DE202020106112U1

DE202020106112U1 - Ultrasonic clamp-on flow meter and measuring arrangement

Info

Publication number: DE202020106112U1
Application number: DE202020106112.7U
Authority: DE
Original assignee: ABB Schweiz AG
Current assignee: ABB Schweiz AG
Priority date: 2020-10-26
Filing date: 2020-10-26
Publication date: 2021-03-04
Anticipated expiration: 2030-10-27

Abstract

Ultraschall-Clamp-On-Durchflussmesser (202, 204), wobei der Ultraschall-Clamp-On-Durchflussmesser eingerichtet ist, zur Durchflussmessung Ultraschallwellen in einem unteren Ultraschall-Frequenzbereich abzustrahlen oder zu empfangen.

Ultrasonic clamp-on flow meter (202, 204), wherein the ultrasonic clamp-on flow meter is set up to emit or receive ultrasonic waves in a lower ultrasonic frequency range for flow measurement.

Description

Technisches GebietTechnical area

Die Erfindung betrifft ein Ultraschall-Clamp-On-Durchflussmesser zur Durchflussmessung und eine Messanordnung zum Messen eines Durchflusses durch ein Rohr.The invention relates to an ultrasonic clamp-on flow meter for measuring the flow rate and a measuring arrangement for measuring a flow rate through a pipe.

Hintergrundbackground

Ultraschall-Clamp-On-Durchflussmesser sind eines der am schnellsten wachsenden Segmente des Durchflussmessermarkts, da sie während des Betriebs der Rohrleitungen installiert werden können, ohne dass kostspielige Abschaltungen erforderlich sind. Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmesser sind jedoch weniger genau als werkseitig kalibrierte Inline-Durchflussmesser. Die mangelnde Genauigkeit resultiert aus einer Reihe von Unsicherheiten, die während des Installationsprozesses des Durchflussmessers vor Ort eingeführt werden, und im Gegensatz zu einem fabrikmäßig hergestellten Durchflussmesser können diese Installationsunsicherheiten nach der Installation nicht auskalibriert werden.Ultrasonic clamp-on flowmeters are one of the fastest growing segments of the flowmeter market because they can be installed while the pipeline is in operation without the need for costly shutdowns. However, clamp-on ultrasonic flow meters are less accurate than factory calibrated in-line flow meters. The lack of accuracy results from a number of uncertainties introduced during the flowmeter installation process in the field, and unlike a factory-made flowmeter, these installation uncertainties cannot be calibrated out after installation.

Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung bereitzustellen, die die Genauigkeit von Clamp-On-Durchflussmessern verbessert.The object of the invention is to provide an arrangement which improves the accuracy of clamp-on flow meters.

Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche, der folgenden Beschreibung, sowie der Figuren. Die beschriebenen Ausführungsformen betreffen in ähnlicher Weise den Ultraschall-Clamp-On-Durchflussmesser zur Durchflussmessung, die Messanordnung und das Verfahren zum Messen eines Durchflusses durch ein Rohr.The object is achieved by the subjects of the independent claims. Advantageous embodiments are the subject matter of the dependent claims, the following description and the figures. The described embodiments relate in a similar way to the ultrasonic clamp-on flow meter for flow measurement, the measuring arrangement and the method for measuring a flow through a pipe.

Die Erfindung betrifft ein Ultraschall-Clamp-On-Durchflussmesser, also ein Durchflussmesser, der auf z.B. einem Rohr festgeklemmt wird, zur Durchflussmessung, eine Messanordnung und ein Verfahren zum Messen eines Durchflusses durch ein Rohr. Synergieeffekte können sich aus verschiedenen Kombinationen der Ausführungsformen ergeben, obwohl sie möglicherweise nicht im Detail beschrieben werden.The invention relates to an ultrasonic clamp-on flow meter, that is to say a flow meter which is clamped onto a pipe, for example, for flow measurement, a measuring arrangement and a method for measuring a flow through a pipe. Synergy effects can result from various combinations of the embodiments, although they may not be described in detail.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis aus Überlegungen und Versuchen zugrunde, dass die Rohrwandoberflächenrauheit einer der wichtigsten unkontrollierbaren Parameter ist, der die Genauigkeit eines Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmessers begrenzt. Daher ist es notwendig, die Anordnung so zu gestalten, dass der Einfluss der Rohrwandoberflächenrauheit vermindert wird.The invention is based on the knowledge from considerations and experiments that the pipe wall surface roughness is one of the most important uncontrollable parameters that limits the accuracy of a clamp-on ultrasonic flow meter. Therefore, it is necessary to make the arrangement so that the influence of the pipe wall surface roughness is reduced.

