DE2950732A1

DE2950732A1 - Ultraschall-stroemungsmesser und verfahren zur stroemungsmessung

Info

Publication number: DE2950732A1
Application number: DE19792950732
Authority: DE
Inventors: Richard W Kalinoski; James H Vignos
Original assignee: Foxboro Co
Current assignee: Schneider Electric Systems USA Inc
Priority date: 1978-12-18
Filing date: 1979-12-17
Publication date: 1980-07-10
Also published as: NO794111L; US4195517A; GB2037986A; IT1164099B; FR2444929B1; AR219845A1; FI793951A; NL7909020A; DE2950732C2; FR2444929A1; IT7951102A0; JPS5593018A; SE7910386L; CA1123088A; SE445261B; GB2037986B

Description

Henkel, Kern, Feuer Cr Hinzel Patentanwälte

Registered Representatives before the - 8 - European Patent Office

MfthlstraBe37 The Foxboro Company D-ΘΟΟΟ München 80

Foxboro, Mass., V.St.A.

Telegramme: ellipsoid

17. Dez. 1979

103.012

Ultraschall-Strömungsmesser und Verfahren zur Strömungsmessung

Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Durchsatzmengen- bzw. Strömungsmesser und betrifft insbesondere einen Strömungsmesser unter Verwendung einer Ultraschalleinrichtung zur Lieferung eines der Strömungsgeschwindigkeit des Strömungsmittels proportionalen Ausgangssignals.

Für die Strömungsmessung sind verschiedene Techniken unter Verwendung von ültraschalleinrichtungen oder -elementen bekannt. Die Zahl der Patentschriften auf diesem Gebiet ist sehr groß. Allgemein handelt es sich bei diesen Strömungsmessern um solche vom Schallwellen-Ausbreitungstyp, bei denen die Schallgeschwindigkeit längs einer die Längsachse des strömenden Strömungsmittels schneidenden diagonalen Linie mit der Strömung und gegen die Strömung des Strömungsmittels gemessen

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wird. Der Unterschied zwischen diesen Ausbreitungszeiten liefert eine Anzeige für die Strömungsgeschwindigkeit des Strömung smitte Is.

Bestimmte Strömungsmesser dieser Art -sind vom Normal-Injektions- bzw. Einspeisetyp, d.h. die Schallwellen passieren die Grenzfläche zwischen dem strömenden Strömungsmittel und den Ultraschallwandler unter einem rechten Winkel zu dieser Grenzfläche. Nachteilig an dieser Konstruktion ist, daß zur Aufrechterhaltung des erforderlichen nicht-senkrechten Winkels zwischen der Längsachse des Strömungsmittels und dem Schallgeschwindigkeitsvektor der Ultraschallwandler derart am Rohr montiert werden muß, daß an der Rohrinnenwand entweder Taschen oder Vorsprünge bzw. Erhebungen entstehen. Hierdurch wird das lokale Strömungsgeschwindigkeitsprofil in den Bereichen, in denen die Messungen erfolgen sollen, unterbrochen. Außerdem wird hierdurch ein Absetzpunkt für Feststoffe und andere, vom Strömungsmittel mitgeführte Verunreinigungen bzw. Schwebstoffe gebildet.

Bei anderen Ultraschall-Strömungsmessern wird die Schrägoder Keil-Einspeisetechnik angewandt, um die Schallwellen unter Ausschaltung von Taschen und/oder Vorsprüngen in das Strömungsmittel einzuleiten. Da bei diesem System jedoch die Schallwelle nach der Snellschen Regel an der Strömungsmittel-Grenzfläche gebrochen wird, verändern Abweichungen der Schallgeschwindigkeit sowohl in der Flüssigkeit als auch im Schallwandler den Brechungswinkel unter ungünstiger Beeinflussung der Genauigkeit der erhaltenen Messung, sofern keine Ausgl-ichmaßnahmen getroffen werden. Beispielsweise wird beim Ultraschall-Strömungsmesser gemäß der US-PS 3 575 050 der Unterschied in den Schallwellen-Laufzeiten zwischen stromauf- und stromabseitigen elektroakustischen Wandlemgemessen, die

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zur Gewährleistundeines Schrägeinfalls der Schallwellen an der Rohr/Flüssigkeit-Grenzfläche angeordnet sind. Diese US-PS sieht jedoch keine Maßnahmen für Abweichungen oder Änderungen in der akustischen oder Schallwellenstrecke durch das Strömungsmittel aufgrund von Änderungen der Schallgeschwindigkeit in der Flüssigkeit und/oder im Wandler vor.

Weitere Veröffentlichungen, für welche die US-PSen 3 731 532, 3 738 169, 3 727 454 und 3 727 458 Beispiele sind, schlagen zusätzlich zur Messung der stromauf- und stromabseitigen Schallwellenausbreitungszeiten eine dritte Messung zur Bestimmung der Schallgeschwindigkeit in der Flüssigkeit und die Heranziehung dieser Messung zur Korrektur einer etwaigen Änderung oder Abweichung der Schallgeschwindigkeit in der Flüssigkeit vor. Für mögliche Änderungen der Schallwellenstrecke (acoustic path) wird keine Korrektur vorgenommen. Außerdem wird bei diesen bisherigen Konstruktionen auch nicht der Einfluß von Fehlern berücksichtigt, die auf Änderungen der Schallgeschwindigkeit im Wandler beruhen und die Änderungen der akustischen bzw. Schallwellen(lauf)strecke herbeiführen können. Derartige Fehler können insbesondere in Verfahrensregelfällen von Bedeutung sein, weil die Ausgangsgenauigkeit des Strömungsmessers dabei innerhalb weiter Temperaturänderungsbereiche konstant gehalten werden muß. Zudem benötigen diese genannten Strömungsmesser einen oder zwei zusätzliche Ultraschall-Wandler, was einen entsprechenden Schaltungsaufwand und entsprechend höhere Fertigungskosten sowie eine weitere Komplizierung des Strömungsmesseraufbaus bedeutet.

Aufgabe der Erfindung ist damit insbesondere die Schaffung eines verbesserten Ultraschall-Strömungsmessers, der eine hohe Meßgenauigkeit gewährleistet und sich speziell für Verfahrensregelzwecke eignet.

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Diese Aufgabe wird durch die in den beigefügten Patentansprüchen gekennzeichneten Merkmale gelöst.

In bevorzugter Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ultraschall-Strömungsmessers sind zwei Wandler an derselben Seite der Außenfläche eines das Strömungsmittel führenden Rohrs montiert und ihrerseits mit je einer Schallsonde gekoppelt, welche erzeugte akustische Impulse zwischen den Wandlern durch das Strömungsmittel aussendet und empfängt. Die Wandler und Sonden sind so angeordnet, daß die akustischen Impulse unter einem schrägen bzw. flachen Winkel zur Feststoff/ Flüssigkeits-Grenzfläche, an welcher Brechung auftritt, in das Rohr eintreten. Die Impulse breiten sich dann durch das Strömungsmittel zur gegenüberliegenden Rohrwand aus, von wo sie zum anderen Wandler reflektiert werden. Die akustische Laufstrecke im Strömungsmittel wird für einen vorgegebenen Satz von Bedingungen in spezieller Weise durch das Verhältnis von Schallgeschwindigkeit in der Sonde zu Schallgeschwindigkeit im Strömungsmittel nach der Snellschen Regel bestimmt. Die Wandler werden sequentiell zur Erzeugung von akustischen Impulsen angeregt, die zuerst vom stromaufseitigen zum stromabseitigen Wandler und dann umgekehrt laufen. Ein torgesteuerter (gated) Zähler mißt die jeweiligen Schallwellen-Ausbreitungszeiten zwischen den beiden Wandlern.

