DE3214650A1

DE3214650A1 - Verfahren zur bestimmung der stroemungsgeschwindigkeit eines fluiden mediums in einer rohrleitung und entsprechende rohrleitungsanlage

Info

Publication number: DE3214650A1
Application number: DE19823214650
Authority: DE
Inventors: Eugen 4020 Mettmann Braun
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1982-04-21
Filing date: 1982-04-21
Publication date: 1983-11-03
Also published as: DE3214650C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren der dem Oberbegriff des Anspruchs 1 entsj^rechenden Art und eine entsprechende Rohrleitungsanlage.

Es sind Durchflußmesser verschiedener Art für die Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit eines fluiden Mediums durch eine Rohrleitung bekannt. So qjbt es beispielsweise Hitzdrahtgeräte, bei denen die Temperatur eines von einem konstanten elektrischen Strom druchflossenen Drahte:; je nach der Geschwindigkeit des vorbeiströmenden Mediums mehr oder weniger abgesenkt wird und som^;.t eine Maß für die Strömungsgeschwindigkeit darstellt. Ein solches Gerät erfordert jedoch einen Eingriff in dio Rohrleitung, insofern die Sonde in Innern

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derselben angebracht werden muß und ist außerdem als Dauereinrichtung für Messungen über einen langen Zeitraum wenig geeignet, weil der Hitzdraht Angriffen eines korrosiven Mediums und außerdem Ablagerungen aus dem Medium ausgesetzt ist, was beides den erhaltenden Meßwert völlig verfälschen kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der dem Oberbegriff des Anspruchs 1 entsprechenden Art anzugeben, bei welchem ohne Eingriff in die Rohrleitung Messungen über einen langen Zeitraum ohne die Gefahr von Verfälschungen möglich sind.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist in Anspruch 1 wiedergegeben.

Bei der Messung mit Ultraschall kann der entsprechende Ultraschallwandler außen an die Rohrleitung angesetzt werden, so daß kein Eingriff in die Rohrleitung erforderlich ist und der Ultraschallwandler gleichzeitig dem Angriff des durch die Rohrleitung transportierten Mediums entzogen ist, so daß am Wandler keine dadurch bedingten langzeitigen Änderungen auftreten können.

Bei einer ersten Ausführungsform wird mit Hilfe des Dopplereffektes gearbeitet {Anspruch 2).

Praktisch immer treten in einer durch eine Rohrleitung verlaufenden Strömung Störungen auf, die Ultraschall zu reflektieren in der Lage sind. Solche Störungen können von dem fluiden Medium mitgeführte Verunreinigungen oder auch in der Strömung an einer bestimmten Stelle, etwa einer Querschnittsänderung erzeugte und dann mitgeführte Wirbel sein. Die Frequenz des ausgesandten Ultraschallimpulses ist bekannt, die Frequenz des reflektierten Ultrascha11 impulses wird gemessen, und aus der Differenz läßt sich die Geschwindigkeit des die Ultraschallimpulse weiterleitenden fluiden Mediums relativ einfach berechnen. Bei dieser

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Ausführungsform ist nur ein Ultraschal1 wandler an
einer Stelle der Rohrleitung notwendig, cer dann
natürlich senden und empfangen können muE .

Bei der anderen Ausführungsform der Erfindung, bei welcher LaufZeitmessungen zur Bestimmung der
Strömungsgeschwindigkeit herangezogen werden (Anspruch 3) müssen einen Abstand entlang dc-r Rohrleitung aufweisenden Stellen Ultraschallvandler
vorhanden sein. Es wird einmal die Zeit gemessen,
die ein Ultraschallimpuls benötigt, um vom ersten zum zweiten Ultraschallwandler zu gelangen, und
das andere Mal die Laufzeit in der entgegengesetzte Richtung. Da sich in der Richtung die Strömungsgeschwindigkeit und die Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Ultraschalls in dem Medium addieren, in der
zweiton Richtung jedoch voneinander abzuziehen sind läßt sich aus der Differenz zwischen den Laufzeiten die Geschwindigkeit dos strömenden Mediurs errechne

Durch die Maßnahme des Anspruchs 4 lann die
Genauigkeit der Bestimmung der Strömungsc/eschwindic erhöht werden.

