DE3239770A1

DE3239770A1 - Ultraschall-messvorrichtung

Info

Publication number: DE3239770A1
Application number: DE19823239770
Authority: DE
Inventors: Niels Dipl.-Ing. 6430 Nordborg Abildgaard; Hans Erik Kiil Dipl.-Ing. 6200 Aabenraa Jensen; Steen Hedegaard 6400 Soenderbork Nielsen
Original assignee: Danfoss AS
Current assignee: Danfoss AS
Priority date: 1982-10-27
Filing date: 1982-10-27
Publication date: 1984-05-03
Also published as: SE8305267D0; DK471383D0; GB8328568D0; BE898084A; NL8303653A; FR2540624A1; JPS5995425A; GB2130370B; US4545259A; JPH0311648B2; GB2130370A; DK471383A; DE3239770C2; SE8305267L

Description

Ultraschall-Meßvorrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Ultraschall-Meß
vorrichtung mit einer zwischen zwei Ultraschallwandlern verlaufenden Meßstrecke, die axial durch ein Meßrohr
führt. ⁽ ■

Bei einer bekannten UltraschaH-Meßvorrichtung dieser Art (DE-AS 29 24 561) ist ein. gerades Meßrohr zwischen zwei Ultraschall-Wandlern angeordnet, die abwechselnd als Sender und Empfänger benutzt werden können. Durch Messung der Laufzeit der Ultraschall-Impulse kann man auf die mittlere Strömungsgeschwindigkeit des hindurch strömenden Mediums und damit auf die Durchtrittsmenge pro Zeiteinheit schließen. Hierbei hat es sich jedoch gezeigt, daß innerhalb des Arbeitsbereichs erhebliche Abweichungen des Meßergebnisses von den tatsächlichen Gegebenheiten auftreten. Insbesondere ergeben sich bei kleinen Reyiiold-Zahlen, also hoher Viskosität und kleiner Durchflußgeschwindigkeit und damit kleiner Durchflußmenge Abweichungen des gemessenen Wertes vom tatsächlichen

Wert bis zu 20 %, sofern die Meßvorrichtung für den Bereich großer Reynold-Zahlen justiert war.

BAD ORIGINAL

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ultraschall-Keßvorrichtung der eingangs beschriebenen Art anzugeben, die iin gesamten Meßbereich genauere Meßergebnisse liefert.
5

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß im Meßrohr mit axialem Abstand voneinander mindestens zwei Einbauteile angeordnet sind, die das Geschwindigkeitsprofil des hindurch strömenden Mediums so beeinflussen und/oder den Weg für das wirksame Ultraschallsignal so festlegen, daß im überwiegenden Teils des Arbeitsbereiches die über den Weg des Ultraschallsignals gemittelte Strömungsgeschwindigkeit im wesentlichen nur von der über den Rohrquerschnitt gemittelten Geschwindigkeit abhängig ist.

Die Erfindung geht von der-Überlegung aus, daß sich in einem Meßrohr ein Profil der axialen Geschwindigkeit des strömenden Mediums ausbildet, das im Bereich

;20 der Rohrachse ein Maximum und an der Innenfläche des Rohres ein Minimum hat. Die Verhältnisse von Maximum und Minimum ändern sich mit der Reynold-Zahl. Infolgedessen ist die Geschwindigkeit des Ultraschallsignals nicht nur von der mittleren Geschwindigkeit des strömenden Mediums, sondern auch von der Form des Geschwindigkeitsprofils abhängig. Wenn man dagegen erfindungsgemäß ausgestaltete Einbauteile im Meßrohr vorsieht, kann man korregierend auf das Geschwindigkeitsprofil Einfluß nehmen. Beispielsweise kann das Geschwin- digkeitsprofil des strömenden Mediums streckenweise so verformt werden, daß axial hintereinander ein Maximum und ein Zwischenrninimum folgen, so daß das Ultraschallsignal, daß diese Abschnitte nacheinander durchläuft, eine gemittelte Strömungsgeschwin-'■■"■■

BAD ORIGINAL

digkeit anzeigt, die kein ausgeprägtes Maximum mehr besitzt, ι

Mit besonderem Vorteil weisen die Einbauteile zumindest im Bereich der Mittelachse des Meßrohres eine Sperrfläche auf. Diese Sperrfläche setzt die Strömungsgeschwindigkeit in der Mittelachse herab. Das sich normalerweise in der Rohrachse ausbildende Geschwindigkeits-Maximum wird entsprechend reduziert. Je größer das Maximum umso stärker auch die Reduktion.

