DE2549636C2

DE2549636C2 - Ultraschall-Strömungsmesser für eine Rohrleitung

Info

Publication number: DE2549636C2
Application number: DE19752549636
Authority: DE
Inventors: Hitoshi Takarazuka Hyogo Araki; Yoshihiro Itami Hyogo Matsunaga
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1975-11-05
Filing date: 1975-11-05
Publication date: 1982-02-18
Also published as: DE2549636A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Ultraschall-Strömungsmesser für eine Rohrleitung, welche von einem zu messenden heißen Strömungsmittel durchströmt wird, mit gegen die Längsachse der Rohrleitung geneigten Meßstrecken und mit einer Anordnung zur Bildung der Zeitdifferenz zwischen den mit und den gegen die Strömungsrichtung gesendeten Ultraschallsignalen, wobei jede der Ultraschail-Gebereinheiten mit einem Ultraschall-Leitstab versehen ist, dessen Längsachse mit der Längsachse der Rohrleitung einen Winkel kleiner als 90° einschließt und am freiliegenden Ende des Ultraschall-Leitstabes ein Ultraschall-Wandler angeordnet ist, während das andere Ende des Leitstabes an der Rohrleitung befestigt ist.

Ein derartiger Ultraschall-Strömungsmesser ist bereits aus der US-PS 37 38 169 bekannt Die Ultraschall-Leitstäbe sind jedoch bei dieser bekannten Konstruktion zur Verbesserung des Leitkontaktes etwas in die Wand der Rohrleitung eingelassen, so daß die Wandstärke der Rohrleitung an den Anlagestellen der Ultraschall-Leitstäbe stark reduziert ist. Dadurch ist jedoch die gesamte Ultraschall-Meßeinrichtung an eine bestimmte Stelle der Rohrleitung örtlich gebunden und es wird auch die Rohrleitung selbst geschwächt, so daß diese Ultraschall-Meßeinrichtung nicht für solche Fälle geeignet ist, bei welchen das zu messende Medium in der Rohrleitung unter Druck oder unter hohem Druck steht.

Aus der US-PS 33 20 797 ist ein Ultraschall-Detektor für die Feststellung von Verunreinigungen oder Einschlüssen in heißen Metallteilen wie beispielsweise Metallplatinen bekannt, wobei sowohl Ultraschall-Sender als auch Ultraschall-Empfänger über Ultraschall-Leitstäbe auf das betreffende heiße Metall aufgesetzt werden. Um den Übertritt des Ultraschalls aus den Ultraschall-Leitstäben in das betreffende heiße Metall zu verbessern, wird gemäß dieser bekannten Konstruktion zwischen dem betreffenden heißen Metall und den Ultraschail-Leitstäben ein flüssiges Übergangsmedium vorgerehen, welches beispielsweise aus einer geschmolzenen Saizmischung bestehen kann. Gemäß einer Ausführungsform dieser bekannten Konstruktion wird eine Salzmischung zunächst in einem getrennten Behälter geschmolzen und wird dann über eine Leitung kontinuierlich in den Raum zwischen die Ultraschall-Leitstäbe und dem heißen Metall eingeleitet.

J5 Weiterhin ist es aus dem Buch von Bergmann »Der Ultraschall«, 6. Auflage 1954, Seite 740 bekannt, den Schallwellen-Übergang von einem Schallkopf zu einem Prüfling durch eine dazwischengelegte, beidseitig mit Öl benetzte dünne Metallfolie zu verbessern. Diese Metallfolien sollen zweckmäßig aus Zinn bestehen.

Aus der US-PS 35 75 050 ist es schließlich bekannt, Ultraschall-Leitstäbe an einer Rohrwand nicht nur mittels Flüssigkeiten, sondern auch mittels anderer Materialien wie geeignete Kleber, einem Elastomeres Film oder durch Schweißen oder Hartlöten mit dem Rohr zu koppeln.