Gemäß einem ersten Aspekt wird ein Ultraschall-Clamp-On-Durchflussmesser bereitgestellt, wobei der Ultraschall-Clamp-On-Durchflussmesser eingerichtet ist, zur Durchflussmessung Ultraschallwellen in einem unteren Ultraschall-Frequenzbereich abzustrahlen oder zu empfangen. Unter Lamb-Wellen werden die in der Fachsprache sogenannte „leaky Lamb waves“ verstanden, also Schwingungen entlang eines Körpers, die in eine weiteres, anliegendes Medium abstrahlen, hier z.B. die Flüssigkeit in einem Rohr, in welchem der Durchfluss dieser Flüssigkeit gemessen werden soll.According to a first aspect, an ultrasonic clamp-on flow meter is provided, the ultrasonic clamp-on flow meter being set up to emit or receive ultrasonic waves in a lower ultrasonic frequency range for flow measurement. Lamb waves are the so-called "leaky Lamb waves" in the technical language, i.e. vibrations along a body that radiate into another adjacent medium, here e.g. the liquid in a pipe in which the flow of this liquid is to be measured.

Durch die raue Oberfläche dringt das Signal nicht mehr gleichmäßig, also mit gleicher Intensität bezüglich einer Richtung in das Wasser ein, sondern wird ungleichmäßig abgestrahlt, bzw. das Signal wird verzerrt. Die Verzerrung im Signal und damit der Messfehler ist frequenzabhängig, d.h., wenn die Frequenz der Messung gesenkt und damit die Wellenlänge der Ultraschallwelle erhöht wird, wird das Wellenpaket weniger verzerrt.Due to the rough surface, the signal no longer penetrates the water uniformly, i.e. with the same intensity with respect to one direction, but is emitted unevenly or the signal is distorted. The distortion in the signal and thus the measurement error is frequency-dependent, i.e. if the frequency of the measurement is lowered and thus the wavelength of the ultrasonic wave is increased, the wave packet is less distorted.

Dies kann durch den Einsatz von einem Ultraschallwandler erreicht werden, dessen erzeugte Wellen durch die Wand einkoppeln und Wellen mit niedrigeren Frequenzen über die Flüssigkeit überträgt als ein herkömmlicher Ultraschallwandler, zum Beispiel piezobasierte Ultraschallwandler. Das heißt, die Wellen niedriger Frequenz werden hier genutzt, um den Einfluss der Oberflächenrauheit zu verringern. Die Verringerung der Betriebsfrequenz führt somit zu einer verringerten Empfindlichkeit gegenüber der Oberflächenrauheit und damit zu einer erhöhten Genauigkeit eines Clamp-On-Durchflussmessers.This can be achieved by using an ultrasonic transducer whose generated waves are coupled through the wall and transmit waves with lower frequencies via the liquid than a conventional ultrasonic transducer, for example piezo-based ultrasonic transducers. That is, the waves of low frequency are used here to reduce the influence of the surface roughness. The reduction in the operating frequency thus leads to a reduced sensitivity to the surface roughness and thus to an increased accuracy of a clamp-on flow meter.

Gemäß einer Ausführungsform weist der Ultraschall-Clamp-On-Durchflussmesser einen Lamb-Wellen-Transducer auf, der eingerichtet, die Ultraschallwellen im unteren Ultraschall-Frequenzbereich durch den Lamb-Wellen-Transducer abzustrahlen oder zu empfangen.According to one embodiment, the ultrasonic clamp-on flow meter has a Lamb wave transducer which is set up to emit or receive the ultrasonic waves in the lower ultrasonic frequency range through the Lamb wave transducer.