Gemäß einem wesentlichen Merkmal der Erfindung bleibt das Ausgangssignal des Strömungsmessers von Schallgeschwindigkeitsänderungen, welche die akustische Laufstrecke verändern, im wesentlichen unbeeinflußt. Die Ausschaltung der Abhängigkeit von der Schallgeschwindigkeit wird dadurch erreicht, daß in den Schallsonden Mittel vorgesehen werden, die eine feste Strecke einer bekannten Länge festlegen, längs welcher sich ein Teil der erzeugten akustischen Impulse ausbreiten. Auf diese Weise

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entstehen bei einer einzigen übertragung eines akustischen Impulses zwei elektrische Ausgangssignale, von denen das eine die Laufzeit zwischen den Wandlern durch das strömende Strömungsmittel hindurch und das andere die Laufzeit in der Schallsonde angibt.

Bei vorgegebener Geometrie und vorgegebenen Wandlern ist das akustische Feld des Meßgeräts vollständig durch die Geschwindigkeit des strömenden Strömungsmittels und die Schallgeschwindigkeiten in Sonde und Strömungsmittel bestimmt (described). Das Doppel-Wandlersystem gemäß der Erfindung liefert also drei voneinander unabhängige Schallwellen-Ausbreitungszeitmessungen, die ausreichen, um das Ausgangsansprechen voll zu kennzeichnen. Dies bedeutet, daß die drei Laufzeitmessungen nach an sich bekannten physikalischen und mathematischen Prinzipien miteinander kombiniert werden können, um ein Ausgangssignal zu liefern, welches der Strömungsgeschwindigkeit proportional und von Schallgeschwindigkeitsänderungen sowohl im Strömungsmittel als auch in der Übertragungssonde und somit auch von Änderungen der Ausbreitungsstrecke unabhängig ist.

Gemäß einem anderen Erfindungsmerkmal ist die Innenfläche, des Rohrs längs des Bereichs, in welchem die akustischen Impulse ein- und austreten, als glatte, stufenlose Bohrung gleichmäßigen Querschnitts ausgebildet. In bevorzugter Ausführungsform können die Wandler und die Schallsonden durch eine öffnung im Rohr eingesetzt werden, wobei das an das Strömungsmittel angrenzende Ende der Sonde an die Innenkontur des Rohrs angeßaßt ist. Wahlweise kann die Wandler/Sondenanordnung ohne Unterbrechung der Rohrinnenwand an der Außenfläche des Rohrs verspannt werden.

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Ein weiterer Vorteil der Erfindung, der sich aus der Anordnung der beiden Wandler an derselben Seite des Rohrs und aus der übertragungjder akustischen Impulse zwischen ihnen aufgrund eines "Zurückprallens" der Impulse von der gegenüberliegenden Rohrwand ergibt, besteht in der erhöhten Gesamt-Ansprechempfindlichkeit des Meßgeräts. Hierdurch wird effektiv der Unterschied zwischen den stromauf- und stromabseitigen Schallwellen-Ausbreitungszeiten im Strömungsmittel verdoppelt, während gleichzeitig Auswirkungen radialer Strömungsgeschwindigkeit skomponenten verringert werden.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schnittansicht eines Hauptelements eines Ultraschall-Strömungsmessers gemäß der Erfindung,

Fig. 2 eine in vergrößertem Maßstab gehaltene Schnittansicht des akustischen bzw. Schallwandlers und der Schallsonde bei der Vorrichtung nach Fig. 1,

Fig. 3 eine schematische Darstellung des Meßgeräts nach Fig. 1 zur Veranschaulichung typischer Änderungen in der akustischen Laufstrecke zwischen den beiden Wandlern infolge von Änderungen der Schallgeschwindigkeit sowie zur Verdeutlichung der geometrischen Beziehungen bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 4 eine schematische Darstelluncfeiner der Wandler/ Sondenanordnungen beim Meßgerät nach Fig. 1 zur Verdeutlichung der Ausbreitungsstrecke eines orthogonal vom Zentrum des Wandlers ausgesandten akustischen "Strahls",

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Fig. 5 ein Blockschaltbild der elektronischen Schaltung zur Erzeugung eines Strömungs-Ausgangssignals beim erfindungsgemäßen Meßgerät,

Fig. 6 ein Zeitablaufdiagramm beim erfindungsgemäßen Meßgerät,

Fig. 7 eine schematische Darstellung einer abgewandelten Ausführungsform mit der Schallwellen-Laufstrecke für den Fall, daß die Wandler auf gegenüberliegenden Seiten des Rohrs angeordnet sind,

Fig. 8 eine schematische Darstellung nach einer anderen Ausführungsform mit anderer Wandler/Sondenanordnung, zur Verdeutlichung der Laufstrecke der ausgesandten Schallwellen, und

Fig. 9 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform, bei welcher beide Wandler in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sind.

Gemäß den Fig. 1 und 2 besteht ein Hauptelement des erfindungsgemäßen Ultraschall-Strömungsmessers 10 aus einem Rohrabschnitt 12 und zwei akustischen bzw. Schallwandlern 14 und 24 in rohrförmigen Gehäusen 15 bzw. 25, die jeweils in einer stromaufseitigen bzw. stromabseitigen Position an derselben Seite des Rohrs 12 befestigt sind. Die Wandler sind dabei so angeordnet, daß sich die von ihnen ausgesandten akustischen Impulse durch das Stromungsmittel hindurch zur gegenüberliegenden Rohrwandung ausbreiten, von welcher diese Impulse reflektiert und dann vom jeweils anderen Wandler abgenommen werden. Aufgrund dieser Anordnung breiten sich die Impulse längs einer akustischen Strecke 13 diagonal durch das Strömungsmittel hindurch aus, wobei in an sich bekannter Weise die Größe des Unter-

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schieds in den Laufzeiten der akustischen Impulse zwischen stromauf- und stromabseitigem Wandler ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit des Strömungsmittels ist.

Die beiden Wandler 14 und 24 besitzen jeweils denselben Aufbau, sofiaß die Beschreibung des einen Wandlers anhand von Fig. 2 ausreichen dürfte. Der stromaufseitige akustische Wandler 14 gemäß Fig. 2 weist einen zylindrischen Halteteil 14A auf, mit dessem einen Ende eine massive Schallsonde 16 verbunden ist. Der Halteteil und die Schallsonde bilden eine einstückige Einheit, die in das Gehäuse 15 einsetzbar ist, und in diesem an einer Schulter 32 anliegt. Das Gehäuse durchsetzt in schräger Richtung die Rohrwandung, so daß sich die Sonde bis zur Grenzfläche mit dem strömenden Strömungsmittel erstreckt. Eine auf die Sonde aufgesetzte Dichtung 34 dient zur Herstellung einer Abdichtung gegenüber dem Strömungsmittel. Das an der Strömungsmittel-Grenzfläche befindliche Ende der Sonde ist so geformt, daß es der Kontur der Rohr-Innenwandung genau angepaßt ist, so daß in dem Bereich, in welchem die akustischen bzw. Schallimpulse in das Rohr eintreten und aus ihm austreten, eine unterbrechungsfreie Rohrbohrung gleichmäßigen Querschnitts vorhanden ist. In die Sonde ist eine Kerbe 18 eingestochen, an welcher auf noch näher zu erläuternde Weise ein Teil der erzeugten akustischen Impulse zur Sonde zurückreflektiert wird. Die Sonde besteht aus rostfreiem Stahl, doch kann sie auch aus einem beliebigen anderen, massiven Werkstoff bestehen, welcher akustische Impulse zu übertragen vermag.

