DE2950732C2

DE2950732C2 - Ultraschall-Strömungsmesser und Verfahren zur Strömungsmessung

Info

Publication number: DE2950732C2
Application number: DE2950732A
Authority: DE
Inventors: Richard W. East Providence R.I. Kalinoski; James H. Needham Heights Mass. Vignos
Original assignee: Foxboro Co
Current assignee: Schneider Electric Systems USA Inc
Priority date: 1978-12-18
Filing date: 1979-12-17
Publication date: 1985-12-12
Also published as: JPS5593018A; NO794111L; SE7910386L; CA1123088A; NL7909020A; GB2037986A; DE2950732A1; US4195517A; FI793951A7; AR219845A1; GB2037986B; FR2444929A1; IT1164099B; FR2444929B1; IT7951102A0; SE445261B

Description

5 6

leitung und sind zueinander ausgerichtet Eine dritte hindurch und das andere die Laufzeit in der Schallsonde

Wandlereinheit befindet sich senkrecht über der einen angibt

dieser beiden Wandlereinheiten. Bei diesem bekannten Bei vorgegebener Geometrie und vorgegebenen Strömungsmesser werden Schallimpulse stromauf und Wandlern ist das akustische Feld des Meßgeräts vollstromab zwischen den beiden genannten Wandlerein- 5 ständig durch die Geschwindigkeit des strömenden heiten und auch direkt durch die Strömung zwischen der Strömungsmittels und die Schallgeschwindigkeiten in ersten und der dritten Wandlereinheit ausgesandt Bei Sonde und Strömungsmittel bestimmt. Das Doppelder dort verwendeten Meßmethode werden die Impuls- Wandlersystem gemäß der Erfindung liefert also drei laufzeiten zwischen den Wandlern gemessen und mit voneinander unabhängige Schallwellen-Ausbreitungsbestimmten Parametern der Rohrleitung und der io Zeitmessungen, die ausreichen, um das Ausgangsanspre-Schallwandler nach bestimmten mathematischen Bezie· chen voll zu kennzeichnen. Dies bedeutet, daß die drei hungen kombiniert um die Größen der Strömungsmit- Laufzeitmessungen nach an sich bekannten physikalitelvariablen zu erhalten. Allerdings wird dort nicht auf sehen und mathematischen Prinzipien miteinander komdie Probleme eingegangen, die mit einer Änderung der biniert werden können, um ein Ausgangssignal zu Ne-Laufzeiten aufgrund der Brechung zwischen den Schall- 15 fern, welches der Strömungsgeschwindigkeit proportiosonden und dem Strömungsmittel auftreten, wenn die nal und von Schallgeschwindigkeitsänderungen sowohl Sonden schräg angebracht sind. Die dort verwendete im Strömungsmittel als auch in der Übertragungssonde Anordnung von drei Wandlereinheiten bedeutet über- und somit auch von Änderungen der Ausbreitungsstrekdies einen beträchtlichen konstruktiven Aufwand. ke unabhängig ist

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Ultraschall-Strö- 20 In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Innenflämungsmesser und ein Verfahren zur Messung der Strö- ehe des Rohrs längs des Bereichs, in welchem die akustimungsgeschwindigkeit eines Strömungsmittels der ein- sehen Impulse ein- und austreten, als glatte, stufenlose gangs genannten Art zu schaffen, mit denen auf einfache Bohrung gleichmäßigen Querschnitts ausgebildet In be-Weise die auf die Brechung der Ultraschallwellen zu- vorzugter Ausführungsform können die Wandler und rückgehenden Meßungenauigkeiten ausgeschlossen 25 die Schallsonden durch eine öffnung im Rohr eingesetzt werden können. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe werden, wobei das an das Strömungsmittel angrenzende mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1, Ende der Sonde an die Innenkontur des Rohrs angepaßt hinsichtlich des Verfahrens mit den kennzeichnenden ist Wahlweise kann die Wandler/Sondenanordnung oh-Merkmalen des Anspruchs 15 gelöst Vorteilhafte Aus- ne Unterbrechung der Rohrinnenwand an der Außengestaltungen des Strömungsmessers sind in den Unter- 30 fläche des Rohrs verspannt werden,
ansprüchen angegeben. Ein Vorteil einer Ausführungsform der Erfindung, der

In bevorzugter Ausführungsform des erfindungsge- sich aus der Anordnung der beiden Wandler an derselmäßen Ultraschall-Strömungsmessers sind zwei Wand- ben Seite des Rohrs und aus der Übertragung der akuler an derselben Seite der Außenfläche eines das Strö- stischen Impulse zwischen ihnen aufgrund eines »Zumungsmittel führenden Rohrs montiert und ihrerseits 35 rückprallens« der Impulse von der gegenüberliegenden mit je einer Schallsonde gekoppelt welche erzeugte Rohrwand ergibt besteht in der erhöhten Gesamt-Anakustische Impulse zwischen den Wandlern durch das Sprechempfindlichkeit des Meßgeräts. Hierdurch wird Strömungsmittel aussendet und empfängt Die Wandler effektiv der Unterschied zwischen den stromauf- und und Sonden sind dann so angeordnet daß die akusti- stromabseitigen Schallwellen-Ausbreitungszeiten im sehen Impulse unter einem schrägen bzw. flachen Win- 40 Strömungsmittel verdoppelt während gleichzeitig Auskel zur Feststoff/Flüssigkeits-Grenzfläche, an welcher Wirkungen radialer Strömungsgeschwindigkeitskompo-Brechung auftritt in das Rohr eintreten. Die Impulse nenten verringert werdea

breiten sich dann durch das Strömungsmittel zur gegen- Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen

überliegenden Rohrwand aus, von wo sie zum anderen der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher

Wandler reflektiert werden. Die akustische Laufstrecke 45 erläutert

im Strömungsmittel wird für einen vorgegebenen Satz Es zeigt

von Bedingungen in spezieller Weise durch das Verhält- F i g. 1 eine Schnittansicht eines Hauptelements eines

nis von Schallgeschwindigkeit in der Sonde zu Schallge- Ultraschall-Strömungsmessers,

schwindigkeit im Strömungsmittel nach der Snellschen Fig.2 eine in vergrößertem Maßstab gehaltene