Hierbei ist es empfehlenswert, daß Sperrflächenabschnitte freie Durchtrittsquerschnitte zwischen sich aufweisen, deren Abmessungen mit zunehmendem Radius größer, werden. Auf diese Weise wird das Geschwindigkeitsprofil in der Mitte am stärksten und weiter nach außen hin weniger stark beeinträchtigt. Das Geschwindigkeitsprofil wird daher über den Querschnitt stark vergleichmäßigt. ι

Eine sehr einfache Ausführungsform ergibt sich, wenn die Einbauteile mehrere vorzugsweise gleichmäßig im Winkel versetzte Arme als Sperrflächenabschnitte aufweisen. Die Breite der Arme kann konstant sein oder radial nach außen abnehmen. Diese Arme genügen zur Erzeugung der gewünschten Sperrwirkung, lassen aber¹ einen ausreichenden Querschnitt für die Strömung frei.

Besonders günstig ist es, wenn vier urn 90° versetzte Arme vorgesehen sind. Dies reicht zur Erzielung der gewünschten Meßgenauigkeit aus, wobei mehrere, z.B. sechs bis sieben solcher Einbauteile hintereinander vorgesehen werden sollten. Da die freien Querschnitte verhältnismäßig groß sind, ist die Dämpfung der Ultraschall-Signale und auch die Schmutzempfindlichkeit gering. Wenn mehr Arme verwendet werden, z.B. acht oder zehn Arme, kommt man

BAD ORIGINAL

mit einer geringeren Anzahl von Kjnbauteilen aus, muß aber eine etwas höhere Dämpfung und Schmutzempfindlichkeit in Kauf nehmen.

Es besteht auch die Möglichkeit, ciaß die Einbauteile mindestens einen konzentrischen Ring als Sperrflächenabschnitt aufweisen. Ein Ring am Außenurnfang kann dafür sorgen, daß unmittelbar an der Rohrwandung verlaufende Ultraschallwellen nicht zum wirksamen Meßsignal gehören. Mehrere konzentrisch zueinander angeordnete Ringe lassen zwischen sich nach außen hin größer werdende Ringspaltabschnitte frei.

Es empfiehlt sich, die Wandstärke der Einbauteile sehr klein im Vergleich zur Länge der Meßstrecke zu halten. Damit wird erreicht, daß Ultraschallwellen, der über die Einbauteile und daher schneller als durch das strömende Medium übertragen werden, keinen merklichen Einfluß auf das Meßergebnis haben.

Ein weiterer Vorteil ergibt sich_r wenn die Einbauteile gewölbte Oberflächen haben. Die reflektierten Ultraschallwellen werden dann nicht achsparallel hin- und her geworfen, sondern nach außen gelenkt, so daß sie den Empfänger nicht oder nur in stark geschwächtem Maße. erreichen.

Es empfiehlt sich, daß die Innenfläche des Meßrohres mit schalldämpfendem Material belegt ist. Auf die Innenflache auftreffende Ultraschallwellen werden daher absorbiert. Dies gilt insbesondere für diejenigen Ultraschallwellen, die von der gewölbten Oberfläche der Einbauteile reflektiert worden sind.

■ ' . ■ ■ BAD ORIGINAL

Günstig ist es ferner, die Innenfläche des Meßrohres ; rauh auszuführen, insbesondere mit einem Mittelwert der Rauhigkeit von 40 μ. Hierdurch entsteht auch bei geringer Strömungsgeschwindigkeit eine turbulente Strömung, was · sich bis in den mittleren Teil des Strömungsprofils auswirkt und die Effekte der Einbauteile unterstützt.

In weiterer Ausgestaltung ist dafür gesorgt, daß jeweils ein Einbauteil einen Abstand vom vorangehenden Einbauteil hat, der höchstens gleich der Entwicklungslänge des Geschwindigkeitsprofils ist. Das vor dem Einbauteil entstandene Maximum wird durch die hinter dem Einbauteil vorherrschende Form des Geschwindigkeitsprofils kompensiert, so daß in Axialrichtung gesehen ein gleichmäßiger Mittelwert der Geischwindigkeit des strömenden Mediums auftritt.