Ein piezoelektrischer Krislall 20, der bei elektrischer Anregung akustische Impulse erzeugt, ist in den Halteteil 14A eingesetzt und gegen das vom Strömungsmittel abgewandte Ende der Sonde 16 verspannt. Die Sonde wirkt somit als Zwischenübertragungsmittel, um die erzeugten akustischen Impulse unter dem

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richtigen Winkel in das Strömungsmittel auszusenden, so daß diese Impulse vom stromabseitigen Wandler 24 empfangen werden können. Wenn ein solcher piezoelektrischer Kristall akustische Impulse empfängt, erzeugt er selbstverständlich entsprechende elektrische Ausgangssignale.

Zur Gewährleistung einer maximalen elektroakustischen Wandlerleistung zwischen dem Kristall 2O₁ der zur Erzeugung von Schubwellen polarisiert ist, und zu einer zugeordneten Sonde 16 sind die beiden Berührungsflächen geläppt, und der Kristall

2 ist gegen die Sonde unter einem Druck von etwa 70,3 kg/cm verspannt. Diese Verspannung unter hohem Druck wird durch einen Kolben 36 erreicht, durch eine Kombination aus einem starren Stempel 38, einer Feder 40, einer eine Drehung verhindernden Scheibe 42 und einer Wandler-Belastungsmutter 44 innerhalb des Halteteils 14A fest an den Kristall angedrückt wird. Um eine maximale Energieübertragung von der Sonde auf das Strömungsmittel zu erreichen, muß außerdem die Polarisationsfläche des Schubwellen-Kristalls senkrecht zur Grenzfläche zwischen Sonde und Strömungsmittel stehen. Dies wird dadurch gewährleistet, daß der Kristall am Kolben unter Festlegung der Polarisationsrichtung mittels einer im Kolben ausgebildeten Keilnut 46 befestigt i-st. Der Kolben ist dabei durch die Keilnut relativ zur Sonde einwandfrei ausgerichtet.

Die gesamte Wandleranordnung 14 aus der Sonde, dem Kristall, dem Spannmechanismus und dem Halteteil bildet somit eine einstückige Einheit, die in das Gehäuse 15 eingesetzt und mittels einer Spann- oder Sicherungsmutter 23 gegen die Schulter 32 verspannt ist. Durch die einheitliche Ausbildung der Wandleranordnung werden Prüfungs- und Wartungsarbeiten des Strömungsmessers auch unter Betriebsbedingungen erleichtert. Außerdem wird durch diese Montageart des Wandlers, im Gegensatz zum festen Anschweißen oder einer anderweitigen festen Anbringung

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der Sonde 16 unmittelbar am Rohr, das Ultraschallsignal/Strösignal-Verhältnis des Strömungsmessers verbessert, weil durch den vergleichsweise schlechten Metall-Metall-Kontakt zwischen Sonde und Gehäuse nur eine minimale übertragung von akustischen Störsignalen in die Rohrwandung auftritt. Infolgedessen erreichen weniger akustische Störsignale den anderen Wandler über diese rein metallische Ausbreitungsstrecke.

Ein Strömungsmesser mit glatter Bohrung und ohne Taschen oder Vorsprünge macht die akustische Auslegung komplizierter. Zur Erzielung der erforderlichen diagonalen übertragung zwischen den Wandlern 14 und 24 müssen die vom stromaufseitigen piezoelektrischen Kristall 20 über die Schallsonde 16 oder vom stronabseitigen Kristall 30 über die Schallsonde 26 ausgesandten Schallimpulse schräg auf die Grenzfläche zwischen Sonde und Strömungsmittel auftreffen. Infolgedessen müssen die Auswirkungen der Wellen- oder Moden-Umwandlung und der Brechung an dieser Grenzfläche berücksichtigt werden.

Bei der beschriebenen Ausführungsform können in der Sonde neben den einwandfrei gerichteten, reflektierten Schubwellen störende Längswellen (d.h. Wellen-bzw. Moden-Umwandlung) erzeugt werden, wenn die ausgesandten Schubwellen auf die Sonden/ Strömungsmittel-Grenzfläche auftreffen. Derartige Längswellen können ungewollt die Ausgangselektronik des Strömungsmessers anstoßen bzw. triggern, wodurch erhebliche Fehler in die Schallwellen-Ausbreitungszeit eingeführt werden. Zur Vermeidung dieses Problems wird die gesamte Schallenergie innerhalb der Sonde auf die Schubwellenart (shear mode) beschränkt, indem der Einfallswinkel der ausgesandten Welle so gewählt wird, daß die reflektierte Längswelle nicht entsteht (unter Berücksichtigung des Verhältnisses zwischen der Längswellen- und der Schubwellen-Schallgeschwindigkeit in der Sonde wird ein Einfallswinkel gewählt, bei dem nach der Snell'sehen Regel der Sinus

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des Winkels der unerwünschten reflektierten Welle größer ist als 1 .

Ein ernsthafteres, zu berücksichtigendes Problem betrifft die Brechung der akustischen Impulse an der Grenzfläche zwischen Sonde und Strömungsmittel. Dies beruht darauf, daß dann, wenn sich die Schallgeschwindigkeit in der Metallsonde (C_u) oder im Strömungsmittel (C₁) ändert, wie dies bei Temperatur-, Druck- und/oder Zusammensetzungsänderungen der Fall sein kann, der Brechungswinkel Änderungen unterliegt, die zu einer Änderung der Länge der akustischen Strecke führen. Diese Tatsache geht am besten aus Fig. 3 hervor, in welcher die Schallstrecke 13 für die vorausgesetzten Konstruktionsbedingungen, wie graphisch durch die Strecke 13A angedeutet, aufgrund eines unterschiedlichen Schallgeschwindigkeitsverhältnisses zwischen den beiden Medien versetzt eingezeichnet ist. Die Abweichung der akustischen bzw. Schallstrecke führt zu einer unmittelbaren Änderung der Ausbreitungszeit der akustischen Impulse zwischen den beiden Kristallen 20 und 30, so daß sie eine Ursache für Anzeigefehler darstellt.

Da derartige Änderungen der Schallstrecke in bekannter Weise auftreten, können sie berücksichtigt und kompensiert werden, indem auf bewährte physikalische und mathematische Prinzipien zurückgegriffen wird. Ein wesentliches Merkmal der Erfindung ist damit die Schaffung eines zwei Wandler aufweisenden Ultraschall-Strömungsmessers, der drei voneinander unabhängige Schallwellen-Ausbreitungszeitmessungen zu liefern vermag, die für sich allein ausreichen, um das Ausgangsansprechen (output response) des Strömungsmesser unabhängig von Änderungen oder Abweichungen in der akustischen Strecke genau zu charakterisieren. Die Basis für ein solches Dreifachmeßsystem wird im folgenden für die Fraunhofer-Feldnäherung des akustischen Feldes näher veranschaulicht (nämlich für den Fall, daß der empfangende Wandler so weit vom sendenden Wandler an-

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geordnet ist, daß der Sender als Punktquelle betrachtet werden kann). Es ist jedoch darauf hinzuweisen, daß der Fall der Dreifachmessung völlig allgemein zu betrachten ist und gleichermaßen auch für die Nahfeldnäherung gilt.