Regel bestimmt Die Wandler werden sequentiell zur 50 Schnittansicht des akustischen bzw. Schallwandlers und

Erzeugung von akustischer. Impulses angeregt die zu- der Schailsonde bei der Vorrichtung nach F i g. 1.

erst vom stromaufseitigen zum stromabseitigen Wand- F i g. 3 eine schematische Darstellung des Meßgeräts

ler und dann umgekehrt laufen. Ein torgesteuerter Zäh- nach F i g. 1 zur Veranschaulichung typischer Anderun-

ler kann die jeweiligen Schallwellen-Ausbreitungszeiten gen in der akustischen Laufstrecke zwischen den beiden

zwischen den beiden Wandlern messen. 55 Wandlern infolge von Änderungen der Schallgeschwin-

Durch ein wesentliches Merkmal der Erfindung bleibt digkeit sowie zur Verdeutlichung der geometrischen

das Ausgangssignal des Strömungsmessers von Schall- Beziehungen bei der Vorrichtung,

geschwindigkeitsänderungein, welche die akustische Fig.4 eine schematische Darstellung einer der

Laufstrecke verändern, im wesentlichen unbeeinflußt Wandler/Sondenanordnungen beim Meßgerät nach

Die Ausschaltung der Abhängigkeit von der Schallge- 60 Fig. 1 zur Verdeutlichung der Ausbreitungsstrecke ei-

schwindigkeit wird dadurch erreicht daß in den Schall- nes orthogonal vom Zentrum des Wandlers ausgesand-

sonden Mittel vorgesehen werden, die eine feste Strek- ten akustischen »Strahls«,

ke einer bekannten Länge festlegen, längs welcher sich F i g. 5 ein Blockschaltbild der elektronischen Schalein Teil der erzeugten akustischen Impulse ausbreitet tung zur Erzeugung eines Strömungs-Ausgangssignals Auf diese Weise entstehen bei einer einzigen Übertra- 65 beim Meßgerät,

gung eines akustischen Impulses zwei elektrische Aus- F i g. 6 ein Zeitablaufdiagramm beim Meßgerät

gangssignale, von denen das eine die Laufzeit zwischen Fig. 7 einen schematische Darstellung einer abge-

den Wandlern durch das strömende Strömungsmittel wandelten Ausführungsform mit der Schallwellen-Lauf-

strecke für den Fall, daß die Wandler auf gegenüberliegenden Seiten des Rohr angeordnet sind,

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

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

Gemäß den F i g. 1 und 2 besteht ein Hauptelement des 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 Strömungsmittel hindurch zur gegenüberliegenden Röhrwandung 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 Unterschieds 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, so daß die Beschreibung des einen Wandlers anhand von F i g. 2 ausreichen dürfte. Der stromaufseitige akustische Wandler 14 gemäß F i g. 2 weist einen zylindrischen Halteteil 14/1 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 Kristall 20, der bei elektrischer Anregung akustische Impulse erzeugt, ist in den Halteteil 14Λ 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 richtigen Winkel in das Strömungsmittel auszusenden, so daß diese Impulse vom stromabseitigen Wandler 24 empfangen werden könnea Wenn ein solcher piezoelektrischer Kristall akustische Impulse empfängt erzeugt er selbstverständlich entsprechende elektrische Ausgangssignale.

Zur Gewährleistung einer maximalen elektroakustischer! Wandlerleistung zwischen dem Kristall 20, der zur Erzeugung von Schubwellen polarisiert ist, und zu einer zugeordneten Sonde 16 sind die beiden Berührungsflächen geläppt, und der Kristall ist gegen die Sonde unter einem Druck von etwa 70,3 kg/cm² verspannt. Diese Verspannung unter hohem Druck wird durch einen Kolben 36 erreicht, der 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 14Λ 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 Grenzfläehe 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 ist. 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 der Sonde 16 unmittelbar am Rohr, das Ultraschallsignal/Störsignal-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 piezoelektrisehen Kristall 20 über die Schallsonde 16 oder vom stromabseitigen 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 erhebliehe Fehler in die Schallwellen-Ausbreitungszeit eingeführt werden. Zur Vermeidung dieses Problems wird die gesamte Schallenergie innerhalb der Sonde auf Scherschwingungen beschränkt, indem der Einfallswinkel der ausgesandten Welle so gewählt wird, daß die reflektierte LängsweUe nicht entsteht (unter Berücksichtigung des Verhältnisses zwischen der Längswellen- und der Schubwellen-Schallgeschwindigkeit in der Sonde wird ein Einfallswinkel gewählt, bei dem nach der Snellschen

9 10

Regel der Sinus des Winkels der unerwünschten reflek- sin 0^ _ sin 0_L ,-v

tierten Welle größer ist als 1. ~Cm 7 Ϋ~~- Y' '

Ein ernsthafteres, zu berücksichtigendes Problem be- ^l Π ± -^r ^s'ⁿ
trifft die Brechung der akustischen Impulse an der ^L
Grenzfläche zwischen Sonde und Strömungsmittel. Dies 5
beruht darauf, daß dann, wenn sich die Schallgeschwindigkeit in der Metallsonde (Cu) oder im Strömungsmit- wobei
tel (Cl) ändert, wie dies bei Temperatur-, Druck- und/

oder Zusammensetzungsänderungen der Fall sein kann, V = Strömungsgeschwindigkeit und

der Brechungswinkel Änderungen unterliegt, die zu ei- io die Vorzeichen + und — die Schallwellenausbrei-

ner Änderung der Länge der akustischen Strecke füh- tung mit bzw. gegen die Strömung angeben,
ren. Diese Tatsache geht am besten aus F i g. 3 hervor, in

welcher die Schallstrecke 13 für die vorausgesetzten Für eine festgelegte Geometrie ist mithin für den Konstruktionsbedingungen, wie graphisch durch die Weg jedes vorgegebenen akustischen Strahls, d. h. bei Strecke !3Λ angedeutet, aufgrund eines unterschiedli- 15 vorgegebenem Θμ, Bl eindeutig als Funktion der Schallchen Schallgeschwindigkeitsverhältnisses zwischen den geschwindigkeiten sowohl in der Sonde als auch im beiden Medien versetzt eingezeichnet ist Die Abwei- Strömungsmittel sowie der Strömungsmittel-Ströchung der akustischen bzw. Schallstrecke führt zu einer mungsgeschwindigkeit definiert, das heißt
unmittelbaren Änderung der Ausbreitungszeit der akustischen Impulse zwischen den beiden Kristallen 20 und 20 Ol = fe (Cm, Cl, V). (3) 30, so daß sie eine Ursache für Anzeigefehler darstellt

