DE2647184C3 - Verfahren zur Ermittlung physikalischer Parameter flüssiger Medien mittels Ultraschall - Google Patents

Description

a = arc sin

mit

Co = Ausbreitungsgeschwindigkeil von Ultraschallschwingungen im schalleitenden Medium (7);

C = Ausbreitungsgeschwindigkeit von Querultraschallschwingungen im Wandmaterial der Rohrleitung (5),

und daß die Frequenz /'der Ultraschallschwingungen folgendermaßen gewählt wird:

H- C

l/T· ti

mit

η = ganzzahlig (1,2,3...),

d = Wanddicke der Rohrleitung (5).

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung solcher physikalischer Parameter flüssiger Medien mittels Ultraschall, die in die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Ultraschalls in den flüssigen Medien eingehen, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs.

Durch die Ermittlung derartiger Parameter wird deren berührungslose Kontrolle (Überwachung) ermöglicht.

Unter physikalischen Parametern werden hier physikalische Größen verstanden, zu denen insbesondere Geschwindigkeit, Durchsatz und Druck des betreffenden Mediums (also mechanische Größen), aber auch Dichte (also Materialeigenschaften) gehören. Die Erfindung kann insbesondere in der chemischen Industrie sowie im Flugzeug- und Maschinenbau eingesetzt werden.

Bei der Messung physikalischer Parameter einer Flüssigkeit in Rohrleitungssystemen kommt es bei Einführung von Ultraschaiischwingungen in die zu kontrollierende Flüssigkeit zu Störungen, die mit einem Nachhall von Ultraschallschwingungen in den Wänden der Rohrleitung und deren Innenfläche verbunden sind. Die Nachhallstörungen lassen wesentliche Fehler in die

ίο Messungen der physikalischen Parameter einer Flüssigkeit eingehen.

Um die Nachhallerscheinungen bei der Messung physikalischer Parameter von flüssigen Medien zu vermindern und die Genauigkeit der Messung zu erhöhen, was bei der Messung der Geschwindigkeit einer Strömung bei kleinen Zeitintervallen oder des Durchsatzes von Flüssigkeit bei kleiner akustischer Basis (Abstand zwischen Ultraschallsender und -empfänger) wichtig ist, führt man die Ultraschallschwingungen in das zu kontrollierende Medium unter einem spitzen oder einem stumpfen Winkel zur Oberfläche der Rohrleitung ein.

Bekannt ist ein Verfahren zur Ermittlung physikalischer Parameter flüssiger Medien mittels Ultraschallschwingungen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, z. B. aus den Patentschriften und US 28 26 912, und US 35 57 050.

Das bekannte Verfahren erlaubt jedoch keine hohe Genauigkeit der Ermittlung physikalischer Parameter

JO einer Flüssigkeit, insbesondere deren Dichte oder Geschwindigkeit, bei beträchtlichen Änderungen der Ausbreitungsgeschwindigkeit von Ultraschallschwingungen in einer Flüssigkeit. Eine Verminderung der Genauigkeit ist bedingt durch eine zusätzliche Phasenverschiebung der Ultraschallschwingungen bei der Einführung von Schwingungen durch die Wände der Rohrleitung. Die Größe der Phasenverschiebung hängt von den akustischen Eigenschaften des schalleitenden Mediums, der Wand der Rohrleitung und der zu kontrollierenden Flüssigkeit ab.

Die Verminderung der Genauigkeit ist außerdem bedingt durch einen Meßfehler infolge Interferenz einer akustischen Störung mit dem informationstragenden Signal. Unter akustischer Störung sind in diesem Fall die

4"> Ultraschallschwingungen zu verstehen, die vom Ultraschallgeber direkt an der Wand der Rohrleitung (an deren Umfang) zum Ultraschallempfänger gelangen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Ermittlung physikalischer Parameter von flüssigen Medien mittels Ultraschall zu entwickeln, bei dem durch Vermeidung einer zusätzlichen Phasenverschiebung der Ultraschallschwingungen und Verminderung eines durch Interferenz des informationstragenden Signals und akustischer Störung bedingten Fehlers eine hohe Genauigleit der Kontrolle erreicht wird.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß bei einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs durch die Lehre nach dem Kennzeichendes Patentanspruchs.

W) Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet eine Erhöhung der Genauigkeit der Ermittlung physikalischer Parameter von flüssigen Medien mittels Ultraschall durch Ausschluß einer zusätzlichen Phasenverschiebung der Ultraschallschwingungen bei deren

f>5 Einführung durch die Wand der Rohrleitung und durch Verminderung des Fehlers, der infolge einer Interferenz des informationstragenden Signals und akustischer Störung entsteht, was durch die erfindungsgemäße

Wahl des Einführungswinkels und der Frequenz der Ultraschallschwingungen bedingt ist.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Kontrolle physikalischer Parameter von flüssigen Medien mittels Ultraschall (Längsschnitt durch die Rohrleitung),

Fig.2 einen Abschnitt der Rohrleitung mit darauf angeordnetem Ultraschallsender und -empfänger (Teilschnitt jurch den Ultraschallsender und Schalleitungen);

F i g. 3 die Anordnung von F i g. 2 in Seitenansicht

Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Ermittlung physikalischer Parameter von flüssigen Medien mittels Ultraschall enthält einen Ultraschallsender 1 (Fig. 1) mit einem daran angeschlossenen Generator 2 und einen Ultraschallempfänger 3 mit einem daran angeschlossenen Meßblock 4. Der Ultraschallsender 1 und der Ultraschallempfänger 3 sind als breitbandige Sender und Empfänger von piezoelektrischer Bauart (vgl. US 32 87 692) ausgebildet. Der Generator 2 ist im elektrischen Teil nach einer für sich bekannten Stoßerregungsschaltung (vgl. US 32 82 086) ausgeführt. Der Meßblock 4 ist ebenfalls nach einer für sich bekannten Schaltung ausgeführt.

Der Ultraschallsender 1 und der Ultraschallempfänger 3 sind akustisch mit einer Rohrleitung 5, welche mit der zu kontrollierenden Flüssigkeit 6 gefüllt ist, durch Schalleitungen 7 und 8 verbunden. Jede Schalleitung 7 und 8 ist in einem Gehäuse (Fig.2) untergebracht, das auf der Rohrleitung 5 angeordnet und längs der Achse der Rohrleitung 5 über Führungen 10 verschiebbar ist. Die Führungen 10 sind mit einer Anschlagschraube 11 versehen.

Dank des beschriebenen Aufbaus des Gehäuses 9 kann die Vorrichtung zur Ermittlung der Parameter flüssiger Medien 6 an Rohrleitungen 5 mit verschiedenem Durchmesser verwendet werden.

Jede Schalleitung 7, 8 enthält eine Hülse 12 und eine Hülse 13. Die Hülse 12 ist im Gehäuse ortsfest befestigt und kontaktiert mit der äußeren Fläche der Rohrleitung 5 über eine dünne Flüssigkeits-Schicht 14. Die Hülse 13 ist akustisch mit dem Ultraschallsender 1 oder dem Ultraschallempfänger 3 verbunden. Sie ist drehbar auf einer Achse senkrecht zur Achse der Hülse 12 angeordnet. Auf der Achse der Hülse 13 ist ein Handgriff 15 (Fig. 3) angebracht, der mit einem Feststeller 16 versehen ist.

Auf der Oberfläche des Gehäuses 9 ist ein Limbus (Meßkreis) 17 (F i g. 2) angeordnet, der eine Skala 18 mit darauf aufgetragenen Winkelteilungen und einen Zeiger 19, der mit dem Handgriff 15 (Fig. 3) kinematisch verbunden ist, aufweist.

Dank der Ausführung der Schalleitungen 7 (Fig. 1) und 8, die die Änderung des Neigungswinkels λ in Abhängigkeit vom Material der Rohrleitung gewährleistet, kann die Vorrichtung zur Ermittlung physikalischer Parameter von flüssigen Medien in Rohrleitungen 5, die aus verschiedensten Materialien gefertigt sind, verwendet werden.

Die Gehäuse 9 (F i g. 2) mit den darin untergebrachten Schalleitungen 7,8 sind auf der Rohrleitung 5 mittels Führungen 20 und einer Andrückschraube 21 angeordnet.

Durch die Anordnung des Ultraschallsenders 1 und des Ultraschallempfängers 3 auf der Rohrleitung 5 mittels der Schalleitungen 7,8, die nicht Bestandteil der Rohrleitung 5 sind, kann die Vorrichtung zur zerstö rungsfreien Ermittlung physikalischer Parameter von flüssigen Medien in geschlossenen L eitungen verwendet werden. Dies beschleunigt den Prozeß der Ermittlung und vermindert den Materialaufwand dafür.