Bei dem physikalischen Modell gemäß Fig. 3 kann das durch Erregung des Kristalls 20 entstehende akustische Feld angenähert durch eine Anzahl gerader Strahlen ausgedrückt werden, die vom Zentrum des Kristalls ausgehen. Zur Vereinfachung der Erläuterung werden im folgenden nur die in der Ebene von Fig. 3 liegenden Strahlen berücksichtigt. Im Fall eines vorgegebenen Strömungsmessers mit festgelegten geometrischen Beziehungen nach Fig. 3 wird die Strecke jedes vom Zentrum des sendenden Kristalls ausgehenden akustischen Strahls eindeutig durch zwei Parameter definiert, nämlich durch den Einfallswinkel des Strahls in die Schallsonde (6_U) und dem Brechungswinkel des Strahls im Strömungsmittel (Θ ).

Im Ruhezustand der beiden Medien können θ_ und Θ., nach der

Li N

Snell'sehen Regel wie folgt zueinander in Beziehung gesetzt werden:

sin e„ sin θ_

^M - ^L- (D.

^CM ^CL

Falls sich jedoch das eine Medium längs der Grenzfläche zwischen den beiden Medien relativ zum anderen Medium bewegt, wie im Fall eines in eine Leitung strömenden Strömungsmittels, muß die Snell'sehe Regel wie folgt modifiziert werden:

sin θ sin θ.

V _sln (2),

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wobei: V = Strömungsgeschwindigkeit und

die Vorzeichen + und - die Schallwellenausbreitung mit bzw. gegen die Strömung angeben.

Für eine festgelegte Geometrie ist mithin die Strecke jedes vorgegebenen akustischen Strahls, d.h. jedes vorgegebenen Faktors ©„, eindeutig als Funktion der Schallgeschwindigkeiten sowohl in der Sonde als auch im Strömungsmittel sowie der Strömungsmittel-Strömungsgeschwindigkeit definiert, das heißt

^fe ^(cm' ^cl' ^v)

Selbstverständlich ist die Zeit, welche der Strahl für den Durchlauf über diese Strecke benötigt, ebenfalls eine direkte Funktion von C_x,, C- und V. Da die akustischen Impulse für das

N L·

Fraunhofer- bzw. Fernfeld aus einer unendlichen Zahl von Strahlen mit jeweils derselben Funktionalität bestehen, läßt sich auf ähnliche Weise die Durchgangszeit (t ) für den Durchgang des Impulses zwischen den beiden Wandlern auf ähnliche Weise wie folgt ausdrücken:

< (C_M, C_L, V) (4).

Da die Faktoren C„ und C_ nicht a priori bekannt sind, und da sie tatsächlich über vergleichsweise weite Bereiche hinweg variieren können, so daß sich erhebliche Ausgangsfehler ergeben, wenn feste Größen vorausgesetzt werden, geht aus der obigen Gleichung für t hervor, daß drei voneinander unabhängige akustische Messungen erforderlich sind, um eine genaue Auflösung für V , nur in Form von Meßgrößen zu erreichen. Im allgemeinsten Fall für einen Strömungsmesser

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mit fester Geometrie und mit einem vorgegebenen Wandler läßt sich die Beziehung zwischen den verschiedenen Parametern mathematisch wie folgt ausdrücken:

^(CM' ^CL' ^V)

^fr₃ ^(cm' ^cl' ^v)

Unter Anwendung bekannter mathematischer Verfahren lassen sich die Gleichungen (5), (6) und (7) so umkehren, daß man folgendes erhält:

f_v (Ir₁, r₂, r₃) (8),

wodurch eindeutig belegt wird, daß drei voneinander unabhängige Schallwellen-Ausbreitungszeitmessungen notwendig und hinreichend sind, um die Strömungsgeschwindigkeit zu bestimmen.

Beim Modell gemäß Fig. 3 kann angenommen werden, daß das akustische Verhalten des Strömungsmessers dem eines einzigen akustischen Strahls folgt, welcher vom Zentrum des stromaufseitigen Kristalls 20 austritt und am Zentrum des stromabseitigen Kristalls 30 ankommt und umgekehrt. Obgleich endliche Strahleffekte vorhanden sind, die auf dem Auftreffen anderer Strahlen am Empfangskristall beruhen, sind die sich aus diesen Effekten ergebenden Ausgangsfehler wesentlich geringer als die vorher genannten Fehler aufgrund von Änderungen der akustischen Strecke. Für die meisten praktischen industriellen Anwendungszwecke stellt die Wahl eines "Mitte-zu-Mitte"-Akustikstrahlmodells eine gültige Voraussetzung dar.

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Die Strecke zwischen den beiden Wandlern 14 und 24 durch das Strömungsmittel hindurch ergibt zwei voneinander unabhängige akustische Messungen, nämlich die stromabseitige und die stromaufsei tige Schallwellen-Ausbreitungs- bzw. -Laufzeit (C, bzw. f ). Wenn der stromaufseitige Kristall 20 erregt wird, reflektiert die Kerbe 18 einen Teil des ausgesandten Schallwellenstrahls zu diesem Kristall zurück, und zwar über eine Strecke bekannter Länge innerhalb der Schallsonde 16 (vgl. Fig. 4), wodurch eine dritte unabhängige akustische Messung geboten wird, nämlich die Messung der Schallwellen-Ausbreitungszeit innerhalb der Metallsonde.*V„) .

Für das vorstehend gewählte Modell lassen sich Gleichungen (5), (6) und (7) ausdrücken als

/v _ 2H . D ₍₉₎

d C_M cos e„ C.(1 + Vsin θ_τ)cos θ_

MM Xj — Xj Xj

= ^2H D (10)

u C_M cos Θ_Μ C_T (1 - V sin Θ.) cos θ_

MM Xj _ L Xj

^UL

2P

^{M =} c_M (ii),

wobei:

H = Strecke von der Rohrinnenwand zum Zentrum des

piezoelektrischen Kristalls, D = Rohrinnendurchmesser,

P = Streckenlänge in der Schallsonde vom Kristall zum Reflexionspunkt an der Kerbe.

Ersichtlicherweise enthalten die Gleicheungen (9), (10) und (11) zwei zusätzliche Veränderliche, d.h. θ_ und Θ.., zu den

Xj M

in der funktionellen Form dieser Gleichungen, d.h. Gleichung

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(5), (6) und (7), erscheinenden Veränderlichen. Diese beiden Veränderlichen sind jedoch nicht voneinander unabhängig, weil beim gewählten Modell der ausgesandte Strahl zwischen den Zentren der beiden Kristalle und 30 laufen und gleichzeitig der Snell'sehen Regel an der Feststoff/Flüssigkeit-Grenzfläche (d.h. Gleichung(2)) genügen muß. Die auf der Rohrachse projizierte Strecke (L) zwischen den Zentren der Kristalle bestimmt sich durch folgende Gleichung:

L = 2H tan Θ_Μ + D tan θ_ (12).