Die Erfindung ist nachstehend anhand in der Zeichnung dargestellter, bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
20

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Ultraschall-Meßvorrichtung in schematischer Darstellung,

Fig. 2 in vergrößerter Darstellung einen Teillängsschnitt durch das Meßrohr,

Fig. 3 einen Querschnitt durch das₍ Meßrohr der Fig. 2

Fig. 4 eine abgewandelte Form von Einbauteilen, ■ ·

Fig. 5 einen Querschnitt durch das Einbauteil der Fig. 4,

Fig. 6 eine weitere Forin eines Einbaute ils und 35

Fig. 7* noch eine andere Form eines Einbauteils

BAD ORIGINAL

In Fig. 1 ist eine Meßstrecke 1 von der Länge s veranschaulicht, die sich zwischen einem ersten Ultraschallwandler 2 und einem zweiten Ultraschallwandler 3 erstreckt und durch ein Meßrohr 4 verläuft. Über einen Zuflußstutzen

5 wird ein strömendes Medium in Richtung des Pfeiles ^; 6 zugeführt und nach Durchströmen der Meßstrecke 1 über einen Abflußstutzen 7 abgeführt. Im Meßrohr 4 befinden sich Einbauteile 8, die nachstehend noch näher erläutert werden. Im Betrieb werden die Ultraschallwandler 2 und 3 abwechselnd als Sender und Empfänger benutzt.

Eine Auswerteschaltung 9 ermittelt die Laufzeit eines ' Ultraschallsignals über die Meßstrecke 1 und aus dieser

Laufzeit die jeweilige Geschwindigkeit des Ultraschall-.15 signals.

Bekanntlich hat ein stromabwärts gehendes Ultraschallsignal eine Geschwindigkeit

V=C+ V_t;

un M

Dagegen hat ein stromaufwärts gehendes Ultraschallsignal eine Geschwindigkeit .

V = C - V_Tt ■ :

UO Μ ;

wobei C die Schallgeschwindigkeit im Medium beim Stillstand ■ und V-. die über den Querschnitt gemittelte Strömungsgeschwindigkeit des Mediums ist. Durch Differenzbildung der '30 beiden Gleichungen erhält man . .

V-V

also die mittlere Strömungsgeschwindigkeit, unabhängig 35

von der Schallgeschwindigkeit. _:

Wenn man voraussetzt, daß das Geschwindigkeitsprofil der Strömung über die Meßstrecke konstant ist, ergibt i sich eine Proportionalität zwischen der Volumenströmung Q und der mittleren Geschwindigkeit"V. Wenn aber das Geschwindigkeitsprofil der Strömung Änderungen unterworfen '·, ist, sei es, daß es sich zu Beginn der Meßstrecke erst ; entwickeln muß, sei es daß es seine Form in Abhängigkeit von der Reynold-Zahl, also auch mit der Durchflußmenge, ändert, was bei Reynold-Zahlen unter 10 000 der Fall ist, weicht das Meßergebnis für die Strömungsgeschwindigkeit und jede davon abgeleitete Größe, wie die Durchflußmenge, in Teilen des Meßbereichs erheblich von der tatsächlichen Größe ab. Dies wird durch die Einbauteile 8 kompensiert.

In. Fig. 2 ist ein Abschnitt des Meßrohres 4 veranschaulicht, dessen Innenfläche 10 rauh ist oder einen inneren Dämpfungsbelag 10 trägt und zwei Einbauteile 8a und 8b aufweist. Die Einbauteile haben, wie Fig. 3 zeigt, die Form eines Sterns 11 mit vier Armen 12, deren Breite radial nach außen hin abnimmt. An der Vereinigungsstelle der Sterne ergibt sich ein Sperrflächenabschnitt 13 im Bereich der Rohrachse. Zwischen den Armen verbleiben freie Durchtrittsquersehnitte 14, deren Abmessungen mit

zunehmendem Radius größer werden. ;

Wenn eine Menge Q in Richtung des Pfeiles 6 bei einer Reynold-Zahl unter 10 000 über ein gewisses Stück im Meßrohr geströmt ist, ergibt sich wegen der Reibung am Rande und der fehlenden Turbulenz ein Geschwindigkeitsprofil A, das im Bereich der Rohrachse sein Maximum hat. Dies entspricht einer aber den RohrquerschnLtt gemittelten Geschwindigkeit V . Aufgrund des Einbauteils 8a, das