Das Verfahren zur Ermittlung physikalischer Parameter von flüssigen Medien mittels Ultraschallschwingungen wird in der beschriebenen Vorrichtung wie folgt durchgeführt:

Der Generator 2 (F i g. 1) gibt elektrische Impulse an den Ultraschallsender 1 ab, der sie in mechanische Ultraschallschwingungen umwandelt Der Ultraschallsender 1 speist in die Schalleitung 7 die Ultraschallschwingungen ein, deren Frequenz /aus der Gleichung

vT- ei

ermittelt wird, mit
η = ganzzahlig,

d = Wanddicke der Rohrleitung 5,
C = Ausbreitungsgeschwindigkeit von Querultraschallschwingungen im Wandmaterial der Rohrleitung 5.

Die ausgestrahlten Ultraschallschwingungen treten durch die Schalleitung 7 und die Wand der Rohrleitung 5 hindurch in die zu kontrollierende Flüssigkeit 6 unter dem Winkel λ ein, der für die gegebenene Messung mittels Handgriff 15 (F i g. 3) eingestellt wird und aus der Gleichung

a = arc sin

C,

vT· C

ermittelt wird, mit

C) = Geschwindigkeit der Ausbreitung von Ultra-

schallschwingungen im schalleitenden Medium.
Die in die Flüssigkeit 6 gelangenden Ultraschallschwingungen breiten sich in dieser unter dem Winkel β aus, der von der Geschwindigkeit G der Ausbreitung von Ultraschallschwingungen in der zu kontrollierenden Flüssigkeit 6 abhängt und aus der Gleichung

sin/i =

vT-

ermittelt wird.

Die durch die Flüssigkeit 6 hindurchgegangenen Ultraschallschwingungen gelangen durch die Wand der Rohrleitung 5 in die Schalleitung 8 des Ultraschallempfängers unter dem Winkel α mit einer zeitlichen Verschiebung bezüglich des Strahlungszeitpunkts, die von deren Geschwindigkeit der Ausbreitung in der Flüssigkeit 6 abhängt.

Die zeitliche Verschiebung der vom Ultraschallempfänger 3 empfangenen Ultraschallschwingungen wird mittels eines Phasometers (nicht dargestellt) des Meßblocks 4 gemessen. Aus der Größe der zeitlichen Verschiebung ermittelt man den Wert des zu ermittelnden physikalischen Parameters der Flüssigkeit, z. B. deren Dichte oder Druck.

Falls die Geschwindigkeit einer Flüssigkeitsströmung zu ermitteln ist, wird eine zusätzliche, gegensinnige Ausstrahlung einer zweiten Ultraschallwelle vom Empfänger 3 bewirkt, und die Differenz der zeitlichen Verschiebung der empfangenen Signale wird durch den Meßblock 4 gemessen. Aus der Größe dieser Differenz wird die zu kontrollierende Geschwindigkeit der

Flüssigkeitsströmung ermittelt.

Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet es, die Genauigkeit der Ermittlung physikalischer Parameter von flüssigen Medien mittels Ultraschallschwingungen zu erhöhen. Die Erhöhung der Genauigkeit wird erreicht durch den Ausschluß einer zusätzlichen Phasenverschiebung der Ultraschallschwingungen bei deren Einführung durch die Wand der Rohrleitung sowie durch die Verminderung des Fehlers, der durch Interferenz des informationstragenden Signals und akustischer Störung bedingt ist, was nachstehend näher erläutert wird.

Bei der Einführung der Ultraschallschwingungen direkt durch die Wand der Rohrleitung 5 entsteh! nämlich eine zusätzliche Phasenverschiebung on, der Ultraschallschwingungen, die gleich der Phasendifferenz von zwei Schwingungen in jedem Punkt der Oberfläche der Rohrleitung 5 in der Zone der Einführung der Ultraschallschwingungen ist, deren eine in den gegebenen Punkt vom Ultraschallsender 1 einfällt und deren andere nach zweifacher Reflexion im Innern der Wand der Rohrleitung 5 dorthin gelangt. Die Phasenverschiebung φ, kann aus der Gleichung

Ψ, =

2 /ι ι d C

sin- a

(4)

ermittelt werden.

