DE3438976C2

DE3438976C2 -

Info

Publication number: DE3438976C2
Application number: DE19843438976
Authority: DE
Inventors: Yasuo Dipl.-Ing. Matsuda; Yukio Dipl.-Ing. Sagamihara Kanagawa Jp Nakagawa
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1983-11-02
Filing date: 1984-10-24
Publication date: 1988-06-09
Also published as: JPH0447770B2; JPS6098313A; DE3438976A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ultraschall-Durchflußmessung mit einer durch eine strömende Flüssigkeit verlaufenden Ultraschall-Übertragungsstrecke, die abwechselnd in Strömungsrichtung und gegen die Strömungsrichtung betrieben wird, wobei jeweils die entsprechenden Laufzeiten T 1 und T 2 der Ultraschallwellen gemessen und mit einer Rechenschaltung aufgrund einer vorgegebenen Gleichung aus deren Differenz die Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit bestimmt wird.

Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer herkömmlichen Ultraschall-Durchflußmeßeinrichtung. Gemäß dieser Figur sind zwei Ultraschallwandler 1 und 1′ jeweils an keilförmigen Elementen 2 und 2′ befestigt. Die keilförmigen Elemente 2 und 2′ sind einander gegenüberliegend an der Außenseite eines Rohres 4 angebracht, so daß eine von einem der Ultraschallwandler erzeugte Ultraschallwelle quer durch das Rohr 4 wandert, das von einer Flüssigkeit 3 durchströmt wird, und dann vom anderen Ultraschallwandler empfangen wird. Der Ultraschallwandler 1, das keilförmige Element 2, die Wand des Rohres 4, die Flüssigkeit 3, wiederum die Wand des Rohres 4, das keilförmige Element 2′ und der Ultraschallwandler 1′ sind akustisch miteinander gekoppelt.

Der Ultraschallwandler 1 wandelt ein elektrisches Signal in eine Ultraschallwelle um und sendet diese zum gegenüberliegenden Ultraschallwandler 1′. Das elektrische Signal wird von einem Oszillator 5 erzeugt und dem Ultraschallwandler 1 über einen Umschalter 6 a zugeführt, der sich zunächst in der mit durchgezogenen Linien dargestellten Stellung befindet. Der Ultraschallwandler 1′ wandelt die empfangenen Ultraschallwellen in elektrische Signale um und gibt diese ausgangsseitig ab. Ein Zeitmeßkreis 7 mißt die Zeitdauer T 1 von der Aussendung bis zum Empfang der Ultraschallwelle. Diese Messung basiert auf dem Sendesignal des Oszillators 5 und einem Empfangssignal, das vom Wandler 1′ empfangen wird und über den Umschalter 6 b, der in der mit durchgezogener Linie dargestellten Position steht dem Zeitmeßkreis 7 zugeführt wird. Die gemessene Zeitdauer wird über einen Umschalter 6 c in der mit durchgezogener Linie dargestellten Position einem Speicherglied 8 zugeführt, das diese Zeitdauer T 1 speichert.

Durch Umschalten der Umschalter 6 a, 6 b, 6 c in die gestrichelt dargestellten Positionen wird dann der Wandler 1′ als Sender und der Wandler 1 als Empfänger betrieben. Das Senden und das Empfangen der Ultraschallwelle werden daher in entgegengesetzter Richtung durchgeführt und die Zeitdauer T 2 vom Senden bis zum Empfangen wird für diesen Fall gemessen und in einem Speicherglied 9 abgespeichert. Eine Rechenschaltung 10 berechnet die Zeitdifferenz Δ T zwischen der in dem Speicherglied 8 abgespeicherten Zeitdauer T 1 und der im Speicherglied 9 abgespeicherten Zeitdauer T 2. Der Recheneinheit 10 ist eine Umrecheneinheit 11 nachgeschaltet, die die Zeitdifferenz Δ T mit einem vorgegebenen Umrechnungsfaktor multipliziert und daraus ausgangsseitig ein Durchflußsignal bildet.