M L

Die Gleichungen (2) und (9) bis (12) stellen fünf unabhängige Gleichungen dar, die fünf Unbekannte enthalten und daher nach an sich bekannten Verfahren aufgelöst werden können, um jede der Unbekannten in Form der drei erwähnten akustischen Messungen und der geometrischen Konstanten zu liefern. Wegen der Komplexität dieser Gleichungen ist es unmöglich, einen Ausdruck für die Strömungsgeschwindigkeit (V) in geschlossener analytischer Form zu erhalten. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, einen Digitalrechner zur Auflösung dieser Gleichungen zwecks Bestimmung der Beziehung zwischen V und den drei Schallwellenmessungen (f,» T » f „) zu benutzen. Die-

QUM

se Rechnertechnik ist an sich bekannt und braucht daher an dieser Stelle nicht näher erläutert zu werden.

Diese Berechnung kann direkt ("on-line") erfolgen, wenn der Strömungsmesser einer Datenverarbeitungseinheit ausreichender Leistungsfähigkeit zugeordnet ist. Vom kommerziellen Standpunkt ist es jedoch vorteilhaft, entweder eine getrennte ("off-line") Tabelle von "V"-Werten entsprechend den gemessenen Schallwellenlaufzeiten zur direkten Heranziehung (on-line look-up) anzufertigen, indirekt eine Lösung für V nach irgendeiner mathematischen Funktion von ^,, t und

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Γ „ für Direktberechnung durch Näherung abzuleiten, oder eine Kombination dieser indirekten (off-line) Maßnahmen anzuwenden. Bei der dargestellten Ausführungsform sind die drei gemessenen Veränderlichen Eingangswerte für eine angenäherte indirekte bzw. Unabhängige Auflösung für die Strömungsgeschwindigkeit mittels einer Potenzreihenentwicklung in f _M/f_ , die sich folgendermaßen schreiben läßt:

"* 2

[l - O" (S - So) + ß (S - So)²+. J (13)_;

wobei:

A u. B = von der Geometrie der Sonde abhängende Konstanten ^S - V*L

So ■ Größe von f„/f _T bei dem konstruktiv vorgesehenen

M L

Strömungsmittel bei der konstruktiv vorgesehenen Temperatur

ß = von der Rohrgröße und/oder -geometrie abhängige Konstanten.

Die Zahl der in der obigen Entwicklung enthaltenen Ausdrücke wird durch die erforderliche Genauigkeit des Strömungsmessers bestimmt. Wie aus obigem hervorgeht, wird bei den konstruktiven Bezugsbedingungen V durch eine einfache Funktion der drei akustischen Messungen f , t'■, und T vorgegeben.

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Im folgenden ist die Arbeitsweise des Strömungsmessers 10 beschrieben. Fig. 5 veranschaulicht die Einzelheiten einer elektronischen Schaltung, welche das Primärelement ansteuert und die von diesem gelieferten Meßsignale zur Erzeugung eines Strömungsgeschwindigkeit-Ausgangssignals verarbeitet.

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Das Blockschaltbild gemäß Fig. 5 in Verbindung mit den Wellenformen nach Fig. 6, in denen Amplitude und Zeitbasis zur besseren Veranschaulichung der Wellenformen nicht maßstabsgerecht eingezeichnet sind, dienen zur Erleichterung des Verständnisses der Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Strömungsmessers. Die Wellenformen sind an betreffenden Schaltungspunkten in Fig. 5 durch entsprechende Buchstaben (d.h. A, B, C usw.) bezeichnet.

Im allgemeinen muß die Schaltung folgende Funktionen erfüllen: (1) Erregung der Wandler, (2) Messung der Schallwellen-Ausbreitungsbzw. -Laufzeiten, (3) Anzeige der Größen der Verfahrensparameter und/oder geometrischen Parameter, (4) Durchführung einer Vielfalt von Standard-Rechenoperationen i'nd (5) Erzeugung eines für Verfahrensregelzwecke geeigneten Ausgangssteuersignals (z.B. 4-20 mA). Obgleich zahlreise Analogtechniken zur Durchführung dieser Funktionen an sich bekannt sind (vgl. z.B. die eingangs genannten US-PSen), hat es sich als vorteilhaft erwiesen, für die erforderliche Signalverarbeitung digitale Verarbeitungstechniken anzuwenden. Insbesondere wird bei der dargestellten Ausführungsform ein Mikroprozessorsystem der Art verwendet, wie es im Handel von der Firma INTEL unter der Bezeichnung Modell Nr. 8085 erhältlich ist. Die entsprechende Programmierung eines solchen Mikroprozessorsystem für die Durchführung der erwähnten Verarbeitungsschritte ist dem Fachmann auf dem betreffenden Gebiet ohne weiteres möglich. Außerdem ist die Verwendung eines programmierbaren Digitalprozessors zur Verwendung bei einem ültraschall-Strömungsmesser der vorliegend allgemein beschriebenen Art in der US-PS 3 918 304 beschrieben, auf welche hiermit Bezug genommen wird.

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Im Betrieb liefert ein Digitalprozessor 50 einen Ladeimpuls 60 von 0,5 ms Dauer (Wellenform A) zu einer Lade/Zündschaltung 51, welche den stromaufseitigen Kristall 20 langsam auf etwa 40 V auflädt. Durch diese Schaltung wird sodann ein siliciumgesteuerter Gleichrichter 52 durchgeschaltet, so daß der Kristall über diesem Gleichrichter in 10 ns oder weniger entladen wird. Aufgrund dieser schnellen Entladung erzeugt der Kristall einen akustischen Impuls sowie eine auf einen negativen Wert übergehende Spitze 61 am Eingang eines Komparators 53 (Wellenform E). Hierdurch wird wiederum eine Zeitsteuer-Torschaltung 54 so aktiviert bzw. durchgeschaltet, daß ein Zähler 56, der durch einen durch die Torschaltung durchgeschalteten 100 MHz Taktgeber 55 angesteuert wird, zu zählen beginnt.

Wie durch die Wellenform C in Fig. 6 veranschaulicht, wird ein typischer akustischer Echoimpuls 62 30^s nach der Entladung des Kristalls vom stromaufseitigen Kristall 20 empfangen. Aufgrund der Geometrie der Schallsonde 16 erfolgt dies jeweils in weniger als 50 as nach der Entladung des Kristalls. Auf Befehl des Digitalprozessors 50 läßt somit die Zeitsteuer-Torschaltung 54 jede Änderung im Zustand des Komparators 53 unberücksichtigt, die innerhalb der Periode von 50 Ae nach der Entladungdes stromaufseitigen Kristalls auftritt.

Der Zähler 56 zählt weiter, bis am stromabseitigen Kristall 30 ein akustischer Impuls erscheint, der bei 63 auf der Wellenform D angedeutet ist. Wie auch bei den Wellenformen E und F veranschaulicht, wird der Komparator 53 nur durch Impulse, deren Amplitude einen vorbestimmten Schwellenwertpegel "H" übersteigt, in seinen hohen Zustand getrieben, wodurch ein Setzen des Komparators durch Streu- oder Störimpulse verhindert wird, die von Reflexionen im Rohr 12 und in der

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Sonde 16 herrühren. Sobald jedoch der Komparator gesetzt 1st, muß ein Impuls zum Freimachen des !Comparators die Nulllinie durchlaufen. Die Zeitsteuerung bis zum Nulldurchgang ist genauer als die Zeitsteuerung auf einen Pegel an einem Zyklus des Impulses, weil Signalamplituden-Schwankungen auftreten können.