BAD ORIGINAL

ί ■ ■■■"■

! im Bereich der Rohrachse ein erhebliches Hindernis darstellt

ergibt sich dahinter ein Geschwindigkeitsprofil B, das ! ein radial nach außen verschobenes, verringertes Maximum

im Bereich der Rohrachse dagegen ein Zwischenminimum S 5 hat. Diese Geschwindigkeitsprofil entwickelt sich über i die Form C wieder bis zu einem Geschwindigkeitsprofil : A', das dem Profil A entspricht. Durch das zweite Einbauteil : 8b, das in einem Abstand, der höchstens gleich der Entwicklungslänge dieses Profils bei laminerer Strömung sein I¹-⁰ sollte, von dem Einbauteil 8a angeordnet ist, ergibt sich wiederum ein Profil B-¹, das dem Profil B entspricht.

I Die vom Empfänger aufgenommenen Ultraschallwellen verlaufen

im wesentlichen in einem begrenzten Querschnittsbereich ; -F und werden daher nacheinander durch unterschiedliche 15 Geschwindigkeiten, je nach dem jeweiligen Geschwindigkeits- : profil, beeinflußt. Die in Axialrichtung gemittelte Strö- ; mungsgeschwindigkeit ist unabhängig von der jeweiligen

Reynold-Zahl konstant, weil sich die Maxima und die Minima '- im Bereich der Rohrachse gegenseitig kompensieren. Daher 20 spielt die Form der Geschwindigkeitsprofile im Meßbereich ■ keine maßgebliche Rolle mehr. Darüber hinaus ist der

' Mittelbereich auf Grund der Sperrflächenabschnitte 13 ι

für die Ultraschallwellen undurchdringlich. Die stärksten

Veränderungen, die im Bereich der Rohrachse auftreten, 25 brauchen daher nicht kompensiert zu werden, da sie nicht durch ein wirksames Ultraschallsignal erfaßt werden. Mit Hilfe der Einbauteile werden auch asymmetrische Profilentwicklungen, wie sie am Eingang des Meßrohres wegen. : der rechtwinkligen Zuführung möglich sind, rascher abgebaut, 30 so daß über den größten Teil des Meßrohres die in Fig. 2 veranschaulichten symmetrischen Verhältnisse gegeben ^! sind. Günstig ist es, wenn -wie in Fig. 1 und 2 gesetztder Rohrquerschnitt größer ist als die Stirnfläche der Wandler 2 und 3, Es kann aber auch ein Rohr mit kleinerem 3;5 Querschnitt als die Wandler verwendet werden.

BAD ORiGIWAL

Obwohl die Erfindung anhand eines kreisrunden Rohres | beschrieben ist, lassen sich entsprechende Resultate ; auch bei Rohren mit anderen Querschnitten z.B. Rechteckquerschnitt, erzielen.
■

Die Einbauteile 8c und 8d in Fig. 4 und 5 bestehen aus Kreuzen 15 mit jeweils vier Armen 16, deren Breite konstant ■ ist. Aufeinanderfolgende Einbauteile sind um 45° gegenein- ' ander gedreht. In der axialen Projektion bleiben daher ausreichend große sperrflächenfreie Querschnitte. Da die Einbauteile 8c auf beiden Seiten eine gewölbte. Oberfläche 17 bzw. 18 aufweisen, werden auf Sperrflächenabschnitte auftreffende Ultraschallwellen in einem Winkel zur Rohrachse reflektiert. Sie gelangen an den Dämfungsbelag 10 und sind daher unschädlich.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 6 hat ein Einbauteil 8e die Form eines Sterns 19 mit acht Armen 20. Dies erlaubt ^! es, mit einer geringeren Zahl von Einbauteilen im Meßrohr auszukommen, ergibt aber eine etwas höhere Dämpfung und Schmutzempfindlichkeit als bei den zuvor ■ beschriebenen Ausführungsbeispielen. ' ;

In Fig, 7 ist ein Einbauteil 8f veranschaulicht, das ' als Sperrflächenabschnitte drei konzentrische Ringe 21, 22 und 23 aufweist, die durch zwei Radialarme 24 miteinander! verbunden sind. Hier ergeben sich freie Durchtrittsquerschnitte 25, die radial nach außen zunehmende Abmessungen haben. . ·