Für die folgenden Betrachtungen wird die Laufzeit der Ultraschallwelle in der Flüssigkeit als t 1 bzw. t 2 bezeichnet und die Laufzeit in dem keilförmigen Element und in der Rohrwand als τ. Die Laufzeit T 1 der Ultraschallwelle vom Wandler 1 zum Wandler 1′ in Vorwärtsrichtung und die Laufzeit T 2 der Ultraschallwelle vom Wandler 1′ zum Wandler 1 in Rückwärtsrichtung, jeweils bezogen auf die Flußrichtung, kann dann durch folgende Gleichung dargestellt werden:

T 1=t 1+τ (1)
T 2=t 2+τ (2)

Dabei kann die Lautzeitdifferenz nach folgender Gleichung bestimmt werden:

Δ T =T 2-T 1=(t 2+τ )-(t 1+t )=t 2-t 1 (3)

Wenn der Innendurchmesser des Rohres 4 mit D, die Schallgeschwindigkeit in der Flüssigkeit (d. h. die Übertragungsgeschwindigkeit der Ultraschallwelle) mit C _w, der Ausbreitungswinkel der Ultraschallwelle bezogen auf eine senkrecht zur Rohrachse liegende Achse mit R und die Durchflußgeschwindigkeit im Rohr 4 mit V bezeichnet wird, so können die Laufzeiten t 1, t 2 nach folgenden, allgemein bekannten Gleichungen bestimmt werden:

Entsprechend ergibt sich dann Δ T nach folgender Formel:

Wenn man die Schallgeschwindigkeit C _w in der Flüssigkeit und die Durchflußgeschwindigkeit V im Rohr 4 vergleicht, so liegt C _w im allgemeinen im Bereich zwischen 1000 und 1600 m/sec., sofern die Flüssigkeit Wasser ist, während V kleiner als 10 m/sec. ist. Daher gilt C _w ²»V ²sin R ², so daß Δ T durch folgende Gleichung angenähert wird:

Wenn die Schallgeschwindigkeit C _w in der Flüssigkeit konstant ist, so ist auch die Größe (sin R/C _w² cos R ) konstant und Δ T ist der Durchflußgeschwindigkeit V proportional. Damit erhält man also die Durchflußgeschwindigkeit V und damit die Durchflußrate durch Messung von Δ T.

Fig. 2 zeigt zum besseren Verständnis die oben beschriebenen Größen.

Dabei existiert jedoch das folgende Problem. Die Relation

T=α ·V

ist nur erfüllt, wenn sich die Schallgeschwindigkeit C _w in der Flüssigkeit in obengenannter Gleichung 7 nicht ändert. Die Schallgeschwindigkeit C _w in der Flüssigkeit ändert sich jedoch in Abhängigkeit von einer Änderung der Temperatur oder des Druckes in der Flüssigkeit.

Nach dem Snell'schen Gesetz über Reflexion und Ablenkung ändert sich ferner mit der Schallgeschwindigkeit C _w auch der Winkel R. Damit erhält man also einen Fehler im Meßwert für die Durchflußgeschwindigkeit V, wenn sich die Schallgeschwindigkeit C _w ändert. Insbesondere wird der Einfluß der Änderung der Schallgeschwindigkeit C _w beachtlich und vergrößert den Meßfehler, wenn die Temperatur der Flüssigkeit von einem Normalwert zu einem sehr hohen Wert (etwa 300°C) wechselt oder das Rohr eine große Dicke aufweist. Dies ist als wesentlicher Nachteil herkömmlicher Ultraschall-Durchflußmesser zu werten.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Ultraschall-Durchflußmeßeinrichtung so auszuführen, daß eine Änderung der Schallgeschwindigkeit C _w in der Flüssigkeit kompensiert werden kann, wie sie aus einer Änderung der Temperatur oder des Druckes der Flüssigkeit resultiert. Damit soll eine exakte Messung der Durchflußgeschwindigkeit V und damit der Durchflußrate erzielt werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Mittelwert T 0 der beiden Laufzeiten T 1 und T 2 bestimmt und einer Rechenschaltung zugeführt wird, die einen dem Mittelwert T 0 entsprechenden Korrekturwert K bestimmt, der so mit dem Meßwert für die Strömungsgeschwindigkeit verknüpft wird, daß der Einfluß der Schallgeschwindigkeit auf den gemessenen Strömungsgeschwindigkeitswert eliminiert wird.