Da der Impuls 63 erst nach mehr als 50 as nach dem Zünden des stromaufseitigen Kristalls 20 vom stromabseitigen Kristall 30 empfangen wird, werden s,owohl der Komparator 53 als auch die Zeitsteuer-Torschaltung 54 freigemacht, wodurch der Zähler 56 deaktiviert bzw. abgeschaltet wird. Die Zahl der vom Zähler festgehaltenen Zählschritte wird dann zur Speicherung zum Digitalprozessor 50 übertragen. Die Zahl der Zählschritte entspricht der Zeit der Schallwellenausbreitung (Laufzeit) vom stromaufseitigen Wellengenerator bzw. Wandler zum stromabseitigen Wellengenerator bzw. Wandler

Nach Abschluß dieses Arbeitszyklus leitet der Digitalprozessor 50 auf ähnliche Weise einen Lade/Zündvorgang für den stromabseitigen Kristall 30 ein, wobei ein 0,5 ms-Impuls zu einer stromabseitigen Lade/Zündschaltung 151 geleitet wird, welche den Kristall 30 auflädt und dann plötzlich über einen zugeordneten siliciumgesteuerten Gleichrichter 152 entlädt, so daß der Kristall zur Erzeugung eines akustischen Impulses gezwungen wird. Dabei wird wiederum ein zum stromabseitigen Kristall zurücklaufender Echoimpuls 64 (Wellenform D) von der •Zeitsteuer-Torschaltung 54 unberücksichtigt gelassen, weil er innerhalb von 50 yits nach der Entladung des stromabseitigen Kristalls auftritt. Wenn schließlich ein akustischer Impuls 65 (Wellenform C) vom stromaufseitigen Kristall 20 empfangen wird, wird der Inhalb des Zählers 56 durch den Digitalprozessor ausgelesen, um eine Messung der stromaufseitigen Schallwellenausbreitungszeit (t ) zu liefern.

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Wie in Pig. 5 und in Fig. 6 bei der Wellenform E dargestellt, werden die Ausgangssignale beider Kristalle an ein Summiernetz 57 angelegt und dort zum Komparator 53 geleitet. Obgleich durch die Kombination der Wellenformen die Komplexität der Unterscheidung zwischen den betreffenden Impulsen für das Durchschalten und Sperren der Zeitsteuer-Torschaltung 54 etwas vergrößert wird, beseitigt ein einziger Komparator die Notwendigkeit für die genaue Anpassung der elektrischen Ausbreitungsstrecken, wie dies bei Verwendung mehrerer Komparatoren erforderlich wäre. Verschiedene Komparatoren und ihre zugeordneten Zeitsteuerschaltungen besitzen nämlich > ungleiche Gesamt-Verzögerungszeiten, wobei die Unterschiede der Gesamt-Verzögerungszeiten im Bereich von 10 ns und mehr liegen können. Da der für die Berechnung der Strömungsgeschwindigkeit benutzte Unterschied in den Schallwellen-Ausbreitungszeiten (d.h. f - ^j) ebenfalls im Nanosekundenbereich liegen kann, könnte bei Verwendung mehrerer Komparatoren ein beträchtlicher Meßfehler eingeführt werden, sofern keine genaue Anpassung angewandt wird.

Da der Unterschied in den Schallwellen-Ausbreitungs- bzw. -Laufzeiten (d.h. t - t.) genau bekannt sein muß, wird der Stromauf/Stromab-Meßzyklus wiederholt und innerhalb einer festen Wiederholungszahl (z.B. 400 Messungspaare) gemittelt, bevor eine Messung der Schallwellen-Ausbreitungszeit in der Metallsonde (Τ«) erfolgt. Nach Durchführung dieser festen Messungspaare aktiviert der Digitalprozessor 50 die Zeitsteuer-Torschaltung 54 für das Ansprechen auf ein Signal, welches innerhalb von weniger als 50 yus auf die Entladung des stromaufseitigen Kristalls 20 folgt, während Impulse, die mehr als 50 yes nach der Entladung auftreten (z.B. der am stromabseitigen Kristall 30 ankommende Impuls) unberücksichtigt gelassen werden.

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Da Digitalmessungen eine Auflösung eines Taktzyklus (d.h. 10 ns bei der beschriebenen Ausführungsform) bedingen und da, wie erwähnt, der Unterschied in dem Schallwellen-Ausbreitungszeiten ebenfalls im Nanosekundenbereich liegen kann, hat es sich für die weitere Verbesserung der Auflösung und der Genauigkeit des Strömungsmessers als wünschenswert erwiesen, eine Zeitintervall-Mittelwertbildung anzuwenden. Dieses Verfahren, das eine statistische Mittelwertbildung über zahlreiche aufeinanderfolgende Meßzyklen hinweg beinhaltet, ist an sich bekannt. Diesbezüglich wird auf Hewlett/Packard Application Notes 162-1 verwiesen.

Nach den verschiedenen Meßzyklen ist im Digitalprozessor 50 eine Messung der Schallwellen-Laufzeit in Stromaufrichtung, der Schallwellen-Laufzeit in Stromabrichtung und der Schallwellen-Laufzeit innerhalb der Sonde gespeichert. Weiterhin werden dem Digitalprozessor als Eingangssignale verschiedene Verfahrensparameter eingegeben, beispielsweise Nullpunkt und Meßbereich in Verbindung mit den geometrischen Parametern des Strömungsmessers (d.h. Höhe und Position der Wandler, Rohrdurchmesser usw. Sodann können die verschiedenen Parameter und Meßwerte durch einfache, unkomplizierte Rechenoperationen (auf die durch Gleichung (13) beispielhaft angegebene Weise) durch den Digitalprozessor kombiniert werden, um ein der Strömungsgeschwindigkeit proportionales digitales Strömungssignal zu liefern. Diese digitale Größe wird durch einen Digital/Analog- bzw. D/A-Wandler 58 in ein entsprechendes Analogsignal umgewandet, um ein für industrielle Regelzwecke geeignetes Ausgangssignal von z.B. 4 bis 20 mA zu erzeugen. Dieses Ausgangssignal wird sodann zu einem Masseisolator 59 übertragen, der die Form eines Impulstransformators besitzen kann, um dabei sicherzustellen, daß die Masse des zugeordneten Verfahrensreglers nicht an die Masse

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des Strömungsmesser angekoppelt wird.

Durch die Anordnung der beiden Wandler an der-selben Seite des Rohrs wird in angestrebter Weise die Ansprechempfindlichkeit des Strömungsmessers auf radiale Strömungsmittel-Geschwindigkeitskomponenten in der Ebene von Fig. 3 praktisch ausgeschaltet, während seine Empfindlichkeit für eine Axialströmung verdoppelt wird. Auf einer Radialströmung beruhende Ausgangsmeßfehler können ganz beträchtlich sein, speziell dann, wenn die Wandler in der Nähe von Kniestücken oder anderen Bereichen mit gestörter Strömung angeordnet sind.