Da derartige Änderungen der Schallstrecke in be- Selbstverständlich ist die Zeit, welche der Strahl für kannter Weise auftreten, können sie berücksichtigt und den Durchlauf über diese Strecke benötigt, ebenfalls kompensiert werden, indem auf bewährte physikalische eine direkte Funktion von Cm, Cl und V. Da die akusti- und mathematische Prinzipien zurückgegriffen wird. 25 sehen Impulse für das Fraunhofer- bzw. Fernfeld au? Ein wesentliches Merkmal der Erfindung ist damit die einer unendlichen Zahl von Strahlen mit jeweils dersel-Schaffung eines zwei Wandler aufweisenden Ultra- ben Funktionalität bestehen, läßt sich auf ähnliche Weischall-Strömungsmessers, der drei voneinander unab- se die Durchgangszeit (r) für den Durchgang des Impulhängige Schallwellen-Ausbreitungszeitmessungen zu ses zwischen den beiden Wandlern auf ähnliche Weise liefern vermag, die für sich allein ausreichen, um das 30 wie folgt ausdrücken:
Ausgangsansprechen des Strömungsmessers unabhängig von Änderungen oder Abweichungen in der akusti- τ = /_r (Cu, Cl, V). (4) sehen Strecke genau zu charakterisieren. Die Basis für

ein solches Dreifachmeßsystem wird im folgenden für Da die Faktoren Cm und Cl nicht a priori bekannt die Fraunhofer-Feldnäherung des akustischen Feldes 35 sind, und da sie tatsächlich über vergleichsweise weite näher veranschaulicht (nämlich für den Fall, daß der Bereiche hinweg variieren können, so daß sich erhebliempfangende Wandler so weit vom sendenden Wandler ehe Ausgangsfehler ergeben, wenn feste Größen vorangeordnet ist daß der Sender als Punktquelle betrach- ausgesetzt werden, geht aus der obigen Gleichung für τ tet werden kann). Es ist jedoch darauf hinzuweisen, daß hervor, daß drei voneinander unabhängige akustische der Fall der Dreifachmessung völlig allgemein zu be- 40 Messungen erforderlich sind, um eine genaue Auflösung trachten ist und gleichermaßen auch für die Nahfeldnä- für V, nur in Form von Meßgrößen zu erreichen. Im herung gilt allgemeinsten Fall für einen Strömungsmesser mit fe-

Bei dem physikalischen Modell gemäß F i g. 3 kann ster Geometrie und mit einem vorgegebenen Wandler das durch Erregung des Kristalls 20 entstehende akusti- läßt sich die Beziehung zwischen den verschiedenen Pasche Feld angenähert durch eine Anzahl gerader Strah- 45 rametem mathematisch wie folgt ausdrücken:
len ausgedrückt werden, die vom Zentrum des Kristalls

ausgehen. Zur Vereinfachung der Erläuterung werden Fi = /_r 1 (Cm, Cl, V), (5) im folgenden nur die in der Ebene von F i g. 3 liegenden

Strahlen berücksichtigt Im Fall eines vorgegebenen Γ2 = U 2 (Cm, Cl, V), (6) Strömungsmessers mit festgelegten geometrischen Be- 50

Ziehungen narh F i g. 3 wird die Strecke jedes vom Zen- r* = fr 3 (Cu. Cu V). O) trum des sendenden Kristalls ausgehenden akustischen

Strahls eindeutig durch zwei Parameter definiert näm- Unter Anwendung bekannter mathematischer Verlieh durch den Einfallswinkel des Strahls in die Schall- fahren lassen sich die Gleichungen (5), (6) und (7) so sonde (ß_M) und dem Brechungswinkel des Strahls im 55 umkehren, daß man folgendes erhält:
Strömungsmittel (&.).

Im Ruhezustand der beiden Medien können ft. und V =/y(ri, F₂, zs), (8) Θμ nach der Snellschen Regel wie folgt zueinander in

Beziehung gesetzt werden: wodurch eindeutig belegt wird, daß drei voneinander

• a ■ a 60 unabhängige Schallwellen-Ausbreitungszeitmessungen

Sinter ₌ sine*£ ^ notwendig und hinreichend sind, um die Strömungsge-

Cm ^l schwindigkeit zu bestimmen.

Beim Modell gemäß Fig.3 kann angenommen wer-

Falls sich jedoch das eine Medium längs der Grenzflä- den, daß das akustische Verhalten des Strömungsmes-

che zwischen den beiden Medien relativ zum anderen 65 sers dem eines einzigen akustischen Strahls folgt wel-

Medium bewegt wie im Fall eines in eine Leitung strö- eher vom Zentrum des stromaufseitigen Kristalls 20

menden Strömungsmittels, muß die Snellsche Regel wie austritt und am Zentrum des stromabseitigen Kristalls

folgt modifiziert werden: 30 ankommt und umgekehrt Obgleich endliche Strahl-

effekte 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.

Die Strecke zwischen den beiden Wandlern 14 und 24 durch das Strömungsmittel hindurch ergibt zwei voneinander unabhängige akustische Messungen, nämlich die stromabseitige und die stromaufseitige Schallwellen-Ausbreitungs- bzw. -Laufzeit (Td bzw. r_u). 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 (tm) innerhalb der Meta I Isonde.

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

2H

^- sinö,) cos«,

(9)

2H

IP

"57*

(10)

(H)

wobei:

H =

D =

P =

Strecke von der Rohrinnenwand zum Zentrum

des piezoelektrischen Kristalls,

Rohrinnendurchmesser, Streckenlänge in der Schallsonde vom Kristall

zum Reflexionspunkt an der Kerbe.

