DE2703439B2

DE2703439B2 - Vorrichtung zum Messen von physikalischen Größen einer Flüssigkeit mit zwei Ultraschallwandlern

Info

Publication number: DE2703439B2
Application number: DE2703439A
Authority: DE
Inventors: Bertel Birker; Mogens Terp Paulsen
Original assignee: Danfoss AS
Current assignee: Danfoss AS
Priority date: 1977-01-28
Filing date: 1977-01-28
Publication date: 1978-11-30
Also published as: US4159647A; GB1596417A; NL7800787A; CA1131755A; US4159646A; DK31778A; SE7800957L; DE2703439C3; FR2379054A1; NL175668B; DE2703439A1; DK147531C; SE423577B; DK147531B; NL175668C; FR2379054B1; JPS5395667A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Messen von physikalischen Größen, wie Flüssigkeitstiefe, mittlere Strömungsgeschwindigkeit und daraus zu ermittelnde Durchflußmenge einer Flüssigkeit die mit freiem Flüssigkeitsspiegel in einem Kanal strömt mit zwei abwechselnd als Sender und Empfänger arbeitenden Ultraschallwandlern, die in Draufsicht einen festen Abstand voneinander haben und eine eine Komponente in Strömungsrichtung aufweisende Meßstrecke zwischen sich bilden, mit einer Meßschaltung, welche die Laufzeiten der Ultraschallwellen in beiden Richtungen feststellt, und einer Auswerteschaltung, welche unter Berücksichtigung dieser Laufzeiten die gewünschten

Größen ermittelt Solange Flüssigkeit ein Rohr durchströmt uad dessen

. gesamten Querschnitt ausfüllt, genügt es zur Messung der Durchflu3menge, die mittlere Strömungsgeschwindigkeit festzustellen. Hierfür ist es bekannt zwei

jo Ultraschallwandler auf einander gegenüberliegenden Seiten des Rohres und in Strömungsrichtung gegeneinander versetzt anzuordnen, abwechselnd als Sender und Empfänger arbeiten zu lassen und die Abwärtslaufzeiten und Aufwärtslaufzeiten festzustellen. Die mittlere Strömungsgeschwindigkeit ist dann proportional der Differenz der Kehrwerte der beiden Laufzeiten. Hierbei können die Meßstrecken in horizontalen Ebenen oder in vertikalen Ebenen liegen. Zur besseren Berücksichtigung der Geschwindigkeitsverteilung im Rohr können auch mehrere parallel nebeneinanderliegende Meßstrecken vorgesehen und deren Ergebnisse unter Berücksichtigung vorbestimmter Gewichtsfaktoren aufsummiert werden.
Dieses Prinzip läßt sich auch bei offenen Kanälen oder solchen Rohren anwenden, die nicht vollständig mit Flüssigkeit gefüllt sind, so daß sich ein freier Flüssigkeitsspiegel ergibt. Die genaue Durohflußmessung setzt aber voraus, daß sich die Höhe des Flüssigkeitsspiegels nicht ändert. Bei einem bekannten

so offenen Kanal, bei dem vier Meßstrecken übereinander angeordnet sind, wird zwar bei einem Absinken des Flüssigkeitsspiegels die dann jeweils freiliegende Meßstrecke unwirksam; dies ergibt aber keine genaue Messung der FlUssigkeitstiefe, wie sie für die Querschnittsberechnung erforderlich ist (DT-AS 19 53 978).

Zur genaueren Messung der Durchflußmenge in einem offenen Kanal ist es ferner bekannt, einerseits die mittlere Durchflußgeschwindigkeit mit Hilfe zweier diagonal auf gegenüberliegenden Seiten angeordneter

bo Ultraschallwandler und die FlUssigkeitstiefe mit einem einen Widerstand aufweisenden Höhenmesser festzustellen und aus beiden Größen die Durchflußmenge zu ermitteln (»Ultrasonics« September 1973, Seiten 195 bis 196).

b5 Des weiteren ist es bekannt, die Füllhöhe in einem mit Flüssigkeit gefüllten Behälter dadurch zu messen, daß am Behälterboden ein Ultraschallwandler angeordnet ist, der ein Ultraschallsignal aussendet und dieses nach