Wenn sich die Schallgeschwindigkeit C _w in der Flüssigkeit aufgrund einer Temperatur- oder Druckänderung in der Flüssigkeit ändert, so ändert sich auch die mittlere Laufzeit T 0 der beiden Laufzeiten T 1 und T 2. Die Erfindung beruht darauf, daß ein Korrekturschaltkreis vorgesehen wird, der diese mittlere Laufzeit T 0 verwendet und damit die exakte Messung der Durchflußgeschwindigkeit und damit der Durchflußrate der Flüssigkeit ermöglicht. Dabei ist keine direkte Messung der Temperatur oder des Druckes der Flüssigkeit erforderlich.

Vorteilhafterweise entspricht der Korrekturwert K zumindest näherungsweise der Funktion

K =l/sin R ×(T 0-τ )²,

wobei τ die Laufzeit in der Rohrwand und O der Ausbreitungswinkel der Ultraschallwelle, bezogen auf eine senkrecht zur Rohrachse liegende Achse ist.

Bei einer Durchflußmeßeinrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist die Recheneinheit vorteilhafterweise ein Funktionsgenerator, der zu Werten T 0 entsprechende Korrekturwerte K abgibt.

Bei einer Durchflußmeßeinrichtung mit je einem Speicherglied für die Laufzeit in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung und einer nachgeschalteten Rechenschaltung zur Bildung der Laufzeitdifferenz kann zweckmäßigerweise den Speichergliedern zusätzlich eine Rechenschaltung zur Bildung eines Mittelwertes T 0 der beiden Laufzeiten T 1, T 2 nachgeschaltet sein, wobei beide Rechenschaltungen ausgangsseitig mit einer Rechenschaltung zur Kompensation des Einflusses der Schallgeschwindigkeit verbunden sind, an deren Ausgang ein korrigierter Wert für die Strömungsgeschwindigkeit ansteht.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen:

Fig. 3 zeigt ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels der Erfindung,

Fig. 4 zeigt ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der mittleren Laufzeit (T 0) und der Laufzeit (T 0-τ ) in der Flüssigkeit darstellt,

Fig. 5 zeigt ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der mittleren Laufzeit (T 0) und l/sin 2 R darstellt,

Fig. 6 zeigt ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der mittleren Laufzeit (T 0) und dem Korrekturfaktor darstellt.

Fig. 3 zeigt ein Blockdiagramm als Ausführungsbeispiel der Erfindung. In dieser Figur sind die mit dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 übereinstimmenden Teile mit dem gleichen Bezugszeichen versehen. Der Unterschied zum Aufbau nach der Fig. 1 besteht darin, daß hier eine Rechenschaltung 12 zur Berechnung der mittleren Laufzeit T 0 der Laufzeiten T 1 und T 2, wie oben beschrieben, und eine Rechenschaltung 13 zur Durchführung einer Korrekturrechnung für die Schallgeschwindigkeit, basierend auf der mittleren Laufzeit T 0, vorgesehen ist.

Im Falle einer stehenden Flüssigkeit, d. h. V =0, ergibt sich aus den obenstehenden Gleichungen 4 und 5:

und dementsprechend t 1=t 2. Wenn man dann T 1=T 2=T 0 setzt, ergibt sich aus den obenstehenden Gleichungen 1 und 2:

und die obenstehende Gleichung 10 ergibt:

Wenn man in die Gleichung 7 die Gleichung 11 einsetzt, so ergibt sich:

Und damit:

Wenn die Flüssigkeit fließt, kann T 0 näherungsweise als T 0=(T 1+T 2)/2 bestimmt werden und die obenstehende Gleichung 13 gilt auch im Falle V =0. Das heißt, wenn der Winkel R, T 0 und τ zusätzlich zum Wert Δ T in obenstehender Gleichung 13 gemessen werden können, kann die Durchflußgeschwindigkeit in einem Rechner oder ähnlichem bestimmt werden. Die Messung des Winkels R und der Laufzeit τ in dem Bereich außerhalb der Flüssigkeit ist jedoch im allgemeinen schwierig. Auch wenn man diese Größen messen kann, ist die Berechnung auf dem gegenwärtigen industriellen Niveau schwierig.