Unter Lamb-Wellen werden die in der Fachsprache sogenannte „leaky Lamb waves“ verstanden, also Schwingungen, entlang eines Körpers, die in eine weiteres, anliegendes Medium abstrahlen, hier z.B. die Flüssigkeit in einem Rohr, in welchem der Durchfluss dieser Flüssigkeit gemessen werden soll.Lamb waves are the so-called “leaky Lamb waves” in the technical language, i.e. vibrations along a body that radiate into another adjacent medium, here, for example, the liquid in a pipe in which the flow of this liquid is to be measured .

Die Reduzierung der Betriebsfrequenz wird also durch den Einsatz von Lamb-Wellen, d.h. „leaky Lamb waves“ erreicht, die sich über die Rohrwandung ausbreiten. Die Lamb-Wellen haben eine wesentlich größere Wellenlänge als herkömmliche Ultraschallwandler und führen daher zu einer geringeren Signalverzerrung der Wellen, die durch die Flüssigkeit abgestrahlt werden. Lamb-Wellen haben den zusätzlichen Vorteil, dass sie sich in einem Winkel ausbreiten, der mehr parallel zur axialen Richtung (ca. 37 Grad) der Strömung ist, wobei herkömmliche Ultraschallwandler durch das Snell's-Gesetz auf sehr steile Winkel (ca. 14 Grad) begrenzt sind.The reduction of the operating frequency is achieved through the use of Lamb waves, ie “leaky Lamb waves”, which propagate over the pipe wall. The Lamb waves have a much longer wavelength than conventional ultrasonic transducers and therefore lead to a lower signal distortion of the waves emitted by the liquid. Lamb waves have the additional advantage that they propagate at an angle that is more parallel to the axial direction (approx. 37 degrees) of the flow, whereas conventional ultrasonic transducers are set at very steep angles (approx. 14 degrees) by Snell's law. are limited.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst der Ultraschall-Clamp-On-Durchflussmesser bzw. der Messwertaufnehmer das gesamte Rohr.According to one embodiment, the ultrasonic clamp-on flow meter or the measured value sensor comprises the entire pipe.

Gemäß einer Ausführungsform ist der Ultraschall-Clamp-On-Durchflussmesser konfiguriert, einen Mittelwert des gesamten Strömungsprofils zu messen.According to one embodiment, the ultrasonic clamp-on flow meter is configured to measure an average value of the entire flow profile.

Dadurch entfällt die Notwendigkeit, viele verschiedene Strahlengänge über das Rohrlumen zu messen, um ungleichmäßige Strömungsprofile innerhalb der Leitung bzw. des Rohres zu berücksichtigen. Die vorgestellte Erfindung führt daher zu einer wiederholbareren Installation und genaueren Durchflussmessungen, insbesondere mit Laufzeit-, Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmessern.This eliminates the need to measure many different beam paths over the pipe lumen in order to take into account non-uniform flow profiles within the line or the pipe. The presented invention therefore leads to a more repeatable installation and more precise flow measurements, in particular with transit time, clamp-on ultrasonic flow meters.

Gemäß einer Ausführungsform ist die Betriebsfrequenz geringer als 1 MHz.According to one embodiment, the operating frequency is less than 1 MHz.

Gemäß einer Ausführungsform ist die Betriebsfrequenz zwischen 100 und 500 kHz, vorzugsweise bei 200 kHz.According to one embodiment, the operating frequency is between 100 and 500 kHz, preferably at 200 kHz.