Reflexion an dem Flüssigkeitsspiegel wieder empfängt, wobei die Laufzeit dieses Signals festgestellt wird (US-PS 27 53 542).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art, bei der die Flüssigkeit mit freiem Flüssigkeitsspiegel in einem offenen oder geschlossenen Kanal strömt, anzugeben, die nur eine Meßstrecke benötigt und mit der trotz höhenveränderlichem Flüssigkeitsspiegel nicht nur die mittlere Strömungsgeschwindigkeit, sondern auch die Flüssigkeitsütfe, insgesamt also die DurchfluBmenge gemessen werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Meßstrecke außerdem eine Komponente in Vertikalrichtung hat und eine sich mit dem Flüssigkeitsspiegel in der Höhe ändernde Auftrefffläche (Flüssigkeitsspiegel, Ultraschallwandler) kontaktiert, so daß sich die Neigung der Meßstrecke mit dem Flüssigkeitsspiegel ändert, und daß die Auswerteschaltung mit Hilfe der Summe der Kehrwerte beider Laufzeiten eine Funktion des Neigungswinkeis und unter Berücksichtigung dieser Funktion die gewünschten Größen ermittelt

Bei dieser Meßvorrichtung ändert sich die Länge der Meßstrecke und deren Neigung. Damit ändern sich auch die beiden Laufzeiten. Durch Berücksichtigung der Summe der Kehrwerte beider Laufzeiten läßt sich aber eine Funktion des Neigungswinkels bzw. der Länge der Meßstrecke bilden, mit deren Hilfe einerseits die Messung für die mittlere Strömungsgeschwindigkeit korrigiert und andererseits auch die Flüssigkeitstiefe ermittelt werden kann. Kennt man aber die mittlere Strömungsgeschwindigkeit und den von der Flüssigkeitstiefe abhängigen Querschnitt des gefüllten Kanalteils, kann man die Durchflußmenge mit hoher Genauigkeit berechnen.

Zweckmäßigerweise verläuft die Meßstrecke in einer senkrechten Ebene, die zur Strömungsrichtung einen Winkel von weniger als 45° hat.

Vorzugsweise soll die Ebene etwa parallel zur Strömungsrichtung stehen. Je kleiner der Winkel ist, um so größer ist der Unterschied zwischen den Laufzeiten und um so genauer das Meßergebnis.

Bei einer Ausführungsform ist der eine Ultraschallwandler an einer Kanalwand angeordnet und der andere Ultraschallwandler schwimmt auf der Flüssigkeit, ist aber in horizontaler Richtung gefesselt. Insbesondere kann der schwimmende Ultraschallwandler an einer vertikalen Führung gelagert sein. Hierbei besteht die Meßstrecke aus einem einzigen geradlinigen Abschnitt, der seine Neigung in Abhängigkeit vom Flüssigkeitsstand ändert.

Bei einer anderen Ausführungsform sind beide Ultraschaiiwandler an Kanalwänden angeordnet und so gerichtet, daß eine Schallwellen-Reflexion am Flüssigkeitsspiegel stattfindet. Auf diese Weise ergeben sich ohne größeren Aufwand längere Meßstrecken.

Es hat sich als günstig erwiesen, wenn der oder die an der Kanalwand angeordnete Ultraschallwandler gegenüber der tiefsten Kanalsohle versetzt sind. Auf diese Weise werden die Ultraschallwandler nicht durch Schmutzablagerungen, wie sie bei offenen Kanälen nicht zu vermeiden sind, in ihrer Funktion beeinträchtigt. Beispielsweise können die Ultraschallwandler in schrägen Seitenwänden des Kanals angeordnet sein.

Die beiden Ultraschallwandler können insbesondere zu einer Baueinheit vereinigt sein, die in den Kanal einbringbar ist. Dies erlaubt den nachträglichen Einbau.

