in einer Rohrwand 116 und eine Steuer- und Auswerteeinheit 128 auf.The flow measuring device according to the invention also works according to this principle 110 , this in 2 and 3 is shown very schematically. It also has a sensor 112 with pipeline 114 as well as two ultrasonic transducer units 120 and 122 in a pipe wall 116 and a control and evaluation unit 128 on.

Die Ultraschallwandlereinheiten 120 bzw. 122 sind allerdings keine „einfachen“ Ultraschallwandler, sondern sind als phased-array Ultraschallwandlereinheiten ausgebildet. Sie weisen, wie in der schematischen Draufsicht der 4 auf eine schallabstrahlende Seite der Ultraschallwandlereinheit 120 bzw. 122 schematisch dargestellt ist, jeweils ein zweidimensionales Array von einzeln ansteuerbaren Ultraschallwandlern 123 auf. Die einzelnen Ultraschallwandler 123 werden zum Ausstrahlen eines Ultraschallpakets von der Steuer- und Auswerteeinheit 128 so angesteuert, dass sie untereinander jeweils einen Phasenversatz aufweisen, wobei der Phasenversatz so gewählt ist, dass die Überlagerung der daraus resultierenden Ultraschallwellen zu einem Ultraschallwellenpaket führt, das sich entlang eines bestimmten Messpfades 124 bewegt. Die Lage des Messpfades 124 wird also durch den Phasenversatz bestimmt und sollte so ausgerichtet sein, dass das Ultraschallwellenpaket die andere Ultraschallwandlereinheit erreicht.The ultrasonic transducer units 120 or. 122 are not, however, "simple" ultrasonic transducers, but are designed as phased-array ultrasonic transducer units. As in the schematic top view of the 4th on a sound-emitting side of the ultrasonic transducer unit 120 or. 122 is shown schematically, each a two-dimensional array of individually controllable ultrasonic transducers 123 on. The individual ultrasonic transducers 123 are used to emit an ultrasonic package from the control and evaluation unit 128 controlled in such a way that they each have a phase offset with respect to one another, the phase offset being selected such that the superposition of the ultrasonic waves resulting therefrom leads to an ultrasonic wave packet that extends along a specific measurement path 124 emotional. The location of the measurement path 124 is therefore determined by the phase offset and should be aligned so that the ultrasonic wave packet reaches the other ultrasonic transducer unit.

Die Erfindung steckt im Wesentlichen in der Positionierung der beiden Ultraschallwandlereinheiten 120 und 122 und der Wahl der möglichen Messpfade 124.The invention lies essentially in the positioning of the two ultrasonic transducer units 120 and 122 and the choice of the possible measurement paths 124 .

In den 2 und 3 ist eine beispielhafte Anordnung der Ultraschallwandlereinheiten 120 und 122 gezeigt. Um die relative Anordnung der Ultraschallwandler 120 und 122 zu beschreiben wird für die Zwecke dieser Beschreibung ein Einbauwinkel β definiert. Unter dem Einbauwinkel β ist der Winkel zwischen den beiden Ultraschallwandlereinheiten 120 und 122 zu verstehen, der sich ergibt, wenn man in Längsrichtung entlang der Mittelachse 126 der Rohrleitung 114 schaut und die relative Lage der Ultraschallwandlereinheiten 120 und 122 auf dem Rohrumfang zueinander anschaut (2). Oder anders ausgedrückt, ist das der Winkel β, den in der Längsrichtungssicht die beiden Verbindungen zwischen Ultraschallwandler 120 bzw. 122 und Mittelachse 126 einschließen. Ein Einbauwinkel von 180° würde einer diametralen Montage entsprechen. In 2 ist ein Einbauwinkel β von 90° dargestellt.In the 2 and 3 Fig. 3 is an exemplary arrangement of the ultrasonic transducer units 120 and 122 shown. About the relative arrangement of the ultrasonic transducers 120 and 122 To describe an installation angle β is defined for the purposes of this description. At the installation angle β is the angle between the two ultrasonic transducer units 120 and 122 to understand that results when looking lengthways along the central axis 126 the pipeline 114 looks and the relative position of the ultrasonic transducer units 120 and 122 looks at each other on the pipe circumference ( 2 ). In other words, this is the angle β that the two connections between ultrasonic transducers in the longitudinal direction view 120 or. 122 and central axis 126 lock in. An installation angle of 180 ° would correspond to a diametrical installation. In 2 an installation angle β of 90 ° is shown.

Gemäß der Erfindung liegen die Ultraschallwandlereinheiten 120 und 122 in einem Einbauwinkel, der zwischen 20° und 140° liegt und insbesondere zwischen 30° und 50°.According to the invention, the ultrasonic transducer units are located 120 and 122 at an installation angle which is between 20 ° and 140 ° and in particular between 30 ° and 50 °.