Die Verwendung von Materialien wie Klebemittel, elastomerer Filme usw. ist jedoch für höhere Temperatur nicht geeignet, da diese Materialien gewöhnlich diese höheren Temperaturen nicht ohne Schaden aushalten. Eine Verbindung durch Schweißen oder Hartlöten mit dem Rohr herzustellen ist jedoch äußerst aufwendig und führt insbesondere auch zu dem Nachteil, daß die Ultraschall-Meßeinrichtung an eine bestimmte örtliche Lage fest gebunden ist und auch nicht mehr justiert werden kann.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, nachträglich an einer Rohrleitung anbringbare, gut justierbare und praktisch wartungsfreie Ultraschall-Gebereinheiten für heiße Strömungsmittel zu schaffen. Ausgehend von dem Ultraschall-Strömungsmesser für eine Rohrleitung der eingangs definierten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß

a) die mit einer Vielzahl von Stegen ausgestatteten Ultraschall-Leitstäbe direkt über eine dünne Scheibe aus Gold, Platin, Gold- oder Platinlcgicrungen an der Außenwandfläche der Rohrleitung

anliegen und daß

b) mit jedem Leitstab ein Flansch verbunden und dieser an der Rohrieitung derart befestigt ist, daß der Leitstab unter Zwischenfügung der dünnen Scheibe fest gegen die Rohrleitung gedruckt wird.

Durch die Verwendung der dünnen Scheiben aus Gold, Platin oder Gold- oder Platinlegierungen wird der Übertritt der Ultraschallwellen an der Übergangsstelle zwischen den Ultraschall-Leitstäben und der Wandung der Rohrleitung besonders günstig gestaltet. Die Übertragung der Ultraschallwellen innerhalb der Ultraschall-Leitstäbe wird durch die Vielzahl von Stegen an der Außenfläche der Leitstäbe verbessert, da bei der Ausbreitung einer Ultraschallwelle längs eines Ultraschallstabes von dessen einem Ende zum anderen Ende die von den Stegen reflektierten Teile der Ultraschallwelle gedämpft und unterdrückt werden.

Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen 2 bis 4.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Hinweis auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Ultraschall-Strömungsmessers mit Teilmerkmalen nach der Erfindung,

Fig.2 eine perspektivische Teildarstellung eines Ultraschall-Leitstabes gemäß F ig. 1,

Fig. 3 eine Fig. 2 ähnelnde Darstellung eines abgewandelten Leitstabes, jo

Fig.4 eine Teilaufsicht auf eine Halterung für einen Ultraschall-Leitstab gemäß der Erfindung,

F i g. 5 einen Schnitt längs der Linie 6-6 in F i g. 4 und

F i g. 6 und 7 der F i g. 5 ähnelnde Darstellungen, die jedoch verschiedene Abwandlungen der Anordnung 3^r> gemäß F i g. 4 und 5 veranschaulichen.

In Fig. 1 ist ein Ultraschall-Strömungsmcsscr mit Teilmerkmalen nach der Erfindung dargestellt. Die Anordnung gemäß Fig. I unterscheidet sich von den herkömmlichen Strömungsmessern grundsätzlich in der Konstruktion der Anschlüsse für die Anbringung der Ultraschall-Wandlerelemente an der Rohrwandung. Jeder Anschluß, über den sich eine Ultraschallwelle ausbreiten soll, besitzt dabei die Form eines Ultraschall-Leitslabes 16 mit einer als Anlagefläche 16a ausgebildc- 4^r> ten Endfläche, mit welcher der Leitstab an einem vorbestimmten Abschnitt der Außenwandfläche der Rohrleitung 10 befestigt ist, so daß ein vorbestimmter Winkel λ zwischen den Längsachsen von Leitstab und Rohrleitung festgelegt wird. Jeder Leitstab 16 weist an 5u seiner anderen Endfläche eine Anbaufläche 16£> für das zugeordnete Wandlerelemcnt 12,22 bzw. 14, 24 auf. Die Mittel zur Befestigung jedes Leitstabes 16 an der Rohrleitung 10 auf die beschriebene Weise sow'c die Mittel zur Anbringung der Wandlerelemente am Leitstab sind jedoch in Fig. 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt.

Der Leitstab 16 ist an seiner Außenfläche mit einer Vielzahl von Stegen in einem vorbestimmten, regelmäßigen Schema versehen, so daß bei der Ausbreitung eo einer Ultraschallwelle längs des Leitstabes von dessen einem Ende zum anderen die von den .Stegflächen reflektierten Teile der Ultraschallwelle gedampft und unterdrückt werden. Beispielsweise veranschaulicht Fig. 2 .inen Leitstab 16, dessen Außenfläche mit (,-> wendi-iiormigen Stegen bzw. Schraubengängen 16c einer vorbestimmten Steigung versehen ist, während in Fig. 3 ein Leitstab 16 dargestellt ist, der eine Anzahl von über seine Gesamtlänge hinweg verlaufenden Längsstegen 16c aufweist, die auf vorbestimmte gleiche Winkelabstände verteilt sind. Gewünschtenfalls können die Siege des Leitstabes 16 jede beliebige andere Konfiguration als die in den Fig.2 und 3 dargestellte besitzen.