Die Größe der keilförmigen Elemente 2, 2′, der Montageort der keilförmigen Elemente 2, 2′, der Innendurchmesser des Rohres 4 und die Wanddicke des Rohres 4 können jedoch durch Messung oder durch Maßvorgabe bei der Fertigung bestimmt werden. Wenn außerdem Temperatur und Druck bestimmt werden können, so kann die Schallgeschwindigkeit in der Flüssigkeit, in den keilförmigen Elementen 2, 2′ und dem Rohr 4 bestimmt und erfaßt werden. Wenn die Schallgeschwindigkeit in jeder dieser Teile so bestimmt worden sind, so können die Größen T 0, τ, l/sin 2 R nach der obigen Gleichung 13 entsprechend berechnet werden.

Dann werden die Größen T 0, τ, l/sin 2 R jeweils über einen Bereich, in dem die Schallgeschwindigkeit in jedem dieser Teile sich ändern kann, berechnet. Bei der Ermittlung des Ergebnisses wurde gefunden, daß unabhängig von einer Änderung der Temperatur oder des Druckes eine annähernd konstante lineare Relation zwischen T 0 und τ besteht, wie sie in Fig. 4 dargestellt ist.

Ferner wurde gefunden, daß auch zwischen T 0 und l/sin 2 R eine annähernd konstante Relation besteht, wie sie in Fig. 5 dargestellt ist. In diesem Fall ist die Relation im Punkt a für 0°C, im Punkt b für ca. 70°C und im Punkt c für ca. 300°C dargestellt. Diese Relation gilt auch, wenn sich die verschiedenen Bedingungen, z. B. der Innendurchmesser und die Dicke des Rohres, die Temperatur und der Druck ändern.

Das heißt also, daß die Größen l/(T 0-τ )² und l/sin 2 R in der obigen Gleichung 13 lediglich durch Messung der Größe T 0 bestimmt werden können.

Wenn man nach den Fig. 4 und 5 auch eine Abweichung in geringem Umfang bekommt, so bietet diese doch kein wesentliches Problem für die Korrekturrechnung der Ultraschall-Durchflußmeßeinrichtung. Wenn man also einen Funktionsgeber verwendet, dem man T 0 als Eingangssignal zuführt und der als Funktion davon die Größen (T 0-τ ) oder l/sin 2 R für die Korrekturrechnung der Schallgeschwindigkeit nach Fig. 3 abgibt, kann man die Änderung der Schallgeschwindigkeit korrigieren, ohne die Berechnung von trigonometrischen Funktionen oder ähnlichem durchzuführen, und zwar mit einer relativ hohen Genauigkeit.

Bei einer ausgeführten Korrekturschaltung kann dies unter Verwendung eines Funktionsgenerators durchgeführt werden, der die in Fig. 6 dargestellte Kennlinie aufweist, wie man sie erhält, wenn man die beiden Kennlinien nach Fig. 4 und 5 multipliziert.

Gemäß der Erfindung kann man die Werte l/sin 2 R · l/(T 0-τ )² für entsprechende Werte von T 0 vorberechnen und diese berechneten Werte in einem ROM unter Adressen abspeichern, die durch Werte von T 0 gegeben sind. Dieses ROM wird also als Funktionsgenerator benutzt.

Wenn eine Änderung der Temperatur oder des Drucks der zu messenden Flüssigkeit und des von der Flüssigkeit durchströmten Rohres auftritt, ändert sich die Schallgeschwindigkeit in der Flüssigkeit und im Rohr.

Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird die Änderung der Schallgeschwindigkeit aufgrund der Temperatur- oder Druckänderung ohne direkte Messung der Temperatur oder des Drucks kompensiert. Obwohl eine Messung der Temperatur oder des Drucks der Flüssigkeit und des Rohres durch spezielle Sensoren und damit eine Korrektur der Schallgeschwindigkeit möglich wäre, würde hierbei dennoch ein Fehler bleiben aufgrund der zeitlichen Abweichung zwischen der Messung und der Korrektur der Schallgeschwindigkeit. Vor allem wird der Fehler erhöht, wenn eine schnelle Temperaturänderung auftritt.

Dagegen tritt gemäß der Erfindung kein Fehler aufgrund der verzögerten Messung auf, da das Signal für die Differenz der Laufzeiten als Basis für die Durchflußgeschwindigkeit und die mittlere Laufzeit als Basis für die Korrektur stets gleichzeitig gemessen werden. Durch Änderung der Kennlinie des Funktionsgenerators ist die Erfindung für Ultraschall Durchflußmeßeinrichtungen für alle Arten von Flüssigkeiten anwendbar.

Bedeutung der Bezugszeichen 1, 1′Ultraschallwandler 2, 2′keilförmiges Element 3Flüssigkeit 4Rohr 5Oszillator 6 a, 6 b, 6 cUmschalter 7Empfangs- und Zeitmeßschaltung 8Speicherglied (T 1) 9Speicherglied (T 2)10Rechenschaltung zur Berechnung der Laufzeitdifferenz (Δ T) 11Umrecheneinheit12Rechenschaltung für die mittlere Laufzeit T 0 13Rechenschaltung zur Korrektur der Schallgeschwindigkeit

Claims

1. Verfahren zur Ultraschall-Durchflußmessung mit einer durch eine strömende Flüssigkeit verlaufenden Ultraschall-Übertragungsstrecke, die abwechselnd in Strömungsrichtung und gegen die Strömungsrichtung betrieben wird, wobei jeweils die entsprechenden Laufzeiten T 1 und T 2 der Ultraschallwellen gemessen und mit einer Rechenschaltung aufgrund einer vorgegebenen Gleichung aus deren Differenz die Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelwert T 0 der beiden Laufzeiten T 1 und T 2 bestimmt und einer Rechenschaltung (13) zugeführt wird, die einen dem Mittelwert T 0 entsprechenden Korrekturwert K bestimmt, der so mit dem Meßwert für die Strömungsgeschwindigkeit verknüpft wird, daß der Einfluß der Schallgeschwindigkeit auf den gemessenen Strömungsgeschwindigkeitswert eliminiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Korrekturwert K zumindest näherungsweise der Funktion K =1/sin R · (T 0-τ ) ² entspricht, wobei τ die Laufzeit in der Rohrwand und R der Ausbreitungswinkel der Ultraschallwelle bezogen auf eine senkrecht zur Rohrachse liegende Achse ist.

3. Ultraschall-Durchflußmeßeinrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, mit je einem Speicherglied (8, 9) für die Laufzeit in Vorwärtsrichtung (T 1) und Rückwärtsrichtung T 2 und einer nachgeschalteten Rechenschaltung (10) zur Bildung der Laufzeitdifferenz ( Δ T), dadurch gekennzeichnet, daß den Speichergliedern (8, 9) zusätzlich eine Rechenschaltung (12) zur Bildung eines Mittelwerts (T 0) der beiden Laufzeiten (T 1, T 2) nachgeschaltet ist und daß beide Rechenschaltungen (10, 12) ausgangsseitig mit einer Rechenschaltung (13) zur Kompensation des Einflusses der Schallgeschwindigkeit verbunden sind, an deren Ausgang ein korrigierter Wert für die Strömungsgeschwindigkeit ansteht.

4. Ultraschall-Durchflußmeßeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rechenschaltung (13) ein Funktionsgenerator ist, der zu Werten T 0 entsprechende Korrekturwerte abgibt.