In allen Ausführungsbeispielen ist die Wandstärke d der Einbauteile 8 sehr klein im Vergleich zur Länge s der Meßstrecke 1. Eine Wandstärke d = 0,5 bis 1 mm ist empfehlenswert.
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BAD ORIGINAL

Versuche haben gezeigt, daß man auf diese Weise innerhalb eines großen Arbeitsbereichs, der Reynold-Zahlen von 500 bis 10 000 abdeckt, einen Heßwert erhalten kann, der dem tatsächlichen Wert sehr genau entspricht wobei selbst bei sehr kleinen Reynold- Zahlen Abweichungen von nicht mehr als 1 bis 2 % auftreten.

Nummer:
Int. Cl.³:
Anmeldetag:
Offenlegungstag:

32 39 770 G 01 P 5/00

27. Oktober 1982 3. Mai 1984

Fig.2

A 8α 10 BI

Kxxx χ γ. χ V¹Cy

Δ" 8b

WWX \\\ΊΙ\\

\\\\\\V\\ XXX XX XXX Χ7Χ \\\Λ\\\\TXX X X X

Fig.6

Fig.7

3AD

Claims

10

Patentansprüche

[ 1.)Ultraschall-Meßvorrichtung mit einer zwischen zwei Ultrasohallwandlern verlaufenden Meßstrecke, die axial durch ein Meßrohr führt, dadurch gekennzeichnet, daß im Meßrohr (4) mit axialem Abstand voneinander mindestens zwei Einbauteile (8) angeordnet sind, die das Geschwindigkeitsprofil (A) des hindurch strömenden Mediums so beeinflussen und/oder den Weg für das wirksame Ultraschallsignal so festlegen, daß irn überwiegenden Teil des Arbeitsbereiches die über den Weg des Ultraschall-Signals gemittelte Strömungsgeschwindigkeit (V , V ) im wesentlichen nur von der über.den Rohrquerschnitt gemittelten Geschwindigkeit (V,.) abhängig ist.

2. Ultraschall-Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch

gekennzeichnet, daß die Einbauteile (8a-8e) zumindest

im Bereich der Mittelachse des Meßrohrs (4) eine Sperrfläche (13) aufweisen.

3„ Ultraschall-Meßvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Sperrflächenabschnitte freie Durchtrittsquerschni||te (14; 25) zwischen sich aufweisen, deren Abmessungen mit zunehmenden Radius größer werden.

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'01'3W/7-Q.

4. Ultraschall-Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche

1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einbauteile · _; (8a-8e) mehrere im Winkel versetzte Arme (12; 16; ' ". 20) als Sperrflächenabschnitte aufweisen.
■ . ' ■ ·-■

5. Ultraschall-Meßvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch ". ■ gekennzeichnet, daß die Breite der Arme (16; 20) ; konstant ist.

6, Ultraschall-Meßvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Arme (12) radial nach außen abnimmt. . ,

7. Ultraschall-Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche · 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß vier urn 90°

versetzte Arme (8a, 8c,, 8d) vorgesehen sind.

8. Ultraschali-Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Arme auf-

einanderfolgender Einbauteile (8c, 8d) um weniger
als den Winkelabstand der Arme (16) gegeneinander
versetzt sind.

9. Ultraschall-Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche ι bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einbauteile (8f) mindestens einen konzentrischen Ring (21, 22,
23) als Sperrflächenäbschnitt aufweisen. '

10. Ultraschall-Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandstärke (d) der Einbauteile (8c) sehr klein ist im Vergleich zur Länge (s) der Meßstrecke (l).

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ψ I

11. Ultraschall-Meßvorriehtung nach einem der Ansprüche J 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Jiinbauteile I (8c) gewölbte Oberflächen (17, 18) haben.

■ 5

12. Ultraschall-Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche I 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenfläche j des Meßrohres (4) mit schalldämpfendem Material (10) 1 belegt ist.

Ί0

13. Ultraschall-Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche j 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwand des Meßrohres (4) rauh ist.

14. Ultraschall-Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 15 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils ein

Einbauteil (8b) einen Abstand vom_: vorangehenden Einbauteil (Sa)" hat,- der höchstens gleich der Entwicklungslänge des Geschwindigkeitsprofils ist.

20 ;

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