Ersichtlicherweise enthalten die Gleichungen (9), (10) und (11) zwei zusätzliche Veränderliche, d. h. 6l und Θ_Μ, zu den in der funktionellen Form dieser Gleichungen, so d. h. Gleichung (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 20 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 (Inzwischen den Zentren der Kristalle bestimmt sich durch folgende Gleichung:

L = 2Wtan ß_M + D tan ft.

(12)

60

Die Gleichungen (2) und (9) bis (12) stellen fünf unabhängige Gleichungen dar, die fünf Unbekannte enthalten und daher nach an sich bekannten Verfahren aufge- löst werden können, um jede der Unbekannten in Form der drei erwähnten akustischen Messungen und der geometrischen Konstanten zu liefern. Wegen der Kom-

plexität 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 Be ziehung zwischen V und den drei Schallwellenmessungen (γα Tu, tm) zu benutzen. Diese 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 eine 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 lookup) anzufertigen, indirekt eine Lösung für V nach irgendeiner mathematischen Funktion von γα t_u und tm 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 tmItl, die sich folgendermaßen schreiben läßt:

30 V = AIs-U [l-(C(S-So) +ß (S-Sof + ■■■], TmTl

wobei:

Tl — Tu + Td— B Tm

Au.B = von der Geometrie der Sonde abhängende

Konstanten 5 So

Größe von tmItl bei dem konstruktiv vorgesehenen Strömungsmittel bei der konstruktiv vorgesehenen Temperatur 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 Vdurch eine einfache Funktion der drei akustischen Messungen T_m r^und ^vorgegeben.

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

Das Blockschaltbild gemäß F i g. 5 in Verbindung mit den Wellenformen nach F i g. 6, in denen Amplitude und Zeitbasis zur besseren Veranschaulidiung der Wellenformen nicht maßstabsgerecht eingezeichnet sind, dienen zur Erleichterung des Verständnisses der Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Strömungsmessers. Die Wellenformen sind an betreffenden Schaltungspunkten in F i g. 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- Ausbreitungs- bzw. -Laufzeiten, (3) Anzei-

13 14 s

ge der Größen der Verfahrensparameter und/oder geo- talprozessor 50 übertragen. Die Zahl der Zählschritte · metrischen Parameter, (4) Durchführung einer Vielfalt entspricht der Zeit der Schallwellenausbreitung (Lauf- t\ von Standard-Rechenoperationen und (5) Erzeugung ei- zeit) vom stromaufseitigen Wellengenerator bzw. || nes für Verfahrensregelzwecke geeigneten Ausgangs- Wandler zum stromabseitigen Wellengenerator bzw. i/ Steuersignals (z.B. 4—2OmA). Obgleich zahlreiche Ana- s Wandler (ra). % logtechniken zur Durchführung dieser Funktionen an Nach Abschluß dieses Arbeitszyklus leitet der Digi- fl sich bekannt sind (vgl z. B. die eingangs genannten US- talprozessor 50 auf ähnliche Weise einen Lade-/Zünd- ''/. PSV₁ hat es sich als vorteilhaft erwiesen, für die erforder- Vorgang für den stromabseitigen Kristall 30 ein, wobei K liehe Signalverarbeitung digitale Verarbeitungstechni- ein 0,5-ms-lmpuls zu einer stromabseitigen Lade-/Zünd- ;' ken anzuwenden. Insbesondere wird bei der dargestell- io schaltung 151 geleitet wird, welche den Kristall 30 auften Ausführungsform ein Mikroprozessorsystem der. lädt und dann plötzlich über einen zugeordneten gesteu-Art verwendet, wie es im Handel erhältlich ist Die ent- eilen Si-GIeichrichter (Thyristor) 152 entlädt, so daß der S sprechende Programmierung eines solchen Mikropro- Kristall zur Erzeugung eines akustischen Impulses ge- '■] zessorsystems für die Durchführung der erwähnten zwungen wird. Dabei wird wiederum ein zum stromab-Verarbeitungsschritte ist dem Fachmann auf dem be- is seitigen Kristall zurücklaufender Echoimpuis 64 (Weltreffenden Gebiet ohne weiteres möglich. Außerdem ist lenform D) von der Zeitsteuer-Torschaltung 54 unbe- ^y die Verwendung eines programmierbaren Digitalpro- rücksichtigt gelassen, weil er innerhalb von 50 us nach zessors zur Verwendung bei einem Ultraschall-Strö- der Entladung des stromabseitigen Kristalls auftritt mungsmesser der vorliegend allgemein beschriebenen Wenn schließlich ein akustischer Impuls 65 (Wellenform Art in der US-PS 39 18 304 beschrieben, auf welche 20 C) vom stromaufseitigen Kristall 20 empfangen wird, ; hiermit Bezug genommen wird. wird der Inhalt des Zählers 56 durch den Digitalprozes-

Im Betrieb liefert ein Digitalprozessor 50 einen La- sor ausgelesen, um eine Messung der stromaufseitigen deimpuls 60 von 0,5 ms Dauer (Wellenform A) zu einer Schallwellenausbreitungszeit (r„) zu liefern. Lade'/Zundschaltung 51, weiche den stromaufseitigen Wie in Fi^.5 und in Fig.6 bei der Wellenform E Kristall 20 langsam auf etwa 40 V auflädt Durch diese 25 dargestellt, werden die Ausgangssignale beider Kristalle Schaltung wird sodann ein gesteuerter Si-Gleichrichter an ein Summiernetz 57 angelegt und dort zum Kompa-(Thyristor) 52 durchgeschaltet, so daß der Kristall über rator 53 geleitet Obgleich durch die Kombination der · diesem Gleichrichter in 10 ns oder weniger entladen Wellenformen die Komplexität der Unterscheidung : ' wird. Aufgrund dieser schnellen Entladung erzeugt der zwischen den betreffenden Impulsen für das DurchKristall einen akustischen Impuls sowie eine auf einen 30 schalten und Sperren der Zeitsteuer-Torschaltung 54 negativen Wert übergehende Spitze 61 am Eingang ei- etwas vergrößert wird, beseitigt ein einziger Komparanes Komparator 53 (Wellenform E). Hierdurch wird tor die Notwendigkeit für die genaue Anpassung der wiederum eine Zeitsteuer-Torschaltung 54 so aktiviert elektrischen Ausbreitungsstrecken, wie dies bei Verbzvf. durchgeschaltet, daß ein Zähler 56, der durch einen wendung mehrerer Komparatoren erforderlich wäre, durch die Torschaltung durchgeschalteten 100 MHz 35 Verschiedene Komparatoren und ihre zugeordneten Taktgeber 55 angesteuert wird, zu zählen beginnt Zeitsteuerschaltungen besitzen nämlich ungleiche Ge-