Gemäß einem zweiten Aspekt wird eine Messanordnung bereitgestellt, die einen ersten Ultraschall-Clamp-On-Durchflussmesser zum Abstrahlen einer niedrigen Ultraschallfrequenz und einen zweiten Ultraschall-Clamp-On-Durchflussmesser zum Empfangen der vom ersten Ultraschall-Clamp-On-Durchflussmesser gemessenen niedrigen Ultraschallfrequenz aufweist.According to a second aspect, a measuring arrangement is provided which has a first ultrasonic clamp-on flow meter for emitting a low ultrasonic frequency and a second ultrasonic clamp-on flow meter for receiving the low ultrasonic frequency measured by the first ultrasonic clamp-on flow meter .

Gemäß einem dritten Aspekt wird Verfahren zum Messen eines Durchflusses durch ein Rohr bereitgestellt, das die folgenden Schritte aufweist. In einem ersten Schritt werden ein erster Ultraschall-Clamp-On-Durchflussmesser und ein zweiter Ultraschall-Clamp-On-Durchflussmesser an dem Rohr angebracht. In einem zweiten Schritt wird eine niedrige Ultraschallfrequenz durch den ersten Ultraschall-Clamp-On-Durchflussmesser abgestrahlt, und in einem dritten Schritt wird die niedrigen Ultraschallfrequenz durch den zweiten Ultraschall-Clamp-On-Durchflussmesser empfangen.According to a third aspect, there is provided a method of measuring a flow rate through a pipe, comprising the following steps. In a first step, a first ultrasonic clamp-on flow meter and a second ultrasonic clamp-on flow meter are attached to the pipe. In a second step, a low ultrasonic frequency is emitted by the first ultrasonic clamp-on flow meter, and in a third step the low ultrasonic frequency is received by the second ultrasonic clamp-on flow meter.

Somit wird ein Durchflussmesser mit verbesserter Genauigkeit vorgestellt, der bei niedrigen Frequenzen arbeitet und Wellen ausnutzt, wie z.B. Lamb-Wellen, die sich über das Rohrlumen ausbreiten. Die niedrigere Betriebsfrequenz reduziert die Wellenverzerrung aufgrund der Oberflächenrauigkeit und verringert somit die Unsicherheit, die durch die Clamp-On-Installation im Feld entsteht.Thus, a flow meter with improved accuracy is presented that operates at low frequencies and takes advantage of waves, such as Lamb waves, that propagate across the tube lumen. The lower operating frequency reduces the wave distortion due to the surface roughness and thus reduces the uncertainty caused by the clamp-on installation in the field.

Die Verwendung von Lamb-Wellen hat den zusätzlichen Vorteil, dass die Wellenempfindlichkeit gegenüber der Flüssigkeitsgeschwindigkeit erhöht wird, da die Wellenausbreitung eine größere axiale Komponente im Vergleich zu Longitudinalwellen hat, die durch Keile angeregt werden.The use of Lamb waves has the additional advantage that the wave sensitivity is increased compared to the liquid velocity, since the wave propagation has a larger axial component compared to longitudinal waves that are excited by wedges.

Andere Variationen der offenbarten Ausführungsformen können vom Fachmann bei der Durchführung der beanspruchten Erfindung durch das Studium der Zeichnungen, der Offenbarung und der beigefügten Ansprüche verstanden und ausgeführt werden. In den Ansprüchen schließt das Wort „umfassend“ andere Elemente oder Schritte nicht aus, und der unbestimmte Artikel „ein“ oder „eine“ schließt eine Vielzahl nicht aus. Bezugszeichen in den Ansprüchen sollten nicht so ausgelegt werden, dass sie den Umfang der Ansprüche begrenzen.Other variations of the disclosed embodiments can be understood and practiced by those skilled in the art in practicing the claimed invention from a study of the drawings, the disclosure, and the appended claims. In the claims, the word “comprising” does not exclude other elements or steps, and the indefinite article “a” or “an” does not exclude a plurality. Any reference signs in the claims should not be construed as limiting the scope of the claims.

FigurenlisteFigure list

Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert.