Für die nach der Gleichung (2) gewählten Einfüh- J" rungswinkel kann die Phasenverschiebung durch π ohne Rest geteilt werden. Dabei werden die reflektierten und einfallenden Wellen der Ultraschallschwingungen stets gleichphasig sein; sie unterscheiden sich nach der Phase um 2n .τ und verstärken einander am Austritt der 3i Ultraschallschwingungen aus der Wand der Rohrleitung 5. Als Ergebnis mehrfacher Addition gleichphasiger Ultraschallschwingungen in der Wand der Rohrleitung 5 findet eine Resonanz statt, so daß durch die Wand ein maximales Signal durchgelassen wird. Dabei sieht der au Durchgang von Ultraschaiischwingungen in die Flüssigkeit 6 aus der Schalleitung 7 durch die Wand der Rohrleitung 5 so aus, als wenn die Übertragung der Schwingungen aus der Schalleitung 7 direkt in die zu kontrollierende Flüssigkeit 6 bei fehlender Wand erfolgte.

Da die Phasenverschiebung φ, auch von der Frequenz f der Ultraschallschwingungen abhängt, kann durch Einstellung der Frequenz /bei konstanter Dicke dder Wand der Rohrleitung 5 der erforderliche Wert φ,= Κπ erhalten werden, bei dem ein Maximum an Ultraschallschwingungen aus der Schalleitung 7 in die Flüssigkeit 6 durch die Wand der Rohrleitung 5 durchgelassen wird. Bei falscher Wahl der Frequenz f, die z. B. eine Phasenverschiebung gleich einem ungeraden Vielfachen von -if erzeugt, kommt es zum Auslöschen der

Ultraschallschwingungen in der Wand, d. h. sie gelangen nicht in die Flüssigkeit 6.

Bei Übertragung von Ultraschallschwingungen aus den Schalleitungen 7, 8, die aus dem gleichen Material wie die Rohrleitung 5 gefertigt sind, was bei den bekannten Vorrichtungen z. B. durch Aufschmelzen von Material auf die Wand der Rohrleitung 5 erzielt wird, werden Reflexionen der Ultraschallschwingungen an der Grenze der Schalleitung 7 mit der Rohrleitung 5 ausgeschlossen. In diesem Falle findet hier keine Verstärkung des Signals statt (wegen der in der Vorrichtung erfolgenden Addition gleichphasiger einzuführender und reflektierter Schwingungen), was die Übertragung der Ultraschallenergie in die Flüssigkeit vermindert.

Bei der Vorrichtung unterscheiden sich die Materialien der Schalleitungen 7,8 und der Rohrleitung 5 durch akustische Widerstände voneinander, und die Reflexion der Ultraschallschwingungen an der Grenze der Schalleitung 7 und der Wand der Rohrleitung 5 ist immer vorhanden, so daß ein maximaler Durchtritt von Ultraschallschwingungen bei Wahl von α und f, um die Gleichphasigkeit von einzuführenden und reflektierten Ultraschallschwingungen zu gewährleisten, erreicht wird.

Hici/u 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Verfahren zur Ermittlung solcher physikalischer Parameter flüssiger Medien mittels Ultraschall, die in die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Ultraschalls in den flüssigen Medien eingehen,

   — bei dem

   — in das zu kontrollierende, in einer Rohrleitung befindliche flüssige Medium durch ein schalleitendes Medium und die Wand der Rohrleitung Ultraschallschwingungen unter einem spitzen oder einem stumpfen Winkel zur Oberfläche der Rohrleitung eingeführt und

   — nach dem Durchlaufen des zu kontrollierenden flüssigen Mediums, der Wand der Rohrleitung und eines anderen schalleiter.den Mediums empfangen werden,

   — die Frequenz / der ausgesandten Ultraschallschwingungen einstellbar ist und

   — Laufzeit- oder Phasenverschiebungsmessungen der Uitraschallschwingungen durchgeführt werden, aus denen die Größe des (der) zu ermittelnden physikalischen Parameters) bestimmt wird,

   dadurch gekennzeichnet,

   — daß der Einführungswinkel α der das zu kontrollierende Medium (6) durchlaufenden Ultraschallschwingungen folgendermaßen gewähltwird: