DE29803911U1

DE29803911U1 - Durchflußmesser

Info

Publication number: DE29803911U1
Application number: DE29803911U
Authority: DE
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1998-03-05
Filing date: 1998-03-05
Publication date: 1999-04-01
Anticipated expiration: 2008-03-06

Description

GR 98 G 4407 DE

Beschreibung
Durchflußmesser

Die Erfindung betrifft einen Durchflußmesser nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der DE-PS 43 36 370 ist bereits ein Durchflußmesser bekannt, bei welchem ein gasförmiges oder flüssiges Medium, dessen Volumenstrom zu messen ist, durch ein Meßrohr geleitet wird. An der Wandung des Meßrohrs sind ein Sende- und ein Empfangswandler in axialem Abstand zueinander angebracht. Der Sendewandler strahlt ein impulsförmiges Schallsignal in das Medium aus, das um die Laufzeit durch das Medium verzögert mit dem Empfangswandler detektiert wird. Dabei führt eine Strömung des Mediums in Schallausbreitungsrichtung zu einer Verkürzung der gemessenen Laufzeit. Anschließend wird die Betriebsart der Wandler umgeschaltet, so daß der Wandler, der zuvor als Empfangswandler betrieben wurde, nun als Sendewandler arbeitet und umgekehrt. Auch in dieser Betriebsart wird die Laufzeit des Schallsignals gemessen. Die Differenz der beiden gemessenen Laufzeiten stromauf und stromab liefert ein Maß für den Volumenstrom im Meßrohr.

Bei derartigen Durchflußmessern besteht das Problem, daß die gemessenen Laufzeiten nicht nur vom Durchfluß, sondern auch vom jeweiligen Strömungsprofil im Meßrohr und der Art des durchströmenden Mediums abhängen. Je nach Viskosität und Strömungsgeschwindigkeit e^eben sich verschiedene Strömungsprofile. Bei langsamer Strömungsgeschwindigkeit stellt sich über dem Querschnitt des Meßrohrs ein laminares Strömungsprofil ein, das durch eine parabolische Form beschrieben werden kann. Die höchste Strömungsgeschwindigkeit tritt dabei in der Rohrmitte auf, zur Wcindung hin wird dagegen die Strömungsgeschwindigkeit geringer. Je größer der Volumenfluß im

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Meßrohr, d. h. je höher die Strömungsgeschwindigkeit ist, desto mehr nähert sich das Strömungsprofil einer Kastenform. In einem größeren, inneren Bereich des Rohrquerschnitts ist die Strömungsgeschwindigkeit etwa gleich und fällt erst in der Nähe der Meßrohrwandung stark ab. Dieses Strömungsprofil wird als turbulent bezeichnet.

Beschallt man nun mit einem Schallwandler das in dem Meßrohr strömende Medium, um aus den gemessenen Schallaufzeiten den Volumenstrom zu bestimmen, so wird die in der Mitte des Meßrohrs auftretende höchste Strömungsgeschwindigkeit stärker bewertet als die am Rand des Strömungskanals auftretende niedrigere Strömungsgeschwindigkeit. Dies hat zur Folge, daß sich für jedes Strömungsprofil und jedes Fluid eine eigene Meßkennlinie ergibt, was zu einer aufwendigen Auswerteeinheit führt. Zur Verminderung der Beeinflussung des Meßergebnisses durch das jeweils vorliegende Strömungsprofil wird in der bereits genannten DE-PS 43 36 370 vorgeschlagen, das Schallsignal mit mehreren Reflexionen an der Meßrohrwandung spiralförmig durch das Meßrohr zu führen. Das bewirkt eine stärkere Bewertung der Bereiche des Meßrohrquerschnitts, die etwa in der Mitte zwischen der Meßrohrachse und der Meßrohrwand liegen. Somit wird ein Mittelwert zwischen den hohen Strömungsgeschwindigkeiten an der Meßrohrmitte und den niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten im Bereich der Meßrohrwand erreicht. Nachteilig dabei ist jedoch die Abschwächung des Schallsignals durch die mehrfache Reflexion an der Meßrohrwandung. Aufgrund der spiralförmigen Schallführung läuft zudem das Schallsignal auf seinem Weg zwischen Sende- und Empfangswandler um die Meßrohrachse herum. Eine Drallbewegung des durch das Meßrohr strömenden Mediums verändert daher das Meßsignal und führt zu einer Verfälschung des Meßergebnisses.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Durchflußmesser mit verbesserten Meßeigenschaften zu schaffen.

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Zur Lösung dieser Aufgabe weist der neue Durchflußmesser der eingangs genannten Art die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale auf. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen beschrieben. 5

Die Erfindung hat den Vorteil, daß eine an die jeweilige Querschnittsfläche angepaßte Bewertung der Bereiche erreicht wird, da die Ausbreitungsrichtung in den verschiedenen Bereichen des Meßrohrquerschnitts ihre Neigung zur Strömungsrichtung ändert. Eine größere Neigung der Ausbreitungsrichtung des Schalls gegenüber der Strömungsrichtung des Mediums führt in der Rohrmitte zu einer der geringeren Querschnittsfläche entsprechend niedrigeren Bewertung, eine kleinere Neigung in den Randbereichen zu einer höheren Bewertung.

Bereits bei einem geradlinigen Meßpfad ohne Umlenkung durch Reflexionen an der Wandung kann durch eine Änderung der Strömungsrichtung im Verlauf des Schallsignals eine Überbewertung mittlerer Bereiche des Meßrohrquerschnitts gegenüber den Randbereichen, die eine größere Querschnittsfläche repräsentieren, verringert werden. Da weniger Reflexionen für die Schallführung erforderlich sind, wird die Intensität des Empfangssignals verstärkt und die Unempfindlichkeit der Meßanordnung gegenüber Störsignalen verbessert. Dabei ist die Abhängigkeit der Meßergebnisse vom herrschenden Strömungsprofil gegenüber einer Beschallung eines geraden Meßrohrs durch die Meßrohrmitte hindurch wesentlich verringert.

Bereits bei einem in einfacher Weise S-förmig gebogenen Meßrohr stellt sich der gewünschte Effekt ein, wenn der Schallweg von der Innenseite der einen Biegung zur Innenseite der anderen Biegung verläuft. Mit einem geringen Mehraufwand für die Herstellung des Meßrohrs wird so eine erhebliche Verbesserung der Meßergebnisse erzielt.

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Da Schallwandler normalerweise mit einer senkrecht zur Ausbreitungsrichtung stehenden Abstrahlfläche senden oder empfangen und da die Ausbreitungsrichtung des Schallsignals am Einbauort der Wandler an der Meßrohrwand eine geringe Neigung zur Strömungsrichtung aufweist, können Störungen der Strömung durch den Wandlereinbau entstehen. Diese Störungen können verringert werden, indem der Sendewandler senkrecht zur Strömungsrichtung in das Medium einstrahlt und auf der gegenüberliegenden Seite ein Reflektor angeordnet wird, der das Schallsignal in die gewünschte Ausbreitungsrichtung umlenkt. Die Abstrahlfläche des Sendewandlers liegt dann parallel zur Strömungsrichtung und stört die Strömung nicht. Durch die weniger geneigte Reflektorfläche sind die Störungen der Strömung an der Einbaustelle des Reflektors vergleichsweise geringer.

Bei einem runden Meßrohrquerschnitt wird eine nahezu ideale Eliminierung der Einflüsse verschiedener Strömungsprofile auf das Meßergebnis erzielt, wenn der Neigungswinkel nach Art einer Arcuscosinus-Funktion vom Abstand zur Meßrohrachse abhängt. Eine derartige Abhängigkeit kann in der Praxis nur näherungsweise erreicht werden. Aber bereits eine Näherung an diesen Verlauf führt zu einer wesentlichen Verbesserung der Meßeigenschaften des Durchflußmessers gegenüber einer Ultraschall-Durchflußmessung mit einem geraden Meßrohr.

Anhand der Zeichnungen werden im folgenden die Erfindung sowie Ausgestaltungen und Vorteile näher erläutert.

Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit S-förmigem Meßrohr. Die Figuren 2 bis 4 dienen zur Erläuterung des Funktionsprinzips .
Es zeigen:

Figur 2 einen Längsschnitt durch ein gerades Meßrohr, Figur 3 einen Querschnitt eines runden Meßrohrs und

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Figur 4 ein gerades Meßrohr mit einem eingezeichneten idealen Schallweg.