1a zeigt ein simuliertes Wellenpaket in einer konventionellen Clamp-On-Durchflussmesser-Anordnung bei glatter Rohrinnenwand.
1b zeigt ein simuliertes Wellenpaket in einer konventionellen Clamp-On-Durchflussmesser-Anordnung bei rauer Rohrinnenwand.
2a zeigt eine Lamb-Welle bei 200 kHz, die über ein Rohr mit glatter Oberfläche angeregt wird.
2b zeigt eine Lamb-Welle bei 200 kHz, die über ein Rohr mit rauer Oberfläche angeregt wird.
3 zeigt die Standardabweichung des Fehlers einer Fließgeschwindigkeitsmessung für einen herkömmlichen 1 MHz-Clamp-On-Durchflussmesser und für einen 200 kHz Lamb-Wellen-Durchflussmesser.
4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Messen eines Durchflusses durch ein Rohr gemäß einer Ausführungsform.

In the following, exemplary embodiments of the invention are explained in more detail with reference to the schematic drawings.

1a shows a simulated wave packet in a conventional clamp-on flow meter arrangement with a smooth inner pipe wall.
1b shows a simulated wave packet in a conventional clamp-on flow meter arrangement with a rough inner pipe wall.
2a shows a Lamb wave at 200 kHz, which is excited via a tube with a smooth surface.
2 B shows a Lamb wave at 200 kHz, which is excited via a tube with a rough surface.
3 shows the standard deviation of the error of a flow velocity measurement for a conventional 1 MHz clamp-on flow meter and for a 200 kHz Lamb wave flow meter.
4th FIG. 10 shows a flow diagram of a method for measuring a flow rate through a pipe according to an embodiment.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

1a illustriert ein simuliertes Wellenfeld 108 in einer Anordnung mit konventionellen Ultraschall-Durchflussmessern 102, 104, die bei 1 MHz arbeiten. 1a zeigt einen Querschnitt durch die Mitte des mit Wasser 112 gefüllten Rohrs 106, das beispielsweise eine Wanddicke von 6 mm und einen Innendurchmesser von ca. 88 mm aufweist. 1a zeigt die Wellenpakete 108 mit Wellenausbreitungsrichtung 110, die in der Flüssigkeit 112 übertragen werden, wenn die innere Wandoberfläche glatt ist. 1b zeigt, dass die Welle 118 ebenfalls mit Ausbreitungsrichtung 110, die durch eine raue Wand läuft und daher erheblich verzerrt ist. Die Erfinder haben gezeigt, dass die Rohroberflächenrauheit eine der größten Ursachen für den Durchflussmessfehler eines Clamp-On-Durchflussmessers ist.
2a zeigt eine Messanordnung 200 mit einem ersten Ultraschall-Durchflussmesser 202 und einem zweiten Ultraschall-Durchflussmesser 204 gemäß einer Ausführungsform. Das Lamb- Wellenfeld 208 wird mit 200 kHz über ein Rohr 106 mit glatter Oberfläche angeregt. 2b zeigt ein mit 200 kHz über das Rohr 116 mit rauer Oberfläche angeregtes Lamb-Wellenfeld. Aus dem Vergleich der beiden 2a und 2b ist zu erkennen, dass das Wellenfeld 218 durch die Rauigkeit viel weniger verzerrt wird als das Wellenfeld 208, da die Frequenz niedriger ist.

1a illustrates a simulated wave field 108 in an arrangement with conventional ultrasonic flow meters 102 , 104 operating at 1 MHz. 1a shows a cross section through the center of the with water 112 filled pipe 106 , which, for example, has a wall thickness of 6 mm and an inner diameter of approx. 88 mm. 1a shows the wave packets 108 with wave propagation direction 110 that are in the liquid 112 transferred when the inner wall surface is smooth. 1b shows that the wave 118 also with direction of propagation 110 that runs through a rough wall and is therefore significantly distorted. The inventors have shown that the pipe surface roughness is one of the largest causes of the flow measurement error of a clamp-on flow meter.
2a shows a measuring arrangement 200 with a first ultrasonic flow meter 202 and a second ultrasonic flow meter 204 according to one embodiment. The Lamb wave field 208 is at 200 kHz over a pipe 106 stimulated with a smooth surface. 2 B shows one at 200 kHz over the pipe 116 Lamb wave field excited with a rough surface. From comparing the two 2a and 2 B can be seen that the wave field 218 is much less distorted by the roughness than the wave field 208 because the frequency is lower.