Außerdem ist der Abstand der Wandler genau definiert Die Baueinheit sollte als strömungsgünstig gestalteter Körper ausgebildet sein. Sie kann auch auf den Boden des Kanals gelegt sein. Die dann nach oben weisenden, etwas über dem Kanalboden angeordneten Ultrascha'lwandler sind dabei praktisch keiner Verschmutzungsgefahr ausgesetzt

Empfehlenswert ist es ferner, daß jeder Ultraschallwandler einen Schallkegel aussendet, dessen öffnungswinkel so groß gewählt ist, daß der andere Ultraschallwandler bei Höhenänderungen des Flüssigkeitsspiegels im vorgegebenen Arbeitsbereich innerhalb der Kegelfläche bleibt Es ist dann nicht notwendig, daß man die aktiven Flächen der Ultraschallwandler der Neigung der Meßstrecke nachführt; die an den Kanalwänden angeordneten Ultraschallwandler können fest eingebaut sein.

Wie noch später näher erläutert wird, ist die Funktion des Neigungswinkels vorzugsweise eine Cosinusfunktion. Hieraus ergibt sich, daß im einfachsten Fall, nämlich bei einer Meßstrecke, die in einer zur Strömungsrichtung parallelen Ebene verläuft, die Auswerteschaltung bei gegebener Projektion L der halben Meßstrecke auf die Strömungsrichtung und gegebener Schallgeschwindigkeit c aus der Abwärtslaufzeit fi und der Aufwärtslaufzeit f₂ die mittlere Strömungsgeschwindigkeit ν nach der Gleichung

und die oberhalb eines Ultraschallwandlers vorhandene Flüssigkeitstiefe D nach der Gleichung

D =

- L²

ermittelt. Liegt die Meßstrecke in einer schräg zur Strömungsrichtung verlaufenden Ebene, so ist noch der Cosinus des Winkels zwischen dieser Ebene und der Strömungsrichtung zu berücksichtigen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand an der Zeichnung schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 einen Längsschnitt durch einen Kanal mit der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung,

F i g. 2 einen Querschnitt durch den Kanal,
F i g. 3 eine Draufsicht auf den Kanal,
F i g. 4 ein schematisches Blockschaltbild,
F i g. 5 einen Querschnitt durch eine andere Ausführungsform,

F i g. 6 eine Draufsicht auf die Ausführungsform der Fig.5,

F i g. 7 einen Querschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel und

F i g. 8 eine Draufsicht auf die Ausführungsform der Fig./.

b5 Ein Kanal mit einer Bodenwand oder Sohle 2 und zwei Seitenwänden 3 und 4 ist bis zu einem Spiegel 5 mit Flüssigkeit 6 gefüllt. Die Flüssigkeitstiefe D kann innerhalb eines Bereichs AD schwanken. Der mit

Flüssigkeit gefüllte Querschnitt des Kanals 1 ist eine Funktion dieser Flüssigkeitstiefe D. Die Flüssigkeit hat eine mittlere Geschwindigkeit v. Die Durchflußmenge Q errechnet sich aus dem Produkt von mittlerer Geschwindigkeit und Flüssigkeitsquerschnitt.

In der Sohle 2 sind zwei Ultraschallwandler 7 und 8 angeordnet, die zwischen sich eine Ultraschall-Meßstrecke 9 definieren, die aus zwei gradlinigen Abschnitten 9a und 9b besteht. Die Schallwellen werden an einem Punkt 10 des Flüssigkeitsspiegels 5 reflektiert Der Abstand der beiden Ultraschallwandler 7 und 8 in Strömungsrichtung beträgt 2 L Die Länge L ist daher gleich der Projektion der halben Meßstrecke auf die Strömungsrichtung. Die Meßstrecke verläuft in einer vertikalen Ebene, hier in der Mitteiebene des Kanals, wobei die Abschnitte in einem Neigungswinkel θ zur Horizontalen stehen. Der von jedem Ultraschallwandler abgegebene Schall wird in Form eines Kegels abgestrahlt, der einen solchen öffnungswinkel hat, daß innerhalb des Höhenänderungsbereichs AD des Flüssigkeitsspiegels 5 der jeweils andere Wandler noch im Reflexionsraum dieses Kegels liegt Das wiederum hat zur Folge, daß der Neigungswinkel θ der wirksamen Meßstrecke 9 sich in Abhängigkeit von der Höhenlage des Flüssigkeitsspiegels 5 ändert Dies ist in F i g. 1 für den Fall veranschaulicht daß der Ultraschallwandler 7 als Sender und der Ultraschallwandler 8 als Empfänger dient. Umgekehrt gilt dasselbe.