Gemäß dem Ausführungsbeispiel in Figur 1 kann eine sich im Verlauf des Schallsignals ändernde Neigung zwischen der Schallausbreitungsrichtung und der Strömungsrichtung eines Mediums 3 mit einer S-förmigen Biegung eines Meßrohrs 1 erreicht werden. Ein als Sendewandler betriebener Ultraschallwandler 2 beschallt das im Meßrohr 1 strömende Medium 3 quer zu seiner Strömungsrichtung,■ wie es in Figur 1 durch einen Pfeil 4 verdeutlicht ist. Auf der gegenüberliegenden Seite des Meßrohrs 1 trifft das Schallsignal auf einen Reflektor 5, der an einer ersten Stelle der Meßrohrwand.auf der Innenseite des einen Biegeabschnitts der S-förmigen Biegung angeordnet ist. Durch den Reflektor 5 wird das Schallsignal entlang eines Meßpfades 18 zu einem weiteren Reflektor 6 umgelenkt, der sich an einer zweiten Stelle der Meßrohrwand auf der Innenseite des anderen Biegeabschnitts der S-förmigen Biegung befindet. Der Reflektor 6 wirft das Schallsignal im wesent-0 liehen quer zur Strömungsrichtung des Mediums 3 auf einen Ultraschallwandler 7, der auf der dem Reflektor 6 gegenüberliegenden Seite des Meßrohrs 1 angebracht ist. Es ist deutlich zu erkennen, daß sich auf dem Weg 18 des Schallsignals zwischen den Reflektoren 5 und 6, der den eigentlichen Meßpfad darstellt, der zwischen der Ausbreitungsrichtung des Schallsignals und der Strömungsrichtung des Mediums 3 eingeschlossene Winkel ändert. Bei einer gestrichelten Linie 8, die den Verlauf der Strömungsrichtung in einem oberen Querschnittsbereich des Rohres markiert, ist der Winkel vergleichsweise klein. Ebenso ist er bei einer gestrichelten Linie 9, die den Verlauf der Strömungsrichtung im unteren Querschnittsbereich verdeutlicht, relativ klein. Im mittleren Bereich bei einer strichpunktierten Linie 10 dagegen schneidet der Weg 18 des Schallsignals den Strömungsverlauf nahezu rechtwinklig. Eine Strömungsgeschwindigkeit des Mediums 3

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trägt in diesem Bereich kaum zu einer Veränderung der Laufzeit des Schallsignals bei. Die Randbereiche des Meßrohrs 1 werden auf diese Weise entsprechend ihrer größeren Querschnittsfläche stärker gewichtet als mittlere Bereiche der Querschnittsfläche, die einen kleineren Strömungsquerschnitt repräsentieren. Somit wird durch die neue Meßanordnung eine geringere Abhängigkeit der Meßergebnisse vom vorherrschenden Strömungsprofil erreicht.

Zur weiteren Erläuterung der Wirkungsweise ist in Figur 2 ein zylinderförmiges, gerades Meßrohr 11 mit einer Ultraschall-Meßstrecke zwischen zwei Wandlern 12 und 13 dargestellt. Zwischen der Ausbreitungsrichtung des Ultraschallsignals und der Strömungsrichtung des im Meßrohr strömenden Mediums wird ein Winkel &agr; eingeschlossen. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Schallsignals ist als ein Vektor c, die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums als ein Vektor &ngr; dargestellt. Durch eine Zerlegung des Vektors &ngr; kann die in Schallausbreitungsrichtung wirksame Komponente der Strömungsgeschwindigkeit gewonnen werden. Die wirksame Strömungsgeschwindigkeit Veff/ die aufgrund der Symmetrie des Strömungsprofils im runden Meßrohr 11 lediglich von einem Abstand r zur Meßrohrachse abhängig ist, beträgt

v_eff(r) = v(r) -cosa.

Die Laufzeit t des Schallsignals auf einem Schallweg w zwischen den Wandlern 12 und 13 kann berechnet werden zu:

t = [ &iacgr; ds

^J c + v(r)-cosa

Der Quotient in diesem Integral kann mit der folgenden Näherung vereinfacht werden:

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(r)-cosa

COS«

Diese Näherung ist zulässig, da die Strömungsgeschwindigkeit &ngr; erheblich kleiner als die Ausbreitungsgeschwindigkeit c des Schallsignals ist. Für die Laufzeit t erhält man somit die Gleichung:

= L + At

Der Anteil to der Laufzeit t wird allein durch die Schallausbreitungsgeschwindigkeit c im Medium verursacht. Die Strömungsgeschwindigkeit v(r) bewirkt die Laufzeitänderung At. Aus der Laufzeitdifferenz zweier Messungen stromauf und stromab kann somit auf die Strömungsgeschwindigkeit &ngr; des Mediums geschlossen werden.

Figur 3 zeigt einen Querschnitt eines runden Meßrohrs 14. Bei runden Meßrohren stellt sich ein rotationssymmetrisches Strömungsprofil ein. Ein Volumenstrom durch das Meßrohr 14 kann allgemein durch Integration der Strömungsgeschwindigkeit über die Querschnittsfläche berechnet werden. Ein rotationssymmetrisches Flächenelement dA der Breite dr hat den Flächen-

inhalt 2ur-dr. Der Radius des Meßrohrs 14 ist r₀. Für den Volumenstrom gilt somit die folgende Gleichung:

dV_ dt

= \v{f)-2nr-dr

Bei dieser Berechnung wird die vom Abstand r zur Meßrohrachse abhängige Strömungsgeschwindigkeit v{r) mit dem Abstand r gewichtet. Die Bestimmung des Volumenstroms mit Hilfe einer