3 zeigt die Standardabweichung des Fehlers einer Fließgeschwindigkeitsmessung für einen herkömmlichen 1 MHz-Clamp-On-Durchflussmesser (gestrichelte Linien) und für einen 200 kHz Lamb-Wellen-Durchflussmesser (durchgezogene Linien) für Simulationen von Strömungsmessungen an 10 Oberflächen mit unterschiedlichen Rauigkeiten, aufgetragen als RMS (root mean square) der Rauigkeit in mm. Die Kurven 302 und 308 zeigen den Verlauf bei einer 1 mm-Korrelation, die Kurven 304 und 310 zeigen den Verlauf für eine 3 mm-Korrelation und die Kurven 306 und 312 den Verlauf für eine 5 mm-Korrelation. Es kann festgestellt werden, dass der niederfrequente Lamb-Wellentyp-Durchflussmesser um einen Faktor zwischen 2 bis 5 weniger von den gleichen Niveaus der Oberflächenrauigkeit beeinflusst wird. 3 shows the standard deviation of the error of a flow velocity measurement for a conventional 1 MHz clamp-on flow meter (dashed lines) and for a 200 kHz Lamb wave flow meter (solid lines) for simulations of flow measurements on 10 surfaces with different roughness, plotted as RMS (root mean square) of the roughness in mm. The curves 302 and 308 show the course with a 1 mm correlation, the curves 304 and 310 show the course for a 3 mm correlation and the curves 306 and 312 the course for a 5 mm correlation. It can be seen that the low frequency Lamb wave type flow meter is less affected by the same levels of surface roughness by a factor of between 2 to 5.

4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 400 zum Messen eines Durchflusses durch ein Rohr 106, 116, aufweisend die Schritte: Anbringen 402 eines ersten Ultraschall-Clamp-On-Durchflussmessers 202 und eines zweiten Ultraschall-Clamp-On-Durchflussmessers 204. Abstrahlen 404 einer niedrigen Ultraschallfrequenz durch den ersten Ultraschall-Clamp-On-Durchflussmesser 202, und Empfangen 406 der niedrigen Ultraschallfrequenz durch den zweiten Ultraschall-Clamp-On-Durchflussmesser 204. 4th shows a flow chart of a method 400 for measuring a flow rate through a pipe 106 , 116 , comprising the steps: attaching 402 of the first ultrasonic clamp-on flow meter 202 and a second ultrasonic clamp-on flow meter 204 . Radiate 404 a low ultrasonic frequency by the first ultrasonic clamp-on flow meter 202 , and receiving 406 the low ultrasonic frequency through the second ultrasonic clamp-on flow meter 204 .

Claims

Ultrasonic clamp-on flow meters (202, 204) according to Claim 1 , having a Lamb wave transducer, wherein the ultrasonic clamp-on flow meter is set up to emit or receive the ultrasonic waves in the lower ultrasonic frequency range through the Lamb wave transducer.

Ultrasonic clamp-on flow meters (202, 204) according to Claim 1 or 2 wherein the ultrasonic clamp-on flow meter comprises the entire tube (106, 116).

Ultrasonic clamp-on flow meter (202, 204) according to one of the preceding claims, which is set up to measure an average value of the entire flow profile.

An ultrasonic clamp-on flow meter (202, 204) according to any preceding claim, having an operating frequency that is less than 1 MHz.

Ultrasonic clamp-on flow meter (202, 204) according to one of the preceding claims, which has an operating frequency between 100 and 500 kHz, preferably at 200 kHz.

Measuring arrangement 200, comprising a first ultrasonic clamp-on flow meter (202) according to one of the Claims 1 to 6th for emitting a low ultrasonic frequency and a second ultrasonic clamp-on flow meter (204) according to one of the Claims 1 to 6th for receiving the low ultrasonic frequency measured by the first ultrasonic clamp-on flow meter (202).