Wie durch die Wellenform C in Fig.6 veranschau- samt-Verzögerungszeiten, wobei die Unterschiede der

licht, wird ein typischer akustischer Echoimpuls 62 30 us Gesamt-Verzögerungszeiten im Bereich von 10 ns und

nach der Entladung des Kristalls vom stromaufseitigen mehr liegen könnea Da der für die Berechnung der t-,

Kristall 20 empfangen. Aufgrund der Geometrie der 40 Strömungsgeschwindigkeit benutzte Unterschied in den

Schalkonde 16 erfolgt dies jeweils in weniger als 50 \is Schallwellen-Ausbreitungszeiten (d. h. F₀- r<f) ebenfalls

nach der Entladung des Kristalls. Auf Befehl des Digital- im Nanosekundenbereich liegen kann, könnte bei Ver- ■

Prozessors 50 läßt somit die Zeitsteuer-Torschaltung 54 wendung mehrerer Komparatoren ein beträchtlicher

jede Änderung im Zustand des Komparators 53 unbe- Meßfehler eingeführt werden, sofern keine genaue An-

rücksichtigt, die innerhalb der Periode von 50 us nach 45 passung angewandt wird,

der Entladung des stromaufseitigen Kristalls auf tritt Da der Unterschied in den Schallwellen- Ausbrei-

Der Zähler 56 zählt weiter, bis am stromabseitigen tungs- bzw. -Laufzeiten (d. h. F₁₁- f</) genau bekannt Kristall 30 ein akustischer Impuls erscheint, der bei 63 sein muß, wird der Stromauf/Stromab-Meßzyklus wie- ■ auf der Wellenform D angedeutet ist Wie auch bei den derholt und innerhalb einer festen Wiederholungszahl Wellenformen Eund Fveranschaulicht, wirddei Korn- 50 (z.B. 400 Messungspaare) gemittelt, bevor eine Mesparator 53 nur durch Impulse, deren Amplitude einen sung der Schallwellen-Ausbreitungszeit in der Metallvorbestimmten Schwellenwertpegel »H« übersteigt, in sende (γμ) erfolgt Nach Durchführung dieser festen seinen hohen Zustand getrieben, wodurch ein Setzen Messungspaare aktiviert der Digitalprozessor 50 die des Komparators durch Streu- oder Störimpulse verhin- Zeitsteuer-Torschaltung 54 für das Ansprechen auf ein dert wird, die von Reflexionen irr. Rohr 12 und in der 55 Signal, welches innerhalb von weniger als 50 \ts auf die Sonde 16 herrühren. Sobald jedoch der Komparator Entladung des stromaufseitigen Kristalls 20 folgt wähgesetzt ist muß ein Impuls zum Freimachen des Korn- rend Impulse, die mehr als 50 \is nach der Entladung parators die Nullinie durchlaufen. Die Zeitsteuerung bis auftreten (z. B. der am stromabseitigen Kristall 30 anzum Nulldurchgang ist genauer als die Zeitsteuerung kommende Impuls) unberücksichtigt gelassen werden, auf einen Pegel an einem Zyklus des Impulses, weil Si- ω Da Digitalmessungen eine Auflösung eines Taktzygnalampütuden-Schwankungen auftreten können. klus (d.h. 10 ns bei der beschriebenen Ausführungs-

Da der Impuls 63 erst nach mehr als 50 μδ nach dem form) bedingen und da, wie erwähnt, der Unterschied in Zünden des stromaufseitigen Kristalls 20 vom stromab- den Schallwellen-Ausbreitungszeiten ebenfalls im Na-

seitigen Kristall 30 empfangen wird, werden sowohl der nosekundenbereich liegen kann, hat es sich für die wei-

Komparator 53 als auch die Zeitsteuer-Torschaltung 54 65 tere Verbesserung der Auflösung und der Genauigkeit

freigemacht, wodurch der Zähler 56 deaktiviert bzw. des Strömungsmessers als wünschenswert erwiesen, ei-

abgeschaltet wird. Die Zahl der vom Zähler festgehalte- ne Zeitintervall-Mittelwertbildung anzuwenden. Dieses

nen Zählschritte wird dann zur Speicherung zum Digi- Verfahren, das eine statistische Mittelwertbildung über

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zahlreiche aufeinanderfolgende Meßzyklen hinweg be- mit normaler Impulseinleitung (d. h. ohne Brechung) anchattet ist an sich bekannt Diesbezüglich wird auf wendbar, um eine von Änderungen der Schallgeschwin-Hewlett/Packard Application Notes 162-1 verwiesen. digkeiten des Strömungsmittels und der Schallsonde un-

Nach den verschiedenen Meßzyklen ist im Digital- abhängige Meßgröße für die Strömungsgeschwindigprozessor SO eine Messung der Schallwellen-Laufzeit in 5 keit zu liefern. Eine weitere Abwandlung ist auf die in Stromaufrichtung, der Schallwellen-Laufzeit in Strom- F i g. 7 dargestellte Weise möglich, welche in schematicbrichtung und der Schallwellen-Laufzeit innerhalb der scher Darstellung auf diagonal gegenüberliegenden Sei-Sonde gespeichert Weiterhin werden dem Digitalpro- te der Rohrwandungen montierte Wandler veranschauzessor als Eingangssignale verschiedene Verfahrenspa- licht Diese Anordnung kann in bestimmten Fällen vorrameter eingegeben, beispielsweise Nullpunkt und io teilhaft sein, in denen die Strömung über mehrere Rohr-Meßbereich in Verbindung mit den geometrischen Pa- durchmesser hinweg ungestört ist Die vorstehend berametern des Strömungsmessers (d. h. Höhe und Posi- schriebene Ultraschallmessung und Signalverarbeitung tion der Wandler, Rohrdurchmesser usw.). Sodann kön- gilt einschränkungslos auch für diese Wandleranordnen die verschiedenen Parameter und Meßwerte durch nung.