Die beiden Ultraschallwandler 7 und 8 werden abwechselnd als Sender und Empfänger angesteuert, so daß das Schallsignal abwechselnd stromaufwärts und stromabwärts läuft Hierbei wird mit Hilfe einer Meßschaltung 12, F i g. 4 eine Aufwärtszeit fi und eine Abwärtszeit t₂ gemessen. Aus diesen beiden Zeiten und anderen Parametern, wie der Länge L, der Schallgeschwindigkeit ein der Flüssigkeit und der Querschnittsform des Kanals 1 werden in der Auswerteschaltung 13 zumindest drei physikalische Größen ermittelt nämlich am Ausgang 14 die Flüssigkeitstiefe D, am Ausgang 15 die mittlere Strömungsgeschwindigkeit ν und am Ausgang 16 die Durchflußmenge Q.

Aus F i g. 1 ersieht man, daß

t, (c + r ■ cos ) =

I₂(C — V COS ) =

2L
cos

2L

cos
D = L-Ig

(D

(2)

(3)

Durch Addition bzw. Subtraktion von (1) und (2) erhält man

(4)

ν■cos^ö =

cos¹=

(5)

Formt man (4) und (5) um und setzt (4) in (5) ein, so ergibt sich

\h T_2j

(6)

Mittels der Relation

tg
und den Gleichungen (3) und (4) ergibt sich

D =

(8)

Hieraus läßt sich auch die Durchflußmenge in der obenerwähnten Form berechnen. Für die Rechenschaltungen stehen zahlreiche bekannte Möglichkeiten zur Verfügung. Die Meßschaltung 12 arbeitet mit Vorteil in der Weise, daß die Kehrwerte der Laufzeiten als Frequenzen dargestellt werden, bei denen sich die Summen und Differenzen leicht bilden lassen.

In F i g. 3 ist gestrichelt eine Alternative dargestellt, bei der Ultraschallwandler 7', 8', in den Wänden 3 und 4 des Kanals 1 angeordnet sind. Die Meßstrecke 9' steht dann in einem Winkel β zur Strömungsrichtung, der in der Ausführungsform etwa 25 Grad beträgt. Auf diese Weise werden nicht nur Geschwindigkeitsunterschiede in der Strömungsgeschwindigkeit berücksichtigt die sich in verschiedenen Höhenlagen ergeben, sondern auch diejenigen Unterschiede, die sich von einer zur anderen Seite des Kanals hin ergeben. Bekanntlich strömt die Flüssigkeit in einem Kanal nahe der Wand langsamer als in der Mitte. Die Ultraschallwandler T, 8' befinden sich damit auch etwas oberhalb der Sohle 2, so daß sie nicht durch sich ablagernde Schmutzstoffe in ihrer Funktionsfähigkeit beeinträchtigt werden können.

Bei diesem Vorgehen muß noch der cos β berücksichtigt werden, der die Projekticn L' der halben Meßstrecke 9' über die Gleichung L'— L/cos β mit der Projektion L der F i g. 1 verknüpft Mit einer ähnlichen Rechnung wie oben ergibt sich dann

i + I

und

-vm

(10)

Bei der Ausführungsform der Fig.5 und 6 ist ein Kanal 21 vorgesehen, der eine halbkreisförmige Wand 22 aufweist Die Flüssigkeit ist wiederum mit 6 und der Flüssigkeitsspiegel mit 5 bezeichnet Gegenüber der tiefsten Kanalsohle versetzt ist in der Wand 22 ein Ultraschallwandler 23 angeordnet Ein zweiter Ultraschallwandler 24 ist an einem Schwimmer 25 befestigt, der längs einer vertikalen Führung 26 auf und ab bewegbar ist In Draufsicht haben daher die beiden Ultraschallwandler 23 und 24 einen festen Abstand voneinander. Die Meßstrecke 27 zwischen den beiden Wandlern bildet mit der Horizontalen einen Neigungswinkel Θ, der sich wiederum mit der Höhenlage des Flüssigkeitsspiegels 5 ändert Die Arbeltsweise ist ähnlich wie beim Ausführungsbeispiel der F i g. 1 bis 3, jedoch ohne Reflexion der Schallwellen. Abwandlungen sind in vielerlei Richtungen möglich. Beispielsweise

kann die Meßstrecke auch an der Kanalwand oder dem Kanalboden reflektiert werden. Es sind auch Mehrfachreflexionen an Flüssigkeitsspiegel und Kanalwand möglich.