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Messung der Laufzeitänderung At eines Schallsignals wird somit dann unabhängig vom vorherrschenden Strömungsprofil, wenn auch in dem Integral zur Berechnung der Laufzeitänderung die Strömungsgeschwindigkeit v(r) einer entsprechenden Gewichtung unterzogen wird. Da die Ausbreitungsgeschwindigkeit c nicht beeinflußt werden kann, ist eine mögliche Einflußgröße der Faktor cosa. Es muß also die Bedingung erfüllt werden:

cosa(r) ~ r für 0 < r < r₀

oder anders ausgedrückt: Der zwischen der Ausbreitungsrichtung des Schallsignals und der Strömungsrichtung des Mediums eingeschlossene Winkel &agr; muß der Gleichung genügen:

a(r) = arc cos (Jc ■ r), mit k < —

Zur Vereinfachung der Betrachtungen wurde der sich mit dem veränderlichen Winkel a(r) ebenfalls ändernde Verlauf des Integrationswegs vernachlässigt.

Figur 4 verdeutlicht eine Lösung dieser Gleichung an einem geraden Meßrohr 15, die aber praktisch wohl kaum realisierbar ist, da sich Schallsignale üblicherweise geradlinig ausbreiten. Diese Darstellung dient zur qualitativen Veranschaulichung des durch die Rechnungen erzielten Ergebnisses. Der Schallweg w¹ hat einen im wesentlichen S-förmigen Verlauf. Im Randbereich des Meßrohrs 15 ist die Schallausbreitungsrichtung nur wenig gegenüber der Strömungsrichtung eines durch das Meßrohr 15 fließenden Mediums geneigt. Zur Meßrohrmitte hin wird die Neigung stärker, bis die Schallausbreitungsrichtung bei einer Meßrohrachse 16 die Strömungsrichtung rechtwinklig schneidet. Eine Tangente 17 im Wendepunkt der

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Schallausbreitungsrichtung steht senkrecht auf der Meßrohrachse 16. Eine ähnliche Abhängigkeit des zwischen Schallausbreitungsrichtung und Strömungsrichtung eingeschlossenen Winkels wird bei geradliniger Schallausbreitung durch die in Figur 1 erzielte Änderung der Strömungsrichtung in einem gebogenen Meßrohr nachgebildet.

Die Erfindung wurde anhand eines Meßrohrs mit rundem Querschnitt als Ausführungsbeispiel erläutert. Sie ist aber ohne weiteres auch auf Meßrohre mit anderen Querschnittsformen, beispielsweise ovalen oder vieleckigen, anwendbar.

Claims

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10
Schutzansprüche

1 . Durchflußmesser mit einem von einem gasförmigen oder flüssigen Medium (3) durchströmten Meßrohr (1), einem das Medium (3) beschallenden Sendewandler (2), einem in Strömungsrichtung versetzt zu diesem angeordneten Empfangswandler (7) für das durch das Medium (3) übertragene Schallsignal, dadurch gekennzeichnet/
daß das Meßrohr (1) in dem Abschnitt zwischen den beiden Wandlern (2, 7) eine Biegung aufweist und daß die Komponenten derart zueinander orientiert sind, daß auf einem Meßpfad (18) die Ausbreitungsrichtung des Schalls in den mittleren Bereichen des Strömungsquerschnitts eine größere Neigung gegenüber der Strömungsrichtung aufweist als in den Randbereichen.
2. Durchflußmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzei chnet,

daß das Meßrohr (1) S-förmig gebogen ist und daß der Schallweg von einer ersten Stelle der Meßrohrwand auf der Innenseite des einen Biegeabschnitts zu einer zweiten Stelle der Meßrohrwand auf der Innenseite des anderen Biegeabschnitts geführt ist.
3. Durchflußmesser nach Anspruch 2, dadurch gekennz e ichnet,

daß an der ersten und der zweiten Stelle der Meßrohrwand jeweils ein Reflektor (5, 6) angebracht ist und daß der Sendewandler (2) und der Empfangswandler (7) der ersten bzw. der zweiten Stelle im Meßrohr (1) gegenüberliegend angeordnet sind.
4 . Durchflußmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß das Meßrohr (1) einen runden Querschnitt aufweist und

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daß ein auf dem Weg des Schallsignals zwischen der Ausbreitungsrichtung des Schalls und der Strömungsrichtung des Mediums (3) eingeschlossener Winkel &agr; zumindest näherungsweise der Gleichung
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a = arc cos(k'r)
genügt, wobei

r - der Abstand von der Mitte des Meßrohrs und k - eine Konstante kleiner dem Kehrwert des Meßrohrradius

ist.