Wenn beispielsweise ein zu messendes Strömungsmittel F, das eine Temperatur in der Größenordnung von 500"C besitzt, die Rohrleitung 10 durchströmt, können die beiden Ultraschall-Gebereltmente 12 und 22 sowie die beiden Wandlerelemente 14 und 24 gemäß F i g. 1 an den jeweils zugeordneten, auf niedrigerer Temperatur gehaltenen Anbauflächen 166 montiert werden, weil diese Elemente sämtlich über die ziigeordneten Leilstäbe 16 an die Rohrleitung 10 angekoppelt sind. Infolgedessen können herkömmliche Montagemittel benutzt werden, um die Geber- und Wandlerelemente an den Anbauflächen 166 der betreffenden Leitstäbe 16 zu montieren.

Die Aniageflächen 16a der einzelnen Leitstäbe 16 befinden sich andererseits auf hoher Temperatur. Dies macht die Verwendung von Anschlußmitteln erforderlich, welche dieser hohen Temperatur zu widerstehen vermögen und welche eine ausgezeichnete Durchlässigkeit für die Ultraschallwellen besitzen. Beim erfindungsgemäßen Strömungsmesser ist es außerdem wesentlich, die Genauigkeit des Abstands zwischen jedem Ultraschall-Geberelement 12 oder 22 und dem zugeordneten Wandlerelement 14 bzw. 24 zu verbessern. Außerdem werden Strömungsmesser der Art, auf welche sich die Erfindung bezieht, häufig im Freien bzw. am Arbeitsplatz installiert. Aus diesem Grund müssen Montagemittel vorgesehen sein, die eine leichte Montage der Vorrichtung am Arbeitsplatz mit vorbestimmter Genauigkeit und ohne die Notwendigkeit für die Durchführung spezieller Arbeitsgänge ermöglichen.

Fig. 4 ist eine Aufsicht auf eine für die Lciistäbe vorgesehene Montageeinrichtung, welche den vorgenannten Bedingungen genügt. F i g. 5 ist ein Längsschnitt längs der Linie Vl-Vl in Fig. 4 durch die Montageeinrichtung. Wie am besten aus Γ ig. 5 hervorgeht, weist der Leitstab 16 eine Anlagcfläche 16,·;, welche unter einem vorbestimmten Winkel \ an der Außenwandfläche der Rohrleitung 10 anliegt, sowie einen an ihm angebrachten, scheibenförmigen Flansch 30 auf, der praktisch parallel zur Anlagefläche 16a des Leitstabes 16 liegt. Ein scheibenförmiger Sit/ 32 mit praktisch dem gleichen Durchmesser wie der Flansch 30 ist an der Außenfläche der Rohrleitung 10 derart in einer vorbestimmten Position befestigt, daß sich die Anlagefläche 16a des Leitstabes 16 durch ein längs des Durchmessers des Sitzes verlaufendes Langloch hindurch über ein Füllstück 34 in Form einer im Langloch zwischen Rohrwand und Anlagefläche angeordneten dünnen Scheibe an die Rohrwandung anleger, kann. Mehrere, bei der dargestellten Ausführungsform vier Schrauben 36, sind durch den Flansch 30 hindurchgeführt und im Sitz 32 verankert, und diese Schrauben dienen dazu, die Anlagefläche 16a des Leitstabes 16 gegen den vorbestimmten Abschnitt der Außenwandfläche der Rohrleitung 10 zu ziehen und daran festzulegen.

Das vorzugsweise aus einer dünnen Goldscheibe bestehende Füllstück 34 ist aufgrund der durch die Schrauben 36 auf dieses ausgeübten Druckkraft einer plastischen Verformung unterworfen, so daß es jeglichen Zwischenraum zwischen der Anlügefläche 16a des Leitstabes 16 und dem angrenzenden Abschnitt der Außenwandfläche der Rohrleitung ausfüllt. Hierdurch

wird die Durchlässigkeit an der Grenzfläche /wischen diesen Teilen gegenüber einer Ultraschallwelle verbessert.

Bei der Montageeinrichtung gemäß F i g. 4 und 5 muß die Scheibe 34 eine zufriedenstellende Plastizität und Wärmebeständigkeit bei den auftretenden Betriebstemperaturen besitzen. Mit anderen Worten: Die Scheibe 34 muß einen hohen Schmelzpunkt, Oxidationsbeständigkeit und ähnliche Eigenschaften besitzen. Zweckmäßige Beispiele für das Material der Scheibe 34 sind neben Gold auch Platin, Goldlegierungcn, Platinlegierungen. Hierbei hat es sich gezeigt, daß Kupfer, Aluminium und dgl. eine schlechtere Oxydationsbeständigkeit besitzen als die vorgenannten Werkstoffe für die Scheibe 34 und gleichzeitig die Durchlässigkeit für die

XUlU USIIKIIIWCHC VVI 1 lllgCl II.

Außerdem hat es sich gezeigt, daß der Leitslab 16 vorzugsweise aus einer bekannten Legierung hergestellt sein sollte, die im Hinblick auf Durchlässigkeit für Ultraschallwellen, Verarbeitbarkeit usw. dem Werkstoff SISI364 (ASTM) o. dgl. entspricht.

In F i g. 6. in welcher den Teilen von Fig. 4 und 5 entsprechende Teile mit den gleichen Bezugsziffern wie vorher bezeichnet sind, ist eine Abwandlung der Anordnung gemäß F i g. 4 und 5 dargestellt. In F i g. 6 ist der Montagesitz 32 von Fig. 5 weggelassen, und die Schrauben 36 sind unmittelbar an der Außenwand der Rohrleitung 10 verankert. In jeder anderen Hinsicht entspricht diese Abwandlung praktisch der Anordnung gemäß F i g. 4 und 5.

Eine weitere Abwandlung der Anordnung gemäß F i g. 4 und 5 ist in F i g. 7 gezeigt, in welcher wiederum

ίο den Teilen von Fig.4 und 5 entsprechende Teile mit denselben Bezugsziffern bezeichnet sind. Gemäß F i g. 7 ist am einen Ende des Leitstabes 16 ein die Anlagefläche 16.1 aufweisender, scheibenförmiger Flansch 30 befestigt. Der Flansch 30 ist in eine kreisförmige Öffnung eines Moniagcsitzes 32 eingesetzt, der seinerseits an einem vorbestimmten Teil der Außenwand der Rohrleitung 10 befestigt ist. Weiterhin ist cine mil einer Bohrung versehene Überwurfmutter 38. durch welche der Leitstab 16 lose hindurchgeführt ist, auf ein Gewinde an der AuOenumfangsfläche des Sitzes 32 aufgeschraubt, so daß der Flansch 30 gegen die Außenwandfläche der Rohrleitung 10 gezogen und daran festgelegt wird.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Ultraschall-Strömungsmesser für eine Rohrleitung, welche von einem zu messenden heißen Strömungsmittel durchströmt wird, mit gegen die Längsachse der Rohrleitung geneigten Meßstrecken und mit einer Anordnung zur Bildung der Zeitdifferenz zwischen den mit und den gegen die Strömungsrichtung gesendeten Ultraschallsignalen, wobei jede der Ultraschall-Gebereinheiten mit einem Ultraschail-Leitstab versehen ist, dessen Längsachse mit der Längsachse der Rohrleitung einen Winkel kleiner als 90° einschließt und am freiliegenden Ende des Ultraschall-Leitstabes ein Ultraschall-Wandler angeordnet ist, während das andere Ende des Leitstabes an der Rohrleitung befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß

a) die mit einer Vielzahl von Stegen (16c) ausgestatteten Ultraschall-Leitstäbe (16) direkt über eine dünne Scheibe (34) aus Gold, Platin, Gold- oder Platinlegierungen an der Außenwandfläche der Rohrleitung (tO) anliegen und daß

b) mit jedem Leitstab (16) ein Flansch (30) verbunden und dieser an der Rohrleitung derart befestigt ist, daß der Leitstab (16) unter Zwischenfügung der dünnen Scheibe (34) fest gegen die Rohrleitung (10) gedrückt wird.

2. Strömungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die an den Leitstäben (16) vorgesehenen Stege in vorbestimmten Winkelabständen voneinander in Axialrichtung des Leitstabes verlaufen.

3. Strömungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an der Außenfläche der Rohrleitung (10) ein scheibenförmiger Sitz (32) mit praktisch dem gleichen Durchmesser wie der Flansch (30) befestigt ist, an dem der Flansch (30) befestigbar ist, wobei der Leitstab (16) durch ein im Sitz (32) ausgebildetes Langloch hindurchragt.

4. Strömungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Flansch (30) scheibenförmig gestaltet ist, daß der Flansch (30) in eine kreisförmige Öffnung eines an der Außenwand der Rohrleitung (10) befestigten Montagesitzes (32) eingesetzt ist, und daß der Leitstab (16) mit Hilfe einer Überwurfmutter (38), durch welche der Leitstab hindurchgeführt ist, am Montagesitz (32) befestigt ist.