In den Fig. 7 und 8 ist eine Baueinheit 31 veranschaulicht, die als Körper 32 mit strömungsgünstiger Oberfläche ausgebildet ist und zwei Ultraschallwandler 33 und 34 vereinigt. Die Baueinheit liegt auf

dem Kanalboden, so daß die Meßstrecke an dem Flüssigkeitsspiegel einen Reflexionspunkt hat. Durch die erhöhte Lage sind die Wandler weitgehend gegen Schmutzablagerungen geschützt. Die Baueinheit kann durch Füllen mit oder Gestalten aus Beton od. dgl. so schwer gemacht werden, daß sie ihren Platz aus Gewichtsgründen beibehält. Eine brauchbare Länge der Baueinheit ist beispielsweise 0,6 m.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Messen von physikalischen Größen, wie Flüssigkeitstiefe, mittlere Strömungsgeschwindigkeit, und daraus zu ermittelnde DurchfluBmenge einer Flüssigkeit die mit freiem Flüssigkeitsspiegel in einem Kanal strömt, mit zwei abwechselnd als Sender und Empfänger arbeitenden Ultraschallwandlern, die in Draufsicht einen festen Abstand voneinander haben und eine eine Komponente in Strömungsrichtung aufweisende Meßstrekke zwischen sich bilden, mit einer Meßschaltung, welche die Laufzeiten der Ultraschallwellen in beiden Richtungen feststellt, und einer Auswerteschaltung, welche unter Berücksichtigung dieser Laufzeiten die gewünschten Größen ermittelt, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßstrecke (9, 9', 27) außerdem eine Komponente in Vertikalrichtung hat und eine sich mit dem Flüssigkeitsspiegel (5) in der Höhe ändernde Auftrefffläche (Flüssigkeitsspiegel 5, Ultraschallwandler 24) kontaktiert, so daß sich die Neigung der Meßstrecke mit dem Flüssigkeitsspiegel ändert, und daß die Auswerteschaltung (13) mit Hilfe der Summe der Kehrwerte beider Laufzeiten (ti, h) eine Funktion des Neigungswinkels (B) und unter Berücksichtigung dieser Funktion die gewünschten Größen ermittelt

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßstrecke (9, 9', 27) in einer senkrechten Ebene verläuft, die zur Strömungsrichtung einen Winkel ßty von weniger als 45° hat

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßstrecke (9) in einer senkrechten Ebene verläuft die etwa parallel zur Strömungsrichtung steht.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Ultraschallwandler (23) an einer Kanalwand (2) angeordnet ist und der andere Ultraschallwandler (24) auf der Flüssigkeit schwimmt aber in horizontaler Richtung gefesselt ist

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der schwimmende Ultraschallwandler (24) an einer vertikalen Führung (26) gelagert ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß beide Ultraschallwandler (7,8; 7', 8') an Kanalwänden (2, 3, 4) angeordnet und so gerichtet sind, daß eine Schallwellen-Reflexion am Flüssigkeitsspiegel (5) stattfindet

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Ultraschallwandler (T, 8'; 23) an der Kanalwand angeordnet und gegenüber der tiefsten Kanalsohle versetzt ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Ultraschallwandler (33, 34) zu einer Baueinheit (31) vereinigt sind, die in den Kanal einbringbar ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Baueinheit (31) als strömungsgünstig gestalteter Körper (32) ausgebildet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Baueinheit (31) auf den Boden des Kanals gelegt ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Ultraschallwandler (7, 8) einen Schallkegel (11) aussendet dessen Öffnungswinkel (α.) so groß gewählt ist, daß der andere Ultraschallwandler bei Höhenänderungen des Flüssigkeitsspiegels {S) im vorgegebenen Arbeitsbereich innerhalb der Kugelfläche bleibt