Ein außen an der Rohrleitung sitzender Ultraschallwandler sendet seinen Impuls natür]ich auch
radial in das Rohr hinein. An Übergängen zwischen
Bereichen verschiedener Fortpf lanzungsgei-chwindigkeit des Ultraschalls gibt es Reflexionen, so z.B., wenn der Ultraschall aus der Rohrwandung senkrecht in das Rohrinnere übertritt. Die Fortpflanzungsgeschwindiqkoit. in dom Material der Rohrleitung ist
viel größer als in dom fluiden Modiums, a"· s welches eine Flüssigkoit odor oin Gas in Botrachi kommt. De Schall durchquert dann die lichte Weite cos Rohres und wird an der gegenüberliegenden Innern andung des selben erneut reflektiert. Besitzt die Kohrleitunc auf ihrer Innenseite Ablagerungen, wie er bei einei Zentralheizungsrohr leitung durch die gebildete Kalkschicht fast immer der Fall ist, so treten mehrfacr

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Reflexionen auf und es krinn auf diese Weise der jeweils in dem Rohr vorhandene Lichte Durchmesser des Innenumfangs der Kalkablagerung bestimmt werden.

Eine solche R(MiI i iiuiuing ist für den bevorzugten Anwendungsfall der KiTindung bei einer Zentralheizungsanlage wesentlich. Die Strömungsgeschwindigkeit des Wassers in der Zentralheizungsrohranlage und die gleichzeitigeKenntnis des tatsächlichen Rohrinnendurchmessers erlauben nämlich eine Bestimmung der pro Zeiteinheit durch die Rohrleitung hindurchtretenden Wassermenge und weiterhin mit Hilfe einer zusätzlichen Temperaturmessung die Bestimmung der pro Zeiteinheit durch die Rohrleitung transportierten Wärmemenge. Dies ist für fortlaufende Wärmeverbrauchsmessungen wichtig. Da sich der Rohrinnendurchmesser durch die Kalkablagerungen laufend ändert, muß er in die Messungen einbezogen werden. Es kann nicht von dem am Anfang vorhandenen Rohrinnendurchmesser ausgegangen werden.

Die Erfindung verkörpert sich auch in einer mit Ultraschallwandlern versehenen Rohrleitungsanlage, die gemäß don Ansprüchen 6 bis 8 ausgebildet sein kann.

Eine wichtige Eigenschaft der erläuterten Ausführungsformen der Erfindung besteht in der weitgehenden Unabhängigkeit von äußeren Parametern bzw. der Fähigkeit zur Selbsteichung. Bei der Ausnutzung des Dopplereffektes kommt es ausschließlich auf die ermittelten Frequenzen an, bei der Laufzeitmessung nur auf die Laufzeitdifferenz und den außen meßbaren Abstand der Meßstellen. Irgendwelche Veränderungen des Innenquerschnitts oder physikalische und chemische Eigenschaften des transportierten fluiden Mediums spielen keine Rolle.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt.

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Fig. 1 und 2 zeigen Ansichten von R jhrleitungsabschnitten in einer Zcntralheizungsanlaqe, an denei die Erfindung verwirklicht ist;

Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch einen Roh: leitungsabschnitt mit einem Ultraschallwandler zur Bestimmung des lichten Durchmessers der Rohrleitung

Fig. 4 zeigt ein beispielsweisesImpulsdiagramm der Anordnung nach Fig. 3.

Durch die in Fig. 1 als Ganzes mit 1 bezeichne Zentralheizungs-Rohrleitung strömt Wasser im Sinne
des Efeiles 2. An einer gemäß Fig. 1 links gelegene] Stelle sitzt außen auf der Rohrleitung 1 ein Ultraschallwandler 3, der sich dem Außenumfang der Rohrleitung 1 anpaßt, so daß eine gute Übertragung der
von dem Ultraschallwandler 3 ausgesandten Ultraschallwelle in die Rohrleitung 1 zustand·-kommt.

Das Gerät 4 ist mit dem Ultraschall'/andler
3 über eine Leitung 5 verbunden, über welches es
dem Ultraschallwandler 3 eine elektrische Impulsfolge zuleitet, die der Ultraschallwandlt.-r 3 in
einen Ultraschallwellenzug einer entsprechenden
Frequenz umsetzt, der sich in der Rohrleitung 1
allseitig ausbreitet und von dem der in Richtung
des Pfeiles 2 durch die Rohrleitung 1 hindurch verlaufende Wellenzug 6 in Fig. 1 durch eine Wellenlinie angedeutet ist, die sich im Sinne des Pfeiles durch das als Träger dienende strömende Wasser in
der Rohrleitung 1 fortpflanzt.