Wenn ein einzelner Meßzyklus dadurch definiert wird, daß akustische Impulse von einem Wandler zur gegenüberliegenden Rohrwandung und durch das Strömungsmittel hindurch zurück zum anderen Wandler übertragen werden, wie dies beim erfindungsgemäßen Strömungsmesser der Fall ist, ist es offensichtlich, daß im Fall eines konstanten radialen Strömungsschemas längs der Axialrichtung durch Summierung dieser beiden Bewegungs- bzw. Laufstrecken die Vektorkomponenten der Radialströmung ausgelöscht werden. Diese "Sprung"-Technik bietet den zusätzlichen Vorteil, daß die Laufzeiten der Impulse im Strömungsmittel verdoppelt werden und, was noch wichtiger ist, der Unterschied in den Schallwellen-Ausbreitungs- bzw. -Laufzeiten verdoppelt wird. Da der Unterschied in der Schallwellen-Laufzeit dem Rohrdurchmesser unmittelbar proportional ist, besitzt ein "Sprung"-Strömungsmesser eines vorgegebenen Durchmessers eine doppelt so große Empfindlichkeit für Axialströmung wie ein Strömungsmesser vergleichbarer Größe, bei dem die Wandler auf gegenüberliegenden Seiten der Rohrleitung angeordnet sind.

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Im folgenden sind abgewandelte Ausführungsformen der Erfindung erläutert. Obgleich die Erfindung vorstehend in Verbindung mit einem speziellen Beispiel beschrieben ist, das ein Brechungsmeßsystem verwendet, bei welchem das Ausgangssignal von Änderungen der akustischen Strecke unbeeinflußt bleibt, sind die Erfindungsmerkmale gleichermaßen auf Strömungsmesser mit normaler Impulseinleitung (d.h. ohne Brechung) anwendbar, um eine von Änderungen der Schallgeschwindigkeiten des Strömungsmittels und der Schallsonde unabhängige Meßgröße für die Strömungsgeschwindigkeit zu liefern. Eine weitere Abwandlung ist auf die in Fig. 7 dargestellte Weise möglich, welche in schematischer Darstellung auf diagonal gegenüberliegenden Seite der Rohrwandungen montierte Wandler veranschaulicht. Diese Anordnung kann in bestimmten Fällen vorteilhaft sein, in denen die Strömung über mehrere Rohrdurchmesser HLnweg ungestört ist. Die vorstehend beschriebene Ultraschallmessung und Signalverarbeitung gilt einschränkungslos auch für diese Wandleranordnung .

Die Fig. 8 und 9 veranschaulichen andere mögliche Abwandlungen bezüglich der die Wandler aufnehmenden Konstruktion und der Möglichkeiten zur Ableitung einer Meßgröße für die Schallwellenausbreitungszeit innerhalb dieser Konstruktion. Wie in Fig. 8 schematisch dargestellt, ist der piezoelektrische Kristall mit der Außenfläche eines Pyramidenstumpfs verbunden, wobei der eine bekannte Länge besitzende akustische Weg innerhalb dieser Konstruktion ohne die Verwendung von Reflexionskerben o.dgl. festgelegt ist. Fig. 9 veranschaulicht ein einstückiges Gehäuse für beide Wandler, wobei die akustische Strecke zur Messung der Schalldämm-Ausbreitungszeiten im Gehäuse zwischen den beiden Wandler, im Gegensatz zu einer Reflexion ^zum aussendenden Wand ler, wie bei den vorherigen Beispielen,festgelegt ist.

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Bei diesen vorstehend beschriebenen Abwandlungen sind außerdem die Wandlergehäuse an der Rohrleitung angeschweißt oder anderweitig integral mit ihr verbunden. Die erfindungsgemäßen Verarbeitungs/Meßtechniken lassen sich jedoch gleichermaßen mit Wandlergehäuse/Schallsonden-Anordnungen realisieren, die an der Außerfläche einer Rohrleitung festgespannt sind, wodurch Einbau und Wartung an einer Verfahrensmeßstelle vereinfacht werden.

Selbstverständlich sind dem Fachmann verschiedene Änderungen und Abwandlungen der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung möglich, ohne daß vom Rahmen der Erfindung abgewichen wird.

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Claims

Henkel, Kern, FeBer Cr Hänzel Patentanwälte

Registered Representatives

before the

European Patent Office

Mtthlstmfie 37 The Foxboro Company D*8000München80

Foxboro, Mass., V.St.A. Tel: 089/982085-67

Telex: 0529802 hnkld Telegramme: ellipsoid

17. Dez. 1979

103.012

Ultraschall-Strömungsmesser und Verfahren zur Strömungsmessung

Patentansprüche

1.) Ultraschall-Strömungsmesser zur Messung der Geschwindigkeit eines in einer Rohrleitung strömenden Strömungsmittels, mit zwei an der Rohrleitung auf Längsabstand voneinander angebrachten Wandlereinheiten (14, 24, 20, 30) zum Aussenden und Empfangen von akustischen Impulsen, wobei die Wandlereinheiten jeweils Schallwellen-Ubertragungseinheiten bzw. -Sonden (16, 26) aufweisen, welche akustische Impulse von der einen Wandlereinheit durch das Strömungsmittel hindurch über eine diese Sonden und das Strömungsmittel einschließende Schallwellen-Ausbreitungsstrecke zur anderen Wandlereinheit richten, unc mit an die Wandlereinheiten angeschlossenen Signalerzeugungseinheiten (51, 52, 151, 152), um zunächst akustische Impulse von der ersten zur zweiten Wandlereinheit und sodann zweite

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akustische Impulse von der zweiten zur ersten Wandlereinheit über die Schallwellen-Ausbreitungsstrecke zu übertragen, dadurch gekennzeichnet , daß Mittel vorgesehen sind, die in den Schallwellen-übertragungseinheiten bzw. -Sonden (16, 26) mindestens eine akustische Strecke bekannter Länge festlegen, längs welcher sich ein Teil der zuerst übertragenen Impulse ausbreitet, daß die Wandlereinheiten (14, 24, 20, 30) in Abhängigkeit von dem empfangenen Impulsen Ausgangssignale entsprechend den Schallwellen-Ausbreitungs- bzw. -Laufzeiten längs der Strecke zwischen erstem und zweitem Wandler und umgekehrt sowie längs der akustischen Strecke innerhalb der Übertragungseinheiten (16, 26) erzeugen, daß mit den Signalerzeugungseinheiten (51, 52, 151, 152) zusammenwirkende Einrichtungen (50, 53, 54, 55, 56, 57) zur Messung der Schallwellen-Ausbreitungszeiten vorgesehen sind und daß die gemessenen Schallwellen-Ausbreitungszeiten nach an steh bekannten physikalischen Prinzipien miteinander kombinierbar sind, um unabhängig von Änderungen der Schallgeschwindigkeiten im Strömungsmittel und in den Übertragungseinheiten eine Meßgröße für die Strömungsgeschwindigkeit zu liefern.

2. Strömungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenfläche der Rohrleitung eine glatte Bohrung mit gleichmäßigem Querschnitt zumindest an der Grenzfläche zwischen dem Strömungsmittel und den Schallwellen-Übertragungseinheiten aufweist, an welcher die akustischen Impulse in die Rohrleitung eintreten und aus ihr austreten, daß die Übertragungseinheiten so angeordnet sind, daß sie die akustischen Impulse längs einer gebrochenen Strecke (Brechungsstrecke) leiten, die sich je nach dem Verhältnis der Schallgeschwindigkeiten in den Übertragungseinheiten und im Strömungsmittel ändert, und daß die Meßgröße für die Strömungsgeschwindigkeit von Änderungen der Brechungsstrecke unabhängig ist.