Für die Beispiele aus dieser Beschreibung (2, 3 und 5) wurde ein Einbauwinkel β von 90° gewählt, da sich ein solcher zeichnerisch und zur beschreibenden Erläuterung am Besten eignet.For the examples from this description ( 2 , 3 and 5 ) an installation angle β of 90 ° was chosen, since it is best suited for drawing purposes and for descriptive explanations.

In den 2 und 3 sind in dieser Ultraschallanordnung zwei Messpfade 124-0 und 124-1 beispielhaft eingezeichnet. Auf dem ersten Messpfad 124-0 gelangen die Ultraschallsignale auf direktem Weg von der einen Ultraschallwandlereinheit 120 bzw. 122 zur anderen Ultraschallwandlereinheit 122 bzw. 120. Dieser direkte Messpfad 124-0 beinhaltet also keine Reflexion an der Rohrwand 116. Das soll auch durch den Zusatz „-0“ zum Bezugszeichen ausgedrückt sein. Auf dem anderen eingezeichneten Messpfad 124-1 erfahren die Ultraschallsignale eine Reflexion an einer Stelle 130 an der Rohrwand 116 (auch ausgedrückt durch den Zusatz „-1“). Durch die Reflexion ist der Messpfad 124-1 in zwei Pfadabschnitte 124-1a und 124-1b aufgeteilt. Die beiden Pfadabschnitte 124-1a und 124-1b sind gleich lang, auch wenn dies in der Zeichenebene der eigentlich dreidimensionalen Anordnung der 3 anders aussieht. Ein Pfadabschnitt, hier 124-1a bzw. 124-1b ist also immer der Teil eines Messpfades, hier 124, auf dem sich der Ultraschall ungehindert geradlinig ausbreiten kann.In the 2 and 3 there are two measuring paths in this ultrasonic arrangement 124-0 and 124-1 drawn in as an example. On the first measurement path 124-0 the ultrasonic signals arrive directly from one of the ultrasonic transducers 120 or. 122 to the other ultrasonic transducer unit 122 or. 120 . This direct measurement path 124-0 therefore does not include any reflection on the pipe wall 116 . This should also be expressed by adding “-0” to the reference symbol. On the other marked measuring path 124-1 the ultrasonic signals experience a reflection at one point 130 on the pipe wall 116 (also expressed by the addition "-1"). The measurement path is due to the reflection 124-1 in two path sections 124-1a and 124-1b divided up. The two path sections 124-1a and 124-1b are of equal length, even if this is in the plane of the actually three-dimensional arrangement of the 3 looks different. A section of the path, here 124-1a or. 124-1b is always part of a measuring path, here 124 on which the ultrasound can propagate in a straight line without hindrance.

Mit der erfindungsgemäßen Anordnung, bestehend aus den zwei Ultraschallwandlereinheiten 120 und 124 in einem Einbauwinkel β sind selbstverständlich auch andere als die in 2 und 3 dargestellten Messpfade 124-0 und 124-1 möglich.With the arrangement according to the invention, consisting of the two ultrasonic transducer units 120 and 124 at an installation angle β are of course also other than those in 2 and 3 measurement paths shown 124-0 and 124-1 possible.

Mögliche Messpfade 124 sind in 5 vereinfacht dargestellt. Das sind Messpfade mit 0 bis 5 Reflexionen. Die Messpfade 124-0 mit keiner Reflexion und 124-1 mit einer Reflexion und Pfadabschnitten 124-1a und 124-1b wurden oben unter Bezugnahme auf die 2 und 3 erläutert. Wie sich unschwer erkennen lässt, sind bei N Reflexionen immer N+1 Alternativen für den Messpfad möglich. Diese Pfadalternativen sind mit Großbuchstaben A bis F gekennzeichnet. So gibt es zum Beispiel für den Messpfad 124-1 mit nur einer Reflexion noch eine Alternative B, bei der die Pfadabschnitte relativ nahe an der Wand liegen.Possible measurement paths 124 are in 5 shown in simplified form. These are measurement paths with 0 to 5 reflections. The measurement paths 124-0 with no reflection and 124-1 with a reflection and path sections 124-1a and 124-1b have been made above with reference to the 2 and 3 explained. As can be seen easily, with N reflections, N + 1 alternatives are always possible for the measurement path. These alternative paths are marked with capital letters A to F. For example there is for the measurement path 124-1 with only one reflection another alternative B, in which the path sections are relatively close to the wall.