einfache, unkomplizierte Rechenoperationen (auf die 15 Die F i g. 8 und 9 veranschaulichen andere mögliche durch Gleichung (13) beispielhaft angegebene Weise) Abwandlungen bezüglich der die Wandler aufnehmendurch den Digitalprozessor kombiniert werden, um ein den Konstruktion und der Möglichkeiten zur Ableitung der Strömungsgeschwindigkeit proportionales digitales einer Meßgröße für die Schallwellenausbreitungszeit in-Strömungssignal zu liefern. Diese digitale Größe wird nerhalb dieser Konstruktion. Wie in Fi g. 8 schematisch durch einen Digital/Analog- bzw. D/A-Wandler 58 in 20 dargestellt, ist der piezoelektrische Kristall mit der Auein entsprechendes Analogsignal umgewandelt, um ein ßenfläche eines Pyramidenstumpfs verbunden, wobei für industrielle Regelzwecke geeignetes Ausgangssignal der eine bekannte Länge besitzende akustische Weg von z.>^_4 bis 20 mA zu erzeugen. Dieses Ausgangssi- innerhalb dieser Konstruktion ohne die Verwendung gnal wird sodann zu einem Masseisolator 59 übertragen, von Reflexionskerben o. dgL festgelegt ist F i g. 9 verander die Form eines Impulstransformators besitzen kann, 25 schaulicht ein einstückiges Gehäuse für beide Wandler, um dabei sicherzustellen, daß die Masse des zugeordne- wobei die akustische Strecke zur Messung der Schallten Verfahrensreglers nicht an die Masse des Strö- dämm-Ausbreitungszeiten im Gehäuse zwischen den mungsmessers angekoppelt wird. beiden Wandlern, im Gegensatz zu einer Reflexion zum

Durch die Anordnung der beiden Wandler an dersel- aussendenden Wandler, wie bei den vorherigen Beispieben Seite des Rohrs wird in angestrebter Weise die 30 len, festgelegt ist

Ansprechempfindlichkeit des Strömungsmessers auf ra- Bei diesen vorstehend beschriebenen Abwandlungen

diale Ströniungsmittel-Geschwindigkeitskomponenten sind außerdem die Wandlergehäuse an der Rohrleitung in der Ebene von F i g. 3 praktisch ausgeschaltet, wäh- angeschweißt oder anderweitig integral mit ihr verbunrend seine Empfindlichkeit für eine Axialströmung ver- den. Die Verarbeitungs-/Meßtechniken lassen sich jedoppelt wird. Auf einer Radialströmung beruhende 35 doch gleichermaßen mit Wandlergehäuse/Schallson-Ausgangsmeßfehler können ganz beträchtlich sein, spe- den-Anordnungen realisieren, die an der Außenfläche ziell dann, wenn die Wandler in der Nähe von Kniestük- einer Rohrleitung festgespannt sind, wodurch Einbau ken oder anderen Bereichen mit gestörter Strömung und Wartung an einer Verfahrensmeßstelle vereinfacht angeordnet sind. werden.

Wenn ein einzelner Meßzyklus dadurch definiert 40

wird, daß akustische Impulse von einem Wandler zur Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

gegenüberliegenden Rohrwandung und durch das Strö-

mungsmittel hindurch zurück zum anderen Wandler
übertragen werden, wie dies beim erfindungsgemäßen
Strömungsmesser der Fall ist, ist es offensichtlich, daß 45
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 50
die Laufzeiten der Impulse im Strömungsmittel verdoppelt werden und, was noch wichtiger ist, der Unterschied in den Schallwdlen-Ausbreitungs- bzw. -Laufzeiten verdoppelt wird. Da der Unterschied in der Schallwellen-Laufzeit dem Rohrdurchmesser unmittelbar 55
proportional ist, besitzt ein Winkel-Reflexions-Strömungsmesser eines vorgegebenen Durchmessers eine
doppelt so große Empfindlichkeit für Axialströmung
wie ein Strömungsmesser vergleichbarer Größe, bei
dem die Wandler auf gegenüberliegenden Seiten der 60
Rohrleitung angeordnet sind.

Im folgenden sind abgewandelte Ausführungsformen
der Erfindung erläutert. Obgleich die Erfindung vorstehend in Verbindung mit einem speziellen Beispiel beschrieben ist, das ein Brechungsmeßsystem verwendet, 65
bei welchem das Ausgangssignal von Änderungen der
akustischen Strecke unbeeinflußt bleibt, sind die Erfindungsmerkmale gleichermaßen auf Strömungsmesser

Claims

Patentansprüche:

1. Ultraschall-Strömungsmesser zur Messung der Geschwindigkeit eines in einer Rohrleitung (12) s 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-Übertragungssonden (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,
mit an die Wandlereinheiten (14, 24, 20, 30) angeschlossenen Signalerzeugungseinheiten (51,52,151, 152), um zunächst akustische Impulse von der ersten zur zweiten Wandlereinheit und sodann zweite akustische Impulse von der zweiten zur ersten Wandlereinheit über die Schallwellen-Ausbreitungsstrecke zu übertragen,

wobei die Wandlereinheiten (14, 24, 20, 30) in Abhängigkeit von den empfangenen akustischen Impulsen Ausgangssignale entsprechend den Schallwellen-Laufzeiten längs der Strecke zwischen erstem und zweitem Wandler und umgekehrt erzeugen, und

mit den Signalerzeugungseinheiten (51,52,151,152) zusammenwirkenden Einrichtungen (50, 53, 54, 55, 56,57) zur Messung der Schallwellen-Ausbreitungszeiten,

gekennzeichnet durch Mittel (18), die in den Schallwellen-Übertragungssonden (16, 26) minde- 3s stens eine akustische Strecke bekannter Länge festlegen, längs welcher sich ein Teil der zuerst übertragenen Impulse ausbreitet, wobei die Wandlereinheiten (14,24,20,30) die Ausgangssignale aach entsprechend der Schallwellenlaufzeit längs der akustischen Strecke innerhalb der Übertragungssonden erzeugen.

2. Strömungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenfläche der Rohrleitung (12) eine glatte Bohrung mit gleichmäßigem Querschnitt zumindest an der Grenzfläche zwischen dem Strömungsmittel und den Übertragungssonden (16, 26) aufweist, an welcher die akustischen Impulse in die Rohrleitung (12) eintreten und aus ihr austreten, daß die Übertragungssonden (16,26) so angeordnet sind, daß sie die akustischen Impulse längs einer gebrochenen Strecke (Brechungsstrecke) leiten, die sich je nach dem Verhältnis der Schallgeschwindigkeiten in den Übertragungssonden (16, 26) und im Strömungsmittel ändert, und daß die Meßgröße für ss die Strömungsgeschwindigkeit von Änderungen der Brechungsstrecke unabhängig ist

3. Strömungsmesser .lach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlereinheiten (14, 24, 20, 30) auf derselben Seite der Rohrleitung (12) angeordnet sind.

4. Strömungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlereinheiten (14,24, 20, 30) auf gegenüberliegenden Seiten der Rohrleitung angeordnet sind.

5. Strömungsmesser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß an der Rohrleitung (12) zwei rohrförmige Gehäuse (15,25) zur Aufnahme der jeweiligen Wandlereinheiten (14, 24) angeschweißt sind und daß diese Gehäuse (15,25) seitlich bzw. schräg an der Innenfläche der Rohrleitung (12) münden.

6. Strömungsmesser nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jede Wandlereinheit (14, 24) ein im betreffenden Gehäuse (15,25) montiertes, zylindrisches Halteteil (14>4Jt dessen eines Ende eine Grenzfläche mit dem Strömungsmittel bildet, und eine Ultraschall-Generatoreinheit (20) aufweist, die bei elektrischer Erregung an das andere Ende des Halteteils (14AJ angekoppelte akustische Impulse erzeugt

7. Strömungsmesser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß jede Ultraschall-Generatoreinheit einen zur Erzeugung von Ultraschall-Schubwellen polarisierten piezoelektrischen Kristall (20) aufweist, daß die Berührungsflächen von Kristall (20) und Übertragungssonde (16, 26) geläppt sind und daß die Übertragungssonde (16) und der Kristall (20) unter einem hohen Druck in ihrer Einbaulage montiert sind.

8. Strömungsmesser nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch ein steifes Gewindeelement (36), das die Übertragungssonde (16) im Gehäuse halten und auf den Kristall (20) große Druckkräfte ausübt

9. Strömungsmesser nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Gewindeelement (36) eine Feder (40) verbunden ist, die über weite Temperaturbereiche hinweg eine vergleichsweise gleichmäßige Kraft auf den Kristall (20) ausübt

10. Strömungsmesser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet daß das erstgenannte Ende der Übertragungssonde (16) an die Kontur der Innenfläche der Rohrleitung (12) angepaßt ist

11. Strömungsmesser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet daß die Übertragungssonde (16) in der Nähe ihres erstgenannten Ende eine Kerbe (18) zum Reflektieren eines Teils des zuerst ausgesandten Impulses zur Ultraschall-Generatoreinheit zurück aufweist.

12. Strömungsmesser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet daß die Wandlereinheiten (14, 24, 20,30) bei elektrischer Erregung akustische Impulse des Schubwellentyps zu erzeugen vermögen.

13. Strömungsmesser nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet daß die Übertragungssonden (16, 26) 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 Übertragungssonden in der Schubwellen-Betriebsart verbleibt

14. Strömungsmesser nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Signalprozessoreinheit, die die gemessenen Schallwellen-Ausbreitungszeiten und Speicherdaten entsprechend geometrischen Parametern und Verfahrensparametern speichert die gemessenen Laufzeiten 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 Übertragungssonden der Strömungsgeschwindigkeit proportional ist.

15. Verfahren zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit eines Strömungsmittels in einer Rohrleitung, bei dem an zwei Wandlereinheiten (14, 24, 20, 30) akustische Impulse erzeugt werden, die sich

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durch das Strömungsmittel zwischen den beiden Bei anderen Ultraschall-Strömungsmessern wird die

Wandlereinheiten (14,24,20,30) hin- und hergehend Schräg- oder Keil-Einspeisetechnik angewandt, um die ausbreiten, bei dem akustische Impulse durch Schall- Schallwellen unter Ausschaltung von Taschen und/oder wellen-Übertragungssonden (16,26) von der ersten Vorsprüngen in das Strömungsmittel einzuleiten. Da bei zur zweiten Wandlereinheit sowie von der zweiten 5 diesem System jedoch die Schallwelle nach der Snellzur ersten Wandlereinheit gerichtet werden, und sehen Regel an der Strömungsmittel-Grenzfläche gezwar jeweils über eine die Übertragungssonden (16, brachen wird, verändern Abweichungen der Schallge-26) und das Strömungsmittel einschließende Schall- schwindigkeit sowohl in der Flüssigkeit als auch im wellen-Ausbreitungsstrecke, bei dem mittels der bei- Schallwandler den Brechungswinkel unter ungünstiger den Wa;AJlereinheiten (14, 24, 20, 30) in Abhängig- io Beeinflussung der Genauigkeit der erhaltenen Messung, keit von den empfangenen akustischen Impulsen sofern keine Ausgleichmaßnahmen getroffen werden. Ausgangssignale erzeugt werden, welche den Schall- Beispielsweise wird beim Ultraschall-Strömungsmesser wellen-Laufzeiten längs der Ausbreitungsstrecke gemäß der US-PS 35 75 050 der Unterschied in den zwischen erster und zweiter Wandlereinheit und Schallwellen-Laufzeiten zwischen stromauf-und stromumgekehrt entsprechen, und bei dem die diesen 15 abseitigen elektroakustischer! Wandlern gemessen, die Laufzeiten entsprechenden Ausgangssignale nach zur Gewährleistung eines Schrägeinfalls der Schallwelan sich bekannten physikalischen Prinzipien mitein- len an der Roh^/Flüssigkeit-Grenzfläche angeordnet ander kombiniert werden, dadurch gekennzeichnet, sind. Diese US-PS sieht jedoch keine Maßnahmen für daß ein Teil des zuerst ausgesandten Impulses über Abweichungen oder Änderungen in der akustischen mindestens eine akustische Strecke bekannter Lan- 20 oder SchaUweJlenstrecke durch das Strömungsmittel ge in der betreffenden Übertragungssonde (16, 26) aufgrund von Änderungen der Schallgeschwindigkeit in geleitet wird, und daß die Ausgangssignale auch der der Flüssigkeit und/oder im Wandler vor.
Laufzeit längs der akustischen Strecke innerhalb der Weitere Veröffentlichungen, für welche die US-PS