Tn der Strömung in der Rohrleitung 1 tritt an
der Stelle des Wirbels 8 eine Störung au^f, die zu
einer Reflexion des Ultraschallwellenzugcs 6 und
einem in der Rohrleitung 1 von rechts nach links
im Sinne des Pfeiles 1o laufenden Wellen.-uq 9 führt dor cine andere Frequenz aufweist, als di-r von link: nach rechts laufende Wellenzug 6. Aus diesem Grunde sind die Weilern bei dem Wellenzug 9, die über einer

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Zeitachse aufgetragen sein sollen, langer dargestellt als bei dem Wellenzug 6. Der Wellenzug 9 kommt zu irgendeinem Zeitpunkt an dem Ultraschallwandler 3 an, der nunmehr als Empfänger arbeitet und die den Wo Hi? η zug 9 entsprechenden elektrischen Impulse über die Leitung 11 in das Gerät 4 weiterleitet, welches nunmehr die Frequenz des Wellenzuges 9 bestimmt. Aus der über die Leitung 5 dem Ultraschallwandler 3 eingegebenen Ausgangsfrequenz und der gemessen Reflexionsfrequenz kann mittels der Dopplerformel die Geschwindigkeit der im Sinne des Pfeiles 2 durch die Rohrleitung 1 hindurchtretenden Strömung bestimmt werden.

Anstatt ein und demselben Ultraschallwandler 3 einmal als Sender, das andere Mal als Empfänger arbeiten zu lassen, können natürlich auch zwei Ultraschallwandler für diese beiden Funktionen vorgesehen sein.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 betreibt das Gerät 14 über die Leitung 15 einen am linken Ende auf der Rohrleitung 1 sitzenden Ultraschallwandler 13, der durch das durch die Rohrleitung transportierte fluide Medium einen impulsartigen Wellenzug 16 in der Richtung 17 von links nach rechts aussendet. Am rechten Ende sitzt auf der Rohrleitung ' ein Ultraschallwandler 18, der, wenn der Wellenzug bei ihm vorbeikommt, entsprechende elektrische Impulse über die Leitung 21 dem Gerät 14 eingibt. Aus der Differenz zwischen Sendezeit und Eintreffen der von dem Ultraschallwandler erzeugten Impulse kann die Laufzeit in der Richtung von links nach rechts bestimmt werden.

In einer anderen Arbeitsphase betreibt das Gerät 14 über die Leitung 21 den Ultraschallwandler 18, der einen Ultraschallwellenzug 19 in der gemäß

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Fig. 2 von rechts nach links verlaufenden Richtung 2o aussendet. Der Wandler 13 gibt, wenn der Wellenzi 19 vorbeikommt, über die Leitung 15 elektrische Impulse in das Gerät 14, wodurch die Laufzeit in der Richtung 2o bestimmt werden kann. Aus der Differenz bei'der Laufzeiten kann die Strömungsgeschwindigkeit des fluiden Mediums in Richtung des Pfeiles 2 bestimmt werden.

Fig. 3 zeigt eine Erweiterung der Verfahren nach Fig. 1 und 2, die besonders bei der Anwendung auf Wärmemengenmessungen in Zentralheizungsanlagen wichtig ist. In solchen Anlage setzt sich nämlich der lichte Querschnitt der aus Stahl oder Kupfer bestehenden metallischen Rohrleitung 1 durch Ablagerungen 22 aus Kalk ο.dgl. teilweise zu, so daß als für den Durchfluß des Wassers 23 verbleibender lichter Durchmesser nur noch der Durchmesser 24 des Innenumfangs der Ablagerung 22 übrig bleibt. Der Durchmesser 24 verändert sich mit der Zeit und ist für die transportierte Wassermenge zusammen mit der Strömungsgeschwindigkeit maßgebend. Um also übex einen längeren Zeitraum eine richtige..Messung der durchgesetzten Wassermenge durchführen zu können, muß der im jeweiligen Meßzeitpunkt vorhandene Durchmesser 24 mitbestimmt werden. Dies kann unter Zuhilfenahme der für die Messung der Strömungsgeschwindigkeit an der Rohrleitung 1 sitzenden Ultraschal 1 wand] er 3, 13, 18 geschehen.

An den Überoanqsstellen zwischen den verschiede Materialien, in denen unterschiedliche Fortpflanzung geschwindigkeiten des Ultraschalls herrschen, ~reten nämlich Reflexionen auf, die in Fig. 4 scherr.atisch dargestellt sind. Es sei angenommen, daß zu einem

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Zeitpunkt t = O ein sehr kurzer Ultraschallimpuls durch den UltraschalIwandler 3, 13, 18 in die Rohrleitung 1 abgegeben wird. Es sei die radiale Komponente betrachtet. Die erste Reflexion tritt nach einer bestimmten sehr kurzen Zeit an der Stelle 25 auf, an der der Rohrmantel unmittelbar unter dem Ultraschallwandler 3, 13, 18 in die doi'tige Ablagerung übergeht. Die nächste Reflexion findet sich an der Stelle 26, an der die Ablagerung in das Wasser 23 übergeht. Der Ultraschall durchquert dann den lichten Querschnitt durch das Wasser 23 hindurch und wird erneut an dem Übergang 27 vom Wasser in die Ablagerung 22 auf der dem Ultraschallwandler 3, 13, 18 gegenüberliegenden Seite reflektiert. Es folgen dann noch zwei weitere Reflexionen an der Stelle 28, die der Stelle 25 entspricht und der Stelle 29, an der der Rohrmantel 1 in die Umgebung übergeht.