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3. Strömungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlereinheiten auf derselben Seite der Rohrleitung angeordnet sind.

4. Strömungsmesser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich die von der ersten Wandlereinheit ausgesandten akustischen Impulse durch das Strömungsmittel zur gegenüberliegenden Rohrwandung ausbreiten, so daß sie zum Empfangen durch die zweite Wandlereinheit reflektiert werden, wodurch die Ansprechempfindlichkeit des Strömungsmessers für radiale Geschwindigkeitskomponenten des Strömungsmittels im wesentlichen ausgeschaltet und gleichzeitig seine Ansprechempfindlichkeit für eine Axialströmung verdoppelt wird.

5. Strömungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlereinheiten auf gegenüberliegenden Seiten der Rohrleitung angeordnet sind.

6. Strömungsmesser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß an der Rohrleitung zwei rohrförmige Gehäuse zur Aufnahme der jeweiligen Wandlereinheiten angeschweißt sind und daß diese Gehäuse seitlich bzw. schräg an der Innenfläche der Rohrleitung münden.

7. Strömungsmesser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß jede Wandlereinheit eine im betreffenden Gehäuse montierte, zylindrische Metall-Sonde, deren eines Ende eine Grenzfläche mit dem Strömungsmittel bildet, und eine Ultraschall-Generatoreinheit aufweist, die bei elektrischer Erregung an das andere Ende der Sonde angekoppelte akustische Impulse erzeugt.

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8. Strömungsmesser nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß jede Ultraschall-Generatoreinheit einen zur Erzeugung von Ultraschall-Schubwellen polarisierten piezoelektrischen Kristall aufweist, daß die Berührungsflächen von Kristall und Sonde geläppt sind und daß die Sonde und der Kristall unter einem hohen Druck in ihrer Einbaulage montiert sind, um die elektroakustische Umwandlungsleistung zwischen ihnen zu maximieren.

9. Strömungsmesser nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein steifes, mit Gewinde versehenes Element vorgesehen ist, welches die Sonde im Gehäuse haltert und welches auf den Kristall große Druckkräfte ausübt.

10. Strömungsmesser nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Gewindeelement eine Feder verbunden ist, die über weite Temperaturbereiche hinweg eine vergleichsweise gleichmäßige Kraft auf den Kristall ausübt.

11. Strömungsmesser nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das erstgenannte Ende der Sonde an die Kontur der Innenfläche der Rohrleitung angepaßt ist.

12. Strömungsmesser nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde in der Nähe ihres erstgenannten Endes eine Kerbe zum Reflektieren eines Teils des zuerst ausgesandten Impulses zur Ultraschall-Generatoreinheit zurück aufweist.

13. Strömungsmesser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlereinheiten bei elektrischer Erregung akustische Impulse des Schubwellentyps zu erzeugen vermögen.

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14. Strömungsmesser nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Schallwellen-Ubertragungseinheiten (Sonden) so angeordnet sind, daß sie die erzeugten akustischen Impulse unter einem (schrägen) Einfallswinkel zur Grenzfläche mit dem Strömungsmittel aussenden, so daß die gesamte akustische Energie in den Übertragungseinheiten (Sonden) in der Schubwellen-Betriebsart (shear mode) verbleibt.

15. Strömungsmesser nach den vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die gemessenen Schallwellen-Ausbreitungszeiten in einer Signalprozessoreinheit gespeichert werden, die auch Speicherdaten entsprechend geometrischen Parametern und Verfahrensparametern enthält und welche die gemessenen (Lauf-) Zeiten mit diesen Parametern kombiniert und ein Ausgangssignal liefert, das unabhängig von Änderungen der Brechungsstrecke sowie von Änderungen in den Schallgeschwindigkeiten im Strömungsmittel und in den Schallwellen-Übertragungseinheiten der Strömungsgeschwindigkeit proportional ist.

16. Verfahren zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit eines Strömungsmittels in einer Rohrleitung, bei dem an zwei Wandlereinheiten akustische Impulse erzeugt werden, die sich durch das Strömungsmittel zwischen den beiden Wandlereinheiten hin- und hergehend ausbreiten, und bei dem akustische Impulse durch Schallwellen-Übertragungseinheiten von der ersten zur zweiten Wandlereinheit sowie von der zweiten zur Ersten Wandlereinheit gerichtet werden, und zwar jeweils über eine die Übertragungseinheiten und das Strömungsmittel einschließende Schallwellen-Ausbreitungsstrecke, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des zuerst ausgesandten Impulses (transmission) über mindestens eine akustische Strecke

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bekannter Länge in der (betreffenden) Übertragungseinheit geleitet wird, daß mittels der beiden Wandlereinheiten in Abhängigkeit von den empfangenen akustischen Impulsen Ausgangssignale erzeugt werden, welche den Schallwellen-Ausbreitungs- bzw. -Laufzeiten längs der Ausbreitungsstrecke zwischen erster und zweiter Wandlereinheit und umgekehrt sowie längs der akustischen Strecke innerhalb der (betreffenden) Übertragungseinheit entsprechen, und daß die diesen Ausbreitungs- bzw. Laufzeiten entsprechenden Ausgangssignale nach an sich bekannten physikalischen Prinzipien miteinander kombiniert werden, um eine von Änderungen der Schallgeschwindigkeiten im Strömungsmittel und in der bzw. den Übertragungseinheit(en) unabhängige Meßgröße für die Strömungsgeschwindigkeit abzuleiten.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenfläche der Rohrleitung eine glatte Bohrung mit gleichmäßigem Querschnitt zumindest an der Grenzfläche zwischen dem Strömungsmittel und den Schallwellen-Übertragungseinheiten aufweist, an welcher die akustischen Impulse in die Rohrleitung eintreten und aus ihr austreten, daß die Uberträgungseinheiten so angeordnet sind, daß sie die akustischen Impulse längs einer gebrochenen Strecke (Brechungsstrecke) leiten, die sich je nach dem Verhältnis der Schallgeschwindigkeiten in den Übertragungseinheiten und im Strömungsmittel ändert, und daß die Meßgröße für die Strömungsgeschwindigkeiten von Änderungen der Brechungsstrecke unabhängig ist.

18. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlereinheiten auf derselben Seite der Rohrleitung angeordnet sind.

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19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die zuerst ausgesandten akustischen Impulse durch das Strömungsmittel zur gegenüberliegenden Wandfläche der Rohrleitung gerichtet und von dieser Wandfläche zur Abnahme durch die zweite Wandlereinheit reflektiert werden, wodurch die Abhängigkeit der gemessenen Geschwindigkeit von Radialströmungskomponenten des Strömungsmittel praktisch ausgeschaltet und gleichzeitig die Abhängigkeit von Axialströmungskomponenten verdoppelt wird.

20. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlereinheiten auf gegenüberliegenden Seiten der Rohrleitung angeordnet sind.

21. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß als Wandlereinheit eine Metall-Sonde und ein piezoelektrischer Kristall, der an die Sonde angekoppelte Ultraschall-Schubwellen zu erzeugen vermag, verwendet werden.

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