Die Erfinder haben herausgefunden, dass in vorteilhafter Ausbildung der Erfindung nicht mehr als fünf Reflexionen pro Messpfad vorliegen sollten, also das Design der Messpfade 124 auf die in 5 Dargestellten begrenzt sein sollte. Messpfade mit mehr als fünf Reflexionen liefern keinen Mehrwert, denn viele der möglichen Messpfade mit mehr als fünf Reflexionen sind nicht sinnvoll verwendbar, da deren Pfadabschnitte beispielsweise entlang des Randes des Rohres gelegen sind (wie in 5 bereits für Messpfad 124-5 in der Alternative F erkennbar) oder zu sehr in der Mitte liegen und daher fast schon diametral verlaufen (wie Messpfad 124-5 in der Alternative C in der Tendenz zeigt). Wenn die Messpfade in den aufgezeigten Grenzen bleiben, liegen die Pfadabschnitte dieser Messpfade 124 in sinnvollen und unterschiedlichen Bereichen des Querschnitts, so dass der Durchfluss über den Querschnitt der Rohrleitung 114 besser erfasst wird.The inventors have found that, in an advantageous embodiment of the invention, there should be no more than five reflections per measurement path, that is, the design of the measurement paths 124 on the in 5 Shown should be limited. Measurement paths with more than five reflections do not provide any added value, because many of the possible measurement paths with more than five reflections cannot be used meaningfully because their path sections are located, for example, along the edge of the pipe (as in 5 already for measuring path 124-5 recognizable in the alternative F) or lie too much in the middle and therefore run almost diametrically (like measuring path 124-5 in alternative C shows a tendency). If the measurement paths remain within the indicated limits, the path sections of these measurement paths lie 124 in meaningful and different areas of the cross-section, so that the flow over the cross-section of the pipeline 114 is better captured.

Weiter haben die Erfinder herausgefunden, dass es besonders vorteilhaft ist, wenn für die Pfadabschnitte gilt, dass r/R zwischen 0,3 und 0,65 liegt, wobei R der Rohrdurchmesser ist und r der kürzeste Abstand eines Pfadabschnittes zum Mittelpunkt ist (in 6 anhand des Pfadabschnitts 124-1a gezeigt). Dann liegen die Messpfade 124 mit ihren Pfadabschnitten besonders günstig, um die Strömung 18 sinnvoll abzutasten. Sie liegen außermittig aber auch nicht zu nahe am Rand. Die Pfade liegen dann auch näherungsweise auf dem Gaußschen Knoten. Das ist vorteilhaft, denn im Gaußschen Knoten ändert sich das Strömungsprofil nicht mit der Geschwindigkeit des Fluids. Insgesamt ergibt das eine höhere Messgenauigkeit. Messpfade, für die das besonders gut zutrifft, wären zum Beispiel folgende Messpfade:

124-1 Alternative A
124-2 Alternativen A und B
124-3 Alternativen B und C
124-4 Alternativen B und C
124-5 Alternativen B und D.

The inventors have also found that it is particularly advantageous if r / R is between 0.3 and 0.65 for the path sections, where R is the pipe diameter and r is the shortest distance of a path section to the center point (in 6th based on the path section 124-1a shown). Then the measuring paths lie 124 with their path sections particularly favorable to the current 18th sensible to scan. They are off-center but not too close to the edge. The paths then also lie approximately on the Gaussian node. This is advantageous because in the Gaussian node the flow profile does not change with the speed of the fluid. Overall, this results in a higher measurement accuracy. Measurement paths for which this applies particularly well, for example, would be the following measurement paths:

124-1 alternative A
124-2 alternatives A and B
124-3 alternatives B and C
124-4 alternatives B and C
124-5 alternatives B and D.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte Nicht-PatentliteraturNon-patent literature cited

From the doctoral thesis "Development of piezoelectric and electrodynamic flexural transducers for air-coupled ultrasonics" by Tobias Eriksson, Univ. of Warwick, Sept. 2016 [0005]

Claims

Flow meter for measuring the flow of a fluid (18) with - A measuring sensor (112) which has a pipeline (114) for the fluid (18), - Two phased-array ultrasonic transducer units (120, 122) spaced apart in the longitudinal direction (126) of the pipeline (114), which can emit and receive ultrasonic signals at different angles, - A control and evaluation unit (128) for controlling the ultrasonic transducer units (120, 122) and evaluating the received ultrasonic signals and determining the flow using the transit time of the ultrasonic signals on the measuring paths (124), - wherein the ultrasonic transducer units (120, 122) define between them, depending on the angle of the emitted ultrasonic signals, at least two measurement paths (124-0, 124-1, 124-2, 124-3, 124-4, 124-5) on which the Ultrasonic signals pass from one ultrasonic transducer unit to the other, - wherein at least one of the measurement paths (124-1, 124-2, 124-3, 124-4, 124-5) has at least one reflection (130) on a pipe wall (116) of the pipeline (114) and by the reflection or . Reflections path sections (124-1a, 124-1b) are defined, - The ultrasonic transducer units (120, 122) being at an installation angle (β) which is between 20 ° and 140 °.

Flow meter according to Claim 1 , characterized in that the installation angle is between 30 ° and 50 °.

Flow measuring device according to one of the preceding claims, characterized in that it applies to the path sections that r / R is between 0.3 and 0.65, where R is the pipe diameter and r is the shortest distance of a path section to the center point.

Flow measuring device according to one of the preceding claims, characterized in that there are no more than five reflections per measuring path.