Es ergibt sich die in Fig. 4 wiedergegebene Impulsfolge, wobei die einzelnen Impulse durch die zugehörigen Reflexionsstellen gemäß Fig. 3 gekennzeichnet sind.

Die Impuls am übergang von dem Rohrmantel in die Ablagerung sind etwas niedriger wiedergegeben als die übrigen Impulse, weil die Unterschiede in der Schallgeschwindigkeit zwischen dem Material des Rohrmantels 1 und dem mineralischen Material der Ablagerung 22 nicht so groß und dementsprechend die Reflexionen nicht so stark sind.

Maßgeblich für die Bestimmung des tatsächlichen lichten Durchmessers 24 ist der zeitliche Abstand zwischen den Reflexionen 26 und 27. Aus der bekannten Schallgeschwindigkeit im Wasser 23 kann die den Zeitabschnitt 3o entsprechende Strecke berechnet werden, die den doppelten Durchmesser 24 (Hin- und Rückweg) entspricht.

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Aus der Strömungsgeschwindigkeit in der Rohrleitung 1 und dem lichten Durchmesser 24 ergibt sich die an einer bestimmten Stelle hindurchgetretene Flüssigkeitsmenge und aus einer zusätzlichen Temperaturmessung an dieser Flüssigkeit
die transportierte Wärmemenge, die für Zentralheizungsanlagen, insbesondere für die Verteilung und Abrechnung der Heizkosten, wichtig ist.

Claims

Patentansprüche.

( 1. /Verfahren zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit eines fluiden Mediums in einer Rohrleitung, insbesondere des in einer Zentralheizungsrohrleitung strömenden Wassers, mittels mindestens einer an der Rohrleitung angebrachten Sonde, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsgeschwindigkeit mittels in die Strömung abgegebener Ultraschallimpulse gemessen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsgeschwindigkeit mittels des Dopplereffektes aus der Differenz der Frequenzen des ausgesandten Ultraschallimpu]sos bekannter Frequenz und eines an einer von der Strömung mitgeführten Störung reflektierten Ultraschallimpulses bestimmt wird.

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3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsgeschwindigkeit mittels einer Laufzeitmessung des Ultraschallimpulses aus der Differenz zwischen den Laufzeiten in und entgege der Strömungsrichtung bestimmt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3,dadurch gekennzeichnet, daß die Funktionen "Senden" und "Empfangen an zwei Längsabstand voneinander aufweisenden Ultraschallwandlern periodisch miteinander vertauscht werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß gleichzeitig durch eine Laufzeitmessung in radialer Richtung der lichte Rohr innendurchmesser bestimmt wird.
6. Rohrleitungsanlage zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, inbesondere Zentralheizungsrohranlage, dadurch gekennzeichnet, daß an ihr ein Paar aus einem Ultraschallwandler, der Ultraschallwellen bekannter Frequenz aussendet, und einem Ultraschall wandler, der Ultraschallwellen empfängt, angebracht ist, und den empfangenden Ultra schallwandler eine Einrichtung (4) zur Frequenzbestimmung des empfangenen Ultraschallimpulses zugeordnet ist.
7. Rohrleitungsanlage zur Durchführung des Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, insbesondere Zentralheizungsrohranlage, dadurch gekennzeichnet, daß an ihr an einer ersten Stelle ein Paar aus einem Ultraschallwandler, der Ultraschallimpulse aussendet und einem Uli raschal !wandler, der Ultraschallirapulse empfängt, und an einer Längsabstand davon aufweisend weiteren Stolle ein weiteres Paar aus einem Ultrasch wandler, der UlIraschnl1 impulse aussendet, und einem IJ] I rnschnl 1 wnndl or, der Ultraschall impulse empfängt, angebracht sind und den beiden Paaren eine Einrichtu

(14) zur Bestimmung der Laufzeit von Ultraschallinp

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in beiden Richtungen zugeordnet ist.
8. Rohr! ei tungsan.l age nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß beide U] traschallwa.nd.ler eines Paars durch ein und denselben Ultraschallwandlex (3, 13, 18) gegeben sind, der sowohl empfangen als auch senden kann.