betreffenden Übertragungseinheit entsprechen, um 37 31 532, 37 38 169, 37 27 454 und 37 27 458 Beispiele eine von Änderungen der Schallgeschwindigkeiten 25 sind, schlagen zusätzlich zur Messung der stromauf- und im Strömungsmittel und in der bzw. den Übertra- stromabseitigen Schallwellenausbreitungszeiten eine gungssonden unabhängige Meßgröße für die Strö- dritte Messung zur Bestimmung der Schallgeschwindigmungsgeschwindigkeit abzuleiten. keit in der Flüssigkeit und die Heranziehung dieser

Messung zur Korrektur einer etwaigen Änderung oder

30 Abweichung der Schallgeschwindigkeit in der Flüssigkeit vor. Für mögliche Änderungen der Schallwellenstrecke wird keine Korrektur vorgenommen. Außer-

Die Erfindung bezieht sich auf einen Ultraschall-Strö- dem wird bei diesen bisherigen Konstruktionen auch mungsmesser zur Messung der Geschwindigkeit eines nicht der Einfluß von Fehlern berücksichtigt, die auf in einer Rohrleitung strömenden Strömungsmittels ge- 35 Änderungen der Schallgeschwindigkeit im Wandler bemaß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie auf ruhen und die Änderungen der akustischen bzw. Schallein Verfahren zur Messung der Strömungsgeschwindig- wellen(lauf)strecke herbeiführen können. Derartige keit eines Strömungsmittels in einer Rohrleitung gemäß Fehler können insbesondere in Verfahrensregelfällen dem Oberbegriff des Patentanspruchs 15. von Bedeutung sein, weil die Ausgangsgenauigkeit des

Für die Strömungsmessung sind verschiedene Techni- 40 Strömungsmessers dabei innerhalb weiter Temperaturken unter Verwendung von Ultraschalleinrichtungen änderungsbereiche konstant gehalten werden muß. Zu- oder -elementen bekannt Die Zahl der Patentschriften dem benötigen diese genannten Strömungsmesser eiauf diesem Gebiet ist sehr groß. Allgemein handelt es nen oder zwei zusätzliche Ultraschall-Wandler, was eisich bei diesen Strömungsmessern um solche vom nen entsprechenden Schaltungsaufwand und entspre-Schallwellen-Ausbreitungstyp, bei denen die Schallge- 45 chend höhere Fertigungskosten sowie eine weitere schwindigkeit längs einer die Längsachse des strömen- Komplizierung des Strömungsmesseraufbaus bedeutet den Strömungsmittels schneidenden diagonalen Linie Aus der US-Patentschrift 38 69 915 ist auch bereits

mit der Strömung und gegen die Strömung des Strö- ein Ultraschall-Strömungsmesser der eingangs genannmungsmittels gemessen wird. Der Unterschied zwi- ten Art bekannt Dort ist ein digitaler Strömungsmesser sehen diesen Ausbreitungszeiten liefert eine Anzeige für 50 mit zwei Wandlern beschrieben, die schräg auf der gleidie Strömungsgeschwindigkeit des Strömungsmittels. chen Seite einer Rohrleitung angebracht sind. Bei die-

Bestimmte Strömungsmesser dieser Art sind vom sem Strömungsmesser werden Ultraschallimpulse Senkrecht-Einspeisetyp, d. h. die Schallwellen passieren stromauf und stromab reflektiert, ohne die Wandlereindie Grenzfläche zwischen dem strömenden Strömungs- heiten mechanisch in die Rohrleitung einzubauen. Die mittel und dem Ultraschallwandler unter einem rechten 55 Laufzeiten der Ultraschallimpulse stromauf und strom-Winkel zu dieser Grenzfläche. Nachteilig an dieser Kon- ab werden mittels eines Taktgebers gemessen und gestruktion ist, daß zur Aufrechterhaltung des erforderli- zählt, und die Ergebnisse dieser Messung werden in eichen nicht-senkrechten Winkels zwischen der Längs- ner speziellen Schaltung verarbeitet, um so die Ströachse des Strömungsmittels und dem Schallgeschwin- mungsgeschwindigkeit zu berechnen. Bei dieser bedigkeitsvektor der Ultraschallwandler derart am Rohr 60 kannten Strömungsmeßeinrichtung ist eine spezielle montiert werden muß, daß an der Rohrinnenwand ent- Elektronik notwendig, mittels der die Strömungsgeweder Taschen oder Vorsprünge bzw. Erhebungen ent- schwindigkeit berechnet wird, wodurch die gesamte stehen. Hierdurch wird das lokale Strömungsgeschwin- Vorrichtung verhältnismäßig aufwendig wird,
digkeitsprofil in den Bereichen, in denen die Messungen In der US-Patentschrift 40 15 470 ist weiterhin ein

erfolgen sollen, unterbrochen. Außerdem wird hier- 65 Ultraschall-Strömungsmesser mit drei Wandlereinheidurch ein Absetzpunkt für Feststoffe und andere, vom ten beschrieben, die um eine Rohrleitung herum ange-Strömungsmittel mitgeführte Verunreinigungen bzw. ordnet sind. Zwei der Wandlereinheiten liegen winkel-Schwebstoffe gebildet. mäßig versetzt auf entgegengesetzten Seiten der Rohr-